（道路与铁道工程专业论文）水泥混凝土路面错台快速修补技术研究.pdf

摘要 摘要 近年来随着公路建设的发展，我国水泥混凝土路面的公路里程逐年增加，目前 在我国已建成的水泥混凝土路面中，在使用初期已出现了不同程度的病害，尤其 是混凝土板的错台，它的危害性也越来越引起重视。因此，研制一种既方便又快 速的修补材料来对水泥混凝土路面板错台进行有效处治的研究变得十分迫切和必 要。 本课题依托重庆市科委攻关项目及广西交通厅科技计划项目“水泥混凝土路 面破坏机理及处治技术研究0 在比较当前国内外水泥混凝土路面快速修补材料的 基础上，选用聚合物丁苯胶乳改性普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥，按照正 交设计方法，确定这两种水泥的最佳配比，并对优选配合比做进一步的路用性能 比较。借助金相显微镜和扫描电镜对修补材料进行微观分析，提出了配合比中各 个组分的作用机理。选用界面双剪试验分别对不同粗糙度和不同界面剂以及不同 龄期进行试验，确定出最佳界面剂以及界面处理方式。通过数值拟合，给出界面 粘结强度多因素预测计算公式。在整体成型混凝土中骨料与水泥石界面理论的基 础上，进一步提出了新老混凝土界面粘结理论，分析界面区粘结机理，并详细探 讨了界面剂、粗糙度以及新混凝土的收缩率对粘结性能的影响机理，探索粘结过 程的规律。结合广西路面结构和材料参数，用大型有限元软件a n s y s 仿真分析新 老混凝土界面粘结层上的应力状态，通过力学分析验证了新老混凝土界面粘结的 工程可行性，并对修补厚度、新补混凝土模量、受力位置和荷载等因素变化时对 界面粘结层的应力状态的影响进行必要的分析，为实际工程提供参数。 关键词：水泥混凝土路面错台快速修补羧基丁苯胶乳快硬硫铝酸盐水泥机理 分析有限元分析a n s y s 软件 摘要 a b s t r a c t w i n lt h cd e v e l o p m e n to fh i g h w a y so s 咖c t i i nn 戳my 髓船，t h em i k 犍r eo f c 咄l e t eh i 曲w a y si no 眦c o 叫时h a y e a r l yi n c 黜c d a tp m s 饥t ，a l l 】【i l 缸so f d a m a g eh a v ea p p e 砌i np a r t so fo o 眦僦ep 列锄l 锄t 8 砌c hh a v eb 黜p a v e d 丽t h i n t h e i re a i l y 锄p l o y e dp e i i o d 8i n 叩rc o 眦e 叩i a l l yt h ed a 】呦g eo f 细i l n n go f 出b 雠d s ，i th a sb 嘲g i 啪t i t om o m 瓶dm o mr o g n i 曲n 1 1 l e m f o m ，t h em 鼯呲ho f a 虹叫o f m p 柑卅蜥m a 雠a l 蛐c 跚c 觚t i v c l y 辩t t l e t h e 缸m n go fs l 曲e n d s o f c o n c r c t e 肼w a n 衄t s0 0 n 删e n n ya n d 墙p i 棚yb 哪郫v e 叮n c s 阻l y 觚du r g e n t 办cp a p c fd c p c n d s m cp r o j e c t m e c h a i i i 蛐趾d1 i 鼢劬e n t 毗h n i q u er e a 劬 o fc 锄e n tc c r 咖p a w m e me 删yd i 衄l a g c ”，谢1 i c hi s 删c db yc h o n g q i n g m u n i c i p a l 虻i n t e c h n i 嘤坞c c 枷仕i a n d o u 扯g x ip v i n c c 伽咖m l l n i c a t i d c p a i t m e n t 0 nt h eb a 辩o f c o 玎叩a r i n gw i t ha 1 1l 【i i i d so f m p i di e l 痂血gm a 蛔i a l si n l 柚d 趾d 伽n 孤di nt h em o c u 咖t c h o o s i i l g 山es i ) 嘲eb u t a d i 吼cp o l y m 盯c o m d c 删i 丘c dc 锄m p o m 趾dc 锄t 髓de a l l yh 硝王e i l i n g 跚l p h o 衄m i n a t ec 蛐e n td c s i 弘 m cb c 或m i xp m p o m m et w o 姗so fc 锄t s ，a n dd ol h e 矗l 