（材料学专业论文）陶砂砂浆在隧道防火降噪工程中的运用.pdf

摘要 本论文研究了隧道衬砌喷涂用陶砂防火降噪砂浆的组成及机理。从原材料组 成和检测及其对陶砂砂浆技术性能的影响开始入手，分析研究了陶砂砂浆的构造 形式及结构形成特点，并根据现有的页岩陶砂，掺加高效减水剂和粉煤灰，采用 正交试验的方法，考查各因素对考核指标的影响程度，找出有利于陶砂砂浆强度 及防火降噪性能的各组分的掺量，在此基础上进行进一步的验证试验。尝试配制 出满足隧道施工工作性、力学性能以及防火降噪要求的陶砂砂浆。这不止对隧道 防火降噪有重要意义，而且对其它有防火降噪要求的工程砂浆的配制有指导意 义。 在正交试验结果的基础上，对陶砂砂浆吸声降噪性能进行研究。首先通过介 绍声学基本知识，引出吸声系数和吸声材料的概念，然后利用驻波管法测定陶砂 砂浆的吸声系数，通过吸声系数的测定对陶砂砂浆的吸声降噪性能进行了评价， 并对陶砂砂浆的吸声降噪特性和机理进行了研究，提出了影响陶砂砂浆吸声降噪 性能的几个主要影响因素：( 1 ) 材料的厚度；( 2 ) 空气流阻；( 3 ) 结构因子；( 4 ) 表观密度；( 5 ) 孔隙率；( 6 ) 背后空气层的影响；( 7 ) 材料吸水对吸声性能的影 响。通过分析和研究提出了改善陶砂砂浆吸声降噪效果的多种途径和方法。 在正交试验结果的基础上，对陶砂砂浆的防火性能进行研究，介绍了隧道火 灾的危害性和现今隧道防火措施以及隧道防火涂料的发展现状。对陶砂砂浆在隧 道防火工程中的运用进行了可行性研究，根据现有的试验条件和试验设备，自制 试验方案，拿陶砂砂浆和常用隧道防火涂料进行对比试验。综合考虑防火、吸声 降噪、造价、施工及养护工艺等各个因素，给出了最优方案、次方案以及一般方 案。 对陶砂砂浆的喷射施工工艺进行了研究。为在实体工程中的运用扫清了障 碍。 关键词：材料学；隧道；防火；降噪；页岩陶砂；砂浆；施工工艺。 a b s t r a c t t h i st h e s i ss t l l i d i c st h ef o r ma n dm e e h a n i m ao ft h el i g h ta g g r e g a t e 血印o 翘 a n dd e c l i n en o i s em o r t a rf o rt u n n e ll i l 揽a e c o r a i , gt oe x i s t i n gl i o na g g r e g a t et h e s h a l ep o t m y 啪d ，s i m u l t a n e i t ym i xi n t oh i g h 嘲n g ew a t e r r e d u c i n ga d m i x l x ma n dt h e f i ya 血e x a m i n ei n f l 煳黜o fe v e l yi n f l u e n c ef a c t o rt oc x a l f l l l i i n d c x 。n n di l i a d o u tq u a n t i t yo fe v e r ya d m i x t t t r et h a ti sp r o p i t i o u st ot h e 袖旧n g t h 柚de a p a b i t i t yo f f 1 i e p r o o c a n ga n da e c l i n en o i s ei nl i g h ta g l g r e g a t em o r t a rb yas p e c i f i c a l l ym e t h o d a f t e r w a r d s 0 1 1t h i sf o u n d a t i o n , d om o l t 宅v a l i d a t i o ne x p e r i m e n t s a t t e m p tt oc o l f f e c t l i g h ta g g r e g a t er n o l t t a rt h a ti sc o n t e l l tt ot h er e q u i n m m a to fw o r ka b i l i t y , m e e l a a n i c s e a p a b t t i t y a r c p r 0 0 6 n ga n dd e c l i n en o i s eo ft t m n e lc o n s t m e t i o n n o to n l yf o rt l a c t u n n e l s ，b u ta l s ot ot h ec o n s l l u e t i o n st h a tn e e df u f q p r o o f a n dn o i s er e d u c i n g 。