（道路与铁道工程专业论文）重载作用下高抗折强度水泥混凝土设计方法研究.pdf

摘要 高抗折强度路面混凝土是一种新型高技术路面混凝土，是在大幅度提高普通 路面混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土。高抗折强度路面混 凝土具有“高抗折强度”、“高耐久性”和“优良工作性”的特点，属于高强、高 性能路面混凝土，且有广泛的应用前景，为重载交通水泥混凝土路面的发展提供 了一条崭新的道路。 本文通过室内试验，对高抗折强度路面混凝土主骂进行了系统研究：首先探 讨分析了配制高抗折强度路面混凝土原材料技术要求，以普通路面混凝土配合比 设计方法为基础上，提出了适合于高抗折强度路面混凝土的配合比设计方法；系 统研究了不同类型高抗折强度路面混凝土的力学特性；研究了高抗折强度路面混 凝土的路用性能，结果表明，其干缩、温缩、抗冻、耐磨和耐疲劳等性能均优于 普通路面混凝土；研究了高抗折强度路面混凝土的水泥石和界面过渡区的微结 构，并分析了其本构关系；根据室内试验研究成果，结合试验路工程，提出了高 抗折强度混凝土路面的施工关键技术；对高抗折强度混凝土路面使用寿命进行分 析评价，实践表明应用重载水泥混凝土路面轴载计算理论设计的路面更切合实 际。进行了技术经济分析，结果表明，高抗折强度混凝土路面的经济性明显优于 普通混凝土路面。 关键词：高抗折强度路面混凝土，配合比，力学性能，路用性能，施工关键技术， 经济性 ； 母 a b s t r a c t l i 曲b e i l d i n gs 乜锄g t hp a v 锄e n tc o 砒( 曲s p c ) i sn e wh i g h t hc o n c 眈， w i l i c hi sah i g h - p e r f o m 卸c em a d eb ym o d c r nt e c h n o l o 舒h b s p ch a v et h ec t 埘a c t e r o fh i g h - b 衄d i n gs t r c n g t h w e l l d u r a b i l 时锄d 丘i l e w r k a b i l i 吼nh 硒a 丽d cp r o s p e c t 锄d p r 0 “d c san e w s o l u t i o nt 0t | 1 ec e m e mc o n c r e t cp a v 啪t 稍mh e a v yl o a d i n g t h r o u g hl 址哪m o r yt e s tt h ep 印e rr e s e 锄c h e si n t 0 硒p e c t so fh b s p c a sf o l l o w s ： 恤p a p e r p r e s e n t s 也e d e m 柚d o f m w m a t e r i a l w i l i c h 咖s p c i s m a d e 、i t h f i r s t l y ，a n d 百v 龉m em i x t l l r cd e s i g no nl h i sb 鹊i so f n ( 咀n a l 球l v 既n e mc o n c r e t e sm e t h o d t h em e c h a l l i c a lp r o p e n i e so fh b s p ci s 毋，s t e 玎缸cs t i l d i e db ym em e 孤so f s e n g i ht e s t ；1 1 l ep a v 锄e n tp e 疵衄1 肌o fh b s p ci sf i l l l ye v a l l l a t e d t h es t l l d y i n l 王i c a c c st 量l a th b s p ch 勰朋1 i n e n tp a v e m e n tp e m 脚姐c e t h er e s i l l ts h o w s l 砒t l ：屺 p r o p e n yo f h b s p c i sb c 肚盯t h a n 瑚恤a lp l v 咖曲tc m l 删ep i q 哪， a tm e 涨血1 e ，i n 佃f h c cs t r u c t l 鹏锄d t l l e 托l a l i b e 咖i t 舭dp r i 嗍o f l m s p ci s 咖d i c d 1 ks t i l d ya n a l y 乃曙t l l ef i l r l c t i 蛐妯觚i 锄o f m s p ci nm e i n l p r o v 锄e n to fp a 、喇n t t b r o u g ht h ee x 肼埴i m e m a lp r o j e c t st l l ec o n s m l c t i p 似脚w eo f 髓s p ci s 咖d i e d 舶mt c c h n o l o g ya 1 1 de c o n o m yp o no fv i 州 缸a l y sd 圮e c o n