（道路与铁道工程专业论文）采用改性固结剂的基层材料的性状研究.pdf

摘要 摘要 本文通过资料调研、室内试验、理论分析以及工程经验总结，对m b h ( m a t e r i a lo fb a s ea d o p t i n gh e c ) 的材料组成特性、改性固结剂的机理、级 配设计、孔隙率与强度特征、干缩和温缩特性、结构理论分析以及施工技术进 行了研究探讨，从而指导该种新型材料在道路工程中的应用。 m b h 材料要求具有较好的排水能力和较高的强度，以及较好的抗裂性能。因 此文章首先通过变i 法，给出了m b h 级配设计的理论依据；然后通过正交试验 分析，研究了该种材料孔隙率和强度的影响因素以及其强度随龄期和改性固结 剂掺量的变化规律；其次进一步研究了该种新型材料的干燥收缩特征和温度收 缩特征，得出了不同掺量固结剂材料的干缩应变、失水率以及龄期之间的相互 关系，也得到了m b h 的温缩应变随温度的变化规律。 在研究了m b h 材料本身性能的基础上，通过将其应用在所拟复合结构路面 当中进行力学理论分析，包括荷载疲劳应力分析和温度疲劳应力分析，结果表 明该种材料能够满足所拟条件的道路对其抗弯拉性能的要求。 最后，对该种新型材料的施工工艺进行了研究，提出了施工中的关键工艺。 关键词：改性固结剂，m b h ，变i 法，孔隙率，强度，干缩应变，温缩应变， 复合结构路面 a b s t r a c t a b s t r a c t d e p e n d i n g o nd a t a i n v e s t i g a t i o n ，l a b o r a t o r yt e s t ，t h e o r e t i ca n a l y s i sa n d e x p e r i e n c es u m m i n g - u p ，t h i st h e s i sd i s c u s s e sm b h ( m a t e r i a lo fb a s ea d o p t i n gh e c ) c h a r a c t e r i s t i c ，m e c h a n i s mo fm o d i f i e dc o n s o l i d a t i o na g e n t ，g r a d i n gd e s i g n ，p o r o s i t y a n d s t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c s ，d r y i n gs h r i n k a g ea n dt e m p e r a t u r e s h r i n k a g e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s i tc a n g u i d et h ea p p l i c a t i o no ft h i sn e wm a t e r i a li nr o a de n g i n e e r i n g m b hm a t e r i a lr e q u i r e sg o o dd r a i n a g ec a p a c i t ya n da h i g h e rs t r e n g t h ，a sw e l la s g o o da n t i c r a c k i n gp e r f o r m a n c e s of i r s to fa l lt h i st h e s i sg i v e st h em b h g r a d a t i o n d e s i g n i n gt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dt h eg r a d a t i o ns c o p et h r o u g ht h e c h a n g i n gi m e t h o d ；t h e ni ts t u d i e st h ei m p a c tf a c t o r so ft h ep o r o s i t ya n dt h es t r e n g t ho fm b h t h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，a sw e l la si t ss t r e n g t hi n c r e a s i n gl a ww i t ht h ea g ea n d t h ed o s a g eo fm o d i f i e dc o n s o l i d a t i o na g e n t ；f o l l o w e db yt h et h e s i sf u r t h e r s t u d i