（道路与铁道工程专业论文）乳化沥青改性水泥基复合材料的研究.pdf

摘要 聚合物在水泥砂浆和水泥混凝土中的应用已有很久的历史，但至今仍未得到 推广，最重要的原因是由于聚合物价格昂贵，而乳化沥青这种聚合物的突出优点 是价格便宜，采用乳化沥青配制经济的聚合物改性水泥基复合材料具有重要的发 展前景。 本论文围绕乳化沥青改性水泥基复合材料进行研究，通过室内试验分析了各 种因素( 如外加剂、聚灰比、成型工艺、养护方法等) 对乳化沥青改性水泥砂浆 和乳化沥青改性水泥混凝土力学性能的影响，并通过对乳化沥青改性水泥砂浆微 观结构的研究，从电荷分析的角度提出了不同条件下乳化沥青改性水泥砂浆结构 形成过程的模型，并利用此模型分析了其改性机理。最后，对乳化沥青改性水泥 砂浆的综合效益进行了评价。 室内试验及结构模型的理论分析表明，乳化沥青改性水泥砂浆，在适宜的聚 灰比、外加剂掺量、成型工艺、养护方法等条件下，与普通水泥砂浆相比，其力 学性能( 如抗压强度、抗折强度、压折比、破坏形念等) 及微观结构得到了一定 的改善，且具有成本低、环保节能等突出优点，故采用乳化沥青对水泥砂浆进行 改性是比较理想的。 在本论文的实验条件下，采用乳化沥青对水泥混凝土进行改性并未取得良好 的效果，与普通水泥混凝土相比，乳化沥青改性水泥混凝土的刚度减小、脆性降 低、柔韧性提高，但是抗压强度和抗折强度却均降低。如何改善其力学性能并研 究其微观结构，是乳化沥青改性水泥混凝土今后还需继续研究的内容。 关键词：乳化沥青改性水泥砂浆，乳化沥青改性水泥混凝土，力学性能，微观结 构，改性机理 a b s t r a c t t h e r eh a sb e e nal o n gh i s t o r yo fu s i n gp o l y m e rt oc e m e n t m o r t a ra n d c e m e n tc o n c r e t e b u t ，t ot h i sd a y ，u s i n gp o l y m e rt oc e m e n tm o r t a ra n dc e m e n t c o n c r e t ed o e sn o tg e n e r a l i z e t h ep r i n c i p a lcausei st h es t i f fp r i c eo f p o l y m e r b u tt h ep r i c eo fe m u l s i l i e da s p h a l ti sv e r yc h e a p s o ，e m u l s i f i e d a s p h a l tm o d i f i e dc e m e n t b a s e dc o m p o s i t em a t e r i a l sh a v ea ni m p o r t a n tl o n g t e r mp o t e n t i a l i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rs t u d yt h ee f f e c to fv a r i o u sf a c t o r s ( s u c ha s p o l y m e r c e m e n tr a t i o ，f o r m a t t i n gt e c h n o l o g y ，c u r i n gm e t h o da n ds oo n ) o n e m u l s i f i e da s p h a l tm o d i f i e dc e m e n tm o r t a ra n de m u l s i f i e da s p h a l tm o d i f i e d c e m e n tc o n c r e t eb yt h em e t h o do fl a b o r a t o r yt e s t b yt h es t u d yo f m i c r o s t r u c t u r e ，t h ea u t h o rl o d g e st h es t r u c t u r a lm o d e lo fe m u l s i f i e d a s p h a l tm o d i f i e dc e m e n tm o r t a ro nd i f f e r e n tc o n d i t i o n a tl a s t ，t h ea u t h o r a p p r a i s e st h es y n t h e s e sb e n e f i to fe m u l s i f i e da s p h a l tm o d i f i e dc e m e n t m o r t a r t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t ，t h ea p p r o p r i a t ep o l y m e r c e m e n tr a t i 0 ， f o r m a t t i n gt e