o n l i cb e f i t so f 印p l i c a t i o nh b s p c 船s u 血c c t l l r d u 曲e c o n o r n i c 趾a i y s i sw ec a nc o n c l u d et 1 1 a tt h ee c o i i l i cb e l l e mo f 髓s p ci sb c t t c 髫t l l 缸m a to f n o m l a lp 孙，e m e n t 伽咀c r e t e k e yw o r d s ：h i 曲b e n d i n gs 吮i l g t hp a v 嘲e n tc 蹦嚏c ，n l i x t u 陀d e s i g n ， m o c h a i l i c a lp 1 o p c r 眈p a v e m e n tp 幽衄柚c c ， k e yc 0 璐蜘l c t i o np l d c c d u r c ，t 醣k l o l o g y 姐d 即o m y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 张款利 论文知识产权权属声明 伊年! ；其 ；b 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 论文作者签名：雪羹 j一年r 月岁日论文作者签名：多匙奄0 私j一年r 月岁日 铷一 辱知雷勋占年m 占曰 ；乳j 哥2 功了 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 随着改革开放的深入，国家与各地政府纷纷加大了对交通基础设施特别是 公路的投资，并取得了令人瞩目的成就，特别在。九五。、。十五“期间更是迎来了 我国公路建设的高速发展时期，截止到2 0 0 3 年底，我国已拥有高速公路3 万公里， 居世界第二位，公路总里程也超过了1 8 0 万公里。 水泥混凝土路面具有强度高、耐久性特别是水稳性优良、养护费用低、利于 夜间行车等优点。随着交通事业的发展，国产优质沥青资源变得匮乏，主要沥青 品种含蜡量较高，不适宜应用于重交通路面。目前国内在建和已建的沥青面层类 高速公路大多采用进口沥青，导致道路建设成本提高，对我国交通基础建设的安 全性影响很大同时，我国是世界水泥生产和出口第一大国，拥有l o o o 多家大中 型水泥厂，修筑水泥路面料源丰富，运距一般不超过2 0 0 l ( m ，我国有修筑水泥路 面资源优势。 同时近年来我国水泥混凝土路面的施工工艺与十几年前相比有很大的进步， 尤其日益成熟的高等级公路路面滑模摊铺技术迅速提高了水泥混凝土路面的舒 适性和平整度，已能满足高速公路的行车需要。特别是近几年，在我国水泥路面 发展势头相当迅猛。交通部启动了通县公路和县乡公路建设，交通部公路司公布 截止2 0 0 4 年我国修筑的水泥混凝土路面里程与高级路面总里程见图卜1 。在可预 见的将来，水泥路面将会更加迅速地发展。 图卜1我国水泥混凝土路面里程与高级路面总里程 值得注意的是，随着我国国民经济和公路交通运输事业的高速发展，公路运 输出现了“重载、大流量和渠化交通”的特点，重型货车及超载车辆急剧上升，引 起实际累计标准轴次的急剧增加，严重的重载交通使现有水泥混凝土路面产生过 早损坏，在使用初期即出现断裂、唧泥、脱空、错台等损坏，有些路段面板甚至 完全碎裂，使路面使用寿命大大缩短导致路面过早破坏，因而对公路路面的结 构强度和使用性能提出了更高的要求 我国现行水泥混凝土路面设计理论和方法、旌工技术对重载交通基本未作考 虑，目前混凝土路面的使用状况表明，普通路面混凝土材料很难满足重载交通的 需要。为了适应交通事业发展，对重载交通道路的研究变得越来越迫切。目前对 重载交通水泥混凝土路面面层材料的研究还较少高抗折强度路面混凝土( h i g h b e n d i n gs t r e n g t hp 8 v e n tc o n c r e t e ，简称髓s p c ) 是一种新型路面材料，属 于高强、高性能混凝土，其特点是“高抗折强度”、“良好耐久性，和“优良工作性”。 本研究提出的高抗折强度路面混凝土定义如下： 混凝土的设计2 8 d 抗折强度在5 5 肝a 以上( 5 5 m p a 、6 oh 嗡、6 5m p a ) ，施 工抗折强度不低于6 o 姗a ，抗压强度不低于4 5 肝a ，新拌混凝土具有良好的工作 性且坍落度损失小。同时混凝土要具有较强的抗冻性、耐磨性和耐疲劳性能。 可见，高抗折强度路面混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普 通路面混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土。用于重载交通作 用下的水泥混凝土路面，不仅可以提高路面抵抗重载交通破坏的能力，当重载混 凝土面板很厚、材料用量很大时还可以用于减薄路面厚度。因此，研究开发高抗 折强度且高性能的路面混凝土以满足重载交通水泥混凝土路面的要求具有重要 的现实意义。 