（材料学专业论文）水泥的技术性质对道路水泥混凝土路用性能的影响研究.pdf

摘要 水泥是道路水泥混凝土重要的原材料之一，近年来随着水泥混凝土路面的迅猛发 展，对水泥品质的要求也越来越高，提高水泥的技术性质是优化道路混凝土路用性能的 重要途径。以往对于水泥的技术性质对道路水泥混凝土路用性能的影响的研究，大多偏 重于建筑、水工等方面，专门针对道路混凝土的研究相对欠缺，并且缺乏系统性。因此， 开展水泥的技术性质对道路混凝土路用性能的影响研究非常必要。 本研究结合国内外研究现状和项目背景，深入分析了水泥技术性质包括标准稠度需 水量、水泥凝结时间、水泥颗粒群特征( 比表面积、颗粒分布、8 0 胁筛余) 、流动度、化 学组成、体积安定性、强度、变形及耐久性等对道路混凝土路用性能的影响，明确了这 些技术性质的表征参数以及在道路混凝土中所起的作用。经过系统分析，选择对道路混 凝土性能影响敏感而且相对缺乏研究的水泥性能重点进行研究。通过室内试验和理论分 析，研究了水泥的流变性质对新拌道路混凝土工作性的影响；分析了水泥化学组及工程 性质对道路混凝土性能的影响；利用m a s t e r s i z e r2 0 0 0 激光衍射粒度分析仪测定了不同 水泥颗粒粒度组成，运利用灰色系统理论，重点研究了水泥的颗粒分布对新拌水泥基材 和硬化水泥基材路用性能的影响，明确了水泥颗粒分布与混凝土各项路用性能的相关 性，并推荐出适应于不同气候分区的合理水泥粒径分布。 本研究属于国家西部交通项目“道路水泥混凝土组成设计 的子项目“原材料技术 性质对道路混凝土的影响”的研究内容，研究成果不仅对道路水泥混凝土原材料选材、 组成设计及施工控制具有一定的指导意义，而且为相关规范的完善提供基础数据。 关键词：水泥技术性质、新拌水泥基材、硬化水泥基材、灰色系统理论、水泥颗粒 分布、颗粒群特征、道路混凝土、路用性能 a b s t r a c t c e m e n ti so n eo fi m p o r t a n tr a wm a t e r i a lo fr o a dc e m e n tc o n c r e t e ，t h er o a ds u r f a c e s w i f t n e s sa n dv i o l e n c ed e v e l o p si nr e c e n ty e a r sw i t ht h ec e m e n tc o n c r e t e ，c o r r e c tc e m e n t q u a l i t yt h ei m p o a a n ta p p r o a c hr e q u i r i n gt h a tt h et e c h n o l o g yc h a r a c t e ra l s o ，m o r ea n dm o r e h i 曲，r a i s i n gc e m e n ti st h a tt h ec o n c r e t er o a du s e saf u n c t i o no p t i m i z ea r o a d t h et e c h n o l o g y c h a r a c t e ri nt h ep a s tt oc e m e n tu s e st h ef u n c t i o ne f f e c tr e s e a r c ht or o a dc e m e n tc o n c r e t er o a d ， i si n c l i n e dt oa s p e c ts u c ha sb u i l d i n g ，i r r i g a t i o nw o r k sm o s t l y , r e l a t i v e l y , t h es p e c i a l i t y r e s e a r c hs p e c i f i c a l l yf o rr o a dc o n c r e t ei sd e f i c i e n ti n ，a n di ss h o r to fas y s t e m a t i c n e s s t h e r e f o r e ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt oc a r r yo u tr e s e a r c ho ni n f l u e n c eo ft h ep e r f o r m a n c eo ft h e r o a dc e m e n tc o n c r e t ei nc e m e n tt e c h n o l o g yc h a r a c t e r a th o m ea n da b r o a do nt h es t a t u sa n db a c k g r o u n do ft h ep r o j e c t ，h a v ei n d e p t h a n a l y s i s e dt h ei n f l u e n c eo ft h ep e r f o r