（材料物理与化学专业论文）硫铝酸盐水泥基路面修补材料的研究.pdf

济南火学硕士学位论文 摘要 水泥混凝土路面破损是常见的路面缺陷，如不及时修补将会严重影响路面的使用寿 命和交通安全，国内目前专用于路面破损快速修补材料还很少。因此有必要研究开发专 用于路面破损的快速修补材料。 本文针对水泥混凝土路面破损的特点，选用超细矿渣和聚合物胶粉，通过与硅酸盐 水泥砂浆对比，对硫铝酸盐水泥砂浆的干缩性、柔韧性、耐磨性、粘结性、耐久性等主 要性能进行改性，并借助日本日立s 2 5 0 0 型扫描电镜和美国康塔p o r e m a s t e r - 6 0 全自动孔 结构分析仪等先进测试手段对水泥砂浆改性机理进行研究。试验结果表明： ( 1 ) 掺入超细矿渣对水泥砂浆的性能影响随掺量的变化而变化。在硫铝酸盐水泥砂浆中， 超细矿渣掺量为2 0 时各种性能效果较佳，其2 8 d 抗折、抗压、抗折粘结强度相对值及收 缩率分别为7 3 1 m p a 、4 6 9 m p a 、1 6 2 、0 0 2 9 ；在硅酸盐水泥砂浆中，超细矿渣掺量为3 0 时各种性能效果较佳，其2 8 d 抗折、抗压、抗折粘结强度相对值及收缩率分别为1 0 3 5 m p a 、 6 6 4m p a 、1 5 4 、0 0 5 8 。又由于超细矿渣二次火山灰作用使得材料结构密实，材料抗渗 性、抗硫酸盐腐蚀性提高。 ( 2 ) 采用不同配比的聚合物胶粉时，胶粉砂浆流动度都随掺量的增加而增大，抗折、抗 压强度均有所提高，且随着掺量的增加水泥砂浆的压折比显著降低，改善了砂浆柔韧性。 砂浆在聚合物胶粉掺量为1 0 时，各种性能较好，其硫铝酸盐水泥砂浆中2 8 d 压折比、抗 折粘结强度相对值及收缩率分别为4 9 2 、1 6 2 、o 0 1 ；其硅酸盐水泥砂浆中2 8 d 压折比、 抗折粘结强度相对值及收缩率分别为5 7 5 、1 5 2 、0 0 4 8 。又由于聚合物胶粉填隙及成膜 作用，砂浆耐久性得到提高。 ( 3 ) 将超细矿渣和聚合物胶粉复掺对砂浆性能进行正交优化，在硫铝酸盐水泥砂浆中当 超细矿渣掺量为2 0 聚合物胶粉为1 0 时力学性能达到较好，其2 8 d 抗折强度、抗压强度、 压折比分别为9 5lm p a 、4 6 9m p a 、4 9 2 ；在硅酸盐水泥砂浆中当超细矿渣掺量为3 0 聚 合物胶粉为1 0 时力学性能达到较好，其2 8 d 抗折强度、抗压强度、压折比分别为l o 3 8 m p a 、6 3 7m p a 、6 1 3 。 ( 4 ) 掺入超细矿渣和聚合物胶粉均对水泥砂浆的耐磨性能有不同程度的改善。在硫铝酸 盐水泥砂浆中，掺入超细矿渣为2 0 时单位磨损量为3 4 8 k g m 2 ，比基准样降低了1 7 3 ； v 硫铝酸盐水泥萆路面修补材料的研究 掺入聚合物胶粉为1 0 时单位磨损量为2 8 5 k g m 2 ，比基准样降低了4 7 7 。在硅酸盐水 泥砂浆中，掺入超细矿渣为3 0 时单位磨损量为4 0 6 k g m 2 ，比基准样降低了1 6 3 ；掺 入聚合物胶粉为1 0 时单位磨损量为3 8 7 k g m 2 ，比基准样降低了2 5 3 。最后结合孔结 构分析表明，超细矿渣与聚合物胶粉填充硬化浆体的空隙中；使硬化浆体的孔隙率进一 步降低，对砂浆的耐磨性能有较显著的改善作用。 关键词：硫铝酸盐水泥；超细矿渣；聚合物胶粉；柔韧性；干缩性；耐久性 v i a b s t r a c t t h ef l a wo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti st h ec o m m o np a v e m e n t d i s a d v a n t a g e ，i fi th a s n 7 t b e e nr e p a i r e di nt i m e ，i tw i l ld oh a r mt ot h e s e r v i c el i f ea n dt r a f f i cs a f e t yo ft h er o a ds u r t a e e b u tt h ep r e s e n tq u i c k 。r e p a i rm a t e r i a lf o r t h ep a v e m e n tw i t hf l a wi sv e r yf e wi no u rc o u n 研s o i nt h es i t u a t i o n ，d o i n gt h er e s e a r c h e s o nd e v e l o p i n gt h es p e c i a lm a t e r i a l sf o rt h e t i a w p a v e m e n ti sv e r yn e c e s s a r y ， t h r o u g ha i m i n ga tt h ec h a r a c t e r so fc e m e n t c o n c r e t ef l a w , t h ed r y i n gs h r i n l ( a g e ，t n e f l e x i b i l i t y t h ew e a r i n g ，t h eb o n