c h n o l o g y ，c u r i n gm e t h o dcani m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t y ( s u c ha sc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，f l e x u r a ls t r e n g t h ，t h er a t i oo fc o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n df l e x u r a ls t r e n g t h ，d e s t r u c t i v es h a p ea n ds oo n ) a n d m i c r o s t r u c t u r eo fe m u l s i f i e da s p h a l tm o d i f i e dc e m e n tm o r t a r i na d d i t i o n ， t h ee m u l s i f i e da s p h a l tm o d i f i e dc e m e n tm o r t a rh a st h em e r i to fc h e a p n e s s ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， e n e r g y c o n s e r v a t i o n s o ， e m u s i f i e da s p h a l t m o d i f i e dc e m e n t m o r t a ri sf e a s i b l e b u t ，e m u l s i f i e da s p h a l tm o d i f l e dc e m e n tc o n c r e t ed o e sn o ta t t a i n p e r f e c tr e s u i t c o m p a r e d t oc e m e n tc o n c r e t e ，t h em e r i to fe m u i s i f l e d a s p h a l tm o d i f i e dc e m e n t c o n c r e t ec o n s i s t s o f r i g i d i t yd e c r e a s i n g ， f r i a b il i t yr e d u c i n g ，f le x ib i1i t yi n c r e a s i n g b u t ，c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n d f l e x u r a s t r e n g t ho fe m u l s i f l e da s p h a l tm o d i f i e dc e m e n tc o n c r e t er e d u c e i nt h ef u t u r e ，h o wt oi n c r e a s es t r e n g t ha n da n a l y s e sm i c r o s t r u c t a r eo f e m u is if i e da s p h a l tm o d i f i e dc e m e n tc o n c r e t en e e dt ok e e po nr e s e a r c h ， k e yw o r d s ：a s p h a l tm o d i f i e dc e m e n tm o r t a r ，a s p h a l tm o d i f i e dc e m e n t c o n c r e t e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y ，m i c r o s t r u c t u r e ，m o d i f i e dm e c h a n is m 重庆交通学院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。 赢帅 成月 孙 乒 签 年 一 砧 劬 肌 学 日 重庆交通学院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。 本人授权重庆交通学院可以将本学位论文的全部或部分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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d 。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：反淼 指导刻磁狡嘻力 同期：2 耐年争月o r日期：硝年中月e h 第一章引言 第一章引言 1 1 聚合物改性水泥基复合材料 两种或两种以上化学性质或组织相不同的物质，以微观或宏观的层次结合而 成的材料，均可称为复合材料。