（化学工艺专业论文）早强、高结合强度碱矿渣道路修补材料的制备和机理试验研究.pdf

删i i i l l l l l l u l l l1 1 11 111 1 1 1 1 l l i i l l l l li r i y 18 17 4 19 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：亿 寿 学位论文使用授权说明 阳刃年歹月7 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间：9 0 o 务 口即时发布洄解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：钇涛导师虢鼽 刀年 l 广月易日 早强、高结合强度碱矿渣道路修补材料 的制备和机理试验研究 摘要 水泥混凝土破损路面修补材料需要具有足够高的粘聚性、早强性等特 点，通过调研发现目前国内使用的道路修补材料存在成本相对较高的缺点， 因此结合碱矿渣胶凝材料具有原材料来源广、强度发挥快和干缩大等特点， 本课题有针对性地对碱矿渣胶凝材料应用于道路修补工程进行了改性试验 研究。 试验研究围绕道路修补混凝土的特殊性能要求，从基料的组成、配合 比设计到混凝土配合比和工作性能调整进行了多因素影响规律的试验研 究，试验结果表明，在合理的设计混凝土配合比和正确选用调凝外加剂的 条件下，可以获得具有早期强度高、粘结性能好、干缩率较低、工作性能 较好的碱矿渣混凝土：5 , l , j n 调凝剂可使材料初凝时间由原来的1 5 分钟延长 至7 0 分钟；混凝土6 小时抗压强度可以达到2 4 m p a ，7 天抗压强度达到 8 0 m p a ；1 2 小时结合面抗折强度达到1 4 m p a ，是硅酸盐水泥结合面抗折强 度的2 倍，l 天结合面抗折强度与硅酸盐水泥7 天的相近，且结合面长期抗 折强度也不低于硅酸盐水泥；9 1 j j n 发泡剂和玻璃纤维的细集料混凝土干缩 率2 8 天可以控制在0 0 3 以内。耐磨试验表明碱矿渣胶凝材料的早期耐磨 性能明显优于硅酸盐水泥，7 天龄期磨损质量仅为硅酸盐水泥的1 5 。 论文工作还通过红外光谱分析、s e m 等现代分析测试手段对碱矿渣胶 凝材料凝结硬化反应进行了有益的探索，通过对碱矿渣胶凝材料早期表面 i 白度值同抗压强度的比较，发现二者具有相应的数学相关性，并对原材料 变化、配合比变化、养护条件变化等条件进行对比，发现在原材料不变、 气养养护条件下材料的抗压强度可以用材料表面颜色进行间接表征；通过 微观结构发现，碱矿渣胶凝材料与水泥净浆、集料间的结合能力优良，并 认为碱矿渣胶凝材料与水泥；争浆的良好结合性能归结于材料间的化学键、 机械咬合和范德华力等的共同作用。 关键词：道路修补材料碱激发水淬矿渣结合强度早强 t h ep r e p a r a t i o na n dm e c h a n i s ms t e d yo nt h ee a r l y s t r e n g t h ，h i g hb o n d i n gs t r e n g t h a l k a l i n e s l a gr o a dr e p a i rm a t e r i a l s a b s t r a c t b e i n gp a t c h i n gm a t e r i a lf o rc e m e n tc o n c r e t er o a ds h o u l d h a v et h ew e l lq u a l i t y o fb o n d i n ga n de a r l ys t r e n g t h b e c a u s eo fa a s ( a l k a l i - a c t i v a t e ds l a gm a t e r i a l ) h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sr i c hi nr a wm a t e r i a lo r i g i n a t e ，t h eh i g hs t r e n g t h a n dt h eg r e a td r ys h r i n k a g e s ow ec a r d e do nt h em o d i f i e de x p e r i m e n tt h a ta a s w a sa p p l i e dt ot h ep a t c h i n gm a t e r i a lo ft h er o a d a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fr o a dr e p a i rc o