t h i sp a p e r h a s g r e a ts i g n i f i c a n c et od i r e c tt h e m t h et h e s i sl e a r n e dt h eq u a n f i t yo f p o t t e r ys a n dw l a i e l ad e c l i n en o i s eo nt h eb a s eo f o r t h o g o n a le x p e r i m e n tr e s u l t f i r s to fa d r a w so u tt h ec o n c e p to fa b s o r p t i o ns o u n d c o e t f i e i e n ta n da b s o l l ) t i o ns o u n dm a t e r i a lt h r o , g h i , gi n t r o d u c et h eb a s l ek n o w l e d g e o fs o u n d , t h e nu f l ct h em e t h o do fd l l ：t c l l l l i n a t i o no ft h ea b s o r p t i o nc o c f l i e i e n t 髓柚d i n g 愀t u b e t od e t e r m i n e st h ea b s o l p t i o ns o u n dc o e f f i c i e n to ft h ep o t t e i y s a n dm o l t a r , a tt h e 蛐ct i m ea p p r a i s et h eq u a n t i t yo fp o l t e r yo ft h ea b s o r p t i o ns o t m d a n dd e c l i n en o i s et h r o , g hd o i n gt h er e s e a r e l a0 1 1i t sm e c h a n i s m p r o p o s et l a em a j o r e f f e e t i n gf a c t o r ：( 1 ) f i l et l a i e k n e s so fm a t e r i a l ；( 2 ) m ed r a go fa i r , 0 ) s t l t u e t l t i r ef a c t o r , ( 4 ) a p p a r e n ta c m i t ，；( 5 ) p e r c e n t a g eo fv o i d s ；( 6 ) t h ce t f e e to fb e h i n da i re n v e l o p e ；c 7 ) t l a c i n f l u e n c eo f m a t e r i a la b s o r b i n gw a t e rt os o u n da b l l o 叫o l lp t 耐b l m 柚勰p o i , to u tt h e w a y , , a n dm e t h o d sw h i c hi m p r o v et l a ep o t t e r ys a n dm o r t a rs o u n da b s o r p t i o na n d r e d u e n o i s et l o , g l at h ea n a l y s i sa n dt h er c s e a r e l a i n 也cf o u n d a t i o no fo r t l a o g o n a la 【p 姐i m 肋tr e s u l t ，d or c s e a r e l ao nt h e 句 p r o t e c t i o no ff i l ep o t t e r ys a n dm o l t a l r , a n da l s oi n t r o d u c et h eh a z i l m o l l l $ o ff i l et u n n e l f i r ea sw e l la st h ep r e c a u t i o n sa n dt h ed e v e l o p m e n to ft h et t m 地lf i r ep r o t e c t i o n s i t u a t i o n st o d a y c a r r y i n go nt h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gf i l ep o t t e r ys a n dm o r t a ri nt l a e t u n n e lf i r ep r o t e c t i o np r o j e c t a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n ge x p e r i m e n tc o n d i l j o na n d e x i i i i p m e n t ，m a k et h ec x p e r i m 咖p l a nb