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如c to nb m d i n g - a g e n t s c 印a d t yo f b d i n ga g c n t 咖g h n c s s 柚d 幽i i 】【l l 【a g co f n c wc o n c r 咖t o 窘c tt h e g l l l a t i o n o f 龇p r o s s 呐t h ei n l e r l h c i a lb o n d i n g 锄g i n r i n go f n e w t oo hc c r c t ch a 8 b 嘲p v e d t ob cp o s s i b k tt h u g ho o n s i d e l i n gm ep a v 锄e n t 鳓删：n l l eo fg i l a n g x i 柚d t h ep a 础c t e fo f 删岫! i a l sa n d i m i t a d n g t h es 呲eo f 咖e 船叽t h e i n t e k i a lb o n g m n g t h l yo f wt oo m 咖c 哦c t h c 眦a l y s i so f l a i g c 丘n i t ee l 鼬c n t h 恤a n s y s a n dt h 删g ht h em h a n i c s 孤a l y s i s t h e n ，w eh a v em a d es o m ee s s e n t i a l 铀l a l y s i sa b d i l t 山e 自c 啪s u c h 嬲i e p a i i n gm i c l m e 错m o d l l l u so fm en c wr 印a i r e dc c 彤t e 慨蜘【e 摘要 a n dl o a d t a n d t h e i n m i c co nt h e 武a l co fs t i e s so f 也eb o n d i n gs 呻i nm c z v a i i e dw i mt h e 自c t o lt h i sc a np r o c i d e 舳m cp a 咖咖盱f 醯t h e n i a l 曲g i n l k e yw o r d s ：c 锄e mo o i l c 哟p 钾即a e n t ；伽l 城n go fs i a bc n d s ；瑚p i d 唧a i l ：i n g ； 呻瑚eb u t a d i 锄ep o l y m e rc o m d e ；e a i l yh a l d 融i n g 鼢l p h 锄i n a t e m t ；m e c h a n i 蛐 a 瑚崎s i s ；丘n 硷e 1 锄e n t 眦a l y s i s i 血眦a n s y s 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 。1 年 v 月i y 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 日期：矗7 年唯月i 妇 指导教师签名： 日期：叼年午月( 巾 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 近年来我国公路交通事业得到了迅猛的发展，特别是9 0 年以来，随着我国大 规模公路基础设施建设的展开，水泥混凝土路面公路得到了史无前例的快速发展， 尤其在高等级公路和重交通道路及部分农村公路的建设中日益备受瞩目。截至 2 0 0 5 年底水泥混凝土路面通车里程已达3 0 66 2 2 公里。中国已成为当今世界上拥 有水泥混凝土路面里程最多的国家之一水泥混凝土路面具有刚度大、荷载扩散 能力强、稳定性好等结构优势。各个国家对水泥混凝土路面的修筑技术一直进行 着研究和总结，使得水泥混凝土路面在技术上日臻完善。我国是水泥生产大国， 充分利用我国现有资源，提高国家在公路建设中投入资金的使用效率，对社会经 济发展起到促进作用，也使得水泥混凝土路面的应用和推广具有一定的社会经济 意义。 随着国民经济的发展，公路交通量和载重量随之增加使得水泥混凝土路面结 构的破坏日益加剧。交通量的日趋繁重不仅使得许多早期修筑的旧混凝土路面接 近其使用寿命，而且近年来新建的部分水泥混凝土路面在远没有达到其设计年限 时就出现了不同程度的损坏。特别是8 0 年代和9 0 年代初修建的水泥混凝土路面， 由于设计、材料、施工技术、施工管理和质量等方面的不足使其投入使用仅3 5 年后就出现了大量的早期破坏，严重影响了行车的舒适性及安全性。 