n c r e t e ， w ec a r d e do nt h ei n f l u e n c i n gd i s c i p l i n a r i a no ff a c t o r se x p e r i m e n tf r o md e s i g n e d c o m p o s i t i o no ft h eb a s em a t e r i a la n dm a t c hr a t i ot oa d j u s t e d c o n c r e t em a t c h r a t i oa n dw o r k i n gp e r f o r m a n c e t h er e s u l t si n d i c a t et h a ta l k a l i a c t i v a t e ds l a g c o n c r e t eh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g he a r l ys t r e n g t h ，g o o db o n d i n g p r o p e r t i e s ，l o w e rr a t eo fs h r i n k a g ea n d b e a e rp e r f o r m a n c eu n d e rt h ec o n d i t i o no f r e a s o n a b l ed e s i g n e dc o n c r e t em a t c hr a t i oa n dc o r r e c tu s e do fa d ju s t i n gs e t t i n g a d m i x t u r e s ；a d j u s t i n gs e t t i n ga d m i x t u r e sm a d et h ei n i t i a ls e t t i n gt i m eo ft h e m a t e r i a lf r o mo r i g i n a l15m i n u t e st o7 0m i n u t e s ；t h ec o m p r e s s i o ns t r e n g t ho f6 h o u r so fc o n c r e t ec o u l dr e a c h2 4 m p a ，a n dt h ec o m p r e s s i o ns t r e n g t hr e a c h e d 8 0 m p ai n7d a y s ；t h eb e n d i n gs t r e n g t ho f12h o u r so fc o m b i n i n gs u r f a c er e a c h e d i l i 1 4 m p a ，w h i c hi sa b o u tt w i c eo ft h a tp o r t l a n dc e m e n t ，i t sb e n d i n gs t r e n g t ho f c o m b i n i n gs u r f a c ei no n ed a yw a sc l o s e dt ot h ep o r t l a n dc e m e n ti n7d a y s ，a n d l o n gf a c ew i t hf l e x u r a ls t r e n g t hw a sn o tl e s st h a np o r t l a n dc e m e n t ；i tc a nb e c o n t r o l l e du n d e r0 0 3 t h a tt h e2 8 d a y ss h r i n k a g er a t eo ff i n ea g g r e g a t ec o n c r e t e w i t hf o a m e ra n dg l a s sf i b e r t h ew e a l - r e s i s t i n gt e s ti n d i c a t e st h a tt h ee a r l y w e a r - r e s i s t i n gp e r f o r m a n c eo fa a s i so b v i o u s l ys u p e r i o rt ot h ep o r t l a n dc e m e n t ， i t sw e a r i n gq u a l i t yi so n l y1 5o ft h ep o r t l a n dc e m e n ti n7d a y s t h i sa