ym y s e l f , c l l n yo n f i l ec o n t r a s tt ot h e e x p e r i m e n to f t h ep o t t e r ys a n dm o r t a ra n dt h ec o m m o n l yu s e dt u n n e lf i r ep r o t e c t i o n g i v i n gt l a es y n e r g y , t l a ei n f e r i o r 懿w e l la st h eg e n e r a lp l a nt h r o , g l ao v e r a l le v a l u a t i o n o ft h ef i r ep r o t e c t i o n ，t h es o u n da b s o r p t i o nn o i s ea n di t sr e d u c t i o n ，t h ec o s t ，t h e 2 摘要 c o n m u c t i o n ，t h em a i n t e n a n c eo f c r a f ta n d 8 0o n d ot h er e s e a r c ho nt h es p r a y i n gc o n s t l l d i o nc r a f to ft h ep o t m ys a n dm o r t a r s w e e p t h eb a r r i e r o f u s i n g i nt h ec o n c r e t ep r o j e c t k e yw o r d s ：h y l o l o g y ；t u n n e l ；f n c e p r o o f m g ；n o i s er e d u c t i o n ；s h a l ep o t t e r y s a n d ；m o r t a r , c o n s t m c l i o nt e c h n o l o g y 3 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所星交的学位论文，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 学位论文作者签名：欲 隰嘲年午月占日 重庆交通大学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 庆交通大学可以将本学位论文的全部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 学位论文作者签名：礅 眺目年年月聃 日彳捃 托y 月 名 年 签 夕 师 岫 一 叩 导 期 指 日 第一章绪论 1 1 概述 1 1 1 古代砂浆 第一章绪论 人类何时首次以生石灰和水混合作为天然石材之间的胶粘剂并应用于建筑工程，现 在不得而知。科学考察证明，石灰砂浆的应用已苇7 0 0 0 - l z m o o 年的历史。在东土耳其， 在卡耶尼( c a j m a ) 的考古挖掘中，发现了用石灰砂浆粘结的水磨石地面。对该出土文物 的年代评估是公元前5 0 0 0 - 1 2 0 0 0 年之间，也就是说，距今已有1 4 0 0 0 年。在文献中，通 常认为已知的最古老的石灰砂浆( 含有石膏砂浆成分) 的历史为纪元前1 2 0 0 0 年。 大约在公元前3 0 0 0 年，几种不同的文明在彼此并没有联系的情况下，先是在北非、 南亚、中国，稍后在南美和中美，也开始将石灰砂浆用于土木工程。在印度斯坦，人们 发现一个“石材青铜纪年”遗址，其墙体显示出石膏砂浆、石灰一石膏砂浆和纯石灰 砂浆的痕迹。大约在公元前2 o 年，在幼发拉底河和底格里斯河之间的两河平原，在美 索不达米亚，在建造粘土砖建筑时，像我们今天一样地采用石灰砂浆。 1 1 2 近代砂浆 1 8 8 3 年出版的建筑百科词典对于近一千年的砂浆发展作了说明。其中提到：砂 浆是建筑墙体胶粘剂，因而又称墙体胶泥，也可以用于墙体抹灰，使墙体外表产生拉毛 或平坦的艺术效果。大约从公元1 0 0 0 年到1 1 3 0 年，砂浆开始变成一种商品，不过直到公 元1 2 5 0 年，砂浆的制备仍是十分粗放。从那以后，制各的方法逐渐改进，到公元1 4 5 0 年 前后，砂浆的质量得到很大提高。到公元1 6 0 0 年，随着科学进步，已经有可能对砂浆进 行化学分析，过去，仅仅将砂浆的胶结性看成是一种力学性能，现在才知道砂浆的胶结 强度来源于渐渐发生的化学变化。 近代砂浆的种类按下列方法划分： 按材料来划分：l 、石灰砂浆；2 、粗砾石砂浆；3 、石膏砂浆；4 、火山灰砂浆；5 、 水泥砂浆：6 、硬石灰砂浆；7 、耐火土砂浆。 按用途划分：1 、气硬性砂浆；2 、水硬性砂浆；3 、打井胶粘剂。 按性能划分：1 、富石灰砂浆；2 、稀薄砂浆；3 、低级砂浆；4 、贫瘠砂浆；5 、缓 慢硬化砂浆；6 、快速硬化砂浆。 第一章绪论 1 1 3 现代砂浆 第二次世界大战以后，规模庞大的建筑活动产生了对建筑材料的急剧需求，同时要 求建筑业的合理化。