d i n gp r o p e r t i e s a n dt h ed u r a b i l i t yo fs u p e rf i n es l a ga n d p 0 1 y m e rm o d i f i e ds u l p h o a l 啪i n a t ec e m e n tm o r t a r sw e r ei n v e s t i g a t e d b yc o n t r a s t i n gw i t h p o r t l a n dc 哪e n tm o r t a r sr e s p e c t i v e l y , a n dt h ea n a l y s i so f m o r p h o l o g i c a ls t r u c t u r eo fc 哪e n t b a s e dm o d i f i e dm a t e r i a l h a sb e e nm a d eb ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e o fj a p a n e s e r i l l s - 2 5 0 0a n db yt h em e r c u r yi n t r u s i o np o r o s i m e t e r o fa m e r i c a nk a n g t ap o r e m a s t e r 6 0 1 e s t r e s u l t ss h o wt h a t ： t h ep r o p e r t yo fm o r t a r si sc h a n g e dw i t ht h ec h a n g e o fs u p e rf i n es l a gc o n t e n t i n s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n tm o r t a r s ，w h e nt h ec o n t e n to fs u p e r f i n es l a gi s2 0 ，t h ep r o p e n y0 t m o 咖i sb e s t ，2 8 db e n d i n gs t r e n g t h ，c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，r e l a t i v ev a l u eo f b o n db e n d i n ga n d d r y i n gs h r i n k a g ea r e7 31m p a ，4 6 9 m p a , 1 6 2 ，0 0 2 9 ；w h i l e i np o r t l a n dc e m e n tm o r t a r s ，w h e n t h ec o n t e n to fs u p e rf i n es l a g i s3 0 ，t h ep r o p e r t yo f m o r t a r i sb e s t ，2 8 db e n d m g s t l l 暑n 醛h ，c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，r e l a t i v e v a l u eo fb o n db e n d i n ga n dd r y i n gs h n n k a g e a r e 1 0 3 5 m p a ，6 6 4m p a ，1 5 4 ，0 0 5 8 t h er e s u l ts h o w s t h a ti t sd u r a b i l i t yc a nb ei m p r o v e dw i t h a r e n d a n c eo fs u p e rf i n es l a g ，b e c a u s ew h i c h m a k e sm i c r o s t r u c t u r eo f h a r d e np a s t es o l l d 既 翻w h e na d d i n gd i f f e r e n ta g g r e g a t eg r a d i n go fp o l y m e rp o w d e r ，t h ef l u i d i 够o f m o n a r1 s i n c r e 2 l s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fp o l y m e rp o w d e r ，a tt h e s a m et i m e ，t h eb e n d i n ga n dc o m p r e s s l v e s 仃e n g t ho fc e m e n tm o r t a ri m p r o v e s ，a n dp o l y m e r p o w d e rc a ns i g n i f i c a n t l y r e d u c et h ep r e s s u r e p a c ko fc 锄e n tm o n