这在我们工程建设和闩常生活中是屡见不鲜的。 掺麦秆的泥墙、水泥混凝土、金属陶瓷、橡皮轮胎乃至树木、竹材、动物躯体都 泛属复合材料范畴。不过，在工程上所称的复合材料主要是指一种材料以人工均 匀地分散在另一种材料中，以克服单一材料的某些弱点，具有综合性能的材料。 在现代人们的意识中，复合材料一般是指以各类树脂为基材，以各种纤维为增强 材料的纤维增强塑料。自二十世纪六十年代以来，由于新技术、新材料和新工艺 的问世，又相继出现了增强金属、高分子合金、增强陶瓷、聚合物水泥基复合材 料等新品种，给复合材料的概念拓宽了外延。 聚合物改性水泥基复合材料是在水泥混凝土或水泥砂浆的成型过程中掺加一 定量的聚合物，从而改善水泥混凝土或水泥砂浆的性能，提高水泥混凝土或水泥 砂浆的使用品质或使其满足工程的特殊需要。广义讲，聚合物改性水泥基复合材 料属于有机和无机的复合材料，包括聚合物改性水泥砂浆和聚合物改性水泥混凝 土。 1 2 聚合物改性水泥基复合材料的研究现状 随着1 8 2 4 年波特兰水泥的出现，在1 8 3 0 年前后出现了混凝土。1 9 0 0 年以后， 混凝土科学技术和应用的发展非常迅速。因为混凝土具有原料丰富、价格低廉、 抗压强度高、耐久性比较好、生产工艺简单、用途广泛、适应性强等众多优点， 已使其成为世界范围内应用最广、用量最大，几乎随处可见的建筑材料。但是， 普通混凝土也有许多自身难于克服的缺陷，如抗拉或抗折强度较低，脆性大，柔 性低，凝结硬化较缓慢，干缩量大以及抗化学腐蚀能力不高等。长期以来，人们 一直在寻找对水泥混凝土进行改良的途径，诸如通过改善水泥的性质、改变水泥 混凝土配合比、添加纤维材料、掺加外加剂等措施来改良水泥混凝土的性能，以 使得混凝土满足工程的特殊需要。但是对混凝土基本力学特性的改善，如降低混 凝士的刚性、提高其柔性、降低抗压强度与抗折强度的比值，则要借助j ：材料复 合的优势，在大多数情犹f 是通过掺加聚合物实现的。 聚合物在水泥砂浆和混凝士的应用也已有很久的历史。1 9 2 3 年c f e s s o r l l 获 得了第一个这方面的专利。在这个专利中用天然乳胶改性道路材料，其中的水 泥作为填料使用。1 9 2 4 年l e f e b u r e ”的专利已经是现代意义上的聚合物政性混凝 j t 了，他第一个用配合比设计的方法来设计天然胶乳改性的水泥混合料。本世纪 第一章引言2 2 0 3 0 年代之间，用天然橡胶乳液改性水泥浆及水泥混凝土得到了发展。本世纪 3 0 4 0 年代之间，人们开始把着眼点从天然聚合物材料转到了人工合成聚合物材 料上来。本世纪4 0 年代以来，先后有人获得了用合成聚合物胶乳进行改性的专利， 所用合成胶乳如氯丁橡胶乳液，聚丙烯酸酯胶乳等，并尝试把聚乙烯乙酸酯用于 对水泥砂浆及水泥混凝土的改性。5 0 年代以后，对聚合物用于水泥砂浆及水泥混 凝土进行了一定程度的研究，并丌始把部分研究成果在实际工程中试用。6 0 年代 以后，聚合物用于水泥及水泥混凝土的研究得到了发展，人们研究把多种聚合物 诸如聚苯乙烯，聚丙烯酸酯等用于水泥砂浆及水泥混凝土的改性。6 0 7 0 年代以 后，开始研究用不同形态的聚合物，诸如应用聚合物单体，树脂，聚合物胶乳， 聚合物粉末等对水泥砂浆及水泥混凝土进行改性。8 0 年代以来，世界范围对这一 领域的研究兴趣与r 俱增，研究成果也大量出现，并且研究的深度也进一步深入。 近些年来。国际上对于聚合物胶乳，如丁苯橡胶、聚丁烯酸酯等胶乳进行了较为 广泛的研究，这些聚合物在工程实践中得到了部分的应用。目前，美国、闩本、 英国、德国以及俄国已经先后制定了一些聚合物在混凝土中应用的标准和规范。 迄今为止聚合物应用于水泥混凝土主要有三种形式，一是聚合物浸渍混凝 土，二是聚合物混凝土，三是聚合物改性水泥混凝土。下面将分别介绍它们的优 缺点。 聚合物浸渍混凝土 聚合物浸渍混凝土是将硬化干燥后的混凝土浸渍在可聚合的高分子单体或预 聚体中，在单体或预聚体渗入混凝土中的孔隙后引发聚合所得到的聚合物混凝土 复合材料。常用的可聚合物单体有甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、苯乙烯等：常 用的预聚体有不饱和聚酯树脂和环氧树脂。聚合物浸渍混凝土具有良好的力学性 能、耐久性及抗侵蚀能力，但由于聚合物浸渍工艺复杂，成本较高，混凝土构件 需预制并且构件尺寸受到限制，因而其应用并不太广泛，主要是特殊情况下使用。 聚合物混凝土 聚合物混凝土是以聚合物为结合料与砂石等骨料形成的混凝土。所用的聚合 物通常有环氧树脂、脲醛树脂，糠醛树脂等。聚合物混凝土具有良好的力学性能、 耐久性及普通混凝士无法比拟的某些特殊性质，如速凝等。但由于聚合物混凝土 中混凝：t 的结合完令靠聚合物，所以聚合物的用量较大，般多达整个混凝士重 量的8 左右，因此聚合物混凝土的价格昂贵，同前还不能f 【= j 于普通建筑工程，多 用于特殊工程。 聚合物改性水泥基复合材料 聚合物改性水泥基复合材料是住水泥混凝土或砂浆成型过程中掺加一一定餐的 聚合物，从而改善水泥混凝土或砂浆的性能，提高水泥混凝f ：或砂浆的使用t 锚质 第+ 章引言 或使其满足工程的特殊需要。