m a n c eo ft h er o a dc e m e n tc o n c r e t ei nc e m e n tt e c h n o l o g y c h a r a c t e r , w h i c hc o n t a i n e ds t a n d a r dc o n s i s t e n c yw a t e rr e q u i r e m e n t ，c e m e n ts e t t i n gt i m e ， c e m e n tp e l l e tg r o u pc h a r a c t e r i s t i c ( s p e c i f i cs u r f a c ea r e a ，p e l l e td i s t r i b u t i o n ，8 0 & m i c r o ；m s i f t s s p a r et i m e ) ，f l o wd e g r e e ，c h e m i s t r yc o m p o s i t i o n ，v o l u m es t a b i l i t y ，i n t e n s i t y ， d e f o r m a t i o na n dl a s t i n gq u a l i t ye t c ，a n dd e f i n e dt h en a t u r eo ft h ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h e s e t e c h n o l o g i e si nt h er o a da n dc o n c r e t ep a r a m e t e r so ft h er o l ep l a y e db y a f t e ra n a l y s i s ，t h e c h o i c eo fc o n c r e t er o a d sa n ds e n s i t i v ep e r f o r m a n c eo ft h er e l a t i v el a c ko ff o c u so nt h ec e m e n t f o rr e s e a r c h b yt h ei n t e r i o re x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，e f f e c th a v i n gs t u d i e dt h e c e m e n tf l o w i n gd e f o r m a t i o nc h a r a c t e rs t i r sa n dm i x e st h er o a dc o n c r e t ej o b sf a c et of a c e n e w l y ；h a v ea n a l y s e da ni m p a c to fc e m e n tc h e m i s t r yg r o u pa n dp r o j e c tc h a r a c t e ro v e rr o a d c o n c r e t e ；h a v em a d eu s eo ft h em a s t e r s i z e r2 0 0 0l a s e rd i f f r a c t i o ng r a d i n ga n a l y s i si n s t r u m e n t a d m e a s u r e m e n tt ob eu n l i k ec e m e n tp e l l e tg r a d i n g ，h a v et r a n s p o r t e dt h et h e o r ym a k i n gu s eo f g r a ys y s t e m ，p r i o r i t yb a s eh a v i n gs t u d i e dt h ec e m e n tp e l l e ts c a t t e r st os t i r r i n ga n dm i x i n g c e m e n tn e w l ym a t e r i a la n dh a r d e n i n gc e m e n tb a s em a t e r i a lt h er o a du s e st h ef u n c t i o ne f f e c t ， a n dh a v ed e f i n e d e dt h et h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec e m e n tp e l l e ts c a t t e r sa n dt h ec o n c r e t e r o a dp e r f o r m a n c e t h ep e l l e tr e c o m m e n d i n go u tt h ec e m e n tf i