r t i c l ei sv a l u et os e t t i n ga n dh a r d e n i n gr e a c t i o no fa a si nv i r t u eo f s e m m e t h o d s c o m p a r e ds u p e r f i c i a lw h i t e n e s sv a l u eo fa a s w i t hc o m p r e s s i v e s t r e n g t h ，w ef o u n dt h a tt h e yh a ds t o c h a s t i cm o d e l w ec a r d e do nt h ee x p e r i m e n t b yc h a n g i n gt h er a wm a t e r i a l s ，m i xr a t i o ，c u r i n gc o n d i t i o na n ds oo n w e d i s c o v e r e dt h a tt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fm a t e r i a lc a nb ec h a r a c t e r i z e db yi t s s u r f a c ec o l o rw h e nt h er a wm a t e r i a lw a su n c h a n g e da n da i rc u r i n g b a s e do nt h e s e mo b s e r v a t i o n ，w ef o u n dt h e yh a v ef i n eb i n d i n gc a p a c i t yb e t w e e na a sa n d c e m e n tp a s t ea n da g g r e g a t e ，a n dw et h o u g h tt h i sf i n eb i n d i n gc a p a c i t yw a sd u e t ot h em e c h a n i c a lo c c l u s i o n ，v a nd e rw a a l sf o r c ea n db o n dc o m m o nr o l eo ft h e m a t e r i a l s k e yw o r d s ：r o a dr e p a i rm a t e r i a l s ；a l k a l i - a c t i v a t e d ；w a t e r - g r a n u l a t e ds l a g ； b o n ds t r e n g t h ；h i g h e a r l ys t r e n g r h i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 问题的提出1 1 2 道路修补材料的性能要求2 1 3 道路修补材料研究现状3 1 4 碱矿渣胶凝材料的优势5 1 4 1 碱激发胶凝材料的发展过程5 1 4 2 碱矿渣胶凝材料的性能特点6 1 5 课题研究意义7 1 6 研究内容及技术方案8 1 6 1 研究内容8 1 6 2 技术方案8 第二章原材料分析及试验方法9 2 1 试验原材料9 2 1 1 矿渣9 2 1 2 液态水玻璃1 2 2 1 3 其他原材料1 6 2 2 试验仪器1 7 。，2 2 1 净浆试验仪器1 7 2 2 2 胶砂试验仪器1 7 2 2 3 混凝土试验仪器1 7 2 2 4 性能改进试验仪器1 7 2 3 试验方法1 7 2 3 1 水玻璃模数调整试验方法1 7 2 3 2 净浆制备及凝结时间测定方法1 8 2 3 3 胶砂试验方法1 8 2 3 4 碱矿渣混凝土试验方法1 9 2 3 5 材料性能改进试验方法1 9 第三章道路修补材料制备条件试验研究2 1 3 1 净浆配合比试验2 1 3 1 1 碱性激发剂水玻璃模数的选择2 1 3 1 2 激发剂用量对胶凝材料的影响2 4 v 3 1 3 改变配制工艺对凝结时间的影响 3 1 4 缓凝剂对凝结时间的影响 3 1 5 小结3 2 3 2 胶砂配合比试验3 3 3 2 1 原材料不同掺加顺序对胶砂成型的影响3 3 3 2 2 水玻璃模数对胶砂强度、流动度的影响3 3 3 2 3 水灰比对胶砂强度、流动度的影响3 4 3 2 4 灰砂比对胶砂强度的影响3 6 3 2 5 养护条件对胶砂强度的影响3 7 3 2 6 胶砂强度发展规律探讨3 8 3 2 7 结合强度对比试验3 8 3 2 8 小结4 1 3 3 混凝土配合比试验4 l 3 3 1 灰砂比对细集料混凝土强度的影响4 1 3 3 2 混凝土塌落度和强度试验4 2 3 3 3 粗集料掺入量对混凝土强度的影响4 3 3 3 4 缓凝剂对混凝土强度的影响4 4 3 3 5 小结4 5 第四章修补材料收缩和耐磨特性的试验研究4 6 4 1 收缩特性及其改善情况的试验研究4 6 4 1 1 材料抑制收缩试验4 6 4 1 。