聚合物改性水泥基复合材料与聚合物浸渍混凝土和 聚合物混凝土相比具有：工艺简单、成本较低、应用范围较广等明显优点。 聚合物改性水泥早在2 0 世纪2 0 年代就开始了。在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代， 天然橡胶胶乳改性砂浆和混凝土获得了一定的发展。1 9 3 2 年，b o n d 提出了用合成 橡胶胶乳改性水泥基材料的专利；1 9 3 9 年r o d w e l l 提出了用合成树脂乳液生产聚 合物改性水泥基材料的专利。在2 0 世纪4 0 年代，陆续提出了一些其他乳液改性 水泥基材料的专利，而且聚乙酸乙烯酯改性混凝土和砂浆已获得了实际应用。随 后，聚合物改性砂浆和混凝土逐渐在船舶、桥面、路面、地面、防腐、粘结等方 面获得应用。如今，聚合物改性砂浆和混凝土不仅在混凝土结构的修补和维护方 面成为一种非常重要的材料，就是在新的建筑中也获得越来越_ r + 泛的应用，尤其 是在桥面、停车场、码头、瓷砖和石材粘结、建筑防水、防腐等工程领域。 用于水泥混凝土改性的聚合物有四类，即水溶性聚合物、聚合物乳液( 或分散 体) 、可再分散的聚合物粉料和液体聚合物，见图1 1 ： 混凝十改性州 聚合物 水溶性聚合物 ( 单体)聚a 铘。液m 分篱簿合物j 【液体聚合物 橡胶胶乳塑性磐蚓p 固塑8 雩1 【沥帮些j | 混合乳液 图11 水泥混凝改性用的聚合物种类 f f i g 1 1p o l y m e r u s e di nc e m e n tc o n c r e t em o d i f i c a t i o n ) 对聚合物改性水泥砂浆和混凝土的结构形成提出过许多模型，其中最著名的 是o h a m a 模型，此外还有k o n i e t z k o 模型和p u t e r m a n 与m a l o r n y 模型。o h a m a l l 8 1 模型把聚合物改性混凝土的结构形成过程分为三个阶段：第一阶段，乳液中的聚 合物颗粒均匀分布存水泥浆体中：第阶段，随着水量的减少，水泥凝胶结构在 发展，聚合物迓渐被限制在毛隙孔隙中，随着水化的进一步进行，毛隙孔隙中的 水量在减少，聚合物颗粒絮凝存起；第二阶段，由j 水化过程的小断进行，凝 聚在起的聚合物颗粒之问的水分逐渐被全部吸收到水泥水化过程的化学结合水 【 i 去，最终聚f r 物颞粒完全凝结侄。起形成连续的聚合物网结构。k o n i e t z k o i ”i 模 班将乳液改性混凝士的结构形成过程分为嬲个阶段：兀：始聚合物均匀分数丸水泥 混凝上体系中，随着水泥颗粒的水化，山：体系巾的一部分水被水泥水化所结合， 第一章引言 4 因此悬浮液中的水分被转移，聚合物颗粒开始堆积，随着水泥水化的进步进行， 堆积的聚合物颗粒也越来越多，逐渐溶解在一起形成聚合物膜，最终聚合物在水 泥混凝土中形成空间连续的网状结构，并且硬化水泥浆体也在聚合物网孔中形成 连续结构，两种网结构互相交织缠绕形成互穿网络结构。o h a m a 模型和k o n i e t z k o 模型的区别在于，后者认为聚合物是空间网结构，水泥硬化浆体包裹在聚合物网 中间，互不连接，而前者则认为两者都形成空间网结构。p u t e r m a n 2 0 与m a l o m y 提出了聚合物改性混凝土中聚合物结构形成过程的另外一种不同观点，其主要不 同之处在于聚合物薄膜的形成时问和聚合物乳液最低成膜温度对它的影响。 在水泥砂浆或水泥混凝土中掺入聚合物后，会引起水泥砂浆或水泥混凝土的 性质起一系列的变化，诸如，抗折强度提高、抗压强度降低、弹性模量降低、刚 性降低、柔性增加、变形能力提高，耐磨性增加、粘结强度提高、耐久性提高等。 关于聚合物改性水泥砂浆和混凝土的机理，主要从以下几方面进行分析： 由于聚合物的加入引起了水泥石结构形态的改变，从而对水泥及水泥混凝 土的性能起到改善作用； 聚合物与水泥或水泥水化产物相互发生了化学作用，从而对水泥混凝土的 性能有改善作用； 聚合物的掺入会对水泥的水化及凝结硬化过程有影响，从而改变混凝土的 性能： 聚合物的掺入改变了混凝土的孔结构，改善了水泥浆体与骨料的粘结，减 少了硬化水泥浆体中的微裂纹，从而改善了水泥混凝土物理力学性能；由于聚 合物的掺入，可改善水泥砂浆或水泥混凝土的工作性能，其减水作用可降低水灰 比，从而改善了水泥混凝土的物理力学性能。 1 3 聚合物改性水泥基复合材料存在的问题及发展前景 1 3 1 存在的问题： 聚合物价格昂贵，许多研究指出，仅原材料费用，每m 。混凝土增加成本上百 元，且掺量越高，增加的费用就更高，这使得聚合物改性水泥基复合材料只能用 作修补旧混凝土、消震和防腐内衬等材料，而难以成为通用的建筑材料。 混凝土中掺入聚合物强度提高不大，抗压强度甚至有所降低，这也限制了聚 合物改性水泥基复合材料的夫范刚使用。 1 3 2 发展前景： 宏观无缺陷的聚合物改性水泥基复合材料：1 9 8 1 年，美国i c i 公司用聚丙酰 胺或聚乙烯醇一类树脂与水泥一起在极低水扶比条件下，制成的有机无机复合材 料，圜其结构十分紧密、孔隙率低、孔径小而被称为无宏观缺陷的水泥材料，简 第一章引言 b 称n ) f 。