t t i n gi nw i t hi nd i f f e r e n tc l i m a t e s u b a r e at h e r e b ys c a t t e r s t h i ss t u d yw a sas t a t ew e s to ft r a f f i cp r o je c t s ，”c o m p o s e do fc e m e n tc o n c r e t er o a d d e s i g n ，”c o m p o n e n t ”o fr a wm a t e r i a l st e c h n i c a ln a t u r eo ft h ei m p a c to fc o n c r e t er o a d s ，”t h e s t u d y , r e s e a r c hr e s u l t sn o to n l yf o rt h er a wm a t e r i a l so fc e m e n tc o n c r e t er o a dm a t e r i a l ，d e s i g n a n dc o n s t r u c t i o no fac e r t a i nc o n t r o lg u i d i n gs i g n i f i c a n c e ，b u ta l s of o rt h ei m p r o v e m e n to f r e l e v a n tn o r m sp r o v i d et h eb a s i cd a t a k e y w o r d s ：c e m e n tt e c h n o l o g yc h a r a c t e r ；f r e s h c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l ；s c l e r o s i s c e m e n t - b a s e dm a t e r i a l ；g r a ys y s t e mt h e o r y ；t h ec e m e n tp e l l e ts c a t t e r s ；c e m e n tp e l l e tg r o u p c h a r a c t e r i s t i c ；r o a dc o n c r e t e ；f u n c t i o nt h a tt h er o a du s e s 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己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： p 龟 j 王冬 j 舢8 年i - 月l o 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 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学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 敝储躲五毒 钠一叶兹够 d 8 年5 月2 d 日 9 。炉多肜日 长安人学硕士学位论文 1 1 项目背景 第一章绪论 水泥作为道路混凝土的胶凝材料，其性质对混凝土的强度、抗裂性及耐久性等皆有 着重要的影响，只有当水泥的各项技术指标能够满足要求时，才能为道路混凝土的性能 达到最佳奠定坚实的基础。目前，水泥路面的早期破损现象较为普遍，在原材料质量控 制过程中存在的问题较为突出，其中水泥作为道路混凝土最重要的原材料，其相关技术 指标却大多还参照建筑行业，针对路面使用环境的系统性研究较少，较之沥青混凝土的 结合料一沥青而言，相关成果的系统性和指导性还有一定差距。因此，研究道路混凝土 用水泥的技术性质及其对道路混凝土路用性能的影响，对指导道路混凝土的原材料选择 及配合比设计具有重要的理论意义和实用价值。 水泥的技术性质包括物理性质、化学性质以及力学性质，对道路混凝土的各类路用 性能均有影响。如水泥的水化热大小、水化热集中释放时间关系到道路混凝土早期开裂 行为。水泥的强度则在很大程度上影响到道路混凝土的力学性能，水泥强度高，配制的 道路混凝土力学性能优异，耐磨性好且抗剥蚀性强；但如果强度过高又会产生刚性大和 易开裂的问题，进而制约了道路混凝土的耐久性。水泥中的细粉含量和颗粒级配主要影 响到道路混凝土的和易性、需水量、早期强度及强度增长率、抗裂性和耐久性。水泥的 流变学性质与道路混凝土的的和易性关联密切。水泥的化学组成则决定了水泥的技术性 质。此外水泥的收缩变形能力直接影响到道路混凝土的抗裂性。 目前，我国对道路混凝土用水泥的技术要求还存在许多不足，就最为直观与重要的 物理性质而言，公路水泥混凝土路面施工技术规范( j t g f 3 0 - - 2 0 0 3 ) 对水泥的细度 提出了具体要求，建议对于大多数等级的路面，水泥的比表面积宜在3 0 0 , - 4 5 0 m 2 k g ， 8 0 m 筛余量不得大于1 0 。