2 外加物对结合性能的影响4 8 ”4 2 耐磨性能的试验研究，4 9 4 3 小结4 9 第五章道路修补材料反应机理及结合机理探讨5 0 5 1 碱矿渣胶凝材料凝结和硬化机理概述及研究5 0 5 1 1 试验方法5 1 5 1 2 试块表面白度值和强度相关性试验研究5 1 5 1 3 胶凝材料产物形态分析5 4 5 1 4 胶凝材料不同龄期反应i r 光谱分析5 5 5 1 5 激发剂模数对胶凝材料内部结构的影响5 5 5 1 6 二氧化硅和氧化钠含量对反应进程的影响5 6 5 2 胶凝材料结合机理5 8 5 2 1 试验方法5 8 5 2 2 碱矿渣胶凝材料结合面显微结构分析5 8 5 2 3 结合面s e m 分析6 0 v l 5 3 小结6 1 第六章结论及展望6 3 6 1 结论6 3 6 2 展望6 4 参考文献6 5 致谢6 9 攻读学位期间发表的学术论文目录7 0 v l i 广西大学硕士论文早强、离结合强度碱矿渣道路修补材料的制备和机理试验研究 1 1 问题的提出 第一章绪论 改革开放以来，我国国民经济得到了迅速的发展。道路上交通量和轴载迅速增长， 车速不断提高，都对路面材料提出了更高的要求。为了适应交通运输业的发展，我国许 多省市修建了大量的水泥混凝土路面，特别是交通部1 9 8 9 年推广国家科学技术委员会科 技工作引导性项目我国水泥混凝土路面发展对策及修筑技术研究成果以来，我国水 泥混凝土路面修筑技术得到了快速发展。我国水泥混凝土路面由1 9 8 8 年前的8 2 6 4 k m t l l ， 平均修建2 1 7 k m ，上升至u 2 0 0 4 年底的2 5 7 1 0 0 k m t 2 1 ，1 7 年间净增2 4 8 8 3 6 k m ，平均每年修建 1 4 6 3 7 k m ，是我国从建国来前3 8 年年平均修建里程数的近6 8 倍，由此可见水泥混凝土路 面得到了公路运输行业的认可。此外，应用水泥混凝土作为道路建筑材料，对缓解沥青 供应不足、合理利用水泥资源，提高路面质量均具有重要意义。 根据国内几十年来水泥混凝土路面实际应用情况分析，水泥混凝土路面出现如此高 的使用率，主要因为其具有如下优势【3 】： ( 1 ) 强度高 水泥混凝土路面具有较高的抗折、抗压强度，可承受较重的车轮荷载和车轮重复作 用荷载，并且具有较强的路面耐磨能力。此外，水泥混凝土路面具有较强的抗冲压能力， 可以行驶包括履带式车辆等在内的各种运输工具。 ( 2 ) 稳定性好 水泥混凝土路面的物理力学性能受自然因素作用的影响较小，特别是具有较强 的抗气候、温度影响的能力。它不像沥青路面那样到了夏季因温度过高而发软，从而导 致强度降低引起车辙现象，也不会在冬季因温度下降而发脆。此外，由于水泥是水硬性 胶凝材料，即使长时间受水的浸泡也不会产生显著的性能恶化，这样使得路面可在经受 长时间洪水或雨水浸泡的情况下不影响使用性能。 ( 3 ) 耐久性好 因为水泥混凝土路面材料性能稳定，且其后期强度稳定、耐磨性能好，所以它具有 经久耐用的优点，一般其使用年限可达3 0 - 5 0 年【l 】。 广西大掌硕士论文早强、离结合强度碱矿渣道路修补材料的制备和机理试验研究 ( 4 ) 综合造价较低 从水泥和沥青两种路面的经济性比较出发，过去修筑沥青混凝土路面要比修筑水泥 混凝土路面一次性建设造价低，但是近十余年来由于石油价格的迅速上升，交通量和车 辆轴重的增大对沥青路面的要求也在提高，致使两者之间的差距己经很小。从综合成本 来看，水泥混凝土与沥青混凝土路面相比，用于修补材料、维护的投资和劳动力消耗费 用都比沥青混凝土路面低7 0 左右。 ( 5 ) 抗滑性能好 水泥混凝土路面表面耐磨且粗糙度高，能保持车辆在较高速度时有较高的安全性， 特别在下雨时虽然路面潮湿，仍能保持较高的摩擦系数。 ( 6 ) 有利于夜间行车 水泥混凝土路面色泽鲜明，反光能力强，对夜间行车有利。 尽管水泥混凝土路面具有很大优势，但是随着水泥混凝土路面修筑里程的逐年增 加，问题也随之出现。各种自然灾害造成的混凝土路面裂缝、板块断裂，以及超过设计 轴次的车流量造成的路面磨损等都使得路面的养护维修遇到了困难，在一定程度上影响 了水泥混凝土路面的进一步推广。为了保持车辆的正常行驶，开裂和剥落区域必须进行 及时修补，这就对道路修补材料提出了高要求。一般要求修补尽量在不停止交通运输的 条件下进行，较多的情况是白天运营，夜间修补，甚至要求在运营空隙的几小时内进行 修补，这就需要研发制备适宜道路修补特殊要求的修补材料。 