通过对现场的调查分析，水泥混凝土路面病害按其结构性能主要有两种类型： 一类是结构性损坏，如错台、开裂、断板、沉陷、碎裂、拱起等；另一类是功能 性损坏，如露骨、麻面、剥落、磨光、坑洞、接缝填缝料损坏、唧泥等。根据初 步调查和已掌握的资料，目前广西境内的柳南路、南北路、环城路和都南路等主 要干线在使用5 8 年后就有3 0 5 0 的路段需要修补和改善。其中主要以断 板、脱空和错台等病害为主。尤其是在主填方地段纵向错台量达到了1 5 c m 2 0 c m ，危及了行车安全降低了路面的使用性能。 面板的错台是水泥混凝土路面初期破坏的主要形式之一，虽然在初期危害性 不是很大，但潜在的危害却很大。行车荷载在错台处往往会产生很大的冲击力， 造成接缝失效，接缝是混凝土路面结构的最薄弱部位，绝大多数路面破坏都发生 在接缝附近，当路面水渗入基层时，在行车荷载的作用下，形成动水压力冲刷基 层，引起唧泥、板底脱空等病害，最终导致路面断板以至丧失承载能力。研究表 明，路面错台量越大，车速越高，荷载越大，裂缝的发生和扩展速度亦就越快。 第一章绪论 我国公路部门早期对水泥混凝土路面错台进行修补多采用传统方法，即在已 错台的混凝土表面加铺一层沥青混凝土，或采用与原混凝土强度等级相当或稍高 的普通混凝土进行修补。沥青材料作为一种修补材料会使路面材料强度不均匀， 导致传荷不一致，而且感温性能强，在炎热夏季容易再次形成错台，达不到错台 修补的效果。沥青材料修补的颜色与水泥混凝土颜色差别较大，不仅影响美观而 且还会给司机带来视觉误差，造成行车事故。采用普通水泥混凝土进行修补，由 于其收缩大，本身粘结性能差，极易与旧混凝土表面粘结失败造成开裂，并且普 通混凝土的养生时间一般都比较长( 1 4 天及以上) ，但是长时间封闭交通势必会 影响交通运输乃至经济的发展。因此，如何在路面破坏初期，对错台进行有效处 治，阻止路面的深度破坏，尽早开放交通，已经成为迫切需要解决的问题。 1 2 国内外快速修补材料的研究动态及发展方向 我国对水泥混凝土路面快速修补技术及修补材料已经开展了一些研究，部分 科研机构针对不同的水泥混凝土路面破坏特点，相应的研制了一些新型快速修补 材料( 或修补剂) 。江苏省建筑科学研究院成功研制了j k - 4 型、j k _ 1 0 型、j k - 2 4 型系列混凝土快速修补剂，克服了传统修补材料的一些弊端，不仅具有快硬早强 的特点，而且收缩小，新老混凝土粘结强，耐磨，耐久等特点。j l ( 一4 型、j k 1 0 型修补材料主要的矿物成分：氟铝酸钙、硅酸钙、硫铝酸钙和少量的单晶体。j k 一2 4 型是由硫铝酸盐、优质的含硅材料和高效表面活性剂复合而成。j k 一4 型混凝土快 速修补剂的内掺量确定为3 0 4 5 ，采用5 2 5 号普通硅酸盐水泥配制的j k 一4 型快 速修补混凝土6 h 龄期的抗折强度可达3 8 9 肝a ，抗压强度可达3 4 3 聍a ；采用4 2 5 号普通硅酸盐水泥配制的j k _ 4 型快速修补混凝土6 h 龄期的抗折强度只有 3 0 9 好a ，抗压强度可达2 9 肝a ；推荐配合比中水泥用量为2 7 8 k g m 3 ，j k 一4 型修补 剂为2 2 8k g m 3 ，配制的j k 一4 型快速修补混凝土1 2 h 龄期的混凝土抗折强度可达 3 2 3 m p a ，抗压强度可达2 5 叫p a 。j k - 1 0 型混凝土快速修补剂的外掺量确定为1 3 l 麟，建议的配合比中采用5 2 5 号普通硅酸盐水泥为4 2 5 k g m 3 ，j k - l o 型修补剂为 5 5 6 8k g 3 j k 一2 4 型混凝土快速修补剂的适宜掺量确定为1 4 1 8 。建议的配 合比中5 2 5 号普通硅酸盐水泥为4 3 7 k g m 3 ，j k 一2 4 型修补剂为7 0k g m 3 。配制的 j k _ 2 4 型快速修补混凝土2 4 h 龄期的混凝土抗折强度可达3 1 肝a ，抗压强度可达 1 8 9 肝a 。该系列修补材料为2 5 0 0 3 0 0 0 元吨。 长安大学嘲研制的水泥混凝土路面修补材料主要由硫铝酸盐、硅酸盐、铝酸 盐和高效活性剂按一定的比例组成，分h w l 、 i w 2 、h 吼三种，6 h 后可开放交通。 建议的配合比中采用5 2 5 号硅酸盐水泥为4 7 5 k g m 3 ，硼。型修补剂为7 7 k g 3 。配 2 第一章绪论 制的快速修补混凝土6 h 龄期的混凝土抗折强度可达3 5 7 肝a ，抗压强度可达2 3 1 - 叻。该系列修补材料的单价为2 4 8 9 3 0 8 7 元吨。 同济大学0 1 研制的肝b 快速修补材料是由磷酸盐、过烧的m g o 和缓凝剂按一 定的比例复合而成。用该材料配制的混凝土1 h 的抗压强度可达3 6 1 肝a 。 武汉理工大学“1 研制的肝b 混凝土修补材料是由过烧的m 9 0 粉料、磷酸二氢 氨粉料及调凝材料按一定的比例配制而成。