a r a n di m p r o v et h ef l e x i b i l i t yo ft h em o r t a r w h e nt h e c o n t e n to fp o l y m e r d o w d e ri s10 i nt w om o r t a r s ，t h ep r o p e r t yo fm o r t a ri s b e s t i ns u l p h o a l u m l n a t ec e m e n t m o r t a r s ，2 8 dc o m p r e s s i v e 1 ) e n d i n gr a t i o ，r e l a t i v ev a l u eo fb o n d i n g a n dd r y i n gs h r i n k a g ea r e 4 9 2 。1 6 2 。0 0 1 ；w h i l ei np o r t l a n dc e m e n tm o r t a r s ，2 8 dc o m p r e s s i v e b e n d i n g r a t 】o ，r e j 锄v e v a l u eo fb o n d i n ga n dd r y i n gs h r i n k a g e a r e5 7 5 ，1 5 2 ，0 0 4 8 t h er e s u l ts h o w st h a t n s v n d u r a b i l i t yc a nb ei m p r o v e dw i t ha t t e n d a n c eo fp o l y m e rp o w d e r ，b e c a u s ew h i c hm a k e s m l c r o 。s t r u c t u r eo f h a r d e np a s t es o l i d e ra n d p l a y sam e m b r a n c er o l ei nh a r d e np a s t e ( 3 ) t h es u p e rf i n es l a gm i x e dw i t hp o l y m e r p o w d e ro p t i m i z et h ep e 廊咖a n c eo ft h em o n 乱i n s p h o a l u m i n a t ec e m e n tm o r t a r s ，w h e nt h ec o n t e n to fs u p e rf i n es l a gi s 2 0 ，t h ec o n t e n to f p o l y m e rp o w d e ri s 10 ，t h em e c h a n i c a l p r o p e r t y o fm o r t a ri s b e s t , 2 8 db e n d i n g s t r e n g t h , c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，c o m p r e s s i v e b e n d i n gr a t i oa r e9 51 m p a ，4 6 9m p a ，4 9 2 ： w h l l ei np o r t l a n dc e m e n tm o r t a r s ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fm o r t a ri sb e s t 2 8 db e n d i n g s t r e n g t h , c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，c o m p r e s s i v e b e n d i n gr a t i oa r e10 3 8m p a ，6 3 7m p a 6 13 ( 4 ) t h ew e a r i n go fm o r t a r sw i t hs u p e rf i n e s l a ga n dp o l y m e rp o w d e ri s i m p r o v e d i n s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n tm o r t a r s ，w h e nt h ec o n t e n to fs u p e rf i n es l a gi s2 0 ，t h eu n i ta r e a w e a rv o l u m ei s 3 4 8 k g m z ，d e c r e a s e db y17 3 t h a nb a s e ds a m p l e ；w h e nt h ec o n t e n to f p o l y m e rp o w d e ri s10 ，t h eu n i ta r e aw e a rv o l u m ei s2 8 5 k g m 2 ，d e c r e a s e db y4 7 7 t h a n b a s e