目前水泥混凝土路面主要应用于高速公路和市内交通中，为了详细调查水泥混凝土 路面的损坏和修补状况，作者对南宁市政管理处和高速公路管理处进行了调研，发现水 泥混凝土路面由于当前车流量过大等原因造成的损坏较为严重，修补费用较高，仅南宁 市政府每年用于市内公路路面维修的费用就为8 0 0 1 0 0 0 万元，而南宁高速公路管理处 管辖区域每年修补路面的费用可达3 6 0 万元，如此高的维修费用，主要是由于道路修补 材料的高成本以及繁琐的维修工艺造成的。因此，低成本、高性能的道路快硬修补材料 的研发及应用已成为交通管理部门和道路维修部门的迫切需求。 1 2 道路修补材料的性能要求 针对水泥混凝土路面修补材料，通过资料1 4 卅整理分析，总结出路面修补材料需具 备如下要求： 广西大掌硕士论文早3 , j 、高结合强度碱贮渣道路修补材料的制备和机理试验研究 ( 1 ) 快硬高早强 路面修补与普通混凝土路面施工不同，需要进行修补的水泥混凝土路面大都是正在 使用中的道路，不允许长时间封闭交通。因此，修补材料必须具有迅速硬化，早期强度 高，从而路面才可以在短时期内达到通车要求。 ( 2 ) 收缩小 水泥混凝土路面修补，新旧材料的结合部位是最为薄弱的区域。造成粘结修补效果 不好的重要因素就是新拌修补材料的收缩。收缩会产生收缩应力，使新旧材料在结合面 处由于内应力出现断裂。因此，控制修补材料的收缩率，尽可能选用无收缩或收缩率低 的修补材料也是道路修补材料的重要要求。 ( 3 ) 耐磨性高，耐久性好 作为道路修补材料，自身应具备优良的耐磨性，且耐磨性应高于老混凝土，另外新 修补材料还应具有一定的抗冻、耐腐蚀、抗渗等耐久性能。 ( 4 ) 后期性能稳定 修补材料后期强度要与老混凝土基本相同，不允许强度降低，且后期强度发展不宜 过快，强度发挥过快会导致整个路面内部出现力学性能势能差，影响路面的整体性能。 ( 5 ) 具有一定粘性 从提高新旧材料结合力的角度看修补材料本身初期最好具有一定的粘性，粘性可抑 制材料收缩产生的界面分离，有利于新浆体粘固在老混凝土断面上。 ， ( 6 ) 施工和易性好 ， 修补混凝土的凝结时间应满足施工要求，并为了降低干缩造成的收缩，对于需水量 大、+ 硬化过快的修补材料，应掺入一定量的缓凝型减水剂，以保证施工和易性和降低收 缩率。 1 3 道路修补材料研究现状 关于水泥混凝土路面修补材料，国内外己做了大量的尝试和研究。早期最常用的水 泥混凝土路面修补材料是沥青质材料，这种方法只能作为一种应急措施，材料的耐久性 以及同水泥路面的粘结性均不好，不能从根本上解决水泥混凝土路面修补问题，且沥青 质修补材料由于自身的缺陷，已经逐渐被淘汰掉【7 1 。 按照修补材料的特点，目前除了沥青质修补材料外，主要有以下几种8 。1 】：( 1 ) 超细 水泥混凝土 凝土； ( 1 ) 超细水泥混凝土材料 该材料由于水泥颗粒细小，可以灌入细小的微裂缝，且作为无机材料与水泥混凝土 有良好的相容性，不过由于颗粒细小，遇水水化迅速，粘度增大很快，不利于施工操作， 在这方面j 下在进行改进工作【1 2 】，但是该类水泥成本较高，不利于推广应用。 ( 2 ) 有机高分子快硬聚合物混凝土或砂浆【i 列 采用该材料修补的路面力学性能指标较好，但成本过高，而且在施工过程中需要使 用大量的有机溶剂，有些物质具有较强的毒性，容易造成施工条件的恶劣和环境污染。 因此该方法仅适合用于某些特定环境下如核设施等工程的少量修补工程。 ( 3 ) 聚合物改性水泥混凝土或砂浆 该材料通过添加聚合物可以明显改善路面的韧性，提高抗折强度和抗疲劳能力，但 其强度发展较慢，不符合快速通车的要求，且随着聚合物的老化抗压强度下降太多，韧 性也有明显下降，导致其整体使用寿命较短。 ( 4 ) 掺入早强剂的普通混凝土 利用早强剂可以在混凝土早期强度和快硬方面取得很好效果，我国较为常用的混凝 土早强剂主要有氯盐系、硫酸盐系、碳酸盐系、有机物系、矿物类及复合早强剂。氯盐 系早强剂对钢筋有明显的锈蚀作用，因此氯化物系早强剂应用已很少。至于目前应用的 其它种类早强剂，或存在着早强效果不佳，或影响后期强度，或原料来源困难生产成本 高等问题，其生产、应用受到限制。 ( 5 ) 特种胶凝材料水泥混凝土 利用磷酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、超快硬硫铝酸盐水泥【1 4 1 、高铝水泥等特种胶凝材 料配制特种修补材料【1 5 】。这些材料修补路面时，能够满足早强的要求，而且施工操作方 便，成本增加幅度较小。但是，一般情况下，某些特殊胶凝材料或难以从市场上取得， 或后期强度有倒缩缺陷，因此都很难实现大量的推广和应用【l6 1 。 从道路修补材料的发展进程来说，国外关于混凝土修补的研究和应用比我们早 2 0 3 0 年。