1 2 国内外研究概况 国内外对水泥混凝土路面的应用都非常重视，特别是在高等级重载交通道路 上，水泥混凝土路面得到广泛的应用，同时用于路面的混凝士也不断趋于高强、 高性能化。高强混凝士是在7 0 年代初期开始在国际范围内得到推广应用的，以后 又在其组分中加入硅粉、超细矿渣、优质粉煤灰等矿物掺合料而使其性能更趋完 善。高性能混凝土是继高强混凝土之后，在高强混凝土的研究和应用达到较高水 一 害 平的基础上发展起来的一项新技术产品高性能混凝土是在8 0 年代末9 0 年代初才 出现的，至今也只有十多年的时间。多年来，很多国家都对高性能混凝土进行了 大量的研究开发工作，高性能混凝土的研究开发受到了各国政府的高度重视“1 。 第二次世界大战以后，水泥混凝土路面在西方发达国家也得到了迅猛的发 展，尤其是经历过石油危机的影响。欧美各国从国家战备资源的角度考虑，纷纷 加大了对水泥混凝土路面的建设投入。 如比利时目前水泥混凝土路面占高级路面总里程的比例达到5 0 ；德国在修 筑的高速公路几乎全部采用水泥混凝土路面；目前在英国新建干线公路中，水泥 混凝土路面所占的比重已达到5 5 ；美国通过多年对高等级公路路面的观察检 测，注意到水泥混凝土路面的使用年限远远超过沥青路面，加之上世纪7 0 年代石 油危机的影响，对水泥混凝土路面的建设一直都不遗余力，为此美国联邦公路局 ( f h w a ) 与美国公路改革研究基金会( i p r f ) 在1 9 9 9 年签订了一个协议，目的 在于研究路用性能更优良、性价比更高的水泥混凝土路面，并将其上升到法律高 度，规定每年至少要投入5 0 0 万美元来支持此项研究，目前美国水泥混凝土路面 占高级路面的比例已上升为5 5 ，且近年来又有加大投入的趋势u 1 ；1 9 8 6 1 9 9 3 年，法国由政府组织包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等2 3 个单位开展了 “混凝土新方法”的研究项目，进行高强高性能混凝土的研究。瑞典1 9 9 l 1 9 9 7 年由政府和企业联合出资5 2 0 0 万克朗，实施高性能混凝土研究的国家计划。 近年来，我国高强混凝土和高性能混凝土的研究、应用有较快发展，但由于 缺少统一规划和计划，经费不足而缺乏系统研究。我国对高强混凝土的研究是从 7 0 年代后期开始嘲，有许多研究机构、高等院校和施工单位在研究与应用高强混 凝土上做了大量的工作。高强混凝土委员会已于1 9 9 5 年编制出版了高强混凝土 结构设计与施工指南为高强混凝土结构设计提供了理论依据。我国开展高性能 混凝土的研究工作虽然较欧美发达国家有所滞后，但近几年也得到了迅速发展。 1 9 9 6 年北京市科委、市建材研究院、北京市建筑工程研究院等四单位实施“高强 与高性能混凝土”重点科研项目，从外加剂、砂石料，复合水泥及掺合料，乃至 包括标准和试验方法等多方位联合攻关 我国对高强混凝土和高性能混凝土的研究与应用已经取得了一定的成果，但 对高性能混凝土在公路水泥混凝土路面中的研究与应用还相对较少。长安大学曾 3 对掺硅粉的高性能路面混凝土配合比设计及路用性能进行研究。1 9 9 9 年，山西京 大高速公路( 超重轴载) 全线设计中使用了抗折强度5 跏p a ，要求施工抗折强度 为6 3 5 肝a 的水泥混凝土路面在京大高速公路河北段采用掺加高效减水剂和i 级粉煤灰方法铺筑了设计抗折强度6 o 肝a ，旌工抗折强度不小于7 0 咿a 水泥混凝 土路面试验路段 综上所述，国内外对于建筑用高强混凝土和高性能混凝土的研究已取得了一 定的成果，但对于道路路面用高抗折强度混凝土的原材料、配合比设计、力学特 性、路用性能及旌工特点有待进一步的系统研究。 1 3 主要研究内容和研究方法 本研究主要在分析普通路面混凝土的不足基础上，研究了高抗折强度路面混 凝土的力学性能和路用性能。普通路面混凝土一方面抗折强度低，一般2 8 d 设计 抗折强度小于5 o 卿a ，难以承受超重轴载的破坏；另一方面耐久性差，尤其是耐 疲劳性能差，难以承受重载增加的累计标准轴载，使路面使用寿命大大缩短目 前对重载道路的研究主要集中在路面设计方法上，对适合重载交通的水泥混凝土 研究较少 1 3 1 研究内容 高抗折强度路面混凝土的研究包括多方面内容。作为一种目前在我国应用很 少的新型路面材料，应该首先研究适用于路面要求的原材料特性和配合比设计方 法。对于高抗折强度路面混凝土的物理力学性能和耐久性，本文将作为重点内容 进行研究。此外，还进行了必要的技术经济分析本文的研究内容主要包括以下 几方面： 1 提出针对高抗折强度路面混凝土原材料的性能要求 根据h b s p c 的使用性能、应用特点，结合本研究的试验研究及相关规范，提 出耶s p c 用原材料的技术要求。 2 提出基于高抗折强度路面混凝土的配合比设计方法 在普通路面混凝土配合比设计方法的基础上，通过试验研究，提出适合于 船s p c 的半经验半理论的配合比设计方法 - 3 集料性能对高抗折强度路面混凝土强度性能的影响研究 总结了集料性能包括最大公称粒径、压碎值和级配对高抗折强度路面混凝土 4 f ? 