但是大量的工程实践证明，即使水泥的比表面积相同，如果 颗粒分布不同，配制的混凝土性能差异仍会比较大，仅通过水泥比表面积来控制水泥细 度并不够科学，随着道路混凝土对水泥技术性质要求的不断提高，在要求水泥细度的同 时，还应该加强对水泥颗粒级配的控制，但我国现行各类道路技术规范对此均无明确要 求。 因此，在大量的理论分析和试验的基础上，针对现有相关研究的不足，探究水泥技 术性质对道路混凝土的影响规律和影响程度，正是本文的目标所在。 第一章绪论 1 2 必要性 水泥和混凝土系统的关系，可以比作食物和人的关系。适量的摄取适当的食物，对 于人体而言，无论近期还是长期都不应存在有害的影响。但并不是所有人都清楚的知道 自己应当对食物有什么要求，如果没有科学的指导，人可能无端生出各种各样本来可以 避免的病症。同理，如果选择的水泥品质不符合技术标准，那么混凝土也会出现各式各 样的“病症 ，如早期开裂和耐磨性差，且很容易“感冒 ，一遇到严寒天气，就会发 生冻融破坏。由此可见，水泥在道路混凝土中的作用举足轻重。 水泥路面受车辆动荷载的冲击、摩擦和反复弯折等作用，同时还受到温度、湿度反 复变化的影响，因此道路混凝土应具有较高的抗弯拉强度、良好的耐磨性能和尽可能小 的收缩抗裂性能。水泥路面是野外露天使用的结构物，各类环境耐久性破坏问题在道路 混凝土中也都有所体现。而水泥路面在表面振捣提浆后，裸露在环境中接受严酷考验的 往往是表面至以下几公分的砂浆层，其中水泥占到了三分之一以上的体积含量，因此相 比结构物混凝土，道路混凝土对水泥的技术品质要求应更高，也应更为严格。 近年来，我国对于道路混凝土仅进行了最低强度限制，导致了工程中滥用高标号水 泥的现象十分普遍。但实际上，若水泥强度过高，需水量过大，和易性会变差且易粘稠。 如果水泥颗粒级配不佳，一是混凝土易出现早期开裂，影响路面质量；二是水泥一般不 可能完全彻底水化，导致后期的安定性破坏。所以，优化水泥颗粒组成和减少需水量， 对提高道路混凝土使用质量十分重要。 另一方面，目前有关水泥性能的研究多见于建筑、水利等领域，专门针对水泥路面 却很少。水泥的物理和化学组成对普通混凝土性能影响的研究较多，而与道路混凝土相 关的比较少，需要专门讨论。 道路混凝土需具有一些与普通混凝土不同的特有性能，如抗弯拉强度、耐磨性、耐 久性等，而这些路用性能皆受到水泥质量的制约，所以深入系统的开展水泥技术性质对 道路混凝土路用性能影响的研究具有重要意义，对完善和修订现有道路混凝土的原材料 技术指标与设计方法体系中存在的不足具有重要意义。 2 长安大学硕i ：学位论文 1 3 国内外研究现状及评析 1 3 1 国内外研究现状 水泥的技术性质主要包括流变性、物理化学组成以及水泥石的工程性质等几大方 面，不同的技术性质对水泥乃至道路混凝土性能的影响也不尽相同，而近年来随着水泥 技术和混凝土技术的不断发展，已经取得了大量的研究成果。 1 、现行道路混凝土施工规范对水泥的技术要求 各交通等级路面水泥抗折强度、抗压强度应符合表1 1 。 表1 1各交通等级路面水泥各龄期的抗折强度、抗压强度 交通等级特种交通重交通中、轻交通 龄期( d ) 32 832 832 8 抗压强度( m p a ) ， 2 5 55 7 52 2 05 2 51 6 04 2 5 抗折强度( m p a ) ， 4 57 54 07 03 56 5 水泥进场时每批量应附有化学成分、物理、力学指标合格的检验证明。各交通等级 路面所使用水泥的化学成分、物理性能等路用品质要求应符合表1 2 的规定。 表1 2 各交通等级路面用水泥的化学成分和物理指标 水泥性能特重、重交通路面中、轻交通路面 铝酸三钙 不宜 7 o 不宜 9 0 铁铝酸四钙不宜 1 5 氧化钙不得 5 0 不得 6 0 三氧化硫不得 3 5 不得 4 0 怀疑有碱活性集料时， 碱含量 n a 2 0 + 0 6 5 8 k 2 0 0 6 o 6 ；无碱活性集料时， 1 o 不得掺窑灰、煤矸石、火山灰和不得掺窑灰、煤矸石、火山 混合材种类粘士，有抗盐冻要求时不得掺石灰和粘土，有抗盐冻要求时 灰、石粉不得掺石灰、石粉 3 第一章绪论 表1 3各交通等级路面用水泥的化学成分和物理指标( 续) 出磨时安定性雷氏夹或蒸煮法检验必须合格蒸煮法检验必须合格 标准稠度需水量 不宜 2 8 不宜 3 0 烧失量不得 3 o 不得 5 o 比表面积宜在3 0 0 4 5 0 m2 k g 宜在3 0 0 4 5 0 m 2 k g 细度( 8 0 9 m ) 筛余量不得 1 0 筛余量不得大于1 0 初凝时间不早于1 5 h不早于1 5 h 终凝时间 不迟于1 0 h不迟于1 0 h 2 8 d 干缩率木不得 o 0 9 不得 0 1 0 耐磨性奎 不得 3 6 姆m 2 不得 3 6 k g m 2 注1 ：2 8 d 干缩率和耐磨性试验方法采用道路硅酸盐水泥( g b1 3 6 9 3 ) 标准 2 、水泥的技术性质对混凝土性能的影响研究 ( 1 ) 流变与凝结性质 国内外学者十分重视水泥浆体流变性与混凝土流变性能的关系研究。对水泥浆体流 变性能的研究，主要包括流变类型、触变性、屈服应力和塑性粘度以及流变性能随时间 的变化过程几方面。 