例如：美国有一种产品称为t h o r o 聚合物混凝土，由8 5 6 6 a 组分( 集料) 和1 4 3 4 b 组分( 树脂) 混合而成，所用树脂3 h 的抗压强度为5 9 1 m p a ，聚合物混凝土 4 广西大掌硕士论文早强、高结合强度碱可渣零踌修补材料的制备和机理试骀研究 2 4 h 抗折强度1 4 9 m p a ，干抗压强度为6 3 6 m p a ，对干、湿混凝土的粘结强度分别为 7 5 m p a 和6 3 m p a ，弹性模量为3 2 2 0 0 m p a 。此外，英国的“s w 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 ”水泥等【lj ，也均可达到混凝土路面快速修补并迅 速恢复交通的目的。 就国内而言，江苏建筑研究院开发的j k 2 4 型修补材料【l 】，配制的快硬混凝土2 d 和 2 8 d 抗折强度分别为4 0 m p a 和5 4 m p a ，相应龄期的抗压强度分别为2 7 6 m p a 和 4 7 5 m p a ，粘结抗剪强度为2 8 8 m p a 。广东省公路局与同济大学共同开发了s b r ( 丁苯胶 乳) 改性混凝土修补材料【i7 1 ，己在广东省经过试用，取得一定效果。s b r 改性水泥砂浆， 1 d 抗折和抗压强度分别为6 4 m p a 和3 0 2 m p a ，3 d 抗折和抗压强度分别为6 7 9 m p a 和 4 0 7 m p a 。杭州市城市建设科学研究所【倦l 以5 2 5 号硅酸盐水泥为胶结料、掺入不同比例 的特快硬化剂、调凝剂和减水剂配制的特快硬混凝土6 h 抗压强度和抗折强度分别达到 1 7 6 m p a 和4 1 9 m p a ，符合开放交通的要求。 上述修补材料或快速修补材料，在水泥混凝土路面修补工程中均取得了一定的效 果，解决了水泥混凝土路面快速修补中需要在尽可能短的时间内恢复交通的难题，但由 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，或者对路面存在污染等缺 陷，不能得到较大推广。因此研制并开发新型低成本水泥混凝土路面快速修补材料仍然 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 4 碱矿渣胶凝材料的优势 1 4 1 碱激发胶凝材料的发展过程 碱激发胶凝材料是由具有火山灰活性或潜在水硬性的原料与碱性激发剂反应而生 成的水硬性材料。1 9 5 7 年，乌克兰基辅建筑工程学院的v d g l u k h o v s k y 教授用碎石、 磨细的锅炉渣和高炉矿渣与石灰和部分水泥熟料混合，利用水玻璃和氢氧化钠溶液调制 成强度达1 2 0 m p a 、稳定性极好的碱矿渣胶结材料。此后，前苏联就在1 9 6 0 年形成碱矿 渣水泥和混凝土的实际生产性试验，1 9 6 2 年投入使用，1 9 6 5 年制订技术规范，1 9 7 2 年 大规模投入使用【1 9 - 2 4 。 随着碱激发胶凝材料的发展，碱胶凝材料中的碱逐渐由液体发展到固体【2 5 1 ，其原料 品种也逐渐由矿渣和烧粘土不断扩展到钢渣、粉煤灰、磷渣、赤泥、尾矿等铝硅酸盐类 工业废渣，从而拓展了碱胶凝材料的原料范围及应用范围，形成了一类制备原理及原料 广西大学硕士论文 早强、商结合强度碱矿渣道路修补材料的制备和机理试验研究 不同于硅酸盐水泥的新型胶凝材料体系【2 6 1 。 在新型胶凝体系原料中，水淬矿渣是活性较高、易激发的工业废渣之一。由此碱矿 渣胶凝材料也是碱激发胶凝材料中性能较优良的一种，碱矿渣胶凝材料简称a a s ( a l k a l i a c t i v a t e ds l a g ) 是利用碱激发矿渣中所具有的内部活性，以形成难溶产物。矿渣 中的活性主要是由玻璃体引起的，在矿渣急速冷却时会使形成玻璃念物质，含量约为9 0 ，研究表吲2 刀，矿渣玻璃体为两相的分相结构，其一相为富含钙的连续相，另一相为 富含硅的非连续相，富硅相分散于富钙相中形成了矿渣玻璃体结构，当碱性激发剂激发 矿渣时，溶液中r + 首先与矿渣玻璃体富钙连续相中的c a 2 + 起交换作用： 一s i 一0 一c a - o - s i 一+ 2 r o h = 2 ( s ior ) + c a ( o h ) 2( 1 1 ) 当富钙相溶解后，矿渣玻璃体解体，富硅相逐步暴露在于碱性溶液中，s i o s i o 砧 才受o h 。作用而发生解体，生成s io 和s i o h ，s io 与溶液中的r + 反应生成s i o r 。 由于化学键的键能差异和分相结构特点，矿渣玻璃体在碱性溶液中富钙相反应较为激烈 和迅速，而富硅相的反应则较为缓慢和持久，因此大量活性较高的富钙相是决定矿渣水 硬活性的主要因素，通过碱的激发，形成难溶且结构稳定的无定型结构。 