该材料具有超快凝快硬性能，凝结时 间可控制在5 6 m i n 以内，与老混凝土的粘结性能、耐磨性、抗冻性、体积稳定 性好，3 h 的强度可达3 9 4 肝a 1 d 的强度达到5 5 5 肝a 。 西安交通大学嘲研制的水泥混凝土路面快速修补材料系由高分子聚酷体系为 胶粘剂，无机填料为骨料而组成。按2 0 0 份高分子粘接剂，细砂3 5 0 份，碎石6 5 0 份，水泥2 0 0 份，固化剂4 份，促进剂2 份配制的快速修补材料6 h 的抗弯拉强度 大于2 0 肝a c 矿，抗压强度大于9 6 8 肝a c m _ 2 ，该粘结料的含量小于1 5 。 有机类的修补材料：环氧树脂类，聚氨酯类，烯类及它们问复合而成的修补材 料等，适宜于裂缝灌浆和接缝损坏修补；改性沥青材料类适宜于接缝损坏修补、 罩面修补。 有机与无机复合类修补材料如：聚合物水泥砂浆，已在我国宁杭公路和扬州一 级公路进行过应用；聚合物浸渍混凝土，聚合物改性混凝土和砂浆等，在水泥混 凝土路面板块修补、局部修补、罩面修补、边角修补中得到了采用。 此外，硅粉混凝土和砂浆，钢纤维混凝土，复合外加剂配制的水泥混凝土均 在水泥混凝土路面快速修补中进行过应用，并取得了较好的效果。 国外，在水泥混凝土路面快速修补技术方面：s e e l l r a s s ，等研制了快硬 的磷酸盐水泥用于水泥混凝土路面的快速修补，修补区混凝土4 5 小时即可开放 交通嘲m ；w h i t i n g ，d 等用快硬的硫铝酸盐水泥配制2 4 h 抗压强度达2 8 m p a 的公 路快速修补混凝土；o k 锄o t o 。p a 等在混凝土中掺入c a c l ：早强剂，在6 0 7 0 温 度下养护8 h 后，该修补区1 2 h 抗压强度可达1 4 肝a ；b a l a g i l r i l ，p 在混凝土路面修 补中为改善修补区混凝土的韧性和提高抗开裂能力，采用了纤维增强快硬混凝土 技术；从7 0 年代开始聚合物混凝土、聚合物改性砂浆、聚合物浸溃混凝土就用于 水泥混凝土路面的修补中。 日本广泛应用调凝水泥( 或称喷射水泥) ，这种喷射水泥的终凝时间为1 5 m i n ， 而普通硅酸盐水泥为1 9 0 m i n 。由喷射水泥拌制的砾石混凝土掺入0 3 的缓凝剂 后，初凝时间约为4 0 m i n ，而普通混凝土可5 h 甚至更长。一天龄期的喷射水泥混 凝土的抗弯强度可达到4 1 肝a ，抗拉强度可达到2 5 肝a ，采用喷射水泥进行路 面维修可在1 2 h 以内完成并恢复交通。1 9 8 9 年日本曾在建设省主持下研究并开发 了快硬早强外掺剂用于水泥混凝土路面的修补中。 3 第一章绪论 美国开发的“派拉蒙特”( p y r 跚e n t 混合水泥拌制的混凝土，4 h 抗压强度达 到1 3 4 肝a 。该水泥在纽约州1 2 h 完成一座桥梁接缝的修复。在寒冷的冬天，5 h 内重建了肯塔基州的巴克地方7 6 m 1 8 3 m 的机场跑道。在八十年代末期，为解 决水泥混凝土路面的修补而引起交通阻塞问题，开展了快速摊铺混凝土的研究， 该研究中除采用特种水泥( 如快硬硫铝酸盐、碱激发铝硅酸盐水泥) 外，还有在混 凝土中掺入快硬早强剂等；也有一些部门通过掺加早强剂( 或促硬剂) 如硫酸盐、 氯盐等来达到提高混凝土早期强度的目的。如美国新泽西州南部2 9 5 号州际公路 水泥混凝土路面修补工程中就采用了促硬剂和高早强的高效减水剂，同时水泥用 量达4 7 4 k g m 3 ，7 h 混凝土抗压强度达1 7 肝a ，抗弯强度约为2 肝a ，l o 小时后开放 交通。研制的r o a d p a t c hi i 修补材料而应用广泛，该材料是由水泥砂浆、钢纤维、 丙烯酸类乳液改性剂复合而成，其修补后效果较好。 此外，英国的“s 霄i f t c r e t e ”水泥，德国的“d r a i f a c h ”水泥，意大利的 s u p e r c e m e n t ”水泥“1 等，也均可达到混凝土路面快速修复并恢复交通的目的。 综上所述，上述修补材料或快速修补材料，在水泥混凝土路面修复中，均取 得了很好的效果，解决了水泥混凝土路面快速修复后在尽可能短的时间内恢复交 通这一技术难题。但是由于原材料的特殊性或价格昂贵( 2 5 0 0 3 0 0 0 元吨甚至更 高) ，致使推广应用相当困难。而且路面错台高度一般都很小，修补厚度不会太厚， 这也导致了修补材料的特殊性，因此研制并开发一种既方便又经济的新型的水泥 混凝土路面错台快速修补材料，仍然是当今乃至未来道路工程路面材料发展的一 个重要研究方向。 1 3 本文研究的主要内容 在已有的水泥混凝土路面快速修补材料研究的基础上，针对广西高速公路水 泥混凝土路面结构，以及广西现有的丰富料源，主要研究如下内容： 1 错台快速修补材料的研制 在分析和比较当前国内外水泥混凝土路面快速修补材料的基础上，选用普通 硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥，按照正交设计方法，以一天抗折强度和折压比 作为性能指标，确定这两种水泥的最佳配比。 