（道路与铁道工程专业论文）引气水泥混凝土路用性能试验研究.pdf

摘要 混凝土材料已在道路工程中被广泛应用，但是受温度影响较大，由于温度的 变化就产生了一系列的病害，直接影响了道路的使用性能，而泡沫混凝土具有轻 质、保温、隔热的性能，这种性能可以改变混凝土受到温度的影响程度，减小混 凝土路面病害的发生，因此，有必要对泡沫混凝土进行深入研究。 本文从选择材料入手，通过在混凝土中引入气泡研制了一种新型道路材料， 主要研究包括以下几个方面：( 1 ) 在了解各类外加剂的性质和用途的基础上，结 合提高水泥砂浆的抗折强度和收缩的要求，拟定了粉煤灰、三种引气剂( a e 2 、 b t - 4 0 0 6 、z y - 9 9 ) 和三种减水剂( u n f - 1 萘系高效减水剂、b t - 4 0 0 8 、木钙) 来 制各引气砂浆。通过正交试验的极差分析，得出了各因素及掺量对水泥砂浆的各 项性能的影响规律，并对其影响程度进行排序。并应用高倍电子显微镜对不同引 气砂浆进行细观观察分析。( 2 ) 针对强度高、收缩小的特点，论文选用最大粒径 为1 9 m m 的骨架密实型结构进行混凝土配合比设计，通过测试混凝土干缩，各因 素对强度的影响和导热性能，确定了最佳含气量、水胶比、粉煤灰含量。( 3 ) 通 过有限元相关理论，在给定边界条件下和不同板长情况下，对引气混凝土路面板 养护过程中由于干缩引起的拉应力及温度翘曲应力进行计算和分析。结果表明相 同板长情况下引气混凝土的温度翘曲应力小于基准混凝土，而抗折强度却高于基 准混凝土的抗折强度。 通过本研究，可以达到对引气砂浆和引气( 泡沫) 混凝土有较充分的认识和 理解，为引气混凝土的推广应用提供试验依据，也为公路路面的建设提供一种新 的思路。 关键词：引气混凝土；正交试验设计；配合比设计；温度翘曲应力 a bs t r a c t c o n c r e t em a t e r i a l h a sb e e nw i d e l yu s e d i nr o a d e n g i n e e r i n g ， a n d s t r o n gi n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r e m a n y d i s e a s e sa p p e a r e da st h et e m p e r a t u r e ， d i r e c t l va f f e c t e dt h ep e r f o r m a n c eo fr o a d ，t h ep e r f o r m a n c eo fl i g h t ，h e a tp r e s e r v a t i o n ， h e a ti n s u l a t i o nc a nc h a n g et h ei m p a c to ft e m p e r a t u r eo nc o n c r e t e ，r e d u c e t h e o c c u r r e n c eo fc o n c r e t ep a v e m e n td i s e a s e s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt ot h o r o u g h r e s e a r c hf o rt h ef o a mc o n c r e t e i nt h i sp a p e r s t a r t i n gf r o mt h ec h o i c eo fm a t e r i a l s ，t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to f t h ei n t r o d u c t i o no fa i rb u b b l e sm o d i f i e d t oan e wt y p eo fr o a dm a t e r i a l ，i t sp r i n c i p a l i n c l u d et h ef o l l o w i n gt h r e ea r e a s ：( 1 ) i nu n d e r s t a n d i n gt h en a t u r eo fv a r i o u sk i n d so f m o d i f i e ra n du s et h eb a s i s ，c o m b i n e dt ot h ed e m a n do fi m p r o v i n gt h e f l e x u r a l s t r e n g t ha n ds h r i n k a g e ，d e v e l o p m e n t o ff l ya s h ，t h r e ek i n d so fa i r 。