ds a m p l e ；i np o r t l a n dc e m e n tm o r t a r s ，w h e nt h ec o n t e n to f s u p e rf i n es l a gi s3 0 t h eu n i t a r e aw e a r v o l u m ei s4 0 6 k g m 2 ，d e c r e a s e db y16 3 t h a nb a s e d s a m p l e ；w h e nt h ec o n t e n to f p o l y m e rp o w d e ra sa d d i t i v ei s10 ，t h eu n i ta r e aw e a rv o l u m ei s 3 8 7 k g m 2 ，d e c r e a s e db v 2 5 3 t h a nb a s e ds a m p l e c o m b i n et h ea n a l y s i so f p o r es t r u c t u r ea tl a s t ，s u p e rf i n es l a ga n d p o l y m e rp o w d e r 硎t h ef i n ep o r ei nt h eh a r d e n dp a s t e ，p o r o s i t yo ft h eh a r d e n e dp 饿i s f u r t h e rd e c r e a s e d ，s u p e rf i n es l a ga n d p o l y m e rp o w d e rc a ni m p r o v em o r t a r ss i g n i f i c a n t i v k e yw 。r d s ：s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n t ；s u p e rf i n es l a g ；p o l y m e r p 。w d e r ；f l e x i b i l i t y ；s h r i n l ( a g e ； d u r a b i l i t y 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科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：型盈翌日期：多! ! ：堑：墨 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将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、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：地导师签名：盟日期：基幽：! ：兰 济南大学硕卜学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 道路工程是人们赖以生存的物质基础，然而，当今世界由于各种原因所引起的结构 失效或建筑功能失效不仅影响了人们的正常生活而且造成了巨大的经济损失。资料显示， 工业发达国家建设总投资的4 0 以上用于建筑的维修和加固，不足6 0 才用于新建筑的 建设。单在美国，截止到1 9 9 5 年，专家统计用于基础设施必要修复和改善的金额就达 3 3 万亿美元，它已成为继预算赤字和国际贸易赤字的美国第三大赤字1 2 。尤其是在道路 方面，这一现象更加明显。我国截止2 0 0 3 年底，已建成各级水泥混凝土路面约1 9 万k m ， 且每年在建水泥混凝土路面约2 5 万k m ，据不完全统计，现有的水泥混凝土路面将有 2 0 - - - 3 0 左右都面临着修补和改善1 3 】。如何对这些受损结构进行可靠性鉴定并采取合理 的措施加固、修复，使结构能够重新达到设计使用年限或者更长的服役寿命，是当今道 路行业面临的严肃问题。 水泥混凝土路面在使用过程中出现了大量结构损坏现象，尤其是在使用年限内出现 如大量断板损坏，路表水和杂质通过裂缝渗透至基层，冲刷淘空基层导致路面板的更多 的断裂或错台变形等严重影响行车畅通安全。收缩是混凝土本身固有的一种重要特性。 由于混凝土的抗拉强度很低，在没有负载的情况下混凝土往往由于收缩变形受到约束而 导致开裂，裂缝的类型很多，按成因基本可以分为由外部荷载和变形引起的裂缝，其中 大部分裂纹是由干燥收缩、自收缩和温度收缩等引起的非荷载裂缝。因此，收缩是引起 混凝土开裂的重要因烈档j 。 总的来说，为了解决日益复杂的原因所引起混凝土工程的各类病害，修补材料的性 能也必须不断改善。从其发展趋势来看，修补材料已从单一的水泥、砂、石成分逐渐过 渡到多种多 i - n 剂、增强材的多相复合材料。并且根据修补类型的不同出现了特种修补材 料，也即硫铝酸盐水泥基修补材料。与硅酸盐水泥和铝酸盐水泥相比，硫铝酸盐水泥 的组成又属于另一物理化学系统，以3 c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 矿物为主【9 1 。