2 路用性能比较 对优选配合比做进一步路用性能试验，包括收缩性能、抗裂性能以及耐久性， 并通过微观分析各组分对水泥混凝土的影响机理。 3 界面粘结性能研究 首先通过室内双剪试验确定出最佳界面剂以及界面处理方式，并通过数值拟 4 第一章绪论 合，给出界面粘结强度多因素预测计算公式。 4 界面粘结机理分析 在分析整体成型混凝土中骨料与水泥石界面理论的基础上，进一步分析新老 混凝土界面理论，分析界面区粘结机理，并详细分析界面剂、粗糙度以及新混凝 土的收缩率对粘结性能的影响机理，探索粘结过程的规律。 5 计算机仿真分析 结合广西路面结构和材料参数，用大型有限元软件a n s y s 仿真分析界面粘结 层上的应力状态，并分析修补厚度、新补混凝土模量、受力位置和荷载等因素变 化时对界面粘结层的应力状态的影响。 5 第二章壁台快速修补材料的研制厘堡旦机理探讨旦 第二章错台快速修补材料的研制及作用机理 水泥混凝土路面错台快速修补的问题，长期以来未能得到很好解决，关键问 题是快速修补材料的性能不够理想。用于水泥混凝土路面错台快速修补的材料应 符合恻以下技术要求： ( 1 ) 早期强度高：修补的混凝土材料应在2 4 h 内达到原板设计强度的7 0 9 6 以 上，4 8 h 内达到原板设计强度； ( 2 ) 收缩小：7 d 内无收缩，2 8 d 收缩率 聚灰比 水灰比，各因素对快硬硫铝酸盐水泥混凝 土的1 天折压比的影响大小为：聚灰比 减水剂 水灰比。 第二章错台快速修补材料的研制及作用机理探讨 絮3 0 餐2 6 鼎 鞲2 0 辗 1 5 趔 箍 暇 丑 h 鼍 辗 0 8 5 0 o 7 0 0 o 5 5 0 o 4 0 0 水平l水平2水平3 水平l水平2水平3 图2 1 3 各因素不同水平对抗折强度指标和折压比指标的贡献值 t a b i e2 1 3t h en u m b i eo fo f f e ro fd i 仟r 帅to fi e v e i r u p t u r es t r e n g t h 由图2 1 l 和2 1 2 知，减水剂是影响强度和折压比的主要因素，从图2 1 3 的贡献值可以看出，减水剂在水平3 ( 掺量为0 ) 时对指标有利；抗折强度随着水 灰比的增大而逐渐减小；丁乳在水平l ( 掺量为o ) 时对强度指标影响最大。 综合分析，选出较优的两组配比，见表2 1 4 。 表2 1 4 快硬硫铝酸盐水泥优化配合比 t a b i e2 1 4t h eb e s tm i xp r o p o r t i o no fe a r i yh a r d e n i n gs u i p h o n a m i n a t ec e l n e n t 2 2 3 小结 通过对两类胶凝材料的配合比优化，选用以下配比做进一步的性能试验。 表2 1 5 试验配合比 t a b i e2 1 5t e 8 to fm i xp r o p o r t i o n 注：l 号为普通硅酸盐水泥。2 号和3 号为快硬硫铝酸盐水泥，下文不再说明。 第二章错台快速修补材料的研制厦堡旦机理探讨旦 2 3 性能对比试验 作为快速薄层修补材料，仅仅满足抗折强度和折压比这两个指标还不够。下 面将分别从收缩、韧性和耐久性“1 3 对优选配合比做进一步深入研究。 2 3 1 干缩性能 混凝土路面薄层修补的收缩性能是修补材料研究的重要性能之一，因为新铺 混凝土龄期短，收缩应变大，上下混凝土的收缩应变差将产生很大的界面剪切应 力，如果此应力达到界面破坏最大允许应力，就会使界面粘结层开裂，造成修补 失败。因此对其收缩性能的研究是非常必要的 ( 1 ) 试验方法 水泥混凝土干缩试验的试件尺寸为1 0 0 加m 1 0 0 蛐5 1 5 衄，试件成型后放入 标准养护室养护6 小时，然后脱模放在干缩室，用精度为0 0 1 衄的弓形螺旋测微 仪器( 附有标准棒) 测其基长( 初始长度) ，每个龄期测其长度，计算于缩率。 干缩率的计算公式如下式： & ：f 益! 二圣! 二! 益二墨2 2 l ( 2 3 ) 厶 式中：s 。一龄期t 天的水泥浆体的干缩率( ) ； l o 一试件初始长度( 珊) ，混凝土为5 1 5 衄； x 。，一试件初始长度值( 皿) ； x 。一标准棒初始长度值( 衄) ； x 。一龄期t 天时试件长度值( 衄) ； 一龄期t 天时标准棒长度值( 衄) 。 ( 2 ) 结果与分析 试验结果 第二章错台快速修补材料的研制及作用机理探讨 1 天3 天7 天1 4 天2 8 天 6 0 天 龄期 圈2 1 4 三种优选配比在不同龄期时的千缩率 f i g 2 1 4s h r u n k a g eo ft h r e em j xp r o p o r t i o n 由图2 1 4 可以看出，收缩量最大的是普通硅酸盐水泥，其6 0 天收缩率达到 了o 0 5 ，没有改性的硫铝酸盐水泥混凝土的6 0 天收缩率只有0 0 2 7 是普通硅 酸盐水泥的5 4 ，改性后的硫铝酸盐水泥6 0 天收缩率更小仅为0 0 1 3 。普通硅 酸盐水泥混凝土和没有改性快硬硫铝酸盐水泥混凝土收缩率均不能满足规范中对 修补材料要求( 2 8 天收缩率小于0 0 2 ) 。 外加剂对收缩影响分析 为了进一步验证膨胀剂掺量对普通硅酸盐水泥混凝土收缩率的影响，课题组 经过研究决定在厂家提供掺配百分比的基础上，上下浮动2 个百分点，分析由于 膨胀剂掺量变化对收缩率和抗折、抗压强度的影响。 a 膨胀剂掺量影响分析 采用1 号配合比，膨胀剂掺量为l o 、1 2 、1 5 时测得三种掺量的收缩和 抗折抗压强度结果如图2 1 4 。 6 5 4 3 2 l 0 k0_【v静婚擎 第二章错台快速修补材料的研制及作用机理探讨 翌 4 8 ，、4 5 垒4 2 魁3 9 蓄3 6 ：| 暑3 3 3 0 371 42 86 0 龄期( 天) 图2 1 5 膨胀剂掺置与收缩率关系 f i g 2 1 5r e i a t i o no fp e r c e n t a g eo fe x p a n d a t i o na n ds h r u n k a g e 1 0 1 2 1 5 膨胀剂掺量 l o 篓8 ie 璧t 鞲2 0 1 0 1 2 1 5 膨胀剂掺量 图2 1 6 膨胀剂掺量与抗折、抗压强度关系 f g2 1 6r i a t l o no fp e r n t a 驴o f 似p a n d a t i o n 从图2 1 5 和2 1 6 可以看出，混凝土在早期收缩较快，1 4 天龄期后趋于平缓； 膨胀剂掺量的增加抑制了混凝土的收缩，但效果不是很理想，随着膨胀剂掺量的 增大混凝土的抗折、抗压强度降低都很快，所以，当膨胀剂超过一定比例后，会 对普通硅酸盐水泥混凝土的强度产生有害作用，而且收缩率并没有降低太多，很 难达到规范中对修补材料要求的2 8 天收缩率小于0 0 2 的要求。 b 丁乳掺量对收缩影响 丁乳对水泥混凝土的收缩有抑制作用，可以大大降低混凝土修补层间的收缩 应力。图2 1 4 清楚表明，快硬硫铝酸盐水泥混凝土经过丁乳改性后，收缩率明显 降低，6 0 天龄期的收缩率降低了5 2 。 6 5 4 3 2 1 0 ，。【v静骠；|i 第二章错台快速修补材料的研制及作用机理探讨 2 3 2 抗裂性能 水泥混凝土是一种非均质的脆性混合材料，其最大的缺点是抗裂性能差，抗 拉强度低( 与其抗压强度相比) 。其中弹性模量、应力应变曲线和韧度指数都能反 映混凝土内部结构的抗裂性能，下面将分别从这三个方面来分析。 ( 1 ) 弹性模量 按照j t ge 3 0 - _ 2 0 0 5 标准，进行了抗压弹性模量、弯拉弹性模量和动弹性模 量试验，其中动弹性模量采用眦一4 a 非金属超声检测分析仪。 抗压弹性模量试验方法 水泥混凝土受压弹性模量取轴心抗压强度l 3 时对应的弹性模量。试件大小 为1 0 0 岫1 0 0 衄3 0 0 咖，每组为同龄期同条件制作和养护的试件6 根，其中三 根用于测定轴心抗压强度，提出弹性模量试验的标准加荷值，另3 根则作为弹性 模量实验。 压弹性模量计算公式为： e ：盈生三( 2 4 ) 。 a l 式中：e 一混凝土抗压弹性模量( 肝a ) ； e 一终荷载( n ) ( 昙厶时对应的荷载值) ； j 最一初荷载( n ) ( 0 5 m p a 时对应的荷载值) ； l 一测量标距( 衄) ； a 一试件承压面积( 姗2 ) ； 色一最后一次加荷时，试件两侧在e 及昂作用下变形差平均值 ( 衄) ： a l = 心+ o 2 一( 孝+ 尊) 2 ( 2 5 ) 毛一兄时标距问试件变形( 珊) 5 岛一昂时标距间试件变形( 衄) 弯拉弹性模量试验方法 抗弯拉弹性模量是以1 2 抗弯拉强度时的加荷模量为准。试件尺寸为1 0 0 衄 l o o 衄4 0 0 衄，每组6 根同龄期同条件制作的试件，3 根用于测定抗弯拉强度， 3 根用于抗弯拉弹性模量。 计算公式为： f 一2 3 r ( 昂，一昂) 与2 历碗荨萄 ( 2 6 ) 第二章错台快速修补材料的研制及作用机理探讨 式中：e 一混凝土抗弯拉弹性模量( _ 哟) ； 磊一初荷载( n ) ； e ，一终荷载( n ) ； n ，一终荷载时的千分表读数( 衄) ； 一初荷载时的千分表读数( 咖) ； l 一试件支座间距离( 珊) ； j 一试件断面转动惯量，j = l 1 2 b h 3 。 动弹性模量试验方法 当把水泥基材料看成弹性体时，可用超声波法测定其弹性模量，超声波在均 质各向同性弹性介质中的传播速度与介质的密度、弹性模量有关。