强度性能的影响，提出确定高抗折强度路面混凝土集料级配的改进逐级填充法 4 高抗折强度路面混凝土强度特性研究 研究了硅粉、纤维网及聚合物对h b s p c 抗折强度、抗压强度和劈裂强度特性 影响；并分析了h b s p c 强度随龄期的变化规律，研究了髓s p c 不同强度之间的关系。 5 高抗折强度路面混凝土体积稳定性研究 研究h b s p c 的干缩特性和温缩特性，并分析h b s p c 路面施工中裂缝的成因，提 出防止措施：高抗折强度路面混凝土耐久性研究。 6 高抗折强度混凝土路面路用性能研究 通过室内试验，研究了h b s p c 的耐磨性、抗冻性和耐疲劳特性。 7 高抗折强度路面混凝土组成结构研究 高抗折强度路面混凝土的组成、结构及其与性能的关系研究。研究h b s p c 的 水泥石和界面过渡区的微结构，并分析h b s p c 结构特点与其性能的关系。 9 结合试验路工程分析研究高抗折强度混凝土路面施工工艺，总结 i b s p c 路面 的施工关键技术 “ l o 重载水泥混凝土路面结构组合设计研究和运用重载水泥混凝土路面轴载计 算方法对高抗折强度水泥混凝土路面进行寿命分析。 l l 。运用工程经济学原理和定量化的科学方法分析评价高抗折强度路面混凝土 路面结构经济效益。 1 3 2 研究方法 本课题以解决公路建设过程中普通混凝土路面混凝土抗折强度低、耐久性差 的问题为宗旨，以秦皇岛交通局和长安大学先进的试验技术为依托，紧密结合工 程实际，采用前期调研与后期试验结合，理论分析与现场检测相结合，现场检测 与室内试验相结合的方法，在高抗折强度路面混凝土的原材料、力学性能和路用 性能方面开展对高抗折强度路面混凝土系统研究工作，研究技术路线见图卜2 。 图1 - 2 技术路线示意图 6 批 j 第二章高抗折强度路面混凝土的原材料 高抗折强度路面混凝土使用和普通混凝土基本相同的基质原材料( 如水泥、 砂、石) ，同时必须使用外加剂和矿物掺合料。但是由于高抗折强度路面混凝土 有其要求和配制特点，原材料中对普通混凝土影响不显著的因素，对高抗折强度 路面混凝土可能有显著影响，因此高抗折强度路面混凝土对原材料技术要求比普 通混凝土高。配制优良性能的高抗折强度路面混凝土，应该首先研究原材料的技 术要求。 2 1 高抗折强度路面混凝土基质材料 混凝土基质材料包括水泥、集料、减水剂及拌和用水。 2 1 1 水泥 水泥的质量将直接影响混凝土路面的强度、体积稳定性和耐久性等关键性 质。对配制高抗折强度路面混凝土所用水泥的性能应具有更高的要求，除了水泥 的活性( 标号) 以外，应考虑其化学成分、细度、粒径分布甚至微量成分的影响。 1 水泥品种和强度 配制高抗折强度路面混凝土应采用抗折强度高、收缩小、耐磨性强、抗冻性 好且质量均匀的旋窑水泥，不得使用立窑水泥。 关于r 型水泥的使用问题，r 型水泥铝酸三钙含量较高，不仅收缩很大，而且 水化热大，凝结时间短，容易引起温度开裂。夏季环境温度很高，若使用r 型水 泥，混凝土温度很高，再加上使用高效减水剂，导致坍落度损失很大，凝结时间 缩短，不仅不利于路面施工，而且会产生严重的温度裂缝。在低温季节施工或有 提早通车要求时，可采用r 型水泥；在正常施工条件下，尤其在高温季节，不宜 使用r 型水泥。 根据本文第四章的研究结果，加入掺合料后，使抗折强度的早期增长率提高， 抗压强度的早期增长率相对减小，从而降低了混凝土的早期脆性，如图2 1 所示。 7 3 其它要求 摊铺高抗折强度混凝土路面时。宜选用散装水泥为防止温度裂缝，应限制 水泥的温度。散装水泥的夏季出厂温度：南方不宜高于6 5 ，北方不宜高于5 5 ：混凝土拌和时的水泥温度：南方不宜高于6 0 ，北方不宜高于5 0 ，且不宜 低于1 0 。水泥使用前，必须经过试配检验。 2 1 2 集料 集料是混凝土中含量最大的组成材料，粗细集料在混凝土中约占8 0 ，所以 混凝土中集料的重要性是不言而喻的。 1 粗集料 1 ) 粗集料的技术要求 碎石混凝土的抗折强度高于破口石和砾石，更易配制出6 o m p a 以上的高抗折 强度路面混凝土，因此配制h b s p c 宜使用碎石碎石的技术指标应满足公路水 泥混凝土路面旖工技术规范( j t gf 3 0 一2 0 0 3 ) 中级以上集料的技术要求，不 得使用级碎石。有抗( 盐) 冻要求时，i 级碎石的吸水率不应大于1 0 9 6 ，级 碎石吸水率不应大于2 0 9 6 。 试验发现，高抗折强度路面混凝土试件的断裂面上，已有相当数量的粗集料 被劈裂，说明粗集料本身的强度和结构对高抗折强度路面混凝土的抗折强度、断 裂韧性和脆性产生了决定性作用，如果粗集料本身的强度很低，无论如何混凝土 的抗折强度是不会提高的。因此，配制高抗折强度路面混凝土首先必须保证石料 的强度满足要求 2 ) 粗集料的最大公称粒径与级配 与普通混凝土相比，高抗折强度路面混凝土的抗折强度对界面更敏感。用小 粒径石子时，水泥浆体和单个石子界面的过渡层周长和厚度都小，难以形成大的 缺陷，有利于界面强度的提高。粒径越小，石子本身的缺陷的几率越小，同时， 提供强度的主界面面积增大因此，减小粗集料的最大公称粒径，有利于提高混 凝土的抗折强度、增大疲劳极限、改善拌合物的匀质性、提高耐久性和平整度等 性能。