劳动力的缺乏也促使人们探索通过技术手段来改善手工操作的落后 状况和提高效益。在这种背景下，在墙体建筑中出现了大型砌块、板材和工业化预制构 件，在砂浆生产领域则开始了预拌砂浆工厂的发展。过去，在建筑工地上用手工配料和 自由落体式搅拌机搅拌砂浆，砂子质量很难得到保证，砂浆材料组分很难一致，搅拌很 难充分，因此，就开发了将搅拌过程由建筑工地转移到砂浆工厂的技术。由此，建筑工 地可以不必再设置搅拌设备，在大型工地，砂浆可以直接送到施工地点而不需要附加费 用。彩色外墙抹灰也采用预拌干砂浆，也是在工厂中采用适宜的胶粘剂、骨科和各种颜 色的颜料配制而成。根据建筑师的要求，还可以在其中加入一些矿石，如钙质晶石、云 母等，以达到特别的视觉效果。砂子的粒径由不同的抹灰方法确定，刮板法、喷射法、 水刷法所用砂子粒径是不同的。此外，市场上还出售掺有憎水剂的彩色抹灰干砂浆。 1 2 陶砂砂浆的特点 1 2 1 陶砂砂浆的定义 陶砂砂浆是指以陶砂、合适的胶凝材料及其它多元复合外加剂。经一定的工艺制成 的材料，可直接抹涂于墙体表面。其容重小，保温隔热性能好，与基层材料粘结紧密。 吸水率低，耐候性好，并吸音、防火。所以，用陶砂抹面砂浆代替传统的抹面砂浆，不 但可减轻建筑物的自身重量，而且还可以提高建筑物的保温隔热性能，降低取暖制冷能 耗，节约能源，具有较好的经济效应和社会效益。 1 2 2 陶砂砂浆的优点 陶砂砂浆与普通砂浆相比，具有如下主要优点： 质轻隔热保温性能好耐火性好抗震性能好抗渗性好综合技术经济效 果好隔音、吸声效果好。 1 2 3 陶砂砂浆的不足之处 与普通集料砂浆相比，陶砂砂浆存在的不足之处有： 与相同强度等级普通砂浆相比，它的抗折强度和弹性模量较低。这些缺点限制了 它在工程建设中的广泛应用。 2 第一章绪论 陶砂砂浆的工作性比普通砂浆的工作性较差。陶砂表面粗糙多孔，所以拌制砂浆 的和易性较差，要满足同等和易性的要求，则其单位水泥用量往往要比普通砂浆多；陶 砂的密度与水泥砂浆的密度差较大，陶砂容易上浮，产生分层离析，从而使拌和物不均 匀，近而影响到砂浆的力学性能；陶砂的吸水率高，使其在配制砂浆时净用水量不易控 制，且给泵送施工带来较大问题。 陶砂强度较弱，配制较高强度的砂浆所需水泥用量较多。 1 2 4 陶砂砂浆的应用范围 我国陶砂砂浆主要应用于墙体结构，其中包括工业与民用建筑的大型墙板及各种小 型空心砌块之间的粘结料。 在高层建筑中，陶砂砂浆也以其质轻、抗震、耐火等特点受到青睐。 除此以外，陶砂砂浆还在窑炉耐火内衬、烟囱内衬、船舶制造、采油平台等工程中 得到合理应用，这与陶砂砂浆的特性是分不开的。 1 3 国内外研究和应用现状 随着陶砂混凝土的广泛应用，陶砂砂浆也同时迅猛发展，目前，陶砂砂浆在国内外 应用十分广泛，经常应用于高层建筑，大型桥梁等对结构自重要求较高的工程中，而在 一些耐火保温设施中也有应用。 虽然如此，我国的高强轻骨料混凝土的研究水平仍然很低，而且有关陶砂砂浆用于 隧道衬砌的防火以及吸声降噪性能的研究工作在我国还处于探索阶段。在隧道防火方 面，大多数隧道仍然使用的是防火涂料。在隧道降噪方面，国内目前很少考虑，但随着 人们绿色环保意识的不断提高，隧道内的噪音污染已经逐渐得到人们的重视。 1 4 选题背景和意义 1 4 1 背景 随着社会的发展，城市间的物资流通、人际交往，促成出现了大量的公路隧道和铁 路隧道很多隧道在承担交通运输的同时还是光缆、电力电缆甚至输油管的通道，隧道火 灾的经济损失大、抢救难度大、中断行车时间长，不仅使交通处于停滞状态，也可能使 电话、互联网、城市照明、供水造成破坏，产生不良社会、政治影响。为预防隧道火灾 的发生，加强安全管理，减少隧道火灾损失，对隧道内的拱顶和侧壁的表面进行防火处 理，这是避免混凝土炸裂、衬内钢筋破坏，提高隧道本身的火灾承受能力的重要措施之 3 第一章绪论 1 4 i i 隧道火灾的成因 引起隧道火灾的原因是多方面的，具体分析起来，可归纳为以下几种： 爆炸所引起的火灾。 在交通隧道中，有时不可避免的存在燃油和一些特殊的化学物质的运输。这些物质 在一定的条件下就会发生爆炸。爆炸的次生灾害之一就是火灾。 由车辆本身起火或两车相撞所引起的火灾 车辆本身会由于电路短路、汽化器起火、排气管冒火等原因引起火灾。在隧道中， 由于车辆相撞而引起车辆油箱内的油料燃烧，同样可以引发火灾。 由易燃物的泄漏所引发的火灾。 在交通隧道内，如果运输易燃物如石油、天然气等的槽罐发生泄漏，这些物质在隧 道狭小的空间内的浓度会迅速增长。当浓度达到一定程度以后，遇有点火源时，这些物 质就会迅速燃烧，从而引发火灾。 由于隧道内的电气设备发生故障而引发火灾。 主要是由于电线短路起火，电器开关发生打火等等原因所引发的火灾。 1 4 i 2 隧道火灾特点 烟雾大，温度高，排烟困难。隧道等地下工程内一旦发生火灾，由于空间小，近似于 密闭状态，燃烧产生的热量不易散发，火灾可能将照明系统破坏，能见度低，给扑救 火灾和疏散人员带来了困难。 疏散困难。隧道横断面小，道路狭窄，发生火灾时除了人员疏散困难以外，物资疏散 也极其困难。