该矿物的存在 使水泥具有早强、高强、抗冻、抗渗、耐腐蚀和低碱度等优良特性，这类水泥是当代 硫铝酸盐水泥荩路面修补材料的研究 世界水泥发展史上新出现的品种系列，具有广阔的发展与应用前景。这类水泥与水、 集料按一定比列混合搅拌后具有快硬、早强的特点，适合于修补各类路面建筑或抢修。 材料界经过深入的理论和实践研究，发现在混凝土中加入外加组分可有效改善混凝土的 物理性能和力学性能，于是对外加组分混凝土各项性能的研究逐渐受到了国内外研究机 构和学者的关注。 1 1 1 问题的提出 水泥砂浆是一种特殊的水泥混凝土，它的性能遵循水泥混凝土的性能变化规律。混 凝土从诞生到现在虽然只有一百多年的历史，但却广泛用于水利、建筑交通、港口等许 多领域，从雄伟林立的水库大坝，到高耸入云的摩天大楼，从四通八达的高速公路到通 达全球的碧波港口，无一没有它的身影。无疑，混凝土工程已成为构筑现代文明大厦的 基石之一，我国建国以后大规模修建的混凝土工程也己半个多世纪，它们经历了无数风 霜雪雨，受到自然界无情的物理、化学及生物作用，多已进入老化使用期，各种病害、 事故频繁发生。即使是新建的混凝土工程，也会由于设计、施工及使用不当，造成混凝 土工程出现蜂窝、空洞裂缝甚至倒塌等各种病害与事故，混凝土结构经过一定的使用年 限后常因混凝土的老化、碳化、冻融破坏，碱集料反应和受腐蚀性介质的侵蚀以及钢筋 锈蚀等原因导致构件承载力和耐久性的下斛1 0 1 。 世界上经济发达国家的工程建设大体上经历了三个阶段【1 1 l ：第一阶段为大规模新 建：第二阶段为兴建与改建维修并重；第三阶段为重点转向旧建筑的维修改造。目前经 济发达国家处于第三阶段，部分结构因各种原因而失效或者为继续正常使用而需要进行 修补加固，这使他们认识到修补加固问题的重要性和迫切性，因而很大一部分力量投入 到混凝土修补问题的研究。 我国5 0 年代开始大规模经济建设，那时因经济基础薄弱，采用的材料标准均不高， 施工方法主要靠手工操作，目前这些建筑结构大多进入老龄化阶段，需要维修改造，投 入更多改造的资金。一五期间为4 2 ；三五期间已达2 7 ；七五期间高达5 4 。至上个 世纪末，我国已建房屋就有5 0 进入老化阶段，有2 3 4 亿m 2 的建筑需要维修加固。这 说明结构改造修补的重要性，在美国5 0 万座高速公路桥中，大约有2 0 万座处于急需修 补的状态【1 1 1 。 2 济南大学硕十学位论文 现今美国新建筑业开始萧条，而维修改造业却兴旺发达【1 2 1 。不仅如此，由于混凝土 老化病害造成的经济损失也相当惊人，目前美国整个混凝土工程价值约6 万亿美元，而 今后每年用于维修或重建的费用预计将高达3 0 0 0 亿美元。1 9 9 1 年仅修复桥梁就耗9 1 0 亿美元，英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用达2 0 0 亿英镑，1 9 8 0 年的建筑维修改 造工程占建筑工程总量的2 3 ，日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用即达4 0 0 亿日 元。因此，建筑物的维修与加固具有很大的市场潜力，一些经济发达的国家如美国在建 筑维修与加固上的投资已达建设总投资的5 0 ，英国这一数字为7 0 ，德国则达到了 8 0 ，这标志着建筑物的维修与新建达到了同等重要的位置，对于已经修建好的各类建 筑物、构筑物要进行维修、维护，保持其正常使用的功能，延长使用时间，或根据使用 者的愿望及技术改造的要求，通过合理的修补处理来满足改变既有建筑物的使用功能， 使用条件( 尤其结构上的作用) 以及扩大使用面积等方面的要求，再者，建筑业要有抗御 天灾人祸对建筑物的破坏和病害治理的能力，通过合理的理论计算，构造设计和施工， 尽可能地将自然灾害和人为灾害对建筑物造成的可能破坏，降低到最小程度 1 3 - 1 6 】。 最后，由于人们在工作中的失误对建筑物造成的损坏，常常给建筑物造成不同程度 的隐患导致建筑物发生种种病害，破坏了它的正常使用功能，因而迫切的需要修补加固 才能投入正常的使用【1 7 】。 一般情况下，修补工作应在不影响正常运营的情况下进行，这对修补材料性能及施 工技术均提出了很高的要求，如路面的修补，一般要求混凝土的强度发展快，施工方便， 造价较低，能尽快恢复交通，对于修补材料还要求新旧混凝土粘结力强，收缩量小，抗 裂性强，耐久性好等优点，因此，开发性能优越，使用范围广，价格适中的新型修补材 料就显得非常必要。 1 1 2 路面损坏原因特点及破损分类 随着现代建筑业的飞速发展，我国的工程建设取得了令人瞩目的成就，混凝土越来 越广泛地应用于高楼大厦，高速公路，桥梁和机场跑道，作为国民经济基础产业之一的 公路交通事业正处于迅速成长阶段，特别是高速公路建设，其发展速度更是领先一步， 水泥混凝土路面是一种刚性高级路面，它具有强度高、刚度大、承载能力强、稳定性好、 持久耐用和养护费用低等特点，在公路建设中受到了日益广泛的重视，得到了广泛的使 硫铝酸盐水泥基路面修补材料的研究 用，在我国许多城市修建了大量的水泥混凝土路面 1 8 - 2 0 】。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与修筑技术研究) 成 果以来，我国水泥混凝土路面修筑得到了快速发展。