其聚合物用量仅为水泥质量的5 ，而强度则比普通水泥混凝土提高了一 个数量级【3 6 i 。目前国内外对m d f 做了大量的理论和应用研究，如用其制成了计算 机房抗静电活动地板等。 经济的聚合物改性水泥基复合材料：严吴南1 8 j 等已经用廉价的乳化石油沥青配 制经济的聚合物水泥混凝士，同样可提高普通混凝一k 的抗化学腐蚀、抗碳化性等 性能：如采用适宜的低聚灰比、并加入少量的无机超细活性掺合料，可得到高强 度的聚合物改性水泥基复合材料，这是一个有前途的发展方向。 研究聚合物改性水泥基复合材料的合理配方，改善单体和聚合物的物化性能， 使聚合物改性水泥基复合材料具有与聚合物浸渍砂浆相近的力学、机械性能。 1 4 本课题的提出 1 4 1 可行性分析 从1 3 聚合物改性水泥基复合材料的发展前景可以看出，采用乳化沥青配制 经济的聚合物改性水泥基复合材料是一个非常有前途的发展方向，而乳化沥青的 突出优点是价格便宜、环保节能，若能研究成功，它的应用前景还是非常广泛的。 目前，国内外对乳化沥青的应用研究主要分为两个方面；一方面采用水泥一 乳化沥青复合材料体系丌发半刚性路面面层材料；另一方面将乳化沥青用于对水 泥砂浆和水泥混凝土进行改性。 国内外采用水泥一乳化沥青复合材料体系开发半刚性面层材料的研究相对较 多。迄今为止，国内外获得这种半刚性材料主要有两种途径，一种是“柔中掺刚”， 如同济大学研究的水泥乳化沥青混凝土，它是以乳化沥青混合料为基体掺加水泥 砂浆，期望提高沥青混合料的抗车辙能力，同时改善沥青混合料的低温抗裂性和 耐久性；另一种是“刚中掺柔”，如东南大学研究的乳化沥青预裹集料水泥基半刚 性材料，它是以水泥为连续相，在其中掺加乳化沥青，从而达到降低水泥混凝土 的模量，提高水泥混凝土韧性，同时也改善水泥混凝土路面行车舒适性。研究表 明采用水泥一乳化沥青复合材料体系开发半刚性面层已取的了一定的成果，但是 存在的问题也较多。 国内外对于将乳化沥青用于水泥砂浆和水泥混凝土改性的研究较少。从图1 1 中可以看出，乳化沥青也包括在混凝士改性用的聚合物巾，作为一种聚合物，理 论上应媛同其它聚台物一样对水泥砂浆和水泥混凝土起到较好的改性作用。假从 前面所叙述的聚合物发展简史以及国内外对聚合物的研究现状可以看出，很少有 人从事乳化沥青改性水泥混凝上或水泥砂浆的研究，在国内只有重庆建筑大学的学 严吴南、西安公路交通大学的1 4 】沙爱民从事过类似的研究，通过研究发现乳化沥青 改性水泥砂浆或水泥混凝一j ：具有f 述特点： 第一章引言 6 脆性降低，变形能力增大。沙爱民1 4 j 的试验结果表明：随着乳化沥青用量的 增加，胶砂试件的变形能力增加，脆度系数减小。 抗侵蚀性有较大的提高。根据严吴南【8 】的试验结果：掺沥青的砂浆或混凝土， 其抗硫酸盐侵蚀性好于不掺者，掺多的好于掺少的。 抗渗透性有明显改善。严吴南【8 】的试验结果表明：如以水泥混凝土试件的渗 水高度为1 0 0 ，而聚灰l f ：5 的乳化沥青水泥混凝土试件渗水高度仅为6 0 。 抗碳化性能较好。严吴南啪的试验结果表明，聚灰比为5 o 的乳化沥青水泥 混凝土试件的抗碳化性能比水泥混凝土约提高3 0 。 抗压强度降低，而抗折强度变化不大。根据严吴南”1 的试验结果：聚狄比为 5 的乳化沥青水泥胶砂试件2 8 d 的抗压强度为2 8 m p a ，抗折强度为4 3 m p a ；而水 泥胶砂试件2 8 d 的抗压强度为3 2 m p a ，抗折强度为4 6 m p a 。试验还表明，掺量越 多，强度降低越多。 密实度较低。根据沙爱民 4 】的试验结果：考察相同养生条件下乳化沥青水泥 胶砂试件平均质量发现，各试件质量均明显小于参比的标准胶砂试件的平均质量。 水灰比减小，强度反而降低。根据沙爱民 4 j 的试验结果：降低水灰比，混凝 土孔隙率减小，试件强度应有所提高，而乳化沥青水泥胶砂试件的强度却随着水 灰比的减小而减小。 从严吴南和沙爱民的研究成果可以看出，乳化沥青改性水泥基复合材料已初 步达到了聚合物( 不包括乳化沥青) 改性水泥基复合材料的效果，如使水泥砂浆 或水泥混凝土的脆性降低、变形能力增大，抗弯拉弹性模量降低；抗渗透性、抗 腐蚀性、抗碳化等性能得到明显改善：但是也有许多不足之处，如抗折强度降低 或变化不大，密实度较低，孔隙率较大。但只要采取其它措旌，如添加外加剂、 选择合适的施工工艺、养护方法等降低乳化沥青改性水泥基复合材料的孔隙率， 以提高密实度；以及增强沥青及水泥同矿料之间的相互作用，以进一步提高乳化 沥青改性水泥基复合材料的强度，n t l 化沥青就很有可能成为一一种理想的改性水 泥基复合材料的聚合物。再者从已有的研究成果中可以看出人们只是对乳化沥青 改性水泥基复合材料的力学性能和物理性能进行了较多的研究，而对其微观结构 的研究却较少，也就不能很好地解释其性能改善的原因，因而还需要对这种新型 复合材料进行微观结构分析，进而从理论上进一步研究其改性机理。因此，对廉 价聚合物一乳化沥青改性水泥基复合材料进行深入研究具有重要的理沦意义和应 用价值。鉴于此，本文将廉价聚合物一乳化沥青改性水泥基复合材料作为硕士论 文的选题。 1 4 ，2 主要研究内容及研究方法 乳化沥青具有成为改性水泥基复合材料理想聚合物的前景和可能性，为把这 第一章引言 种没想和可能性变为现实，需要进行大量的研究工作。