车辆要一辆接一辆疏散几乎是不可能的，同时火灾在车辆之间的蔓延也 比较快，且每辆车都有油箱，如果汽油燃烧将加剧火势发展。 火灾扑救困难隧道发生火灾，消防人员进攻道路缺乏，很难接近火源进行扑救。如发 生在整条隧道中心，即使从隧道口进入到火灾现场有时也有很长距离，加之缺乏照明， 扑救更加困难，而长距离隧道火灾，进行内部灭火几乎是不可能的。 1 4 1 3 隧道火灾对隧道的危害 隧道砌体指的是钢筋混凝土和砖石等垒筑材料，这些砌体构成隧道的墙壁和拱顶结 构。一旦遇到隧道火灾，石块的主要成分碳酸钙在温度达到8 2 5 就热解成氧化钙和二 氧化碳。氧化钙的强度远远不及碳酸钙。在隧道结构中尽管混凝土本身具有良好的抗热 性，但当混凝土达到一定的温度时，其强度开始下降，美国国家标准和测试协会( n i s t ) 指出，普强混凝土( c s c ) 温度达到3 0 0 时，强度损失为1 0 2 0 ；温度达6 0 0 时， 强度损失为6 0 7 5 ，高强混凝土( i s c ) 在4 5 0 1 2 时，抗压强度损失达到4 0 ，当温度 达到6 0 0 时，抗压强度损失约为7 5 。随着强度的逐步丧失，将会导致隧道等地下结 构的坍塌。火灾扑灭后，混凝土冷却时，其强度将进一步降低。在隧道火灾的烈火中， 随着结合水变成水蒸汽，混凝土内压力上升，由于混凝土结构致密，水蒸汽不能有效散 4 第一章绪论 发。当压力超过其强度时，表层便出现爆裂，同时新裸露的混凝土又暴露于高温之中， 从而引发进一步的爆裂。例如：英伦海峡隧道发生火灾后，损害最严重的地方，原有 4 5 0 眦厚的混凝土只剩下了4 0 皿。消防队的报告表明，混凝土的爆裂不仅炸伤了消防 队员，而且阻塞了安全疏散线路。随钢筋表面的温度超过2 5 0 ，钢筋的强度也开始下 降。温度达到6 0 0 时，钢筋的屈服强度和极限应力下降到常温下钢材屈服应力和极限 应力的i 3 以下。在纵向和横向的压力下，钢结构不可避免地扭曲变型、垮塌毁坏。 1 4 1 4 防火措施 我国在2 0 世纪9 0 年代以前，虽然修建了不少隧道，但限于当时的技术和条件，几乎 没有采取防火措施，真正根据有关隧道设计规范设计、建造隧道，还是近几年的事，而 隧道防火涂料的应用，则是从2 0 0 0 年前后开始的。当时，一些企业将厚型钢结构防火涂 料或混凝土楼板防火涂料，甚至电缆防火涂料作为隧道防火涂料使用，而这些涂料保护 的对象是不同的，电缆防火涂料是专用于电缆的被动防火保护的涂料，耐火极限最多2 0 m i n ，根本抵挡不了隧道的火灾。电缆防火涂料的有效成分几乎全是有机物质，有机物 质的通性是性质不稳定，因而其耐久性差，更致命的是火灾时，涂料会产生有害物质， 在隧道中绝对不能选用。有的企业用现有的预应力楼板防火涂料来代替隧道防火涂料， 但预应力楼板防火涂料与隧道防火涂料的使用环境不同，隧道防火涂料应耐潮湿，且车 辆通过时会产生强风及震动。由于预应力楼板防火涂料不能承受此类火灾，因此预应力 楼板防火涂料不能代替隧道防火涂料。 厚型钢结构防火涂料或混凝土楼板防火涂料耐火极限较高，但它们存在以下几个问 题： 涂层太厚，一般涂层厚度在( 2 0 3 0 ) 皿左右，耐火性能才能达到3 h ，这么厚的涂层， 需要多次喷涂才能达到规定的厚度，施工困难。 粘结强度低，厚型钢结构防火涂料的粘结强度为0 1 1 5m p a ，车辆在隧道通行时，会 产生强风和震动，将它们用于隧道，不能满足隧道的实际需要。 对涂层毒性研究没有足够认识，一旦发生火灾，将影响火灾的扑救和隧道的修复。 耐水性较差，涂层长期处于隧道的潮湿环境中，会反卤、结水。 随着社会的发展，人们对环保的要求呈迅猛增长之势，同时也对生活品质提出了 高的要求，这也使人们越来越重视隧道内的噪音污染，特别是长大隧道，噪音污染会降 低行车舒适性，由于隧道的特定环境要求及施工的特点，对材料的要求很高：吸音材料 应持久耐用，防水、阻燃，且使用寿命长，不含石棉、矿物纤维等对人体皮肤有刺激性 的纤维材料、聚苯乙烯以及具有可燃性和腐蚀性的物质；材料的散火值、冒烟值及易燃 值应为零：材料的吸音性能符合隧道内的声频特性：应具有足够的强度，既要具有良好的 抗气流冲击能力，又要与四周混凝上墙基有良好结合。故一般的吸音材料都难以胜任隧 道的特定环境。 5 第一章绪论 1 4 2 意义 1 4 2 1 应用方面 隧道内火灾频发，但防火涂料效果有限。隧道内车流量较大，噪声较为严重。鉴于 以上状况，急需一种即可以防火，又可以降噪的隧道衬砌面层材料。 陶砂( 页岩陶砂) 防火砂浆具有很大的优势：耐火性能好；由于它的孔隙较大，声 波在孔隙中反复反射逐渐减弱，以达到吸声的目的；质量较轻，适合于隧道衬砌喷涂； 通过采用浅色材料以及掺加不同的颜料，也可以达到涂料一样较好的视觉效果。 因此，陶砂防火砂浆有广阔的发展前景。 1 4 2 2 材料推广方面 由于页岩山体保水性差，植物很难生长，每年都要投入大量的人力植树造林，每年 都收效甚微无功而返。用页岩为主要原料烧制陶粒既免除了对荒山的治理，又对农村富 余劳动力提供了大量的就业机会。页岩陶粒的发展，直接变荒为宝，造福当地人民，是 一个很好的利国利民的新产品。 