e n t r a i n i n ga g e n t e s ( a e 2 ，b t - 4 0 0 6 ，z y - 9 9 ) a n dt h r e ew a t e rr e d u c i n ga g e n t e s ( u n f 1 h i g he f f i c i e n t n a p h t h a l e n ew a t e rr e d u c i n ga g e n t ，b t - 4 0 0 8 ，w o o dc a l c i u m ) t op r e p a r ea i r e n t r a i n i n g c e m e n tm o r t a r t h r o u g hr a n g ea n a l y s i so fo r t h o g o n a ld e s i g n ，t h ei n f l u e n c el a wo f v a r i o u sf a c t o r sa n dt h ea d d i t i o no nc e m e n tm o r t a ro ft h e p r o p e r t i e sh a v eb e e n a f f e c t e da n ds o r t t oi t si m p a c t ，m i c r o s c o p i co b s e r v a t i o na n da n a l y s i sa p p l y i n g h ig h - p o w e r e de l e c t r o nm i c r o s c o p eo nd i f f e r e n tm i c r oa i re n t r a i n i n gm o r t a r ( 2 ) f o r t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs t r e n g t ha n ds m a l ls h r i n k a g e ，d e n s ef r a m e w o r ks t r u c t u r e o fm a x i m u md i a m e t e ro f19 m mw a sc h o s e nt oc o n c r e t em i xd e s i g n ，t h r o u g hc o n c r e t e s h r i n k a g et e s t ，t h ea f f e c t e so fv a r i o u sf a c t o r so ns t r e n g t ha n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ， o b t a i n et h eo p t i m u ma i rc o n t e n ta n dw a t e r b i n d e rr a t i oa n dt h ec o n t e n to fc o a lf l y a s h ( 3 ) i nt h eg i v e nb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n tp l a t el e n g t h e sc a s e ，a n di n e n t r a i n i n gc o n c r e t ep a v e m e n tc u r i n g ，t h r o u g h t h et h e o r yo ff i n i t ee l e m e n t ，i ti s c a l c u l a t e da n da n a l y z e d o nt h et e n s i l es t r e s s b e c a u s eo ft h es h r i n k a g ea n d t e m p e r a t u r e w a r p i n gs t r e s s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ew a r p i n gs t r e s s o t a i re n t r a i n i n gc o n c r e t ei sl e s st h a nt h er e f e r e n c ec o n c r e t e st ot h es a m ep l a t e ，b u tt h e f l e x u r a ls t r e n g t hi sh i g h e rt h a nt h er e f e r e n c ec o n c r e t e s t h r o u g ht h i ss t u d yc a nb ea c h i e v e do nt h ee n t r a i n i n gm o r t a ra n d a i re n t r a i n i n g f f o a m ) c o n c r e t eh a v em o r ef u l lu n d e r s t a n d i n g ，p r o v i d e t e s tb a s