为了给进一+ 步研究提供理 论依据和试验基础，本课题的研究工作重点从力学性能、微观结构、综合效益等 几个方面进行研究，以初步弄清廉价聚合物一乳化沥青改性水泥基复合材料的合 理旋工工艺及养护方法、力学性能、微观结构、综合效益等问题。 本文的主要研究内容及研究方法如下： 为全面评价廉价聚合物一乳化沥青改性水泥基复合材料的力学性能，应对 其开展系统的力学性能试验研究。 乳化沥青改性水泥砂浆作为一种新型的复合材料，将具有新的微观结构特 点，应对其开展微观结构的分析研究。 对乳化沥青改性水泥砂浆的综合效益进行评价。 全面总结论文的研究工作，提出进一步要研究解决的问题。 1 4 3 预期目标 通过乳化沥青改性水泥基复合材料的力学性能试验，分析聚灰比、成型工艺、 养护方法等因素对力学性能( 如抗压强度、抗折强度、压折比、抗压回弹模量、 破坏形态等) 的影响，确定最佳聚灰比、成型工艺、养护方法等。 通过对乳化沥青改性水泥砂浆进行微观结构分析，从而从理论上弄清其微观 结构及改性机理；并通过对乳化沥青改性水泥砂浆进行技术经济分析，评价其综 合效益。 1 4 4 理论意义及实际应用价值 乳化沥青改性水泥基复合材料是利用水泥混凝土的制造方法和施工技术与高 分子材料有效结合而产生的一种新型有机、无机复合材料。这一新型材料学科， 是介于聚合物科学、无机胶结材料化学及混凝土工艺学之间的边缘学科。对这一 新型材料科学领域的研究对于开发新型的有机、无机复合材料具有重要的理论意 义。 通过评价这种复合材料的力学性能和微观结构，若它能够达到聚合物改性水泥 基复合材料的效果，而乳化沥青又具有价格便宜、环保节能等突出优点，这样利 用廉价聚合物一乳化沥青对水泥基复合材料进行改性将成为可能，由于价格低廉， 也会使这种新型的复合材料得到广泛的推广应用，如用于船舶、桥面、路面、地 面、防腐、粘结等方面，从而推动了聚合物改性水泥基复合材料研究的新发展。 第一二章乳化沥青改性水泥砂浆力学性能试验研究 8 第二章乳化沥青改性水泥砂浆力学性能试验研究 2 1 引言 本章将通过对乳化沥青改性水泥砂浆进行力学性能试验，分析聚狄比、成型 工艺、养护方法等因素对其力学性能( 如抗压强度、抗折强度、压折比、抗压回 弹模量、破坏形念等) 的影响，并确定最佳聚狄比、成型工艺、养护方法等。 2 2 试验原材料 2 2 1 乳化沥青 本章试验采用的乳化沥青为慢裂快凝型阳离子乳化沥青，其技术性质参照公 路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 中有关方法进行检验，各项 指标均符合要求，结果见表2 1 。 表2 1 乳化沥青技术性质 t a b l e2 1t e c h n i c a l i t yn a t u r eo f e m u l s i f i e da s p h a l t 序号检测项目检测结果 111 8 r a m 筛上剩余量不人丁( )o 1 8 2电荷+ 3 破乳速度试验慢裂 4 沥青标准粘度计c “。( s ) 2 3 8 5蒸发残留物含量不小于( )5 5 针入度( 1 0 0 9 ，2 5 。c ，5 s ) ( 0l m m ) 5 8 8 残留延度比( 2 5 c ) 不小于( ) ) 8 0 蒸发残 6 延度( 5 “c ) c m 5 0 留物性质 软化点7 0 溶解度( 三氯乙烯) 不小于( ) 9 7 5 7 储存稳定性l d 不人t - ( ) l 8粘附性1 2 2 2 水泥 本章试验采用的是重庆江津夏强水泥厂牛产的3 2 5 级普通硅酸盐水泥，其性 质参照公路工程水泥混凝土试验规程( j t j 0 5 3 9 4 ) 中的有天方法进行检验， 各项指标均符合要求。 第章乳化沥青政性水泥砂浆力学性能试验研究 9 2 2 3 标准砂 本章试验采用的是福建厦门义思碧欧标准砂有限公司牛产的标准砂，其具体 规格见表2 2 。 表2 2 标准砂的规格 t a b l e2 2s p e c i f i c a t i o ns t a n d a r ds a n d 方孔筛筛孔直径( m m )累计筛余耸( ) o6 5 9 2 2 4 水 凡能饮用的自来水和洁净的天然水均可使用，无特殊要求。 2 2 5 高效减水剂 未经说明本章试验采用的高效减水剂为重庆达华混凝土外加剂公司牛产的 “达华”牌n n 0 型高效减水剂，该高效减水剂由精萘经硫酸磺化与甲醛缩聚、中 和、过滤而成的粉状物，属于阴离子表面活性剂，当掺量为0 8 1 2 时，减 水率为1 6 2 3 。 2 2 6 氯化钙( c a c i 。) 本章试验采用的氯化钙为成都市金山化工试剂厂牛产的无水氯化钙，该产品 为白色粒状物，极易分解，易溶于水及醇，溶于水发出大量热，其杂质最高含量 见表2 3 。 