同时，粒径越小，表面积越大，需要包裹表面的水泥浆量越大，而且路面 板易出现收缩裂缝，因此，选用最大粒径在2 0 如r n 砣6 5 删n 之间的粗集料。 粗集料的级配直接影响到混凝土的抗折强度，良好的级配是保证混凝土形成 9 具有嵌锁力的骨架密实结构的关键。连续级配碎石配制的混凝土抗折强度高于| h j 断级配的。配制h b s p c 用粗集料的级配范围应满足公路水泥混凝土路面施工技 术规范( j t gf 3 0 2 0 0 3 ) 中规定的级配范围，该级配是国家0 2 5 课题按照级配 理论计算过的已在水泥混凝土路面上使用了1 0 多年的级配，有坚实的理论和实践 基础，同样适用于高抗折强度路面混凝土 h b s p c 用粗集料是产自西安市石料场的碎石，分为三档，粒径分别为5 1 0 册 。cd 和1 0 2 0 啪和2 0 2 5 咖，最大公称粒径为2 5 嗍。其性能列于表2 2 ，满足公路 水泥混凝土路面施工技术规范( j t gf 3 0 2 0 0 3 ) 规定 表2 2 碎石技术指标 项目 5 l o ml o 2 02 0 2 5 m l 表观密度( g c m 3 ) 2 7 82 7 7 22 7 6 4 含泥量( ) 2 1 5o 9 50 3 吸水率( )1 0 4o 6 40 4 6 针片状含量( ) 5 94 o2 7 2 细集料 常用的细集料有天然河砂、湖砂、山砂、淡化海砂、机制砂和混合砂，河砂 经过长期水流冲洗，粒形较圆、较洁净，质量最好，高抗折强度路面混凝土宜采 用质地坚硬、耐久、洁净的天然河砂。试验时曾用细度相近，含泥量不同的山砂 ( 3 4 ) 和河砂( o 8 ) 拌制混凝土，山砂混凝土的坍落度为2 0 啪，河砂的为1 0 0 哪， 可见山砂的含泥量过大明显降低了混凝土拌合物的工作性，达到相同稠度时还会 增加水泥用量，这些对高抗折强度路面混凝土是不利的。 高抗折强度路面混凝土用砂应不低于级，砂的硅质含量不低于2 5 。砂的 含泥量和泥块含量过多是影响砂质量的主要问题，应严加控制，不得超过2 。 随着砂细度模数增加，抗折强度略有增大。细度模数过小( 3 5 ) ，不但路表面微观抗滑构造深度大，而且过粗砂路面平整度难于 满足要求。为了保证高抗折强度混凝土路面的抗折强度和耐磨性，应使用细度模 数在2 3 3 2 之间的i 、i i 区中砂、中粗砂和偏细粗砂。同时，砂的级配应满足 - 一 2 5 1 3 5 0 电o 合格 2 1 3 高效减水剂 高抗折强度路面混凝土是具有一定高的强度和高的耐久性及一定工作性的 混凝土，高效减水剂是其不可缺少的组分之一。 1 高效减水剂的各项技术指标 高效减水剂的各项技术指标应满足公路水泥混凝土路面施工技术规范 ( j t gf 3 0 一2 0 0 3 ) 中的要求，减水率应大于1 5 ，但不宜过大减水率很大时， 一方面，达到相同的稠度时可能会使水泥用量偏小；另一方面，使混凝土的粘聚 性和坍落度损失大大增加，不利于路面施工高抗折强度路面混凝土宜选用减水 率大、坍落度损失小、可调控凝结时问的复合型高效减水剂，如引气缓凝高效减 水剂、引气早强高效减水剂等 2 高效减水剂与水泥的适应性 高效减水剂与水泥中的铝酸三钙( c 3 a ) 发生相互作用，c 小是水泥矿物成分 中水化速度最快的的组分，其反应受硅酸盐水泥生产中加入的石膏控制。石膏有 二水、半水和无水硫酸钙等不同形态，溶解速度各不相同，且无水石膏的溶解性 与其结构和来源有关，在实际应用中情况还要复杂得多 如果两种水泥的总硫酸盐含量相同时，硫酸盐随其来源不同，在早期与c a 反应者会有多有少若能反应的可溶解硫酸盐太少，则硫酸根离子被释放的速度 太慢，会以高效减水剂被c 扭束缚的形式进行，这样高效减水剂也就无法改善拌 合物的工作性，就称该水泥与高效减水剂不相容。所以配制高抗折强度路面混凝 土时，须对所用硅酸盐水泥与高效减水剂的适应性进行检验。 高效减水剂与水泥的适应性检验应分别从坍落度损失、粘聚性、泌水性、减 水率和凝结时间等多方面对比评选，并经过技术经济分析后，最终确定最佳减水 剂。高效减水剂存在一个最佳剂量，配制高抗折强度路面混凝土前，需要进行试 验首先确定高效减水剂的最佳掺量图2 2 是试验所用高效减水剂的掺量与混凝 ，。 ， 土减水率的关系，可以看出曲线的拐点所对应的最佳掺量为1 ， 图2 2 高效减水剂掺量与混凝土减水率关系 2 1 3 拌和用水 与普通混凝相比，高抗折强度路面混凝土由于加入高效减水荆和掺合料对 水更加敏感，因此必须严格控制拌和及养护用水的质量宜选用饮用水，也可采 用河水，当选用河水时，每月取样化验1 次( 每年的6 9 月，每月抽检两次) 。任 何水位明显变化时应组织抽检，拌和水的p h 值为5 9 。在特殊季节施工时，还应 注意控制水的温度。 2 2 掺合料 掺合料是高抗折强度路面混凝土的第六组分，也是普通混凝土高强、高性能 化的主要材料利用不同品种、不同数量及质量的掺合料等量或超量取代混凝土 中的部分水泥，是提高混凝土强度和耐久性的主要技术途径之一掺合料包括两 大类：a 具有火山灰活性的矿物超微粉，例如粉煤灰，粒化高炉矿渣、沸石粉、 硅粉、磷渣超细粉及其复合超细粉等；b 各种纤维及聚合物等化学试剂，如聚丙 烯纤维网。