i st oa i r e n t r a i n e d c o n c r e t ed r o m o t i o na p p l i c a t i o n s ，a n dp r o v i d ean e wi d e a sf o rh i g h w a yp a v e m e n t c o n s t r u c t l o n i i k e yw o r d s ：a i r e n t r a i n e dc o n c r e t e ；o r t h o g o n a ld e s i g n ； m i xp r o p o r t i o nd e s i g n ；t e m p e r a t u r ew a r p i n gs t r e s s i l l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期矽似年夕月，留日 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。本人授权长沙理工大学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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：。沙肜年垆月艿日 日期d 加伯年v 月，8 日 第一章绪论 1 1 问题提出及研究意义 泡沫混凝土在我国已经有几十年的生产历史，在我国的建筑行业和 建材行业中，大多数都已经对它十分熟悉。它的突出特点就是在混凝土 内形成泡沫孔，使混凝土轻质化和保温隔热化，这方面世界各国均投入 大量的人力、物力进行节能研究。 泡沫混凝土一般采用机械的方法将发泡剂制成泡沫，然后再将已制 得的泡沫和硅钙质材料、菱镁材料和石膏材料所制成的料浆均匀搅拌， 即制成泡沫混凝土拌合物。搅拌使这些材料的硬质微粒粘附到泡沫外壳 上面，泡沫的气泡就变为互相隔开的单个气泡。气泡的壁体是由泡沫料 浆的微粒和水构成，泡沫混凝土气孔形状与加气混凝土的有所不同，不 是椭球体，它在毛细管作用下多少要产生变形而变成多面体。拌合物中 的细孔分布的越均匀、尺寸越小，则泡沫混凝土强度越高。在静停期间， 多孔拌合物逐渐稠化凝结、形成坯体。在蒸汽养护或自然养护条件下， 这些材料间产生水化反应，生成水化硅酸盐及水化铝硅酸盐胶凝物或其 他胶凝物质，使坯体逐渐变成具有一定强度和其他物理力学性能的多孔 人造石材。由于这种泡沫混凝土的泡沫是外加的，人们也习惯称之为外 发泡1 3 1 。 众所周知，水泥混凝土路面病害产生的主要原因之一是目前水泥混 凝土路面存在太多接缝，若能通过技术手段减少水泥混凝土的收缩或降 低水泥混凝土在收缩过程中由于受到基层的约束而产生的内部拉应力 ( 尤其是水泥混凝土硬化初期) ，则可延长水泥混凝土路面的接缝间距、 达到减少接缝数量的目的，从而减少了混凝土路面的病害。另外，改善 水泥混凝土板体的温度环境亦可降低水泥混凝土路面板的温度翘曲应 力，降低板体产生裂缝及板角边缘脱空的机率，延长路面的使用寿命。 泡沫混凝土是加气混凝土中一个特殊品种，是以水泥、河砂、集料、 泡沫剂等为主要原料，经精确配制并用化学方法引进气泡浇注经自然养 护成型的轻质材料。泡沫混凝土具有质量轻、强度高，隔热隔音性能好、 收缩变形小、吸水率低、寿命长和不燃烧等特性；是一种符合环保节能， 可降低能源损耗的新型建材。已广泛应用于建筑物作内外墙体保温层、 屋面保温层及其它相关的建筑工程1 。 因此，我们有必要在混凝土中加入泡沫，由于泡沫混凝土引入了泡 沫，它能否降低混凝土面板的导热系数，能否改善混凝土面板温度场分 布，能否减少温度应力引起的面板翘曲和边角脱空，降低水泥混凝土路 面病害发生的可能性，是此次研究的目的。 但是，把泡沫混凝土应用到路面上，应满足以下条件： ( 1 ) 泡沫混凝土应具有较好的抗泌水性、保水性、粘聚性 新拌混凝土必须满足一定的泌水性，泌水使混凝土表面的水胶比增 大，并出现浮浆，即上浮的水中带有大量的水泥颗粒，在混凝土表面形 成返浆层，硬化后强度较低，同时混凝土的耐磨性下降，这对路面等有 耐磨要求的混凝土十分有害。表面泌水的结果，使水泥混凝土路面表面 含水量增加，当混合料表面水的蒸发速度比泌水速度快时，水的蒸发表 面就会深入到混合料表面内，毛细水面形成凹面，产生较大的表面张力， 同时固体颗粒间产生毛细管张力，促使颗粒凝聚，当混凝土表面尚未充 分硬化，不能抵抗这一张力时混凝土表面则出现裂缝。裂缝的发生时间 大致与泌水时间相对应，在混凝土浇筑后数小时混凝土表面将普遍出现 细微的、各方向均存在的裂缝，亦即龟裂。泌水可使粗集料与胶结料的 界面上形成低强度的水泥石甚至空隙，导致微裂缝的产生，在拉应力的 作用下，微裂缝的尖端出现较大的应力集中，混凝土抗折强度降低哺1 。 有时水泥在配制砂浆或混凝土时，会将拌和水保留起来，有的在凝 结过程中会析出一部分拌和水。这种析出的水往往会覆盖在试体或构筑 物的表面上或从模板底部渗溢出来。水泥的这种保留水份的性能就称作 保水性。泌水性对制造均质混凝土是有害的，它妨碍了混凝土层与层之 间的结合，由于分层现象在内外都发生，将降低混凝土的强度和抗水性。 