1 4 2 碱矿渣胶凝材料的性能特点 通过对碱矿渣胶凝材料的资料分析，碱矿渣胶凝材料具有十分优异的物理力学性能 和耐久性能【2 引。 ( 1 ) 高强度 由于碱金属氧化物比碱土金属氧化物更活泼，碱性作用更强，所以碱矿渣胶凝材料 中的碱比硅酸盐水泥熟料更能激发矿渣的潜在活性，该材料2 8 天抗压强度可达 1 2 0 m p a 1 9 1 ，这种强度是硅酸盐水泥很难达到的。 ( 2 ) 低水灰比 碱矿渣胶凝材料的标准稠度用水量为1 7 2 2 ，比普通硅酸盐水泥标准稠度用水 量2 5 - - 2 9 低得多口9 1 ，低用水量减少内部大孔洞的出现，提高材料内部结构致密度。 ( 3 ) 硬化快，早期强度高 在胶凝材料不掺缓凝剂时，1 天抗压强度可达5 0m p a ，相比于硅酸盐水泥成形后养 护一天才可脱模的现实，碱矿渣胶凝材料具有很高的硬化速度和早期强度。 ( 4 ) 优良的孔结构特征 针对普通硅酸盐水泥浆体的内部结构，碱矿渣胶凝材料虽然在总孔隙率相差不大， 6 早强、高结合强度碱可。渣道路修补材料的制备和机理试验研究 但其孔结构特征优异。一般认为只有5 0 0 a 以上的孔才对水泥石及混凝土的强度和抗渗 性有害，小于5 0 0 a 的孔可能属于以凝胶为主的水化产物内部的微孔，对结构不会有不 利影响。研究2 9 1 同样证明，碱矿渣中的微孔居多，大孔很少，半径大于5 0 0 a 的有害孔 仅占1 6 9 - - 2 0 5 ，而普通水泥浆中高达6 6 ，微小细孔可以增强混凝土材料的 抗渗性能，保护材料的整体性。 ( 5 ) 水化热低 由于碱矿渣胶凝材料中起到激发作用的激发剂多为含钠、钾的碱，这类碱金属相对 与碱土金属钙、镁等具有低水化热的优势，故一般碱矿渣胶凝材料的水化热仅为普通水 泥水化热的0 5 0 6 7 ，甚至更低【1 9 】。 ( 6 ) 抗化学腐蚀性强 碱矿渣胶凝材料比硅酸盐水泥具有更强的抵抗盐酸、柠檬酸、硝酸腐蚀的能力3 0 1 ， 另外对硫酸盐和氯化物【3 2 1 也都具有很强的抵抗能力。 1 5 课题研究意义 通过对碱矿渣胶凝材料优良性能的分析，以及对该材料低能耗、低成本等特点的考 虑，碱矿渣胶凝材料无疑可成为代替高成本道路修补材料的候选之一。 我区柳钢集团与台泥国际集团有限公司合作建成矿渣粉厂，所产工业副产品矿渣粉 是十分优良的建筑原材料；而主要碱激发剂水玻璃也是一种来源广泛的化工产品，因此 两种主要原材料均具有广泛的来源和相对的低成本，在研发低成本高性能道路修补材料 方面具有较好的原料来源优势。此外该材料可以弥补水泥基修补材料凝结硬化缓慢、有 机胶结料有毒成本高、特种无机胶凝材料来源不足或后期强度性能下降等缺陷。同时， 该材料的研发对解决我区城市及高速公路混凝土道路的快速修补问题具有重要的现实 意义，从很大程度上缓解了道路维修费用，同时对减少交通事故，保障交通安全也有帮 助作用。因此，无论从经济角度还是从行车安全的角度考虑，开展“水泥混凝土路面快 速修补材料的制备及研究都具有很重要的意义，它将显著提高水泥混凝土路面的养护 维修水平，获得巨大的社会效益和经济效益。 7 广西大学硕士论文 早强、离结合强度碱矿渣道路修补材料的制畚和机理试验研究 1 6 研究内容及技术方案 1 6 1 研究内容 ( 1 ) 分别确定符合道路修补材料性能要求的胶凝净浆材料、胶砂材料和混凝土材料 最佳配合比； ( 2 ) 选择合适的缓凝剂及掺入量，并进行缓凝效果机理探讨： ( 3 ) 研究道路修补材料的物理力学性能； ( 4 ) 碱矿渣胶凝材料凝结硬化机理的初步探讨，尤其是对碱矿渣胶凝材料与硅酸盐 水泥结合界面特征的研究。 1 6 2 技术方案 通过实验室试验，选择应用于道路修补的混凝土复合材料，并对复合材料的物理、 力学性能进行试验研究： ( 1 ) 通过对胶砂和混凝土的强度发展规律、力学性能和耐久性能进行试验分析，确 定符合修补材料要求的材料制备条件； ( 2 ) 采用现代测试手段，对其进行热失重、红外光谱分析等试验，探讨碱矿渣胶凝 材料的硬化机理； ( 3 ) 通过扫描电镜、光学显微镜等测试手段分析探讨碱矿渣胶凝材料与硅酸盐水泥、 集料问的粘结机理。 8 早强、高结合强度碱芏鲞望壁修补材料的制备和机理试验研究 2 1 试验原材料 2 1 1 矿渣 2 1 1 1 矿渣基本性质 第二章原材料分析及试验方法 粒化高炉矿渣简称矿渣，是冶炼生铁时高炉中排出的一种副产品。在高炉冶炼生铁 时，从高炉加入的原料，除了铁矿石和燃料( 焦炭) 外，还加入助熔剂石灰石等，当炉温 达到1 4 0 0 - - - , 1 6 0 0 。c 时，氧化铁被还原成金属铁，并将矿石中的s i 、舢等杂质与石灰等 熔剂化合成矿渣使之与铁水分离，这些熔融状态的矿渣经过水( 或空气) 急速冷却后形 成粒化高炉矿渣。 