钢纤维，炭纤维等，水泥混凝土掺加聚合物以及聚合物共混乳液能有 j 效改善混凝土的抗折强度。 。 2 2 1 高抗折强度路面混凝土中矿物超微粉一硅粉主要作用 1 ) 填充作用 由于掺合料很细，能置换出混凝土中更小的空间中的水泥，不仅使混凝土更 加密实，而且加速水泥充分水化其强度、抗渗、耐磨、抗冻、抗腐蚀性能均得 到较大幅度的提高，并且其干缩及徐变降低 1 2 2 ) 晶种作用 普通水泥硬化浆体与骨料界面中的氢氧化钙的形貌与掺1 0 硅粉水泥硬化浆 体与骨料界面中的氢氧化钙的形貌分别如图2 3 ( a ) 和( b ) 所示。 ( b ) 图2 3 水泥硬化浆体与骨料界面中的氢氧化钙的形貌 微小的超微粉颗粒在水泥颗粒周围具有“晶种”作用能更有效地细化及吸收 界面中的氢氧化钙晶粒，使水泥水化的氢氧化钙晶体尺寸更小，取向更随机。 3 ) 滞水作用 超微粉比表面积巨大，例如1 m 3 混凝土中掺入4 0 k g 硅粉，相当于引入约l k m 2 的表面积，润湿如此大表面积的水分被就地滞留而无法迁移，因此硅粉混凝土完 全没有泌水，并且在骨料和钢筋下面也没有泌水聚集，界面强度显著提高。 4 ) 滚球润滑作用 超微粉掺合料颗粒比水泥要细，且表面为球状形态，对混凝土拌合物有滚球 润滑作用，从而改善混凝土的工作性能。 5 ) 胶凝材料及火山灰反应作用 矿物掺合料不仅是胶凝材料，可以凝结硬化，产生强度，更重要的是在一定 的碱度条件下，能与水泥水化产物c a ( o h ) ：发生火山灰反应，改善了水化物组成 与过渡区微观结构。 此外，利用掺合料还可以节约能源、保护环境，充分利用工业废料，使高抗 折强度路面混凝土朝着绿色混凝士的方向发展。 本文用矿物掺合料一一硅粉来配制高抗折强度路面混凝土。 1 硅粉性能概述 硅粉是硅铁和硅金属生产中的工业尘埃，它是在冶炼硅、铁合金时由电弧炉 1 3 p 。? “ 。 中高纯度石英与焦碳发生还原反应而生成的，高温气化s i 仉冷凝形成的细小球形 颗粒，主要成份为无定性s i 仉，具有非常高的火山灰反应活性 硅粉的平均密度约为2 2 l 喀以松散体积密度为2 5 0 3 0 0 k g 一硅灰很细， 比表面积约为2 0 ，0 0 0 l 唔( 氮吸附法测定) ，水泥比表面积为3 0 0 4 0 0 n 1 2 ，蚝 大部分硅粉颗粒粒径小于l m ，平均粒径为0 1 呻，仅为水泥颗粒的百分之一左 右 硅粉具有以下特性 “ ( 1 ) 硅粉是一种非常细的粉末，平均粒径为o 1 j m o 2 岬； ( 2 ) 因为硅粉是从蒸汽冷凝而得，故其粉末具有非常完美的球状形态；这种 。 粉末含有8 5 9 5 以上玻璃态的活性二氧化硅。 2 硅粉技术指标 硅粉的主要品质指标是s i 如含量和细度s i 如含量越高、细度越细，其对混 凝士的改性效果也越好硅粉颜色从浅灰色到深灰色，其品质可以从外观颜色做 初步判断，即含碳量越少呈现颜色越浅，用做水泥的混合材料品质就越好。表2 q 列出了中国和美国对硅粉主要品质指标的规定： 表2 4 中国和美国对硅粉主要品质指标的规定要求 细度火山灰活性指数 国别 含量( ) 比表面积( m 2 ，g )湿筛余法( 4 5 u m ) 届 中国 8 51 51 09 0 美国 7 0，1 07 5 3 硅粉的火山灰作用机理 一方面硅粉非常细，比表面积值高达1 5 2 5m 2 g ，因此，硅粉的化学反应 速率高；另一方面，硅粉形成于气体一气体间的反应，s i q 的缩合度相当高，因 此有很高的化学反应活性，以上两个关键要素决定了硅粉具有良好的化学反应性 质，应用界面科学原理可以得到统一的解释当把硅粉掺入混凝土中后，硅粉和 水接触，部分小颗粒迅速溶解，溶液中富s i 如贫c a 的凝胶在硅粉粒子表面形成附 着层，经过一定时间后，富s i 砚和贫c a 凝胶附着层开始溶解和水泥水化产生的 c a ( 0 h ) ：反应生成c _ s - h 凝胶。 考虑到价格和路用性能等因素，通过课题组对国内市场进行调查，试验选用 了两种硅粉。 硅粉i ：陕西金英超细材料有限公司生产的p g h 一4 0 0 硅粉 1 4 。一一 一一” 硅粉：甘肃兰州西北钢铁有限公司生产的s i 如一2 硅粉，其性能指标如表 2 5 所示 表2 5p g l l 4 0 0 及s i 如一2 硅粉的粒度指标及理化指标 种类硅粉i硅粉 代号 p g h 一4 0 0s i 如一2 粒度 中位粒径p m 1 6 2 0o 1 比表面积2 g 2 1 0 0 2 4 0 02 4 0 0 0 指标 累积粒度 中3 9 岫7 5 物理密度1 0 3 吨m 3 2 6 5 o 0 52 2 0 o 0 5 指标 含水率 o 2o 2 s l 旺含量 9 9 4 0 9 0 o 化学f e _ 0 3 o 0 31 0 0 指标 1 _ 瞻 o 2 0 烧失量 4 o 4 硅粉的使用方法 硅粉砼对骨料的要求比较严格，对细骨料而言，要求长、扁颗粒和云母、粘 土含量越少越好。一定不能超过规范要求，对于一般公路、桥梁工程c 6 0 以下的 砼，其骨料的颗粒最好 c6 0 有特殊要求的超高强砼，则其骨料颗粒要 求 2 血为宜。 