用增加水泥需水性的办法，可以降低泌水性、提高保水性。 ( 2 ) 泡沫混凝土应具有较好的抗渗性、抗冻性 混凝土是一种非匀质材料，内部分布着大小不等的空隙。其中有： 胶凝孔、毛细孔、沉降缝隙和接触孔、余留孔和施工空隙等，这些孑l 隙 为渗水形成通道，成为影响渗水、和抗冻性的主要因素。 ( 3 ) 泡沫混凝土应具有较好的抗压强度和抗折强度 在我国，针对泡沫混凝土的研究才刚刚起步，对泡沫混凝土的材料 组成以及实际路用性能还不了解，研究泡沫混凝土材料组成，总结泡沫 混凝土的力学特征，为泡沫混凝土在我国的推广应用积累经验。 本研究在水泥混凝土中添加不同的发泡剂来得到泡沫混凝土，期望 通过利用泡沫混凝土的保温、隔热的特点，研究解决目前水泥混凝土路 面建设中，接缝间距较短的问题，以及由于接缝出现的断板、板边翘曲、 2 错台等病害问题，为高等级水泥混凝土路面建设工程提供一种新的思路 和解决问题的办法。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 水泥混凝土发泡技术应用历史较长，主要通过对水泥混凝土发泡制 作成各种形式的泡沫混凝土构件用于房屋建筑达到轻质、保温隔热的目 的。传统的泡沫混凝土的基本原料为水泥、石灰、水、泡沫，在此基础 上掺加一些填料、骨料及外加剂。常用的填料及骨料为：砂、粉煤灰、 陶粒、碎石屑、膨胀聚苯乙烯、膨胀珍珠岩，常用的外加剂与普通混凝 土一样，为减水剂、防水剂、缓凝剂、促凝剂等。 国外发泡剂研究较早，已有较成熟的产品。s a v o 1y 等1 采用烷基硫 酸盐和烷基醚硫酸盐复合制成一种应用于石膏板等墙体材料中的表面活 性剂类发泡剂。c h 。( c h ：) ；c h ( o c h 。c h ：) ，o s o 。一m 十，其中mf 为n a 十或n h 4 十， x = 4 10 ，y = o 5 。并且该发泡剂组成中，y = o 的质量百分数不大于2 0 ， y = 2 或3 的质量百分数不小于4 5 。i shijim a 等研制的发泡剂是水分散性 的铝粉浆体，其组成为铝粉和r ( o a ) 。p o 。r 1r 2 的混合物，其中m = o2 0 ，a 为含有2 4 个碳原子的卤代烯基，r 为含有6 2 4 个碳原子的烷基或者 卤代烯基，r 1 为含有1 2 4 个碳原子的烷基，r2 为含有2 2 4 个碳原子 的芳烃基。美国学者研制的由烷基磺酸碱金属盐和水解蛋白质复合组 成的液体发泡剂，其中盐与蛋白质的比例为l ：2 2 ：1 之间，蛋白质主要 由动物胶、羽毛、血蛋白等动物蛋白在一定温度和压力下水解而得。a 10is so m m e r 哺3 等采用聚氯乙烯、烷基磺酸盐、藻酸盐或聚丙烯酸酷复合有机 型发泡剂。聚氯乙烯的聚合度为10 0 0 2 0 0 0 ，质量百分数为发泡剂的2 0 25 ，烷基磺酸盐是一种表面活性物，其质量百分数为发泡剂的4 0 4 5 ， 该发泡剂主要用作地面涂层，屋面装饰等。 国外发达国家由于高层建筑多，轻质建材用量大，所以生产轻质建 材的发泡剂研究起步早，美国上世纪二十年代就有了发泡剂及泡沫混凝 土，日本、意大利三十年代也开始有发泡剂的相关研究阳叫。目前美、 日、意等发达国家发泡剂技术已非常成熟，并已形成完整的技术标准和 检测体系。其发泡剂以稳定性较好的蛋白质型为主，并向我国出口。 1 2 2 国内研究概况 泡沫混凝土的生产方法。第一种是将发泡剂溶入水中，然后和水泥 均匀搅拌。该方法需要的发泡剂量大，成本较高，且泡径不均匀，仅适 3 用于微量引气混凝土。第二种是采用高速搅拌叶片制取泡沫，国内的制 泡技术目前主要是采用高速搅拌机，即将发泡剂溶液倒入高速搅拌机中， 然后用搅拌机的高速叶片搅动发泡剂溶液来制取泡沫。本方法特点是必 须先发泡，然后才能使用，过剩的泡沫过一段时间会破灭。第三种是采 用压缩空气法制泡，国外多用此法生产泡沫混凝土。和前两种发泡工艺 比较，压缩空气发泡设备比高速搅拌机稍复杂一些，但压缩空气发泡， 一方面发泡效率较高，将发泡剂溶液完全吹至成泡沫，通过发泡筒后其 泡径均匀，另一方面可以将泡沫直接吹入搅拌好的水泥浆中，减少了中 间环节，更好地防止了中间环节导致的泡沫破灭。此外，该方法是边搅 拌水泥浆边发泡，需要多少泡沫就发多少，不存在过剩和中间环节的问 题。 目前，泡沫混凝土有两种使用方式：一种是现场制备，就地浇筑， 也可以集中生产，用商品混凝土罐车运输；另一种是在工厂预制成各种 泡沫混凝土建筑构件和制品，然后再用于建筑施工。如今在合理利用与 开发资源的前提下，粉煤灰泡沫混凝土的生产与应用已成为趋势叫引。 伴随电力工业发展，粉煤灰废渣也与日俱增，是一种能够综合利用的宝 贵的二次资源。为防止污染、利废，利用粉煤灰生产建筑材料逐渐形成 一种新兴工业，在泡沫混凝土中大量应用粉煤灰可以达到降低混凝土成 本、利于环保等目的。根据很多工作者以往的研究n5 1 ，随着粉煤灰掺量 的增加，混凝土抗压强度大幅度下降。因为随着粉煤灰掺量增加，水泥 用量不断减少，势必造成混凝土强度下降，但粉煤灰具有潜在的活性， 在碱性环境下，随着龄期增长，高掺量粉煤灰泡沫混凝土的抗压强度会 明显增加。