l e s l i ej 【1 】等研究了水泥浆随着时间变化的凝结行为，认为水泥浆体的屈服应力首先 慢慢增加，然后逐渐加速，在凝结时间将结束时屈服应力迅速增加。水灰l g ( w c ) 越小， 初始凝结时间越短。 t s o n gy e n 2 1 等探讨了应用水泥浆流变学评价混凝土工作性的可行性，认为混凝土如 要有好的流动性，就要控制浆体的体积含量在3 9 - - 5 4 之间。 ( 2 ) 物理组成及力学性质 k k u h l m a n n ，s s p r u n 9 1 1 3 】【4 】等认为波特兰水泥的比表面积增加时，其硬化速度加快， 增加细颗粒含量对提高早期强度比2 8 d 强度的效果明显。并将熟料颗粒分为o 3 9 m 、 3 1 t m - - - 2 5 9 m 、2 5 9 m 6 0 9 m 和 6 0 9 m 4 个粒级，各粒级的颗粒对各龄期强度的作用不同。 o - - 3 1 t m 的颗粒可获得特别高的l d 强度，3 9 m - 2 5 9 m 的颗粒可获得很高的9 0 d 强度， 这两部分几乎获得相同的2 8 d 强度。粗颗粒部分( 2 5 p m 6 0 “m ) 到2 8 d 时也只获得较低 的强度，只有到9 0 d 以后才能达到与o - - 3 9 m 颗粒相等的强度。因此水泥的早期强度主 4 长安人学硕士学位论文 要依靠o g m - - 一3 9 m 颗粒的水化，但要获得高的2 8 d 强度，控制3 p m - - - 2 5 9 m 的颗粒含量 也是非常必要的。 s t s i v i l i s l 5 1 等又进一步明确的提出，水泥中3 “m 3 0 m ( 或3 2 p m ) 的颗粒对强度起主 要作用，其重量比例应占6 5 以上，其中1 6 1 a m - - - 2 4 p m 的颗粒更应多些， 3 9 m 应在1 0 以下。 s k v a r a 6 】等人认为决定水泥性能的不仅是比表面积，而且还与颗粒分布有很大关系， 特别是小于5 9 m 的水泥颗粒，其含量不能超过一定的比率( 8 5 9 5 ) 。 乔龄山【7 1 认为，8 0 9 m 筛余无法全面反映水泥的细度，应取而代之的是勃氏透气法 比表面积值，即b l a i n e 值。然而粗细颗粒对b l a i n e 值的贡献差别很大，如 4 5 9 m 的粗颗粒含量约占 l o 2 0 ，但对b l a i n e 值的贡献只有不足2 ，因此相同的比表面积值会有不同的颗 粒分布。 h “，m rs i l s b e e 和dm r o y l 8 】就水泥颗粒堆积对高强水泥强度的影响做了研究，认 为在包含一系列颗粒尺寸的系统中，颗粒大小分布十分重要，为了达到最大的堆积密度， 粗细颗粒的比例必须严格控制，对单尺寸( 半径为r ) 的分布来说，如果加入细粉的半径 大于0 4 r 的话，将不适合这种颗粒的孔隙。 f n g i o n e 9 1 首先应用数学方法证明了在相同比表面积时，水泥颗粒分布均匀一致体系 的水化速率和强度总是大于非均匀体系。 林永权【1 0 j 通过分析3 家水泥厂的水泥胶砂强度的质量波动情况，探讨了水泥质量波 动对预拌混凝土性能的影响，认为混凝土的强度同时受水泥强度等级及水灰比两种因素 的影响。水泥强度波动一般由熟料矿物组成、烧成制度或水泥颗粒级配、混合材掺量等 因素的变化所引起，并同时引起水泥需水性的变化，因此水泥强度波动和需水性变化往 往是同时存在的，两者对混凝土强度的影响常常是相互交织和综合叠加在一起的。 谢勇成认为，水泥强度愈高，耐磨性越好，这是因为水泥强度高时，水泥石的密 度和表面硬度均增大，也就是提高了水泥的耐磨性。 ( 3 ) 化学组成和耐久抗裂性 混凝土是一种非均质的复杂多相材料，在其微观结构相组成之间主要的结合力是分 子间引力，因此其抗拉强度远低于抗压强度。水泥体积的变化会导致混凝土内部产生的 拉应力大于其抗拉强度，从而导致混凝土产生开裂，并影响其耐久性。 5 第一章绪论 f a g e r l u n d t l 2 1 的研究表明，水泥中c 3 a 含量高可增大混凝土的盐冻剥落量和试件间的 离散度。 谢勇成【1 通过试验得出，路用水泥的矿物组分要求高铁、高饱和比、低铝，以及含 有较高的c 4 彳，、c 3 s 与较低的c 3 a 成分，在相同条件下，增加c 4 彳，的比例和减少c ，a 成分，可提高水泥的耐磨性、抗冲击韧性和抗折强度，还能降低水泥的干缩率和减少硬 化水泥浆体的微裂缝。 美国国家标准局曾对1 9 9 种水泥的使用状况进行了1 8 年以上的调研，大量的结果 表明，含碱量、细度、c 3 彳和c 4 彳，含量这几个因素一起极大地影响水泥的抗裂性，低 碱水泥有内在的抑制开裂的能力；当含碱量低于o 6 n a ，0 当量时，水泥抗裂性明显增 加。 r b u r r o w s 根据大量的工程调查和试验研究发现，在有的露天混凝土开裂板中，尽 管有活性集料且水泥具有高含碱量，但开裂处却没有碱一集料反应产物，混凝土也并没 有膨胀，说明这种开裂首先是由于水泥的高含碱量引起混凝土收缩而不是碱集料反应。 f a g e r l u n d 的研究也表明高含碱量水泥也会增大混凝土的盐冻剥落量。 