表23 杂质最高含量( ) t a b l e2 3s u p r e m ec o n t e n ti m p u r i t y ( ) 铁( f e ) 0 0 0 1硫酸盐( s o ；) 0 0 2 0 锌( z n ) o ，o l 钡( b a )合格 砷( a s ) 0 0 0 0 3 硝酸盐( n o ，) 合格 0 ：溶物及氢氧化饺沉淀物 0 0 0 5碱度( c a ( o h ) ! )0 0 2 0 镁及碱金属( 以硫酸盐训) o 3 0 重金属( p b ) o ，0 0 1 磷酸赫( p o ；) 0 0 0 3 第二章乳化沥青改性水泥砂浆力学性能试验研究 1 0 2 27 羧甲基纤维素钠( c m c ) 本章试验采用的是重庆力宏精细化： 有限公司生产的规格为o m 。的羧甲基纤 维素钠，其产品检验报告单如表2 4 所示。 表2 ，4 产品检验报告单 t a b l e2 4t e s tr e p o r to f p r o d u c t i o n 品名羧甲基纤维素钠规格o 诋批号4 0 3 2 5 2 7 代表数量样品取样日期 2 0 0 4 3 2 6 执行标准o l h l - - 2 0 0检测日划 2 0 0 4 3 2 6 检测项目标准检测结果 2 水溶液粘度 5 5 0 p h 值7 6 取代度( d s )0 6 0 纯度( ) 9 0 干燥碱釜( )7 2 外观向色或微黄色纤维状粉末 2 。3 砂浆试件的配合比 2 3 1 普通水泥砂浆试件的配合比 本章试验中普通水泥砂浆的配合比为，水泥：水：标准砂= 1 ：0 5 ：3 2 3 2 乳化沥青改- 性水泥砂浆试件的配合比 本章试验中乳化沥青改性水泥砂浆的配合比为： 水泥：乳化沥青：标准砂：水：高效减水剂：氯化钙：甲基纤维素钠 1 ：a ：3 ：0 5 一a b ：0 0 1 ：o 0 1 ：0 0 0 7 注释： 为了反映出乳化沥青掺量的变化，本章试验中a 分别取0 1 、0 2 、0 3 、0 4 、 0 5 、0 7 、0 9 等数值。 b 表示乳化沥青中水占的质量百分比， b = 4 5 。 同粥肛什r 嘣、望生垡呈宴妻鋈量掣。1 0 0 聚灰比( ) = 而西疆疆r “ 高效减水剂的掺量百分比( ) 墅攀变型望垡堕1 0 0 水泥的掺量 。 第二章乳化沥青改性水泥砂浆力学性能试验研究 1 1 叫c 的掺量百分比( ) = 篇1 。 c a c l ：的掺量百分比( ) = 旦匹梨裂群- 。 除说明外，本章试验中，高效减水剂的掺量百分比为l ，c m c 的掺量百分 比为0 7 ，c a c l ：的掺量百分比为1 。 2 4 砂浆试件的成型工艺和养护方法 2 4 1 普通水泥砂浆试件的成型工艺和养护方法 成型工艺： 水泥与标准砂的质量比为1 ：3 ，水灰比取0 5 ： 胶砂搅拌时，先将称好的水泥倒入搅拌锅内，开动搅拌机，拌和5 s 后，徐徐 加水，3 0 s 内加完，此时标准砂自动落下并一起搅拌，自开动机器起搅拌1 8 0 - t - 5 s 停车，将粘在叶片上的胶砂刮下，取下搅拌锅，将搅拌好的全部胶砂分两次均匀 地装入试模中，共振动1 2 0 5 s 后停车，振动完毕，取下试模，用刮刀轻轻刮去 高出试模的胶砂并抹平，接着在试体上编号。 养护方法： 试件编号后，在室内自然养护2 4 h 后取出，脱模，试件脱模后即放入标准养 护室( 2 0 3 c ；r h = 9 0 ) 的水槽中养护6 d 或2 7 d 。 2 4 2 乳化沥青改性水泥砂浆试件的成型工艺和养护方法 在本章试验中，乳化沥青改性水泥砂浆采用了三种不同的成型工艺和养护方 法，下面将分别进行叙述。 成型工艺i ： 将称好的乳化沥青倒入搅拌锅内，搅拌均匀，再顺序将c m c 、c a c l ：、掺有高 效减水剂的水泥用小部分水溶解后倒入此搅拌锅内与乳化沥青搅拌均匀，搅拌3 0 s 后，标准砂自动落下并一起搅拌，搅拌1 8 0 5 s 后停车，将粘在叶片上的胶砂刮 f ，取下搅拌锅，将搅拌好的全部胶砂分两次均匀地装入试模中，共振动1 2 0 5 s 厉停车振动完毕，取下试模，用刮川轻轻刮去高出试模的胶砂并抹平接着在 试体上编号。 养护方法： 试件编号后，在寄内自然养护( t ：2 8 。c 3 5 ) 2 4 h 后，墩出，脱模；试件 脱模后，先放在标准养护室中( 2 0 3 ，r h ：9 0 ) 养护4 2 0 天，即7 天龄朔 第二章乳化溉青改性水泥砂浆力学性能试验研究 1 2 养护4 天，2 8 天龄期养护2 0 天；再将试件自标准养护室移出，置于室内自然养护 ( 2 8 3 5 ) 2 天或7 天，即7 天龄期自然养护2 天，2 8 天龄期自然养护7 天。 成型工艺i i ： 用小部分水溶解c a c l ：形成c a c l ：溶液，再将c m c 加入到此溶液中溶解并搅拌 均匀，形成c a c i 。、c m c 的混合溶液，将称好的掺有高效减水剂的水泥加入到搅拌 锅中，并将已形成的c a c l ：、c m c 的混合溶液加入其中与水泥一起搅拌，使水泥形 成水泥浆，再将称好的乳化沥青加入其中，同水泥浆一起搅拌3 0 s 后，标准砂自 动落下并一起搅拌，搅拌1 8 0 + 5 s 后停车，将粘在叶片上的胶砂刮下，取下搅拌 锅，将搅拌好的全部胶砂分两次均匀地装入试模中，共振动1 2 0 + - - 5 s 后停车，振 动完毕，取下试模，用刮刀轻轻刮去高出试模的胶砂并抹平，接着在试体上编号。 养护方法： 试件编号后，在室内自然养护( t ：1 4 。c 2 0 。