e st h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed r y i n gs h r i n k a g ea n dt e m p e r a t u r es h r i n k a g e ，d r a w i n gt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h r i n k a g es t r a i n ，w a t e rl o s s r a t ea n dt h ea g eo fm b hw i t h d i f f e r e n td o s a g eo fc o n s o l i d a t i o na g e n t ，a n da l s og e t st h el a wo ft h e t e m p e r a t u r e s h r i n k a g es t r a i nw i t ht e m p e r a t u r ec h a n g e s a f t e rs t u d y i n gt h em b hb a s i cp r o p e r t i e s ，t h et h e s i sg i v e st h em e c h a n i c a lt h e o r y a n a l y s i s ，i n c l u d i n gf a t i g u es t r e s sa n a l y s i so fl o a da n dt e m p e r a t u r ef a t i g u es t r e s s a n a l y s i s ，t h r o u g hi t sa p p l i c a t i o ni nt h ep r o p o s e dc o m p o s i t er o a ds t r u c t u r e t h er e s u l t s s h o w e dt h a tm b hw a sa b l et om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ef l e x u r a lp u l li nt h e p r o p o s e dr o a d f i n a l l y , t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g i e so fm b hh a v eb e e ns t u d i e da n dt h ek e y c o n s t r u c t i o np r o c e s s e sw e r ea l s op u tf o r w a r d k e yw o r d s ：m o d i f i e dc o n s o l i d a t i o na g e n t ，m b h ，c h a n g i n gim e t h o d ，p o r o s i t yr a t e ， s t r e n g t h ，d r y i n gs h r i n k a g es t r a i n ，t e m p e r a t u r es h r i n k a g es t r a i n ，c o m p o s i t es t r u c t u r e r o a d 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：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，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：象夏同 诎尸年乡月伊日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名： 年月日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：昝灵问 w 年乡月垆e l 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 路面损害问题是一个世界性的难题，各国的公路建设者正为探索这一问题而 不断努力。我国目前正值各种等级的公路建设的关键时期，而且大部分的路面 结构为半刚性基层沥青路面，因此沥青路面损害问题在我国具有普遍性。传统 的半刚性基层材料会在水分蒸发后发生干缩变形，并且在路面结构温度梯度的 作用下发生不均匀的胀缩变形，这一系列的变形将会导致材料的内应力增加， 当累计内应力值超过半刚性基层材料的容许应力时，材料会发生开裂，当基层 材料开裂后就会造成如：层间积水、沥青与集料剥落等病害，在层问裂缝处会 产生“应力集中 ，在外界交通荷载和环境共同作用下，裂缝向面层上方发展， 成为“反射裂缝 【l 之j 。