b u r r o w s 曾进行了5 3 种水泥、1 0 4 种大坝混凝土面板的调查研究，发现同时使用高 碱水泥与碱活性骨料时，混凝土开裂劣化现象严重，但是并不能检测到碱骨料反应产物。 只使用高碱水泥时，混凝土也会严重开裂并劣化；而使用低碱或者虽然高碱但低c 1 a 和 低c ，s 的水泥时，混凝土却完好，这表明碱能促进水泥的收缩开裂。 丁建彤3 1 在研究中发现，采用粗磨、低碱水泥配制的引气混凝土可经受5 5 0 次冻 融循环，但用细磨、高碱水泥则经受不住1 0 0 次循环。 1 3 2 相关研究总结与分析 综合分析国内外研究现状可知，国内目前关于水泥技术性质与道路混凝土路用性能 之间关系的研究还不够系统，存在诸多问题。虽然2 0 0 3 年交通部发布实施的公路水 泥混凝土路面施工技术规范明确提出特重、重交通路面应优先采用道路硅酸盐水泥， 但道路水泥由于价格等问题，推广起来确实存在一定困难。而目前通常使用的普通硅酸 盐水泥虽然基本能够满足道路混凝土的使用要求，但就水泥的技术性质控制而言，还有 巨大的提升空间，尤其欠缺水泥的细度、化学组成、流动性等性质对道路水泥混凝土的 6 长安人学硕l 二学位论文 性能影响等方面的研究，现将目前存在不足的方面总结如下： l 、已有研究成果偏重于建筑混凝土而忽视道路混凝土，特别是针对水泥的技术性 质与道路混凝土耐久性相关性的研究较少，其系统性难以指导道路水泥的生产与应用。 2 、以往在研究水泥的细度对混凝土性能的影响时，侧重点往往仅放在比表面积上， 水泥颗粒分布的相关成果甚少，颗粒分布对混凝土强度、耐久性、耐磨性等方面的研究 几乎为空白。 3 、过分追求水泥高强度，忽视了由此带来的抗裂性和耐久性问题。 针对上述不足，本研究旨在解决道路工程中与水泥有关的技术问题，提高水泥品种 选择的科学性，补充水泥技术性质的相关控制指标要求，从而在一定程度上为道路混凝 土组成设计的科学化和准确性提供依据，完善现有的道路混凝土相关技术规范。 1 4 主要研究内容 本文在对国内外有关道路混凝土用水泥技术性质的研究现状及存在问题进行总结 分析的基础上，对水泥的流变性质、物理化学组成和工程性质等与道路混凝土路用性能 的关系进行研究，并由此推荐适用于不同荷载等级、不同气候分区条件下的道路水泥混 凝土用水泥技术指标。主要研究内容如下： 1 、国内外相关研究的调研及分析； 2 、水泥流变性质对新拌道路混凝土工作性的影响研究； 3 、水泥颗粒分布对新拌道路水泥基材的影响研究； 4 、水泥颗粒分布对硬化道路水泥基材性能的影响研究； 5 、水泥化学组成对道路混凝土性能的影响研究； 6 、水泥的工程性质对道路混凝土性能的影响研究。 7 第二章研究方案、试验方法及主要原材料 第二章研究方案、试验方法及主要原材料技术性质 2 1 研究方案和技术路线 本研究通过理论分析和室内试验，探讨水泥的技术性质及其与道路混凝土路用性能 之间的关系，最终推荐满足不同荷载等级、不同气候条件要求的道路混凝土用水泥技术 指标体系。研究技术路线如图2 1 2 3 所示，其中图2 2 - - 一2 3 为总技术路线的细化方案。 国内外相关资料调研和分析， 针对性的制定研究大纲 1r 设计与实施试验方案 上 水泥技术性质与道路混 凝十性能的相关性研究 上 上1 l上1 l i 流变性质物理化学性质 力学性质水泥石工程性质 l 1r 推荐满足不同荷载等级、小同气候条 件下的道路混凝土用水泥技术指标 图2 1 总技术路线 长安人学硕一l 学位论文 图2 2 水泥技术性质与道路混凝土关系的划分 图2 3 水泥颗粒分布与道路混凝土关系研究技术路线 2 2 试验方法及测试技术 2 2 1 水泥技术性质试验 l 、水泥比表面积试验 按照公路工程水泥混凝土试验规程( j t ge 3 0 - - 2 0 0 5 ) 中( t 0 5 0 4 2 0 0 5 ) f 拘规定进行。 9 第二章研究方集、试验方法& g 娘材料 2 、标准稠度用水量和凝结时间 按照公路工程水泥混凝土试验规程( j t ge 3 0 一2 0 0 5 ) 中( t 0 5 0 5 - 2 0 0 5 ) 的规定进行。 试验使用仪器为n j 1 6 0 a 型水泥净浆搅拌机、净浆标准稠度与凝结时间测定仪。 3 、水泥净浆流动度试验 按照混凝土外加剂均质性试验方法( g b ，8 0 7 7 2 0 0 0 ) 中的规定进行。 5 、水泥胶砂流动度试验 按照公路工程水泥混凝土试验规程( j t ge 3 0 一- 2 0 0 5 ) 中( i 0 5 0 7 - 2 0 0 5 ) 进行。 222 水泥颗粒分布分析 本试验采用的粒度测量仪器是由英国m a l v e m ( 马尔文) 公司生产的m a s t e r s i z e r2 0 0 0 激光衍射粒度分析仪。泼仪器能测试00 2u m 2 0 0 0 u i l l 范围内液体、固体和乳化液的 粒度。图2 4 为m a s t e r s i z e r2 0 0 0 激光衍射粒度分析仪以及湿法测量附件h y d r o2 0 0 0 m u 标准样品分散器。 