泡沫混凝土的抗压强度主要受干密度的影响，用大掺量粉煤 灰代替水泥( 可达到水泥的6 7 ) ，不会影响养护较好的泡沫混凝土的长 期抗压强度，对于粉煤灰分级与否，粉煤灰泡沫混凝土的抗压强度也不 会减少。 我国的发泡剂应用比国外要晚得多，而且大多是混凝土引气剂，从 上世纪六十年代我国开始生产应用引气剂( 又称微沫剂) ，但量很小。直 到上世纪末，引气剂才开始广泛应用。近几年，由于我国墙改的带动， 用于轻质墙板和泡沫混凝土的发泡剂迅速发展，但发泡剂的性能( 发泡倍 数和稳定性) 和国外相比，仍有一定的差距。发泡剂种类很多，有固态发 泡剂也有液态发泡剂。我国发泡剂总体上说不够理想，功能偏少，尽管 有些发泡倍数大，但稳定性差、制品强度不高6 1 。大致分类主要有松香 类、蛋白质类和表面活性剂类。( 1 ) 松香型发泡剂：我国自上世纪5 0 年代 初期开始生产泡沫混凝土以来，采用最多的一种传统发泡剂。其以松香、 4 碱、胶类物质为主要原料，在特定的条件下合成。该发泡剂的合成工艺 简单，原料易得，成本低，发泡能力强。其缺点是泡沫的稳定性差，制 品的强度偏低。( 2 ) 青海型发泡剂：用牛羊蹄角、碱和水在一定温度和压 力下制成棕色液体，经酸中和处理后浓缩而成的棕褐色液体。当其与水 以1 ：1 2 5 稀释后发泡，其发泡度为4 5 。该蛋白质型发泡剂与水泥、砂 等以一定比例混合，生产干容重为56 7k g m 3 的泡沫混凝土2 8d 抗压强度 为1 3 m p a 。该发泡剂相对具有良好的起泡、稳泡性能，不足在于其生产 成本较高，应用受到了限制。( 3 ) 混凝土砌块发泡剂：外观为无色液体， 相对密度为1 1o g c m 3 ，其组成是a b 复合型。发泡剂7 ，稳泡剂10 ， 防腐剂0 1 ，水余量。a b 复合发泡剂是由阴离子表面活性剂a 与非离子 表面活性剂b 复合而成，主要起发泡作用。当质量比m ：m b - l ：0 5 时发泡 性最好。此发泡剂与水泥、砂等原料以一定比例混合后生产的泡沫混凝 土砌块干容重为8 53k g m 3 ，2 8d 抗压强度为2 8 m p a ，吸水率为21 8 ，干 缩值为住7 6 m m m ，产品性能均符合q ( g z ) w t j 卜95 的要求。( 4 ) c c w 9 5 型粉状发泡剂：该发泡剂由中国建筑材料科学研究院房建所研制，为无色 固体粉末，无毒、无腐蚀性，其泡沫稳定性好，与水泥品种适应性强， 发泡量大，1k g c c w 95 型发泡剂发泡量大于5 0 0 l 。( 5 ) 曾水发泡剂：由中 国建材研究院与北京玉湖新材料科技开发有限公司合作研制，具有特殊 性能的发泡剂，外观为白色粉末，加水后立刻起泡，发泡快，泡沫细小， 稳泡时间长。刘振贤通过试验将其加入水泥珍珠岩混凝土浆中后制成的 低容重混凝土，与未加发泡剂而其它原料相同的浆体制成的混凝土相比， 容重降低，但2 8d 抗压强度变化不大，并且憎水性明显提高。( 6 ) 威海双 杰新型建材开发有限公司研制的w s d 动物型水泥发泡剂，将其与水、水 泥混合搅拌后，干容重为3 5 0 6 0 0 k g m 3 ，2 8 d 抗压强度为0 3 5 m p a 。 在蒸压养护条件下研制出容重为5o o 12 0 0 k g m 3 ，导热系数为0 1 1 o 4 5w m k ，吸水率小于4 0 的建筑砌块。它具有容重小、导热系数低、 吸音性能好，有一定强度和可加工性好等优点，可用于维护结构或保温 结构使用的建筑砌块。 我国市场上使用的发泡剂主要以三种类型并存，合成表面活性剂类 约占6 0 ，松香皂类约占3 0 ，蛋白类和茶皂素类约占l0 ，其价格也相 差极大，最贵的2 5 万元吨。而且性能也相差甚远，即使同一类发泡剂， 由于其原料生产工艺、有效含量不同，价格和性能也有极大的差别。相 对而言，我国发泡剂总体上功能偏少，尽管有些发泡倍数大，但泡沫稳 定性、均匀性、分散性都不理想，制品强度不高。 传统的泡沫混凝土主要存在以下问题亟待解决： 5 ( 1 )强度偏低：泡沫混凝土的强度随着引入泡沫而产生的孔隙率 的增加而降低，一些泡沫混凝土工程，体积密度8 0 0 85 0 k g m 3 的泡沫混 凝土抗压强度一般低于2 o m p a ，硬化表面开裂、吸收大量外来水分。泡 沫混凝土中引入的泡沫越多，硬化后孔隙率也越大，容重也就越小，其 轻质、保温、隔音等性能也就越明显，但是强度下降幅度很大，所以泡 沫混凝土的特性是以强度降低为代价的。要使的其强度与其特殊性能之 间平衡，也就是说降低容重的前提下最小程度地降低泡沫混凝土的强度。 提高泡沫混凝土的强度主要可以考虑以下几个技术途径，选择适宜 的配合比；使用高效减水剂并控制适宜的低水胶比；采用优质高效发泡 剂；加强泡沫混凝土的早期养护，优化养护制度、加强早期保水；减小 泡沫混凝土收缩、掺加适量膨胀水泥、憎水剂，防止开裂和吸水等。 ( 2 ) 容重问题 目前泡沫混凝土的容重一般都在3 0 0 12o o k g m 3 ，这相对普通混凝 土已经有明显的优势。但在一些实际生产生活中，容重低于5 0 0 k g m 3 的 泡沫混凝土一般较难搅拌成型，因为引入泡沫多，在浆体中的分散性较 差，而且容重过低又将会影响泡沫混凝土的强度。