在急冷过程中，矿渣内部液相粘度迅速加大，晶核来不及形成，且晶体的成长受到 阻碍，质点不是按一定次序严格排列，因此形成了含量在8 0 9 0 的玻璃体，这些玻璃 体具有很高的内在活性。矿渣内部结构是由硅氧四面体组成的聚合度不同的网状结构， 从微区或近程来看是有序的，而在远程上来看却是无序的，同时在玻璃体中存在有少量 硅酸盐、铝酸盐微晶体，构成了网络一微晶结构的特点。 ， 由于形成粒化高炉矿渣的特定过程决定了硅氧四面体聚合度低，s i o 键的相对数量 少，化学活性高，同时在玻璃体中，不仅存在富钙相和富硅相，还有部分由a 1 3 + 代替s i 4 + 而形成的比s i 0 4 4 四面体活性更高的a 1 0 4 5 铝氧四面体；在网络体之外，存在比四配位 体活性更高的“六配位体”，在网络孔隙中另有活性也很高的a 1 0 + 复合离子，所以这种玻 璃体是处于不均衡和热力学不稳定的状态，具有较高活性【3 引。本课题所设想的也就是通 过激发剂激发该活性，以制备高性能道路修补材料。 2 1 1 2 矿渣的化学成分 高炉矿渣是钢铁企业的工业副产品，且各企业的铁矿石原料的差异，所以矿渣的化 学成分稍有不同，但主要化学成分均为氧化物。 ( 1 ) 氧化钙( c a o ) 它是矿渣的主要活性成分之一，主要来自于助熔剂石灰石。通常情况下，其含量越 9 早强、离结合强度碱矿渣道路修补材料的制备和机理试验研究 高，活性越大，这与玻璃体中富钙相活性高对应。但含量过高( 如超过5 1 ) 时，熔融矿 渣的粘度下降，使矿渣结晶能力增大，容易析出晶粒。 ( 2 ) 氧化铝( a 1 2 0 3 ) 它是使矿渣具有活性和化学安定性的主要成分，主要来自于铁矿石。其含量较高时 有利于矿渣活性结构的形成。 ( 3 ) 氧化硅( s i 0 2 ) 它是矿渣形成玻璃体结构的重要组分，主要来自于铁矿石。矿渣中s i 0 2 含量一般都 过多，在某种程度上，阻碍了有用矿物的结晶和水化，因此s i 0 2 含量越高，矿渣的活性 越差。 ( 4 ) 氧化镁( m g o ) 矿渣中的氧化镁处于以固熔体形式存在的稳定化合态，主要来自于铁矿石。它能促 使矿渣玻璃化和不均匀显微结构的形成，因而一定含量的氧化镁( 不超过2 0 时) ，对矿 渣的活性具有良好的作用。 ( 5 ) 氧化亚锰( m n o ) 矿渣中m n o 来自于铁矿石中，由于m n o f l 邑代替部分c a o 生成低活性矿物，同时与硫 化物作用生成硫化锰，降低了矿渣中硫化钙的含量，且硫化锰水化，易引起体积变化， 所以它是矿渣中的有害成分，含量一般不超过4 。 此外，矿渣中还含有铁、硫、磷等少量杂质，至于它们对矿渣活性的影响，与其存 ，在形式及含量有关。 ， 依据各氧化物含量不同，矿渣分为碱性、中性、酸性三类，以矿渣中碱性氧化物和 酸性氧化物质量百分含量的比值m 大小来区分： m ：c a o + m g o( 2 1 ) s i 0 2 + a 1 2 0 3 m 1 为碱性矿渣；m 1 ，k = i 6 7 1 2 ，可以断定该材料为 活性很好的碱性矿渣，符合进行本课题研究。 2 1 1 3 矿渣的i r 谱图及x r d 谱图分析 4 0 0 03 5 0 03 0 0 0z 5 0 02 0 0 015 0 010 0 05 0 0 w a v e n u m b e r c m 。1 图2 1 矿渣的l r 谱图 f i g 2 - 1i rs p e c t r ao fs l a g 通过矿渣的i r 谱图2 1 分析，该矿渣在8 0 0 - - 1 1 0 0 c m _ 范围内有一较大吸收峰，这 是由s i o 伸缩振动引起的，而在6 9 4 9 2c m 。1 附近和4 9 3 7 7c m - 1 附近也存在吸收峰，它 们分别归属于s i o a 1 的伸缩振动和s i o 的弯曲振动。根据杨南如1 3 5 1 观点，不同聚合程 度的硅氧四面体基团中的s i o 伸缩振动频率随聚合程度的增加而增大，可以看出矿渣 中玻璃体中的聚合度较低；且通过对8 0 0 、，11 0 0c m s i o 伸缩振动吸收峰分析，发现吸 收峰所对应的波数较低，说明所用的矿渣中的硅氧四面体呈现低聚结构形态，矿渣具有 较高的活性。 r - - 型x t 、高结合强度碱矿董堕堕多补材料的制备和机理试验研究 51 52 53 5 4 5 5 56 5 29 。 图2 2 高炉矿渣的x r d 分析谱图 f i g 2 - 2x r ds p e c t r ao fs l a g 由矿渣x r d 图2 - 2 分析，在谱图上没有明显的衍射特征峰，在2 5 。 3 5 。间有个峰 包，认为是矿渣中微晶相的衍射峰叠加，由此认为该矿渣含有较多玻璃相，具有较高的 内部活性。 通过对本课题原材料矿渣的试验分析，发现