但是随着经济的迅速发展，这种结 构的路面破坏程度亦迅速加剧，其原因是在路面上行驶的车辆，为了提高运输的经济效 益而普遍超载运行致使路面损坏程度日益加剧，而这些混凝土结构一旦出现破坏，如果 采用传统的修补材料进行修补，将导致较长时间结构物的使用中断【2 1 1 。造成巨大的直接 和间接的经济损失。同时，作为国民经济纽带的交通运输业急剧上升，带动了高等级公 路在我国的蓬勃发展。 水泥混凝土路面的里程不断延伸，道路通行速度的不断提高，水泥混凝土路面多集 中在人口密集和交通繁忙的城市和沿海经济发达的省份，据统计，截止到1 9 9 9 年底，我 国各种水泥混凝土路面总里程已达到十余万公里，但随之而来的就是由于各种原因而造 成混凝土板块断裂，使得水泥混凝土路面的修复养护遇到了很大的困难，在一定程度上 也影响了水泥混凝土路面的进一步推广 2 2 - 2 4 1 。 一方面，由于我国混凝土路面的施工水平较低，而有些水泥混凝土路面已提前达到 服务年限，许多水泥混凝土路面由于不堪承受日益繁重的运力而受到了不同程度的损坏 1 2 5 ，如不及时维修，路面的破损将进一步扩大，甚至危及行车安全同时我国早期修筑的 混凝土路面由于年久大多接近或超过使用年限且交通较为繁忙的路段已开始出现风化和 有时超过设计的车流量引起的磨损，因破损不断扩大，开裂和剥落区域必须进行修补， 才能保持路面的必要功能和车辆的正常行驶但是，有些老混凝土工程损坏或新建混凝土 工程出现施工缺陷，客观上不允许按常规方法修补，一般均要求在不停止交通运营的条 件下进行修复，而在交通上大多的情况是白天运营，夜间修复，甚至要求在运营空隙的 几小时内进行修补，这就要求采取有效措施进行快速修补，因此，混凝土快速修补技术 是当今急需研究的课题，快速地对混凝土进行修补就成为混凝土工程发展技术中的一项 重要内容。 因此研究一种快速修补材料及施工工艺就成为急待解决的首要问题，混凝土作为建 筑材料在广泛应用的同时也表现出一些缺吲2 6 1 。如严重的脆性，质量影响因素多等，而 且在工程应用中常伴随着出现许多的问题，己建混凝土结构常由于下述原因出现损伤， 缺陷：( 1 ) 结构设计不完善或材料选择不恰当，在结构建成后，将会为结构使用带来安全 ， 4 济南大学硕卜学位论文 隐患。( 2 ) 未严格控制施工质量，出现因施工操作而引起的损伤，缺陷，甚至偷工减料不 能达到设计强度和正常使用的各项性能。( 3 ) 结构长期受特定环境影响，加上使用不当和 缺乏有效维护，结构提前老或出现损伤。( 4 ) 结构使用功能的变更，如加大使用荷载等， 往往会因为混凝土性能的下降而不能满足设计要求，以至产生隐患和损伤。( 5 ) 结构遭受 突然灾害如火灾、风灾、震灾、爆炸等，强大的不可预知力使混凝土结构突然度达到某 方面的极限而出现质量问题【2 - 2 8 1 。对于有损伤或存在使用隐患的结构，要进行严格的鉴 定和评估，如果确有必要修补或加固而且在技术上是可行的，经济上是合理的，则应对 结构进行维修和加固【2 9 1 。然而水泥混凝土路面的破坏原因却很多，新建和使用了一定年 限的路面都有可能产生破损，路面除了要承受重载反复作用外，材料本身质量差( 如抗折 强度不够，水泥混凝土板自身收缩等) 及施工技术水平低也是造成路面损坏的主要原因 p o 。混凝土的施工不可能在理想条件下进行，在混凝土浇注过程中或刚完工不久就可能 由于种种原因而产生破损【3 。 总的说来，引起破坏的原因是原材料，混凝土配合比不合适或施工方法工艺不当及 不能适应气候条件的要求等，对于旧路面，则一般由于使用年限较长，过载冲击以及基 础变形等造成不同程度的破坏通过调查和观测，按路面损坏性质，影响的特点和范围， 可将水泥混凝土路面的损坏分为两类1 3 2 1 ： ( 1 ) 结构型损坏，包括严重裂缝、断板、沉陷、错台、碎裂、拱起等，重载反复作 用、温差翘曲应力、混凝上板抗折强度不够、板自身收缩、地基下沉、锯缝时间不当等， 整体强度不足都可以引起裂缝，通过调查统计发现，路面的主要病害是混凝土板的横向 裂缝、切缝、工作缝、伸缩缝裂缝，裂缝的产生破坏了路面的整体性和抵抗冲击、振动 的能力，并使基层与混凝土板之间产生往复交变的相对位移，加上裂缝处的渗水影响， 导致基层结构的破坏，基层的破坏又会使面层混凝土板产生更大断裂，如此恶性循环， 随时间的推移导致混凝土路面功能的丧失。 ( 2 ) 非结构型损坏，包括轻微裂缝、麻面、露骨、剥落、起皮、磨光、接缝材料损 坏坑槽、孔洞，在各种破坏形式中，开裂、板边缘和角隅的损坏、接缝的破坏、板面磨 损是常见的损坏形式，抹面不当，集料质量不佳或混凝土配合比不当，如细集料过多等 引起露骨，坑洞或由于水泥质量不佳以及温度收缩等引起表面损坏，级配不合理，水胶 比控制不严，混凝土混合料中含砂量过大，或砂石含泥多，影响混凝土的和易性和强度。 硫铝酸盐水泥基路面修补材料的研究 1 1 3 修补材料的性能要求及其发展 ( 1 ) 修补材料的性能要求 由于水泥路面是一种承受频繁交通动荷载反复作用的，裸露于大自然的结构物，因 此，用于修补水泥混凝土路面的材料比其他结构物所使用的材料要有更高的要求。因为 它要保证受到动荷载的冲击，摩擦作用及温度和湿度的反复变化的影响，以及在各种自 然因素的长期影响下的综合力学性能不产生明显的衰减，即所谓的耐久性，因此用于修 补水泥混凝土路面的材料要具备以下几方面的性能【3 3 1 ： 1 ) 满足工作性的条件下要求具有较好的柔韧性，因为柔韧性是反映砂浆混凝土柔 韧变形性能好坏的指标。