如何使得低容重泡沫 混凝土易成型，而且容重能达到3o o k g m3 甚至更低。所以，在研究制备 低容重泡沫混凝土的同时，对水泥浆体与泡沫结合的和易性研究很有必 要。 ( 3 )泡沫混凝土孔结构问题 目前，泡沫混凝土的应用越来越受到青睐，但是其机理研究还很缺 乏，尤其是泡沫混凝土的成孔物质、气孔结构与宏观力学性能的关系探 讨很少，给泡沫混凝土的大力推广及性能的进一步改善造成限制。可通 过现代分析手段对泡沫混凝土的亚微观结构进行观察，尤其要对孔结构 及其分布状况进行研究。 ( 4 )吸水率问题 泡沫混凝土在生产时引进了大量气泡，原料以粉料和细颗粒为主， 在性能上表现出较高的吸水率和收缩，并且随着容重的降低，引进气泡 量的增大，泡沫混凝土的饱和吸水率增幅很大，容易引起冻融现象，严 重影响了泡沫混凝土的使用效果，制约了应用领域。降低泡沫混凝土吸 水率的技术措施有多种，如掺加憎水剂和在表面涂覆防水材料。另外还 可以对掺入材料进行表面处理，对引入的多孔材料进行表面“包裹”，使 其中孔隙与浆体“隔绝”，从而减少吸水率。李娟等研制的容重为6 0 0 k g m 3 的泡沫混凝土72 h 的饱和吸水率达到5 3 ，掺了o 8 的憎水剂后吸水率 降为13 7 ，容重为l0 0 0 k g m 3 的泡沫混凝土饱和吸水率为3 8 3 ，掺了 6 0 8 的憎水剂后吸水率降为9 8 。 ( 5 )发泡问题 现有发泡技术制成的泡沫稳定性差，泡沫不均匀，限制了泡沫混凝 土的应用，应着重于发泡技术的研究，使得制出泡沫的综合性能有所改 进，进而促进发泡剂获得大范围应用。 ( 6 ) 技术指标问题 由于发泡剂在我国刚起步，到目前为止我国还没有发泡剂的统一的 国家技术标准及检测方法，研制单位都根据自己的情况，各自采用自己 的技术指标及测试方法，这给厂家生产泡沫混凝土和商家购买泡沫混凝 土制品造成了不便。 ( 7 )价格问题 在现有市场经济条件下，价格是备受关注的重要因素。合理的价格 是发泡剂大量生产及泡沫混凝土普遍推广的前提。传统发泡剂价格大约 7 0 0 0 元吨，但发泡效果一般，尤其是泡沫稳定性差。目前，蛋白质类的 发泡剂具有良好的起泡、稳泡性能，但生产成本较高，而且原料来源有 限，应用受到一定的限制。效果好的发泡剂价格达到了2 5 万元吨。 泡沫混凝土各种特殊性能的体现主要是因为在混凝土中引进了发泡 剂发泡带来一定孔径分布的气孔，而且是封闭均匀的。发泡剂是生产泡 沫混凝土的关键。因为发泡剂的种类不同，所制泡沫混凝土的质量相差 较大，主要体现在浆体的稳定性、气孔孔径的大小与均匀性、硬化体的 力学性能等。选择最佳的发泡剂品种和适宜的掺量是制备高质量泡沫混 凝土的首要条件。 1 3 本文主要研究内容及思路 本论文的主要研究内容是对泡沫混凝土进行路用力学性能研究，通 过理论分析和室内试验按照国内规范的思路获得泡沫混凝土，确定发泡 剂品种和发泡剂的掺量及泡沫混凝土的配合比，并对泡沫混凝土进行路 用力学性能研究。主要研究内容如下： 1 对原材料根据规范要求进行常规试验，根据规范要求选择适当的 原材料。包括测定水泥的凝结时间、安定性检验及砂当量等指标，验证 是否满足要求。对所选发泡剂的溶液浓度、起泡容量、5 分钟起泡容量、 起泡稳定性、p h 值，验证是否满足要求。 1 ) 泡沫混凝土级配设计研究 大多数情况下，路面水泥混凝土粗骨料级配不为大家所重视，普通 7 水泥混凝土级配属于悬浮结构的连续级配，这种级配对于改善水泥混凝 土的和易性避免离析有益，但粗骨料浮于水泥砂浆的基体中，由于粗骨 料主要作用之一是约束混凝土收缩，故悬浮结构的连续级配对混凝土的 抗收缩能力将带来不利影响。因此，对路面水泥混凝土级配进行深入研 究，对于提高混凝土抗收缩能力很有必要。 2 ) 引气量的确定 引气量的多少无疑对混凝土使用性能有着显著影响，通过测定在不 同引气量条件下，混凝土的强度、和易性及收缩特性，确定合适的引气 量。 3 ) 泡沫形态及泡沫分散性影响研究 在相同引气量条件下，气泡的泡径及分散度无疑将影响混凝土的所 有性能。本论文拟通过对不同发泡剂或引气剂的气泡形态及分散性进行 研究，确定以微泡、高分散的气泡分散形态作为本论文后续研究的基本 条件，并确定发泡剂或引气剂的基本类型。 4 ) 其他外加剂的掺入研究 低水胶比是降低路面水泥混凝土收缩、提高水泥混凝土强度的必要 保证，本论文在结合考虑混凝土和易性、强度、收缩特性及经济性的前 提下，提出减水剂类型及掺量。 5 ) 泡沫混凝土和易性试验研究 和易性是泡沫混凝土研究过程中的重要考量性能，在泡沫混凝土配 合比设计研究过程中，和易性是满足设计及施工要求是评价水泥混凝土 配合比的重要方面。本论文将结合路面现场施工工艺对和易性的具体要 求，将其在配合比设计过程中予以体现。 6 ) 泡沫混凝土力学性能试验研究 结合泡沫混凝土配合比设计对不同养护条件下、不同龄期泡沫混凝 土抗压强度、弯拉强度、变形模量、直接拉伸强度及耐磨性进行试验研 究，用于指导理论计算及配合比的确定。 