图2 4l v l a s t e r s i z e r 2 帅o 澈光衍射粒度分析仪 图2 5 是激光测试粒度的原理图。由h e - n e 激光器发射出一束具有一定波长的激光， 通过适当的方式将一定量的颗粒均匀地放置到平行光束中时，平行光将发生散射现象， 一部分光将与光轴成一定角度向外传播，不同角度的散射光通过富氏透镜后会在焦平面 上形成一系列具有不同半径的光环，光环的半径太小对应颗粒粒径的大小，光环光的强 弱则对应该粒径颗粒数量的多少。在焦平面上放置一系列的光电接收器( 检测器) ，将 由小同粒径颗粒散射的光信号转换成电信号并传输到计算机中，通过米氏( m i e ) 散射 理论对这些信号进行数学处理就可姒得到粒度分布。 长安人学硕j ：学位论文 雕匪参 3 1 一h e - n e 激光器2 一扩束系统 3 一颗粒槽 4 一聚焦透镜5 一光电检测器 6 一信号放大器7 一d 变换8 一数据采集9 一计算机 图2 5 激光法原理图 2 2 3 砂浆与混凝土性能试验 1 、水泥混凝土坍落度试验 按照公路工程水泥混凝土试验规程( j t ge 3 0 - - - - 2 0 0 5 ) 中( t 0 5 2 2 2 0 0 5 ) q b 的规定进 行。 2 、强度试验 ( 1 ) 水泥胶砂强度 参照公路工程水泥混凝土试验规程( j t ge 3 0 - - - 2 0 0 5 ) 中( t 0 5 0 6 2 0 0 5 ) 的规定进 行。 ( 2 ) 水泥混凝土抗弯拉强度和抗压强度 按照公路工程水泥混凝土试验规程( j t ge 3 0 - - - 2 0 0 5 ) d ? ( t 0 5 5 8 2 0 0 5 ) 的规定进 行 3 、耐久性试验 ( 1 ) 水泥胶砂和混凝土抗冻试验 胶砂抗冻试验的试件尺寸采用4 0 4 0 1 6 0 m m ，混凝土抗冻性试验采用1 0 0 x1 0 0 x 4 0 0 m m 的标准试件，并参照 t 0 5 6 5 2 0 0 5 ( 水泥混凝土抗冻性试验方法) 进行。 ( 2 ) 氯离子抗渗试验 本试验参考美国材料标准与试验协会a s t m c1 2 0 2 标准，即混凝土抗氯离子渗透 标准试验方法来评价混凝土渗透性的好坏，此标准与美国国家高速公路和交通署协会 标准a a s h t o t 2 7 7 相同。图2 6 是本实验所用的氯离子抗渗仪。 第二目研究方辜、试验方法投主要原村料 彩 i l 田2 6 氯离子抗滓仪 ( 3 ) 耐磨性试验， 按照公路工程水泥混凝土试验规程( j t ge 3 ( y - 2 0 0 5 ) 中水泥胶砂耐磨性试验方 法( t 0 5 1 0 - 2 0 0 5 ) 和水泥混凝土耐磨性试验方法( t 0 5 6 7 - 2 0 0 5 ) 中的规定进行。 8 0 1 a m 颗粒的含量，对 8 0 p m 颗粒的分布却无从获得。目前国内水泥细度自执行i s o 新标准以 长安人学硕上学位论文 来也日趋细化，通常r 舳只有3 - - 一4 ，甚至 2 。因此，8 0 1 a m 筛余值已不能真实反映 水泥细度，更不能表征水泥粉体的颗粒分布。 近年来，负压筛析仪已广泛应用于测试粉煤灰等粉体颗粒的大小，若将其应用于对 水泥的测试中，可以迅速测出大于和小于4 5 9 m 的颗粒量，进而掌握水泥中4 5 - - 一8 0 9 m 的颗粒量，如能再测出i s o 系列筛中的2 5 0 目筛余( 筛孔尺寸为6 1g m ) ，则可以粗略的 绘出筛析直线，从而确定特征粒径x 。和均匀性系数n ，指导相关人员及时调整水泥颗粒 级配。另外，水泥2 8 d 前的性能主要与 4 5 9 m 的颗粒有关，因此r 。；这一筛余值可以更 为有效的判断其对水泥性能的影响，同时可减d , n 定的相对误差。 2 、比表面积 粉体比表面积的测定方法分为透气法和吸附法( b e t 法) 2 种，目前国内用于水泥粉 体测定的b l a i n e 法( 又称勃氏法) 是透气法的一种。b l a i n e 法的测定植是各种不同粒度颗 粒的总体反映，是粉体全部颗粒的总量度。由于测量的是气体从颗粒外表面组成的孔隙 中渗过时的流量，该方法测出的比表面积值只能反映外表面积的大小，而难以表征内表 面积，如颗粒中的裂纹、沟槽等所构成的表面积。 3 、颗粒分布 颗粒分布可以反映颗粒群中各种颗粒的大小及对应的数量关系，是较为全面的表征 粉体粒度的物理量，要了解颗粒分布的涵义，首先必须明确粒径和等效粒径的概念。 粒径是指颗粒的直径、大小或尺寸，但现实中的粉体如水泥颗粒的形状不规则，难 以用一个尺度比如粒径来描述，因此迄今为止的任何一种粒径测量仪器，都是在假定颗 粒是圆球形的条件下测量颗粒的大小，通常会在粒度测试中引入“等效粒径”概念用来 描述粒径的大小。 所谓等效粒径是指颗粒某一物理特性与同质球形颗粒相同或相近时，将该球形颗粒 的直径称为等效粒径。常见的等效粒径有等效散射光粒径( 激光粒度测得的粒径) 、等效 电阻粒径( 库尔特计数器所侧的粒径) 、s t o k e s 粒径( 沉降法所测的粒径) 、等效筛分径( 筛 分法所侧的粒径) 等。由于测试原理不同，一个颗粒可能有多个不同的等效粒径，这是 不同的粒度测试方法测得的结果往往不同的主要原因。 