具有较好的变形性能，以保证强度的发展。 2 ) 有一定抗收缩性，如前所述，修补材料的收缩应力及温差应力可导致材料产生裂 缝，而较低的弹性模量可提高材料的抗拉极限引申率，从而提高了材料的抵抗变形的能 力，这可通过改变修补材料中的胶凝材料成分以达到上述要求，一般可采用膨胀水泥或 掺入膨胀剂，使修补材料在凝结后的早期水化阶段产生膨胀预应力以抵消材料的收缩拉 应力，也可以借助聚合物的特点采用聚合物改性的水泥混凝土或砂浆作为修补材料，以 减小收缩。 3 ) 抗磨性及抗冲击性好，修补材料的抗磨性不应低于老混凝土的抗磨性能同时应具 有较好的抗冻，耐腐蚀，抗渗性等，由于修补材料的孔隙率大小是影响外界水及腐蚀性 介质渗入的关键，因此，为了保证材料的密实度，又不影响施工和易性，一般在修补材 料中既要掺入高效减水剂，又要掺入超细的活性矿粉，这种双掺技术，可以综合发挥减 水剂的减水效应和超细矿粉的微观填充效应，保持适当的耐久性能。 ( 2 ) 修补材料的发展 早期最常用的水泥混凝土路面修补材料是沥青质材料，这种方法仅是一种应急措施， 不能从根本上解决水泥混凝土路面修复的问题。为此，国家加大对水泥混凝土路面的研 究力度，针对不同的路面破坏特点，研制了一些新材料，并在一些路面上进行了试验， 但由于其养生时间较长，给路面尽快恢复交通带来了困难。因此，一些部门就通过掺加 早强剂如硫酸盐，氯盐等来达到提高混凝土早期强度的目的。 6 济南大学硕士学位论文 随着水泥技术的发展，除常规的早强水泥，各种新型特种水泥相继出现如高铝水泥， 铁铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥等，为混凝土路面的快速修补带来希望，如同济大学的张 冠伦教授，西安公路交通大学的张登良教授，铁道科学研究院的李启棣高工等人都成功 的进行了这方面的研究，使修补混凝土的养生时间缩短到l d 甚至1 2h 即可开放交通， 获得了较大的成功，取得了较好的修补效果【3 年3 7 】，但应该清楚地看到，目前国内使用效 果较好的超快速硬修补混凝土，要么使用快硬类特种水泥才能达到要求，但快硬类水泥 易风化，保管时间短不能象普通水泥那样出现在商品市场，厂家一般只凭定货进行生产， 一般用户又不了解生产厂家及产品质量情况而影响其推广应用，要么使用快速修补剂掺 入在混凝土中但在普通混凝土中的掺量过大( 如j k 系列掺量最高可达水泥用量的8 2 ) ， 使得单位混凝土的成本提高较多。此外，采用树脂混凝土，高分子聚和物混凝土等材料 也可用于水泥混凝土路面快速修复，但同样因为原材料的特殊性，其价格昂贵( 2 5 0 0 、3 0 0 0 元吨) 1 3 8 1 。到了8 0 年代，由于水泥基材料的快速发展，美、日、德等一些发达的国家 根据路面破坏的特点，研制出一些新的修补材料，并在一些路面上进行了较为成功的试 验和应用。在水泥混凝土路面裂缝修补方面，根据裂缝的宽度广泛采用了一些有机聚合 材料，而在板块修补方面，最常用的方法是将已损坏的混凝土除掉铺上与原路面相同强 度或略高于路面混凝土原设计强度的普通混凝土，但普通混凝土需要较长的养生时间， 给路面尽快恢复交通带来了困难，通过近三十年的努力，取得了较大的成果，为混凝土 路面的快速修补带来了希望【3 9 1 。 1 2 国内外研究现状 国内对混凝土修补的研究尚处于起步阶段m 1 ，国家标准不完善，行业发展相对混乱。 一些工程上的修补也是处于探索阶段。对修补材料的挑选上没有统一的测试和评价方法。 对修补材料的粘结强度过与看重，而对修补材料与基体混凝土的相容性、修补材料的抗 渗性、钢筋锈蚀的防护等方面研究较少。 1 2 1 无机类 普通硅酸盐修补砂浆：由普通硅酸盐水泥、砂子、水混合搅拌而成。水泥与砂子的 比例为l ：2 1 ：4 。主要用于混凝土道路表面不太严重的损坏的修补。但随着混凝土质量的 不断提高以及损坏原因的日益复杂，这种材料已难以满足要求更高的工程修补。一方面 7 硫铝酸盐水泥荩路面修补材料的研究 水被蒸发或是周围混凝土所吸收，使水化不充分；另一方面，其抗压强度的发展要快于 与基材界面的粘结强度，造成高质量修补的假象。水泥砂浆干硬后，粘结强度的发展也 趋于停止，常导致修补材料的脱落。 活性矿物掺和料是配制高性能混凝土的另一必要的组分。常用的掺和料有：粉煤灰、 硅粉、超细矿渣、沸石粉、火山灰等，在配制混凝土时加入较大量的矿物细掺料，可以 降低温升，改善工作性，增进后期强度。并可改善混凝土的内部结构，提高抗腐蚀的能 力，抑制碱一集料的反应，最早使用的粉煤灰的目的是为了降低混凝土水化热和混凝土 成本【4 1 - 4 2 。近年来粉煤灰应用技术发展很快，目前在水工混凝土、大坝混凝土均大量掺 用。民用建筑c 4 0 级以下的混凝土中广泛采用。其优点是来源广、成本低，但由于优质 灰少，一般电厂粉煤灰组分含量波动较大，不经进一步加工之前不能满足高性能混凝土 对掺和料的要求。硅灰是一种活性很好的超细掺和料，对混凝土的强度及耐久性的提高 由明显的作用。但因细度太细，价格较高，生产量不大，目前只是在c 8 0 左右的混凝土 中掺和。目前超细矿渣是国内外一致看好的一种超细掺和料。 