页岩陶粒混凝土及陶砂砂浆在工程中的应用，对有效利用地方丰富的轻骨料资源， 拓宽陶砂混凝土及砂浆的工程应用领域，减轻大量工程建设对日益匮乏的天然集料的需 求压力，具有重要的意义。 1 5 主要研究内容和目标 本课题尝试用白色硅酸盐水泥，同时掺加矿物掺合料的方法以改善陶砂砂浆的工作 性和力学性能，提高陶砂砂浆的强度，改善耐久性，配制出符合要求的砂浆。利用先有 的试验条件对陶砂砂浆的吸声防火性能进行评价。 本课题的主要目标如下： l 、根据现有的陶砂一页岩陶砂，掺加高效减水剂和粉煤灰，采用正交试验法， 考查各影响因素对考核指标的影响程度，找出有利于陶砂砂浆强度和防火降噪性能的各 组分的掺量，然后在此基础上进行进一步的验证试验。尝试配制出满足隧道施工工作性、 力学性能以及防火降噪要求的陶砂砂浆。 2 、对陶砂砂浆的吸声降噪性能进行研究，测定其吸声系数，对其吸声降噪特性及 原理进行分析和研究，力求达到最大的吸声降噪效果。 3 、对陶砂砂浆的防火性能进行研究，对其防火机理进行探讨，与传统的隧道防火 材料进行对比，力求达到最好的防火要求。 6 第二章原材料组成和检测及其对陶砂砂浆技术性能的影响 第二章原材料组成和检测及其对陶砂砂浆技术性能的影响 本章将对陶砂防火砂浆组分中的陶砂、掺合料和胶凝材料的性能以及他们对陶砂防 火砂浆性能的影响进行分析，并简要介绍新拌陶砂防火砂浆的特点和强度形成机理。 2 1 陶砂 2 1 1 陶砂简介 本论文所用陶砂为页岩陶砂，经加工破碎成粒或粉磨成球，再烧胀而成的人造轻骨 料。一般认为它是一种外部具有坚硬外壳，表面有一层隔水保气的釉层，内部具有封闭 式微孔结构的多孔陶质粒状物，但有研究表明陶粒内部孔隙并非完全封闭，而是相互连 通的，其孔结构符合多孔材料吸声原理。 2 1 2 陶砂的选择 因不同厂家、不同生产工艺对陶砂性能影响很大，进而影响砂浆的性能，结合工程 材料供应情况采用湖北宜昌光大陶粒厂生产的页岩陶砂。 2 1 2 陶砂的检测及其对砂浆性能的影响 对于陶砂砂浆来说，骨料对砂浆性能的影响比对普通砂浆中骨料的影响重要得多， 可以说，陶砂砂浆的密度、强度、热工性能、耐久性能等主要性能更大程度上取决于陶 砂的性能。 2 1 2 1 颗粒级配 颗粒级配表示不同粒径骨料的含量比例。骨料颗粒级配的好坏，不仅对以其配制的 砂浆拌和物的和易性及硬化后砂浆的强度、弹性模量及收缩、徐变等力学变形性能有很 大影响，而且还影响砂浆的水泥用量。因为不合理的骨料颗粒级配所形成的孔隙，只能 由水泥浆来填充。 生产使用情况： 优良的级配是高性能轻骨料的主要特征之一。良好的颗粒级配，能够降低颗粒间空 隙率，进而减少胶凝材料用量，改善混凝土或砂浆的各项性能。在国外，轻骨料生产厂 家通常按照轻骨料的粒径大小分级堆放，在生产混凝土或砂浆时再按照级配曲线调整各 7 第二章原材料组成和检测及其对陶砂砂浆技术性能的影响 级陶粒和陶砂的比例，以保证轻骨料具有良好的颗粒级配。我国虽然有关轻骨科试验方 法对轻骨料的级配提出了严格的规定，但实际上各陶粒生产厂家对轻骨料的级配控制却 不严格，很多厂家生产出来的陶粒都是单一粒级的。因此在实际工程应用中，需要加强 轻骨料级配检测，严格控制，合理搭配混凝土使用。 陶砂的粒径对砂浆的工作性能和力学性能都有重要影响。对于陶砂砂浆而言，砂浆 拌和物的工作性，尤其是稳定性对陶砂粒径的变化非常敏感，随着陶砂粒径变大，陶砂 的稳定性变差，分层离析程度加大。 试验用陶砂级配测值 本次试验采用的陶砂经过筛分试验得到的数据见表2 1 。 囊2 1 筛分试验计算裹 t a b 2 1s i e v i n g t e s u tc a l c u l a t i o n f o r m 分计筛余质量( 窖) 质量( g ) 筛孔尺寸( m m )分计筛余( )累计筛余( ) i平均 4 7 51 9 0 1 3 01 2 51 4 80 3 0o 3 0 2 3 61 8 4 5 0l 乩4 01 9 8 6 0l 盼1 73 7 8 43 8 1 3 1 1 81 1 6 1 1o 4 01 1 2 3 01 1 3 1 7勉6 4 6 0 1 7 7 5 o 9 3 1 0 1 9 0 l o o 2 0 9 8 6 3 1 9 7 38 0 5 0 o 3 04 7 5 2 9 04 7 3 04 9 2 79 8 59 n 3 5 o 1 52 2 2 6 1 02 2 9 02 3 9 3 4 7 99 5 1 4 o 1 53 l - 7 02 3 7 0 1 7 5 02 4 3 04 髓1 0 0 4 9 9 1 05 0 0 7 05 0 0 0 54 9 9 9 51 0 0 细度模数m x3 6 4 8 第二章原材料组成和检测及其对陶砂砂浆技术性能的影响 由表2 i 并根据砂级配区的规定可做出筛分曲线如图2 1 累 计 筛 余 仰 一夕 。么套三；乡 m 1 50 1 1 5o 3 0o 6 01 1 8z 3 64 7 5 筛孔尺寸( _ ) 图2 1 页岩陶砂的筛分曲线圈 p i g 2 1s i e v i n gc u md i a g r a m 由以上内容可知，本文采用的陶砂细度模数为3 6 4 ，为粗砂，且其级配曲线基本 落在i 区上、下之间，只有2 3 6 粒超出，但不超过5 ，根据规定，属正常范围。 