在高抗折强度路面混凝土中掺加硅粉时，按等量置换法取代水泥，硅粉最 佳掺量为l o ，其储存和运输等要求与水泥相同，在搅拌楼应增加一个罐仓进行 计量。 2 2 2 聚丙烯纤维网 1 概述 纤维加强混凝土即混凝土纤维加强筋，利用纤维增强增韧水泥混凝土可以降 低水泥混凝土因裂缝导致的结构破坏，掺入纤维可以有效补偿高性能混凝土韧性 的不足纤维的材料及其种类一直是国内外工程界人士研究的课题。按纤维的种 类可分为硬纤维和软纤维硬纤维是由不同工艺制作的拉、拔、扎、切钢纤维； 软纤维是由合成纤维制成，按其材料分为玻璃纤维，尼伦纤维，聚丙烯纤维、碳 纤维等 2 聚丙烯网状纤维的技术指标 聚丙烯网状纤维又称纤维网，是由非再生原料生产的1 0 0 9 6 聚丙烯产品纤维 网的原材料是经过反复试验精选出的，采用纤化工艺加工而成。聚丙烯纤维网的 物理性能如表2 6 所示： 表2 6 聚丙爝纤维网的物理性能指标 比重 o 9 l 熔点 1 6 0 - 1 7 0 纤维长度1 2 - 5 l 衄 导电性低 抗拉强度 5 6 0 - 7 7 0 m p a导热性 低 杨氏弹性模量 3 5 0 m p a 安全性无毒、无刺激 3 聚丙烯网状纤维的作用机理 纤维网的原始状态呈集束状( 每束含5 8 小束) 。每小束展开后成网状，搅拌 初始，由于纤维呈束状，很容易被搅拌分散形成初步的均匀分布；搅拌中期，每 小束纤维被骨料冲击展开成网形，且每根网丝裹着水泥；随着搅拌网丝被撕开， 最终完成单丝状纤维的均匀分布称之为纤维网的“二次分布法”，这就确保了纤 维在混凝土中的绝对分布均匀( 若每立方米混凝土加入0 9 k g ，将有7 0 0 万根以上 纤维呈各向均匀分布于整个混凝土) 而且由于被撕开的单丝状纤维两侧毛糙， 与混凝土有极强的握裹力，并交织成网，互为作用，从而使混凝土得到辅助的加 强。聚丙烯纤维通过改善混凝土内在品质实现对混凝土动载性能的提高。 4 使用方法 纤维网应严格安照设计掺量加入，标准比率为0 9 k g m 3 ，可在其它混合料填 装之前、之后或同时进行( 使用时包装不必打开，包装袋受搅拌后会自动溶解于 混凝土中) ，纤维网的加入不需要附加任何水或改变正常的比例。要求使用强制 拌合机，总拌合时间不少于3 分钟浇注摊铺时，适当延长2 0 秒振捣时间，可使 混凝土更密实，更有利于纤维的三维分布加入纤维网的混凝土表面泌水较小， 这是因为纤维的均匀分布阻止了水的移动，不要为追求表面光滑而洒太多水，也 不可抹面次数太多，以免带出纤维，影响纤维的分布和强度。 2 2 3 聚合物 1 概述 在水泥混凝土中掺入聚合物乳液可以改善混凝土的脆性和不密实性，从而 提高了混凝土抗折强度作为水泥改性用聚合物，首先必须具有良好的稳定性， 以保证与水泥砂浆或混凝土拌和时不会发生分层沉淀现象，否则聚合物乳液和水 泥、粗细集料在机械的强力搅拌和振捣下，可能会出现破乳和分层离析现象，从 而影响聚合物改性水泥砂浆或混凝土整个体系的路用性能聚合物水泥混凝土发 展过程，从原材料来说，最早是天然橡胶，后来是聚醋酸乙烯酯，到了近代则是 1 6 合成橡胶( 氯丁、丁苯橡胶) ，合成树脂乳液( 丙烯酸酯及其共聚物) 、环氧树脂 乳液和水溶性树脂 聚合物水泥混凝土在我国的发展起步相对较晚，但发展的速度比较快，目 前在我国应用较为广泛的聚合物种类有聚丙烯酸醋、氯丁胶乳、丁苯胶乳等。 2 聚合物的技术指标 对以上所提到的几种聚合物乳液产品进行了前期市场调研，由于实用铺筑所 需的聚合物乳液量较大，所以对聚合物乳液的生产规模化要求较高。通过性价比 选，本文选取了羧基t 苯乳液和苯乙烯一丙烯酸乳液两种乳液。这两种聚合物乳 液的性能稳定，价格适中，两种聚合物乳液技术指标见表2 7 。 表2 7 两种聚合物乳液技术指标 l 商品牌号简称 主要成分固含量粘度p h 值l 成膜温度 稳定性l il l g 一4 2 6h g 苯乙烯、丙烯酸乳液 4 7 5 0 0 厘泊4 5l 1 很好l ls d 6 2 2 s s d 羧基丁苯 4 7 3 0 0 厘泊 9 5 l 1 l 很好l 掺入s d 乳液能够显著降低水泥砂浆的水灰比，即使掺入消泡剂后仍可以观 察到砂浆中有很多微细气泡出现，由此可见s d 乳液的表面活性作用和引气性可 以产生很强的减水性。通过试验观察，掺入消泡剂会明显降低混凝土的流动性， 说明了该乳液对消泡剂的敏感性远远高于其他聚合物。 h g 乳液是聚合物共混物，从聚合物共混物的特性看，h g 乳液共混物是在 丙烯酸高分子乳液的基础上进行了深层次的物理化学改性，附加了许多优异的性 能，如高弹、粘附性、耐水性等，施工工艺上解决了传统的聚合物无法添加填料 的缺点。h g 乳液的减水效果不太明显，同时引气作用也不如s d 乳液强。h g 乳 液在使用中可按照一定比例添加填料，从而大大降低了施工成本 3 聚合物在混凝土中的作用机理 将聚合物掺入水泥砂浆体系不仅可使聚合物与水泥砂浆相互作用，而且可利 用聚合物分子链共混时所形成的新的三维空间结构有效改善水泥混凝土中水泥 石一集料界面结构有机高分子聚合物的长分子链的结构特点以及大分子中链节 或链段的不停的自旋转运动，使之具有弹性和塑性性质。 