超细矿渣是高炉炼铁时产生的废渣，在熔融状态下倒入冲渣池中，经水急冷却后的 高炉水碎渣在进行粉碎磨细后的渣粉，其细度应该在4 0 0 0 c m 2 g 比表面积以上。 矿渣作为水泥的混合材料早己是用于水泥生产中，但由于细度不够，还未被充分利 用。我国矿渣大约每年有8 0 0 0 万吨的产量，对其利用还很不够，如果将矿渣磨细到 4 0 0 0 c m 2 儋以上的比表面积，他们活性大大增大，将磨细矿渣直接作为掺和料配制混凝土 时，可使混凝土的多项性能得到大大的改善1 4 3 1 。 矿渣微粉的细度对其活性有显著的影响，国内外的学者和技术人员的矿渣微粉的最 佳细度作出如下综合分析；首先要考虑矿渣微粉掺与水化反应的能力，当粒径大于4 u m 时，矿渣颗粒很难掺与水化反应能力，故矿渣微粉的比表面积应超过4 0 0 0 c m 2 g ，才能 充分地发挥其活性。其次要考虑混凝土的温升，有资料表明，矿渣微粉等量取代水泥用 量3 0 的混凝土，细度为6 0 0 0 8 0 0 0 c m 2 g 的矿渣微粉，其混凝土的绝热温升比细度为 4 0 0 0 c m 2 g 的矿渣微粉混凝土有十分显著的提高。第三，在配制低水较比并掺有大量的 矿渣微粉的高强混凝土或高性能馄凝土时，要考虑矿渣微粉的细度越细，混凝土产生早 期的自收缩将越严重。最后，必须考虑矿渣磨细得越细，所耗电能越大，成本越大。因 此，矿渣微粉的细度应该在充分发挥其活性和水化分应能力的基础上综合考虑所应用的 8 济南大学硕士学位论文 工程性质、对混凝土性能的要求以及经济分析等因素来确定，不能笼统认为矿渣越细越 好似5 1 。 高性能混凝土首先要有良好的施工性能，具有较高的流动性、可免振捣、自流平、 较好的可泵性。超细矿渣由于它的细度小于水泥粒子，在取代了部分水泥以后，这些更 小的颗粒填充在水泥与集料的空隙中，使胶凝材料具有良好的级配，同时降低了标准稠 度用水量。在保持用水量的情况下会增加流动性，因此改善了和易性，填充作用的结果 又改善了泌水性，增加了粘聚性【蛔。 超细矿渣能减少塌落度损失，高性能混凝土强度等级一般很高，掺用了高效减水剂， 就会加快混凝土的早期水化反应。容易造成塌落度损失，掺入超细矿渣后，由于矿渣的 活性是在水泥水化后的碱性环境下被激发的，因而它能延缓初期的水化反应，降低初期 水化热放热峰，减少由于混凝土温升产生的温度裂缝。高性能混凝土由于强度等级较高， 相对水泥用量较大，随着矿渣取代水泥率的提高，超细矿渣在混凝土中所起的作用也会 明显增大【4 4 1 。 高性能混凝土最大的特点就是高的耐久性，其耐久性包括高的抗渗性、高的抗腐蚀 性、高的体积稳定性、高的抗碱骨料性。混凝土中掺入磨细矿渣后，通过改善混凝土的 级配，增加填充效应，使混凝土结构更加的密实。对初期水化反应激烈的起缓冲作用也 使后期水化产物结构更加密实，从而减少了结构的缺陷，早期水化热受抑制也会减少因 温升造成的温度缺陷。因此不仅混凝土的强度有了很好的保证，混凝土的抗渗性能也得 到了很大的改善。同时混凝土的其它耐久性性能也得到了提耐矧。 矿渣的低碱性在取代部分水泥后，它可以像稀释剂一样的降低总胶结材料的含碱量， 从而对活性骨料、硫酸盐侵蚀、氯盐及海水侵蚀、碳化作用等敏感降低，使混凝土具有 对侵蚀物质的抑制能力，同时提高了混凝土的体积稳定性，对混凝土内部的钥筋起了良 好的保护作用，减少了钢筋锈蚀【删。 总之，超细矿渣的掺入可使混凝土在保证施工性能良好的同时，减少了凝结硬化过 程中的缺陷，使结构均匀，体积稳定，既降低水化热又减少了温度裂缝。这些作用的结 果使硬化后的混凝土体积变化很小，减少了收缩徐变，增加了耐久性，提高了混凝土的 使用寿命。 超细矿渣改性水泥砂浆的作用机理【4 7 4 9 】：主要是由于火山灰反应和界面效应。 9 硫铝酸盐水泥幕路而修补材料的研究 ( 1 ) 火山灰反应 火山灰反应，即其与水泥水化产物之一c a ( o h ) 2 发生了二次水化反应。当水泥水化 时，水化反应式如( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 等，超细矿渣与水泥水化产物之一c a ( o h ) 2 发生二次水化 反应( 即火山灰反应) ，反应式如( 4 ) 等，生成c s h 凝胶体。这样既消耗了水化水泥浆 体里的c a ( o h ) 2 ，破坏了其半稳定状态的c a ( o h ) 2 保护膜，加速水化进程，又使c s h 凝胶体( 火山灰反应的生成物) 增多，且超细矿渣还能与水泥水化浆体中另一种水化产 物c s h 凝胶体( 又称传统c s h 凝胶体) 反应，生成c a s i 比的新c s h 凝胶体( 又称 火山灰c s h 凝胶体) 反应式如( 5 ) 。火山灰c s - h 凝胶体与传统c s h 凝胶体的组成和 性质均不相同，它能与氢氧根离子、铝离子等聚合，而且聚合后相当稳定。新生成c s h 凝胶体不会在低p h 值的酸性溶液中分解，这便是使用超细矿渣制的硬化水泥浆体对酸 性介质有一定的抵抗能力，对渗析、碳化有较强抵抗能力的原因。 对改性后凝胶材料的水化反应和水化过程可描述如下： 水泥熟料的反应： c 3 s + h 2 0 - - 专c - s - h + c a ( o h ) 2 ( 1 ) c 2 s + h 2 0 一专c - s - h + c a ( o h ) 2( 2 ) c 3 a + 3 c a s 0 4 。2 h