综上所述，本文所采用的页岩陶砂级配良好。 2 1 2 2 堆积密度 轻骨料的堆积密度也称为松散容重，是在自然堆积状态下每1 m 3 轻骨料的质量。该 值是轻骨料的主要性能指标。它包括了颗粒之间的空隙体积及其内部的孔隙体积，因此 与轻骨料的颗粒级配、粒型及颗粒表观密度密切相关。 测定轻骨料在自然堆积状态下的单位体积质量是为了评定轻骨料的品质及密度等 级，并为计算孔隙率和选取砂浆配合比设计参数提供依据。 一般来讲，轻骨料的堆积密度越大，则以其配制的砂浆的密度及强度等级越高。 按照 轻骨料及其试验方法( g b t1 7 4 3 1 1 一1 9 9 8 ) ，将骨料在1 0 0 1 0 5 下烘干至 恒量进行测试。取3 次试验平均值作为测试结果。可用下面的式( 2 1 ) 计算： 口：( m - m , ) x 1 0 0 0( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中：p 轻骨料堆积密度( k g m 3 ) ； 所试样和容量筒的质量( k g ) ； ，l l 容量筒质量( k g ) ； y 容积筒容积( l ) 。 本文采用骨料的堆积密度为： 9 n 雏 祀 觚 眦 吡 第二章原材料组成和检嗣及其对陶砂砂浆技术性能的影响 p ：( 1 3 3 5 - 0 7 6 2 ) 。一1 0 0 0 ：5 7 0 t g m ， 2 1 2 3 表观密度 测定轻骨料的颗粒表观密度，即包括颗粒内部孔隙的颗粒单位体积的质量，是为了 评定其品质和计算孔隙率与设计砂浆配合比所用。 一般随着颗粒表观密度的增大，轻骨料的强度也增大，以其配制的砂浆强度可相应 提高。 鉴于本次试验的客观条件及陶砂的特殊性质，用以下方法测定表观密度：试样烘干 拌匀后，取l o o g 放入5 0 0 r a l 容量瓶中浸泡2 4 小时( 如有轻骨料颗粒上浮，应用已知体 积的圆形金属板将上浮骨料压入水中) 后取出，虑水l 2 分钟，然后倒在拧干得湿毛 巾上，用手握住毛巾两端，使其成槽形，让骨料在毛巾上来回滚动8 l o 次，制成饱和 面干试样，方可用于测定表观密度 表观密度用下面公式计算： 儿：_ 唑 ( 2 2 ) 9 m 2 一( m - - m 1 ) 。 式( 2 2 ) 中：p 相骨料颗粒表观密度，k g m 3 ； 埘5 0 0 o o e i 容量瓶+ 水( 加至刻度线) + 陶粒总质量( g ) ； 辨，烘干陶粒总质量( g ) ； 掰厂一5 0 0 o o m l 容量瓶+ 水( 加至刻度线) 总质量( g ) ； y 容量瓶的体积( 1 ) 。 取两次结果的算术平均值得本文采用陶粒的表观密度为： 以= 赢i 1 0 0 丽x 1 0 西0 0 面= 1 4 3 9 船，m ，6 8 6 一( 7 1 6 5 一1 0 0 ) 。 2 1 2 4 空隙率 测定轻骨料在自然堆积状态下的颗粒间空隙率，主要为了评定其品质和为砂浆配合 比设计提供依据。在测定堆积密度和颗粒表观密度的基础上，通过计算即可得到轻骨料 在自然堆积状态下的空隙率。 按照 陶砂及其试验方法( g b t1 7 4 3 1 1 一1 9 9 8 ) ，空隙率按如下式( 2 1 ) 计算： 1 ，= 0 一x 1 0 0 ( 2 3 ) p 。 式( 2 3 ) 中：1 ，为空隙率， 经计算，本次试验采用陶粒的空隙率 ，- - ( i 一器) x l o o = 6 0 1 0 第二章原材料组成和检测及其对陶砂砂浆技术性能的影响 2 1 2 5 吸水率 轻骨料的多孔结构使其具有较强的吸水能力，这也是轻骨料不同于普通骨料的一大 特性。轻骨料的吸水率是一项非常重要的指标，吸水率大小直接影响到砂浆的拌和方式、 和工作性能，甚至影响其耐久性能。由于轻骨料的吸水，新拌陶砂砂浆的水泥浆含水量 将不断减少，因而导致拌和物和易性下降，这不仅给轻骨料混凝土施工带来困难，而且 对硬化后混凝土的性能有不利影响。 有的学者认为轻骨料的吸水性对轻骨料砂浆的结构形成并无不利影响，甚至还有有 利影响，其原因在于： 在砂浆拌制后的初始阶段轻骨料吸水，使水泥浆与骨料的接触层更为密实，强度更 高。在第二阶段，当因水泥水化或蒸发而减少水泥石中的水分时，多孔骨料会释放出原 来吸收的水分，为水泥养护和充分水化创造良好条件，并可减少水泥石的收缩，避免收 缩裂缝的产生，有利于提高轻骨料砂浆的密实性、抗渗性与耐久性。 由此看来，只要保证轻骨料砂浆拌合物有良好的工作性( 即和易性) ，轻骨科的多孔 性与吸水性并不可怕。 测定轻骨料的吸水率可评定骨料品质，并为砂浆配合比设计确定总用水量提供依 据。 吸水率按如下方法测定： 取4 l 样品，过2 3 6 肌筛，等分称量后浸泡1 小时( 如有颗粒浮于水上须设法将其 浸入水中) ，取出，虑水l 2 分钟，然后倒在拧干的湿毛巾上，用手握住毛巾两端，使 其成槽形，让骨料在毛巾上来回滚动8 1 0 次，制成饱和面干试样，然后称量。 吸水率按如下式( 2 4 ) 计算； w ：x l (24)o m 1 - m 0 m o 式( 2 4 ) 中：骨料1 小时吸水率；计算精确至o 1 ； 鸭浸水试样质量g ； 供干试样质量g 。 