1 7 图2 - 4 聚合物改性水泥砂浆放大3 0 倍的内部结构扫描电镜 由图2 4 可知，与普通水泥浆体相比，聚合物改性水泥浆体内部结构中能看 到聚合物膜与水化产物相互连接形成网状的不连续膜，几乎全与水泥水化产物相 互交织，且从直观上看，可知改性砼浆体中水泥水化比较充分，未水化水泥颗粒 较少。 普通水泥混凝土浆体的微小孔隙率比较小，c - s h 之间以棒条型、针状的晶 体( 钙钒石) 相连，聚合物改性剂的掺入，使水泥浆体致密，混凝土拌和物微小孔 隙率增加，水泥基形成不连续的空间结构，聚合物膜开始具有连续网状结构形状。 可知，聚合物相在水泥新生物的结晶以及凝聚结构的刚性空间骨架中( 孔隙、 裂缝或表面1 聚集，以连续网状结构存在。水泥石穿越网孔与聚合物网缠绕编织 在一起形成整体，这些网状结构相当于“微纤维”，当出现微裂缝时，聚合物的微 细纤维越过微裂缝，限制了微裂缝的蔓延，从而提高了混凝土的密实性，降低了 混凝土的脆性，使混凝土的许多性能得以改善。 4 施工应用方法 一般来讲，混凝土的强度随聚合物掺量的增加而降低，但混凝土的脆性随聚 合物掺量的增加而有所降低。抗弯性能( 抗折强度) 随聚灰比的增加而升高，但有 一个最佳值。聚合物掺量越高，增加的成本费用就更高。聚合物掺量用聚合物含 固量与水泥的重量百分比表示，叫聚灰比，记作p ，c 在混凝土中最佳掺量以固 体重量计，一般聚灰比为1 0 也o 4 施工应用方法 一般来讲，混凝土的强度随聚合物掺量的增加而降低，但混凝土的脆性随聚 合物掺量的增加而有所降低。抗弯性能( 抗折强度) 随聚灰比的增加而升高，但有 一个最佳值。聚合物掺量越高，增加的成本费用就更高。聚合物掺量用聚合物含 ； 一 埭 固量与水泥的重量百分比表示，叫聚灰比，记作p c 在混凝土中最佳掺量以固 体重量计，一般聚灰比为1 0 也o 。 2 3 本章小结 根据本章论述与试验研究，高抗折强度路面混凝土用原材料的技术要求总结 如下： 1 水泥 ( 1 ) 应采用旋窑水泥，不得使用立窑水泥。应优先采用道路硅酸盐水泥，也 可采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。在正常施工条件下，不宜使用r 型水泥， 尤其是在高温季节使用r 型水泥时，应选择抗折强度早期增长率较大的水泥， 或在混凝土中加入缓凝剂、掺合料 ( 2 ) 水泥标号应在4 2 5 级以上，并且水泥的2 8 d 抗折强度大于8 0 押a ，抗压强 度大于5 2 5 m p a ；同时水泥的化学成分和物理指标应满足 公路水泥混凝土路面 施工技术规范( j t gf 3 0 一2 0 0 3 ) 对特重、重交通路面水泥性能的使用要求。 2 集料 ( 1 ) 粗集料：高抗折强度路面混凝土研究所采用粗集料为级配碎石，石料强 度满足要求，其技术指标满足公路水泥混凝土路面施工技术规范( j t gf 3 0 一2 0 0 3 ) 中i i 级以上集料的技术要求；建议配制h b s p c 时最大公称粒径在1 6 咖 2 6 5 舢之间，推荐采用1 9 嘞：碎石按照最大公称粒径不同分为2 4 级级配，级配 范围满足公路水泥混凝土路亟施工技术规范( j t gf 3 0 一2 0 0 3 ) 中规定的级配 范围 ( 2 ) 细集料：高抗折强度路面混凝土宜采用中砂质地坚硬、耐久洁净；砂的 等级不低于级，砂的硅质含量不应低于2 5 ，砂的含泥量不得超过2 ；其它技 术要求均应满足公路水泥混凝土路面施工技术规范( j t gf 3 0 2 0 0 3 ) 规定的 i 、级砂的技术要求。 3 高效减水剂。 高抗折强度路面混凝土配制前必须对所用水泥与高效减水剂的适应性进行 检验，并确定高效减水剂的最佳掺量。 1 9 4 水 宜使用饮用水。或者经检测满足施工用水标准，同时必须严格控制养护用水 的质量在特殊季节施工时，还应注意控制水的温度 5 掺合料 ( 1 ) 硅粉：硅粉的主要品质指标是s i 如含量和细度s i 倪含量越高、细度越细， 其对混凝土的改性效果也越好硅粉品质可以从外观颜色做初步判断，即含碳量 越少呈现颜色越浅，用做水泥的混合材料品质就越好硅粉按等量置换法取代水 泥，最佳掺量为1 0 9 6 储存和运输等要求与水泥相同。在搅拌楼应增加一个罐仓 进行计量。 。 ( 2 ) 聚丙烯纤维网：聚丙烯纤维网的物理性能见表2 6 要求聚丙烯纤维网 设计掺量为0 9 k g m 3 ，纤维网的加入不需要附加任何水或改变正常的比例。纤维 网混凝土应使用强制拌合机，总拌合时间不少于3 分钟。浇注摊铺时，适当延长 振捣时间，更有利于纤维的三维分布。不要洒太多水，也不可抹面次数太多，以 免带出纤维，影响纤维的分布和强度。 ( 3 ) 聚合物乳液：s d 乳液价格适中，且能显著的改善混凝土的力学性能，聚 灰比为l o 时取得最佳效果。掺入s d 乳液能够显著降低混凝土水灰比，乳液的减 水性随掺量的增加单调提高。s d 乳液对消泡剂的敏感性高。因此应该严格控制消 泡剂的掺量。 h g 乳液是聚合物共混物，附加了许多优异的性能，h g 乳液共混物性能指 标见表2 7 。在施工工艺上解决了传统的聚合物无法添加填料的缺点，在使用 中可按照一定比例添加填料，从而大大降