资料表明，对 水泥混凝土应用超声波法测定的动弹性模量与常规力学方法测定的弹性模量有一 定的相关关系。本试验采用h m l - 4 a 非金属超声检测分析仪，试件为1 0 0 衄1 0 0 珊 4 0 0 衄的小梁混凝土试件，龄期为2 8 天。 超声波法测定的动弹性模量的计算公式为： 易= 1 一盟半( 争 1 一r 。 式中：乜一材料的动弹性模量( m p a ) ； 一材料的泊松比，取0 1 5 ； p 一材料的密度( g c 3 ) ； v 一超声波法在试件中的传播速度( s ) ； l 一试件长度( m ) ； t 一超声波从试件的一端传播到另一端的时间( s ) 。 试验结果 图2 1 7 三种优选配比的弹性模量僮 f g2 17 一o d u l u so fe 1 懿t i c “yo ft h r e e - i xp r o p o r t i o n ( 2 ) 应力应变曲线 ( 2 7 ) 第二章错台快速修补材料的研制及作用机理探讨 试验方法 试件长度为1 0 0 妯1 0 0 衄4 0 0 衄，应变片型号为b x l 2 0 _ - 2 0 从，并按照图2 1 8 所示贴在混凝土底部和两个侧边位置，底部应变片主要测混凝土的拉应变曲线， 中间应变片用来实时判断混凝土开裂状态。应变片通过应变感应器与电脑连接， 从电脑可以实时分析混凝土的应力应变。 图2 1 8 应变片示意图 f i g 2 1 8o k e t c h 舶叩o f - e e ta ne - e r g e n c y 试验结果 对底部应变片取平均后绘制点图2 1 9 02 0 04 0 06 0 0 应变值( 1 0 3 m ) 图2 1 9 应力一应变曲线 fig 2 19c u r v o f8 t r e s s s t r a i n ( 3 ) 弯曲韧度指数 采用钢纤维混凝土试验方法中“”的规定计算弯曲韧度指数，即：利用理性 弹塑性体作为材料韧性的参考标准，选用初裂点挠度( 6 ) 的倍数( 36 ，56 ， 1 5 56 ) 作为终点挠度。 弯曲韧度指数用1 5 ，1 1 0 ，1 3 0 表示，即： l ：墨生 ( 2 8 ) 。 9 8 7 6 5 4 3 2 l 0 皇严_o_【v憾隈瓣棹 第二章错台快速修补材料的研制及作用机理探讨 驴等p k = 半 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 其中：a i ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 表示挠度分别为6 ，36 ，5 56 ，1 5 56 时，荷 载一挠度曲线下的面积，如图2 2 0 。 o嚣d，矗 n 酮b 嚆i 膏鲫黼 图2 2 0 荷载一挠度曲线示意图 f g ，2 2 0t h es k o t c h 帕po fl o d r d e f i t i o nc u r 试件在给定变形a 下的弯曲承载能力变化系数按下式计算： ，：尘= ! h 4 4 一l ( 2 1 1 ) 其中：a 为给定变形与临界变形的比值，a 为3 o ，5 5 ，1 5 5 ，本试验给定 变形a 对应的试件弯曲韧度指数分别为3 0 和5 5 。 由式( 2 1 1 ) 计算得到的理想弹塑性材料的承载能力系数为1 。对于普通混凝 土，可按式( 2 1 1 ) 计算给定变形下a 的承载能力变化系数，通过与1 的比较 评定其弯曲韧性，与l 越接近，表明混凝土越接近理想弹塑性材料，混凝土的弯 曲韧性越好。 试验结果 第二章错台快速修补材料的研制及作用机理探讨 0 挠度( n ) 图2 2 1 三种配合比荷载一挠度曲线 f g 2 2 1i o d r d e f i t i o nc u r ”o ft h r m i xp r o p o r t i o n e s 表2 1 6 弯曲韧度指数和承载能力变化系数计算结果 t a b i e2 1 6c u l c u i a t o dr e s u i t oo f f i e x u r a i t o u g h n e s si n d e x e 8a n dv a r i a t j o n e f f j o i e n t o fi o d e c a r r a y i n gc a p a b ii t y ( 3 ) 分析讨论 从图2 1 7 可以看出，没有掺外加剂的2 号配合比其各项弹性模量最大，掺 入丁乳后弹性模量明显降低，丁乳改性使其混凝土的柔性增加，模量减小；再次， 从上节对折压比的分析也可以看出，快硬硫铝酸盐水泥具有快硬早强的性质，其 脆性较大，因此通过聚合物丁苯胶乳改性后，在没有降低抗折强度的情况下，降 低了抗压强度，减小了弹性模量，提高了混凝土的抗裂性能； 从应力一应变曲线可以看出，1 号、2 号混凝土曲线符合线弹性，3 号混凝 土具有一定的塑性变形，单位荷载下的应变增大，极限应变也变大； 从荷载一挠度曲线下降段的丰满程度可以看出，3 号混凝土的韧性要好于 其它两种混凝土，由下图2 2 2 和图2 2 3 清楚看出，3 号混凝土的弯曲韧度指数 最大，丁乳能明显提高混凝土的韧性。 