c ) 2 4 h 后，取出，脱模；试件 脱模后，先放在标准养护室中( 2 0 。c 3 c ，r h ：9 0 ) 养护4 2 0 天，即7 天龄期 养护4 天，2 8 天龄期养护2 0 天；再将试件自标准养护室移出，置于室内自然养护 ( t ：1 4 2 0 c ) 2 天或7 天，即7 天龄期自然养护2 天，2 8 天龄期自然养护7 天。 成型工艺i i i ： 将称好的乳化沥青加入搅拌锅内搅拌均匀，顺序将c m c 、c a c l ：用小部分水溶 解后加入搅拌锅内搅拌均匀形成乳化沥青、c m c 、c a c l 。的混合溶液： 将剩余的水加入到已掺有高效减水剂的水泥中，搅拌均匀使水泥形成水泥浆， 再将此水泥浆加入到已形成的乳化沥青、c m c 、c a c l ：的混合溶液中一起搅拌3 0 s 后，标准砂自动落下并一起搅拌，搅拌1 8 0 _ + 5 s 后停车，将粘在叶片上的胶砂刮 下，取下搅拌锅，将搅拌好的全部胶砂分两次均匀地装入试模中，共振动1 2 0 + 5 s 后停车，振动完毕，取下试模，用刮刀轻轻刮去高出试模的胶砂并抹平，接着在 试体上编号。 养护方法： 试件编号后，在室内自然养护( t ：5 c i o 。c ) 2 4 h 后，取出，脱模；试件脱 模后，先放在标准养护室中( 2 0 。c 3 ，r h ：9 0 ) 养护4 2 0 天，即7 天龄期养 护4 天，2 8 天龄期养护2 0 天；再将试件自标准养护室移出，置于室内a 然养护 ( 5 l o 。c ) 2 天或7 天，即7 天龄期自然养护2 天，2 8 天龄期a 然养护7 天。 2 4 3 乳化沥青改性水泥砂浆试件三种成型工艺和养护方法的区别 三种成型工艺掺配顺序的区别： 工艺i ：溶有c v i c 、c a c l ! 的乳化沥青一掺有高效减水荆的水泥一标准砂； 第二章乳化沥青改性水泥砂浆力学性能试验研究1 3 工艺i i ：溶有c m c 、c a c l ：的乳化沥青一掺有高效减水剂的水泥浆一标准砂： 工艺i i i ：乳化沥青一溶有c m c 、c a c l 。的水泥浆一标准砂 水泥与乳化沥青拌和方式的区别： 工艺i ：水泥以干粉形式与溶有c m c 、c a c l ：的乳化沥青拌和； 工艺i i ：水泥以溶有c m c 、c a c l 。水泥浆的形式与乳化沥青拌和： 工艺i i i ：水泥以水泥浆的形式与溶有c m c 、c a c l 。的乳化沥青相拌和。 c m c 、c a c 。加入方式的区别： 工艺i 和i i i ：c m c 、c a c l 。以溶液的形式加入到乳化沥青中，与乳化沥青拌和； 工艺i i ：c m c 、c a c l ：以溶液形式加入水泥中，与水泥拌和，使水泥形成水泥浆。 养护方法的区别： 工艺i ：室内自然养护温度为2 8 3 5 ； 工艺i i ：室内自然养护温度为1 4 2 0 0 c ； 工艺1 1 i ：室内自然养护温度为5o c i o 。c 。 2 4 4 乳化沥青改性水泥砂浆养护方法的选择 2 4 2 中乳化沥青改性水泥砂浆三种成型工艺的养护方法，均选择室内养护 2 4 h 后脱模，然后放在标准养护室中养护4 2 0 天，即7 天龄期养护4 天，2 8 天 龄期养护2 0 天，最后放在室内不同的温度下自然养护2 7 天，即7 天龄期养护2 天，2 8 天龄期养护7 天。 采用这种养护方法主要是考虑到在乳化沥青改性水泥砂浆中水泥水化需要潮 湿的坏境，而乳化沥青则是通过失水凝聚成膜需要干燥的环境，这是一对矛盾， 而在乳化沥青改性水泥砂浆中水泥占的比例较大，乳化沥青占的比例较小，标准 养护4 2 0 d 可以保证水泥水化所需要的湿度，然后自然养护2 7 d 又保证了乳化 沥青能干燥成膜。 2 5 试验设备 电子称胶砂搅拌机、胶砂振动台试模、刮平刀 抗折试验机、抗折夹具抗压试验机、抗压夹具 2 6 试验方法及性能测试 2 6 1 容重的测定 根据2 4 砂浆试件的成型工岂和养护方法制各的砂浆试件( 4 x4 x1 6 c m ) ，养 护到规定龄期时，测定其在自然状态下的容重，试件的容重按式2 1 计算。 d = 里= ! 式2 1 v 0 0 4 x 00 4 0 1 6 第二章乳化沥青改性水泥砂浆力学性能试验研究1 4 式中：口一试件在自然状态下的容重，k g m5 ； m 一试件在自然状态下的质量，k g ； v 一试件在自然状态下的体积，一 2 6 2 强度的测定 根据公路工程水泥混凝土试验舰程( j t j 0 5 3 - - 9 4 ) 中水泥胶砂强度测定方 法，按2 4 中的成型工艺和养护方法制备的试件( 4 4 1 6 c m ) ，养护到规定龄 期，测定其抗折强度、抗压强度。 抗折强度的测定： 1 ) 取出经过规定龄期养护的三个试件，清除试件表面的水分和砂砾，将其放 入杠杆式抗折试验机的抗折夹具内，调整杠杆接近平衡位置，进行抗折强度的测 定。 2 ) 抗折强度按式2 2 计算 r r = 3 p l式2 2 2 b h 2 式中：r 一抗折强度，m p a ： p 一破坏荷载，n ； l 一支撑圆柱中心距即l o , o m m ； b h 一试件断面宽及高，均为4 0m i l l 。 抗折强度计算精确到0 0