实测结果如表2 2 。 衰2 2 陶砂吸水率数据 t a b 2 2w a t e ra l o f p t i o nr a l cd a m 饱和面干质量( g ) ( 干重均为2 0 0 9 ) 时问( h ) 吸水率( ) l2 l2 3 3 8 02 2 8 8 01 5 7 第二章原材料组成和检测及其对陶砂砂浆技术性能的影响 综上所述，陶粒吸水率为1 5 7 ，但由于实际环境下陶粒含水较多，因此试验时要 适当调整。 2 2 掺合料 砂浆中加入矿物掺合料是砂浆改性的重要途径之一。为改善轻骨料砂浆的物理力学 性能，常在砂浆中掺入粉煤灰、磨细矿碴等矿物掺合料。在轻骨料混凝土中掺入粉煤灰、 磨细矿碴，在轻骨料的“自养护，作用下，粉煤灰、磨细矿碴能够参与水泥的水化反 应，生成了低钙型的水化硅酸钙凝胶，包裹在骨料周围，填充了骨料与水泥石之间的间 隙，增加了轻骨料与水泥石之间界面的密实度。 本文采用重庆欣荣粉煤灰综合利用有限公司的i i 级粉煤灰 其主要的化学成分如表2 3 所示。 表2 3 粉煤灰化学成分物理性能 l 烧失量( )s i 0 2 ( )a 1 2 0 ，( )f c 2 0 3 ( ) c a o ( ) m g o ( )t i 0 2 ( ” s 0 3 ( ) i5 9 86 0 2 52 0 9 76 岱1 4 81 2 0 o 4 6 3 5 2 下面介绍粉煤灰对轻骨料砂浆性能的影响。 粉煤灰又称飞灰，是一种颗粒非常细以致能在空气中流动并能被特殊设备收回的粉 状物质。我们通常指的粉煤灰是指燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出、被 收尘器收回的物质。如大量用于建筑材料，可以起到大量利废的作用。粉煤灰是一种人 工火山灰质材料，作为混合材可以取代一部分水泥，还可以达到节约水泥、降低成本的 目的，并且可以改善混凝土及砂浆的性能，例如减小混凝土的干缩现象，改善混凝土拌 合物的和易性，提高工程质量等。而对于高性能轻骨料混凝土和砂浆，粉煤灰的掺加是 一种必然趋势。 轻骨料砂浆中掺加粉煤灰的主要作用有： 减少轻骨料的上浮 由于轻骨料砂浆中粗骨料较轻，所以在轻骨料砂浆中很容易出现骨料的上浮。特别 是随着砂浆的商品化、施工的泵送化，砂浆的稠度值普遍较大，因此解决好骨料的上浮 也是影响轻骨料砂浆商品化、产业化的重要因素。 粉煤灰的密度一般为1 9 2 4 9 c m 3 ，而水泥的密度一般为3 o 3 2g e 1 3 ，由此 可见，用一定量的粉煤灰取代部分水泥可以有效降低水泥砂浆的密度，从而减少轻骨料 的上浮。通过试验，发现结果正是如此，加入适量粉煤灰与不加相比，混凝土的和易性 得到显著改善，轻骨料从混凝土中分离的现象得到显著改善。 第二章原材料组成和检测及其对陶砂砂浆技术性能的影响 提高轻骨料砂浆的强度 普通砂浆的强度主要取决于所采用水泥的强度以及砂浆的水灰比，即主要取决于水 泥石的强度。对轻骨料砂浆而言，要复杂的多，它不仅和水泥、砂浆水灰比有关，而且 还和轻骨料本身的强度密切相关。在普通砂浆中加入适量的粉煤灰可以适当提高砂浆的 后期强度。在轻骨料砂浆中加入粉煤灰还有其独特的作用：如前所述，轻骨料砂浆的强 度和轻骨料的强度密切相关。因此，人们普遍把提高轻骨料的强度作为提高轻骨料砂浆 强度的主要手段。当轻骨料砂浆中加入粉煤灰后，由于其比表面积较大，表面能也较大， 更易吸附和粘结在轻骨料的表面上，和水泥一起在其表面上形成强度较高的壳结构，相 当于提高了轻骨料的强度，因此也就提高了轻骨料砂浆的强度。 改善砂浆的可泵性 1 ) 当配制高强轻骨料砂浆时，水泥用量一般较大，砂浆粘聚性增强，易出现抓底等现象， 降低混砂浆的可泵性。当用适量的粉煤灰，特别是i 级灰取代一定量的水泥时，由于粉 煤灰的密度较小，可在一定程度上降低砂浆的粘聚性，改善砂浆泵送性。在轻骨料砂浆 土中由于骨料较轻，很容易从砂浆中分离出来，在管道的拐角处堆积，从而引起堵泵。 随着砂浆粘聚性的改善，上述现象就会减少，从而更利于轻骨料砂浆的泵送。 2 ) 用一定量的粉煤灰取代部分水泥后，能减缓砂浆的水化过程，有利于泵送施工 改善新拌砂浆的工作性能 因为粉煤灰颗粒细小，表面光滑，分散度高，在砂浆土搅捧过程中有利于提高新拌 砂浆的流动性。并且由于粉煤灰的密度比水泥的要小，粉煤灰等量取代水泥使得新拌混 凝土中浆体量增加。当掺量小于一定值时对砂浆的工作有所改善，保水性也较好，同时， 由于粉煤灰的标准稠度用水量比水泥的要大，如果用水量是固定的，当掺量超过某一值 后，随着粉煤灰掺量的增加，砂浆的坍落度和扩展度下降比较明显。 若在混凝土中，粉煤灰还可降低早期水化温升，减小热应力裂纹 轻骨料混凝土的水泥用量较高，加之轻骨料具有保温特点，综合作用使得轻骨料混 凝土内部水泥水化温升比较高，这对大体积混凝土结构是非常不利的。因此，减小轻骨 料混凝土的水化温升是非常必要的。因矿渣和粉煤灰的水化或化学反应速率迟于波特兰 水泥，从而可以起到显著降低混凝土早期水化温升、减小热应力裂纹的作用，所以有必 要将粉煤灰应用于高性能轻骨料混凝土的配制。 2 3 水泥 公路隧道内必须有良好的视觉效果，以保证行车环境的明亮、舒适，给人一