7 ) 泡沫混凝土收缩及导热特性研究 通过测定泡沫混凝土在不同养护条件下的干缩情况，记录泡沫混凝 土在不同龄期下的干缩系数，为混凝土切缝间距或切缝时间提供理论指 导，通过泡沫混凝土导热系数及温度场测定，为水泥混凝土面板温度翘 曲应力计算提供基础数据。 2 对粉煤灰含量、含气量、发泡直径、水胶比进行正交试验，通过 抗压、抗折强度试验确定哪种因素对泡沫混凝土起主要影响，由此选取 适合发泡剂和最佳配比。 8 由于泡沫混凝土刚刚兴起，国家还没有制定发泡剂统一的全国技术 标准及检测方法。下面将国内外的技术标准和检测方法介绍如下。 国外对泡沫混凝土发泡剂研究较早，已有较成熟的产品，如美国、 日本、意大利等，国外的发泡剂多为蛋白质型，其生产法比较固定，已 有成熟的技术指标及测试方法。其流行的检测标准和方法如下引。 ( 1 ) 技术指标 发泡倍数泡沫体积大于发泡剂水溶液体积的倍数。 沉降距泡沫柱在单位时间内沉陷的距离。 泌水量单位体积的泡沫完全消失后所分泌出的水量。 ( 2 ) 技术要求 发泡倍数大于2 0 倍。 沉降距 1h 泡沫的沉降距不大于10 m m 。 3 h 泌水量不大于8 0 m l 。 ( 3 ) 沉降距和泌水量的测定方法 泡沫的沉陷和泌水量可用测定泡沫质量用仪器测定，该仪器由容器、 玻璃管和浮标组成。容器底部用孔。玻璃管与容器的孔相连接，玻璃管 的直径为1 4 m m ，长度为7 0 0 m m ，底部有小龙头。浮标是一块直径为l9 0 m m 和质量为25g 的圆形铝板，根据上端容器上的刻度，测定泡沫的沉陷距。 根据量管上的刻度，测定破裂泡沫所分泌出的容量即泌水量。 ( 4 ) 发泡倍数的测定方法 发泡倍数的测定方法是将制成泡沫注满容积为2 5 0lm ，直径为6 0 m m 的无底玻璃桶内，两端刮平，称其重量。发泡倍数m 可按式( 1 1 ) 计算： m 2 丽v y ( 1 1 ) 式中m 一发泡倍数 v 一玻璃桶容积，c m 3 ； y 一泡沫剂水溶液密度( 近于1k g c m 3 ) ； g 1 一玻璃桶质量，g ； g ，一玻璃桶和泡沫质量，g 。 国内技术标准和检测方法： 几种影响较大且有代表性的技术指标及测试方法。 ( 1 ) 方法一 泡沫稳定性用泡沫沉陷距衡量泡沫稳定性。泡沫发生后，用下 述方法测量泡沫沉陷距：取内径为6 c m ，高9c m 的容器( 或用尺寸相近容 积约为25 0 c m3 的容器) ，盛满新发生的泡沫，刮平表面，在泡沫上覆一 9 张纸，平静地放在无风处，4 0 m in 后量取泡沫沉陷距。 起泡力用泡沫高度衡量起泡力。取一定量的发泡剂，加一定量 的水配成溶液，用6 0 - 2 f 型电动搅拌机中速搅拌1 o m in ，量取泡沫高度。 ( 2 ) 方法二 技术标准以起泡高度及消泡时间来判定发泡剂质量。 将10 0 0 m l 量筒竖直放置，沿筒壁注入2 0 0 m l 的待测引气溶液，注 意不能产生气泡，封住桶口，3o 秒颠倒共计10 次后，静置，立即使用直 尺测量起泡高度( 即泡沫最高处与液面之间的距离) ，记录消泡时间，试 验用溶液质量分数为0 1 。 1 0 2 1 原材料 第二章原材料及试验方案 原材料性能相关试验均根据公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 ( j t g e 30 2 0 0 5 ) 、公路工程集料试验规程( j t g e 4 2 2 0 0 5 ) 的要求进行。 2 1 1 水 本试验用水为可饮用的自来水。 2 1 2 水泥 本次研究采用的水泥为湖南省金星水泥厂的普通硅酸盐水泥 p 0 4 2 5 ，其物理性能和胶砂强度见表2 1 所示。由实验数据可知该水泥 的性能完全满足路面使用的要求。 表2 1 水泥的基本物理力学性能表 物理性能 胶砂强度( p a ) 项l q凝结时间( h ：m i n )抗折强度抗压强度 细度( )安定性 初凝终凝3 d2 8 d3 d2 8 d 标准要求 1 0 0o 4 51 0 ：0 0 合格 5 78 33 1 24 9 试验数据 3 70 1 ：4 20 2 ：3 0 2 1 3 粗集料 粗集料采用最大粒径为2 6 5 r a m 石灰岩合成级配，各粒径通过率见表 2 2 ，主要技术指标见表2 3 。 表2 2 粗集料级配设计 一 2 3 64 7 59 51 61 92 6 53 1 5 嘉署巡： 4 7 5 2 6 5 1 0 09 36 83 04o 合成级配 4 7 5 1 9 9 79 08 05 02 53 4 7 5 2 6 59 5 1 0 08 5 9 5 6 0 一7 53 0 4 50 ，5o 级配范围 4 7 5 1 99 5 1 0 0 9 0 1 0 07 0 9 0 5 0 7 0 2 5 4 0 0 5o 表2 3 粗集料主要技术指标 技术指标 单位试验值技术要求 压碎值 1 3 62 8 洛杉矶磨耗损火 1 5 93 0 坚同性 1 81 2 软石含+ 景 2 3 针片状颗粒含最 51 8 2 1 4 细集料 细集料采用湖南长沙市砂石公司黄泥河砂场的1 i 级天然河砂，细集 料的筛分结果见表2 4 ，主要技术指标见表2 5 。 