2暑加埔m 0 0 蚕v 轿棹 第二章错台快速修补材料的研制及作用机理探讨 1 6 1 2 籁 卷s 犀 4 o 2 饕1 5 s 篓 - 篮 鬈 0 1 号2 号 3 号1 号2 号3 号 图2 2 2 韧性指数变化曲线图2 2 3 承载能力变化系数曲线 f g 幺2 2 c h a n g e c u r v eo f f l e x u r a if ；掌2 2 3c u r v o f r i a t i o n c f f i c i e n t t o u g h n e 8 si n d e x e 8 o fi o d e o a r r a y ；n gc a p a b il t y 弯曲韧度指数和承载能力变化系数的值均大于理想弹塑性的相应值，原因 主要是初裂荷载选取值偏小，得到偏大的标准系数。 2 3 3 耐久性能 通过冻融破坏来评价错台修补材料的耐久性，采用2 0 0 次冻融试验“”后的试 件强度损失率和重量损失率作为耐久性指标。试验中试件为1 0 0 衄1 0 0 哪 1 0 0 衄的立方体混凝土，龄期为2 8 天，按照要求试件在一1 5 一2 0 条件下保 持4 h ，然后在水中融化4 h 作为一次冻融循环，经2 0 0 次冻融后，测其质量损失 率和抗压强度损失率。 表2 1 72 次冻融试验结果 t a b i 2 1 7t e tr e o u i to f2 t i - e 8f r o s tt h 趼i n g 按照j t ge 3 0 一2 0 0 5 标准规定，质量损失率不超过5 ，强度损失率不超过 2 5 。因此，通过表3 1 7 可以看出，l 号、2 号配合比不满足耐久性要求，3 号 配合比具有较好的耐久性能，改性后的混凝土耐久性得到提高。 第二章错台快速修补材料的研制及作用机理探讨 2 4 作用机理分析 从前几节分析可以看出，快硬硫铝酸盐水泥经过丁苯乳液改性后，在满足施 工和易性的同时具有早强性能，而且在抗裂性能和耐久性上均能达到规范要求。 下面将通过微观分析对此改性混凝土进行机理分析。 2 4 1 早强性机理 快硬硫铝酸盐水泥混凝土在没有添加早强剂的条件下，仍然具有早强的性能 主要取决于快硬硫铝酸盐水泥水化过程不同于普通硅酸盐水泥。 快硬硫铝酸盐水泥“引1 8 是以铝质原料( 如矾土) 、石灰质原料( 如石灰石) 和石 膏，经适当比例配合后，煅烧出含有无水硫铝酸钙的熟料，再掺入适量的石膏共 同磨细制成的。其主要成分是无水硫铝酸钙和硅酸二钙。这些成分水化速度很快， 水化过程中能够很快的与掺入的石膏反应生成钙矾石，并产生大量的氢氧化钙胶 体。生成的钙矾石会迅速结晶形成水泥石骨架，使水泥凝结时间要比硅酸盐水泥 大为缩短，随着氢氧化钙凝胶体和水化硅酸钙的不断生成，水泥石结构不断被填 充而逐渐致密，强度发展很快，获得了较高的早期强度 普通硅酸盐水泥“州川“。1 加水后，c 3 a 立即发生反应，c 3 s 和c a f 也很快水化， 而c 。s 则较慢，而对强度贡献最大的就是c 2 s ，在初期有较多的六角形片状氢氧化 钙晶体，该晶体的富集容易形成强度薄弱区，但随着龄期的增长，一部分氢氧化 钙逐渐被消耗，使得混凝土本体逐渐密实。 2 4 2 和易性提高机理 从正交表2 7 和2 1 1 分析表中塌落度数值可以看出，聚合物丁乳对水泥混凝 土的和易性有较大影响。不掺丁苯乳液的水泥混凝土其和易性、保水性与粘聚性 相比掺入丁苯乳液的水泥混凝主差，并有一定的泌水现象。 在水泥混凝土中掺入聚合物，可以使混凝土的和易性得到很好的改善，主要 是因为聚合物对混凝土有以下三方面的贡献： 聚合物本身或其中含有的表面活性剂具有一定的引气作用。 试验采用的聚合物丁苯胶乳中含有表面活性剂，当一起拌合时，会在水泥浆 体中引入一定量的微小气泡，这些气泡可以在水泥浆体中稳定均匀地存在这些 微小气泡的存在，增加了水泥浆体的体积，使得细集料可以被完全包裹，且颗粒 间空隙的填充也较充分；微小气泡在拌合物中作为弹性细集料起着滚动轴承的作 用，使得拌合物的和易性得到改善。 聚合物与水泥混凝土浆体一起拌合时，聚合物颗粒可以在水泥浆体中均匀 第二章错台快速修补材料的研制及作用机理探讨 分散，这些分散的聚合物颗粒也可以象“滚珠”一样使水泥及其水化产物颗粒相 对移动更容易，从而使砂浆工作性得到改善。 机制砂中含有的细小石粉与液体状聚合物协同作用，即：聚合物中的表面活 性剂被吸附在超细石粉的表面上，增强了其电位，从而在水泥浆中能更好地起到 减水、分散、增塑和均化作用。 2 4 3 抗裂性提高机理