一种粉体样品的各个颗粒大小往往互不相同，因此用粒度分布这个指标才能较全面 的描述粉体的整体颗粒大小，所谓粒度分布就是用一定方法描述出一系列不同粒径颗粒 2 1 第三章道路混凝十用水泥的主要技术性质 分别占粉体总量的百分比。粒度分布在水泥行业又称为颗粒级配，通常将粒径分成多个 粒径区间 d o ，d l 】、【d i , d 2 d 。i ，d 。 ，各区间的颗粒数占总数的百分比w l 、 w 2 、砜就组成了粒度分布，这种表示方法被称为粒度的微分分布或频度分布。此外 还可以用累积( 积分) 分布来表示，累积分布表示大于代表粒径d i 的颗粒占总颗粒的百分 比，即通常所谓的筛余表示。 利用水泥颗粒分布的测试结果可以计算以下参数： ( 1 ) r r s b 方程 粉体物系的分布函数，一般都和粉体形成条件有关。对于水泥的粉体组成，目前国 际上多用r o s i n r a m m l e r - s c h u h m a n n b e n n e t t 分布，即r r s b 方程，可用公式3 2 表示： ( 三) 一 r = l0 0 + e ( 3 2 ) 式中：x 筛孔尺寸，u m ； r 在该筛孔的筛上颗粒的含量，； x 。特征颗粒，表示颗粒群粗细程度，1 t m ； n 均匀性系数，表示颗粒群分散程度； e 自然对数的底。 上式中当x = x 。时，r = 1 0 0 e = 3 6 8 ，所以，x 。表示筛余量为3 6 8 时的筛孔尺寸， 由此可判断粉体的粗细。均匀性系数n 又称为分散系数，反映了粉体颗粒尺寸的均匀程 度。将颗粒组成中的各粒径含量标注在( 1 n l n ( 1 0 0 r ) - - l n x ) 坐标系上，可得到一条渐近直 线，称之为筛析直线，如图3 1 。直线上对应r = 3 6 8 的相应横坐标即为工，值，直线斜 率为均匀性系数n ，n 值越大，筛析直线越陡，颗粒分布越窄，较粗和较细的颗粒均越 少，颗粒较均匀，反之颗粒越不均匀。 长安大学硕士学位论文 o 1 l l o 3 0 粥8 置 7 0 嵋 锯 叠 z 名 i 一 恤a i i 12 4暑1 6 ；2 够 工。- - 2 2 , 段经r l i 弭 图3 1 r r s b 方程曲线均匀性系数n 与特征粒径t r r s b 公式较好地反映了水泥颗粒组成的规律，用特征参数石。和n 值可以描述颗粒 的大小与分布的宽窄，并直接影响到水泥的性能，因此这两个指标是对水泥粒度监控的 理想参数，称之为特征参数。 ( 2 ) 特征参数x 。和n 值 x ，值和n 值的大小由物料的性质即材料组分的易磨性和粉末条件决定，目前国外通 常同时采用工。和n 对水泥进行控制，如德国5 2 5 水泥的x 。值控制在9 1 1 1 t m ，4 2 5 水 泥为1 3 - - - 2 2 9 m ，n 值则为0 8 5 - - - 1 0 5 t 2 0 1 。这两个指标较8 0 9 m 筛余值更为全面，因为它 反映了粉体的整体粒度而不是单一筛余值，而且在讨论和评价水泥性能时更易于表达。 t 的大小直接影响水泥的水化，因而可作为生产控制值，此外也可以用d ，。( 中粒 径) 、d ( 平均粒径) 表示颗粒群的大小。d ，。是对应积累值为5 0 时的粒径，由于平均粒 径又分为算术平均值、几何平均值等几种表示方法，计算公式和结果各不相同，所以造 成d ，。和d 两值并不相等，仅当粉体粒度分布呈正态分布时两者才相同。 研究显示，对水泥强度贡献最大的是3 - - 3 0 9 m 的颗粒，尤其是其中1 6 - - 2 4 9 m 的颗 粒，x ，表示累计质量分布为3 6 8 的颗粒大小，因而较中粒径等指标更为合适。 3 2 2 水泥的化学组成及体积安定性 1 、水泥的化学组成 2 3 第三章道路混凝十用水泥的主要技术性质 水泥水化产物是影响水泥基材料宏观路用性能的最根本因素，水泥水化形成水泥浆 体，又由粘稠的水泥浆体变成坚硬多孔的固体，整个过程中发生了非常复杂的物理化学 变化。目前水泥化学知识所揭示的主要水泥水化物性质如下【2 l 】： ( 1 ) 硅酸三钙( g s ) 在水泥熟料中的含量约占5 0 , - 一6 0 ，在水化早期c ，s 起重要作用，基本控制了水 化反应动力学，水泥硬化浆体的性能很大程度上取决于e s 的水化作用。 ( 2 ) 硅酸二钙( c 2 s ) 水化及硬化速度缓慢，主要贡献于龄期超过一周后的强度增长。 ( 3 ) 铝酸三钙( c 3 a ) 在水化和硬化的最初几天释放出大量的水化热，对早期强度略有贡献。使用含c ，彳较 低的水泥有利于道路混凝土抵抗外界硫酸盐侵蚀。 ( 4 ) 铁铝酸四钙( c 4 a f ) 是在水泥生产中为降低熟料温度而使用的铁质和铝质原料的产物，它对抗压强度的贡 献甚小，但被认为可提高抗折强度。水泥之所以颜色呈灰色，绝大部分归因于c 4 a f 及 其水化物。 ( 5 ) 硫酸钙 在水泥的粉磨过程中添加硬石膏( 无水硫酸钙) 、石膏( 二水硫酸钙) 或半水石膏( 通常 称为烧石膏和半水硫酸钙) ，以提供硫酸盐与g a 反应生成的钙矾石( 三硫型硫铝酸钙) ， 从而延缓c ，彳的水化，若没有硫酸盐，水泥将迅速凝结。除了控制凝结和获得早强外，