表2 4 细集料的筛分结果 筛孔尺寸( m m ) 河砂 0 0 7 5 o 1 5 0 3 0 6 1 1 82 3 64 7 5 9 5 通过质量百分率( ) o 21 02 2 54 7 o6 9 47 8 09 0 61 0 0 表2 5 细集料主要技术指标 表观相对密度松散容重 细度模数含泥景( )间隙率( )砂当量( ) ( g c m 3 )( g c m 3 ) 2 5 9 5o 82 7 7 53 99 0 11 4 9 0 砂的细度模数m x 计算如下： m 。：! 鱼：! ! 鱼：鱼：芷鱼：! 芷丝：堑! 二! 鱼：z “ 1 0 0 4 7 5 ：(99+775+53+306+22)-5x94：2595 ：= 一= z 1 0 0 9 4 根据我国现行标准( j g j 5 2 9 4 ) 规定，砂的粗度按细度模数可分为 下列三级： m ，= 3 7 3 1 为粗砂； m ，= 3 0 2 。3 为中砂； m ，= 2 2 1 6 为细沙； 此砂的细度模数为2 59 5 在3 o 2 3 范围内，属于中砂，符合规范规 定i 】要求。 2 1 5 外加剂的选取 根据以往研究，国内已有松香热聚物、松香皂及8 01 、9 0l - a 和s j 等类型引气剂，也鉴于常用的发泡剂品种和类型，论文针对材料使用性 能要求特点，在了解各种发泡剂的基础上，选取3 种发泡剂( 引气剂) 、 1 2 3 种减水剂来制备性能优良的发泡混凝土。所选用的外加剂的基本性质如 下： ( 1 ) z y 9 9 型引气剂 杭州中野天然植物科技有限公司生产的z y 9 9 型引气剂，以天然野生 植物皂荚和部分植物果实为主要原料，主要成分为有机物三萜皂苷，是 一种非离子型表面活性物质，由其带有亲水性基团和憎水性基团的分子 结构决定，其分子极易定向排列在气液界面上，从而有效降低溶液的表 面张力，便于小气泡的形成和稳定。对酸、碱和硬水有较强的化学稳定 性。z y - 9 9 型引气剂对混凝土的引气、分散、流动性作用，皆属于界面物 理、化学作用，其基本性能和化学结构相关，z y 9 9 型引气剂的分子结构， 由糖体、甙元及有机酸组成。糖体一端为亲水基团，通过醚键与另一端 疏水基相连接；疏水基团由以酯键形式相连接的甙元与有机酸构成，因 而具备了能起表面活性作用的条件。在水中溶解时并不产生电离，故归 属于非离子型表面活性剂。 z y 9 9 型引气剂分粉状和液状两种剂型，粉状产品呈浅黄色或黄褐色 ( 见图2 1 ) ，易溶于水，比重约为1 3 ，水份含量小于5 ，水不溶物微 量，产品中含有少量挥发份和糖粉，易吸收空气中的水分而变潮。混凝 土中掺入该引气剂后，每立方米混凝土中引入气泡数达10 亿个之多，孔 径范围为0 0 2 0 2 r a m ，为不连续的封闭球形，分布均匀，稳定性好。当 含气量为三5 时，气泡间距系数l 2 分钟，碾压混凝土 3 分钟。 ( 2 ) b t 4 0 0 6 型引气剂 长沙海岩混凝土外加剂有限公司生产的b t 4 0 0 6 型引气剂( 粉剂) ，黄 褐色粉末( 见图2 2 ) ，易溶于水，气泡间距小且稳定，泡径范围为 o 0 5 0 2 m m ，细微气泡在混凝土中分布均匀，使混凝土抗压强度损失小， 并能提高混凝土的抗折强度。在不同介质上稳定，与其他类外加剂有良 好的配伍性能。掺量为水泥重量的万分之0 5 - 2 ，具体掺量见表2 3 。 ( 3 ) a e 2 型引气剂 北京幕湖外加剂厂生产的a e 2 型引气剂( 粉剂) ，黄褐色粉末( 见图 2 2 ) ，易溶于水，也可干掺使用。引入的气泡孔径范围为5 2 0 0 i t m ，一般 掺量为万分之0 5 - 2 0 ，对耐久性和抗冻性有要求的混凝土掺量为万分之 1 0 3 0 ，当混凝土中掺有粉煤灰、超细粉等消泡性组分时，引气剂掺量 应适当提高，具体掺量见表2 6 。 1 3 r 4 1u n f 1 萘系高效减水剂 萘系高效减水剂化学名为聚次甲基萘磺酸钠( 萘磺酸盐甲醛缩合 物) ，它的生产是以工业萘( 或精萘) 为原料，单体经浓硫酸磺化( 在苯 环口位上磺化) ，然后以甲醛为缩合剂将磺化单体缩合为一定聚合度的大 分子( 缩合度n - 9 1 1 ) 。长沙黄腾混凝土外加剂科技有限公司生产的非引 气、非缓凝型u n f 1 萘系高效减水剂( 见图24 ) ，减水率为2 0 2 4 ， u n f 一1 萘系高效减水剂掺量为胶凝材料的0 2 5 15 适用于高强混凝 土( c 6 0 c 8 0 ) 、高抗渗混凝士、高流态混凝土和蒸养混凝土等。 ( 5 1 木钙( 本质素磺酸钙) 减水剂 木质素( 简称木素) 是植物纤维原料的另一种主要组分( 其他主要 化学组成为纤维素、半纤维) ，它大部分存在于胞问层中散稚在纤维的 四周，使纤维相互粘合而固结，纤维与纤维相互聚集而成植物。术质素 分子结构复杂，含有多种官能团和化学键，故其反应能力极强，用亚硫 酸盐法处理得到的就是“术质素磺酸盐”，其主体反应为丙苯基在亚硫酸 盐制浆条件下被磺化，磺酸基取代口位的羟基，形成水溶性的磺酸盐( n a + 、 m g + 、删j 、k + ) ，其分子量范屡在2 0 0 0 0 5 0 0 0 0 之间性质属于阴离于 型表面活性剂，具有一定的减水功能，长沙黄腾混凝土外加剂