因此改善半刚性基层沥青路面的路用性能的首要一点是 减少基层的收缩开裂问题。目前采用的大部分基层材料为水泥稳定碎石、二灰 土、三渣等，这些基层材料的结合料一般为石灰、水泥、粉煤灰以及其它工业 废料。这些材料在表现出各自的优点的同时，也相应地出现了很多缺陷。而现 在已经在很多工程中使用的一种新型改性固结剂( h e c ) ，在道路工程中的应 用研究尚不多见，基于以上情况，本文提出了对采用该种改性固结剂的基层材 料( m b h ，m a t e r i a lo f b a s ea d o p t i n gh e c ) 的性状的研究。 1 2 国内外研究现状和发展动态 在建筑用胶凝材料中使用一些添加剂古已有之，有学者考证在罗马斗兽场建 筑中已知道了在火山灰等凝胶材料中使用一些牛血、牛油、牛奶来改善使用性 能。而我国古代有史料记载在秦始皇修建万里长城时，也曾以粘土、石灰等作 为凝胶材料，糯米汁、猪血、豆腐汁等用以增加其粘力。可查证的资料也记载 在1 8 8 5 年欧洲人已经知道在混凝土中掺入硬化调节剂，如石灰、石膏。而1 9 世纪末使用氯化钙曾风靡一时，至今也还在使用。到1 8 9 5 年已经用增水剂和塑 化剂，掺入道路铺设的混凝土中，有效地改善了混凝土的耐用久性【3 。5 j 。 真正意义上的混凝土外加剂应为1 8 9 8 年的疏水剂和塑化剂，但到1 9 1 0 年才 第1 章绪论 成为工业产品。而较大规模的发展始于十九世纪三十年代，到了十九世纪三十 年代国外又研制出了以纸浆废液为主要材料的m 系减水剂。 十九世纪六十年代，日本和联邦德国先后推出了萘磺酸盐和三聚氯胺高效减 水剂，1 9 6 2 年日本花王石碱公司的服部健一研制成功了萘系减水剂，即麦地高 效减水剂。1 9 6 4 年前西德又研制成功了以磺化三聚氰胺甲醛树脂为主要万分的 另一类高效减水剂“m e l m e n t ( 梅尔门特) 。从此，各国陆续开始了改性外加 剂的研究工作。随后前苏联建工部托拉斯伏尔加河岸地区建设总局又制造出一 种新超塑化剂“a n u a c c a h ”，1 9 8 5 年开始大量用于构件生产1 6 1 。 同时为满足混凝土多种性能的要求，国外还大力发展及兼有多种性能的复合 多功能外加剂以及特殊性能的外加剂。复合减水剂不仅可以改善工艺、节省水 泥，同时可以提高混凝土的耐久性。在日本几乎1 0 0 混凝土中都要加入引气剂。 此外还有乌克兰研制的一种利用廉价工业副产品生产的外加剂，这种外加剂大 量用于制造水工构件和混凝土，如河渠的护面板。其他如日本、瑞典等国研制 出了超缓凝剂，它可以调整掺量来控制混凝土的凝结时间，而对混凝土强度等 无不利影响。膨胀剂是一类掺量较大的外加剂。在2 0 世纪6 0 年代中期首先由 日本开发应用，日本的河野俊夫研制成功了石灰系膨胀剂。近年来美国为解决 大体积混凝土冷缩裂缝问题，在普通水泥中掺入m g o ，美国的p k m e h t a 认为 普通水泥中加入5 的m g o 膨胀剂( 煅烧温度控制在9 0 0 - - - 9 5 0 ，细度控制在 3 0 0 - - - 118 0 p m ) 产生的膨胀率能符合大体积混凝土补偿收缩的要求，可解决冷缩 裂缝问题。欧洲、日本的一些专利还提出用铁屑和催氧剂等掺入普通混凝土中， 通过f e 2 0 3 水化生成f e ( o h ) 3 ，可使混凝土体积产生膨胀。前苏联的研究成果 则是利用含铝矿渣、含铝酸钙的工业废渣、硫酸盐熟料和煅烧明矾石等经磨细 混合成为明矾石系膨胀剂。水下混凝土外加剂是一类近年发展较快的外加剂。 通过加入水下不流散外加剂可以克服由于水下浇注混凝土，引起的混凝土离析 等问题。日本研制的水下混凝土施工外加剂主要成分为纤维素乙醚、丙烯酸等 高分子材料。另外这种混凝土因其水泥浮浆少及流动性好，研究用于先拱后墙 法施工及形状复杂、捣固困难的混凝土构件【_ m l 。 随着混凝土中特殊性能要求而发展起来的速凝剂、缓凝剂、引气剂( 发气剂) 、 阻锈剂、防水剂、泵送剂、着色剂、脱模剂、养护剂、水化抑制剂等品种日益 增加。目前国外总的外加剂品种在5 0 0 种左右。正是由于外加剂的这种作用， 引起了各国普遍的重视尤其是发达国家和资源相对短缺的国家，更把外加剂作 第1 章绪论 为一种必不可少的保证技术经济效益的手段。 混凝土外加剂使用最普遍的国家有日本、澳大利亚、挪威、美国。这些国家 8 0 以上的混凝土中应用外加剂。例如日本、澳大利亚己达1 0 0 。其次像德国、 丹麦、瑞典等国使用外加剂的混凝土也达5 0 以上。英国、法国、意大利及东 欧诸国使用量也在3 0 以上。 我国的混凝土处加剂起步较晚，正式使用混凝土外加剂是2 0 世纪5 0 年代， 当时由前苏联专家将松香皂化物引气剂引入国内，由华北窑业公司研究所制出 我国第一个外加剂产品，即长城牌引气剂，1 9 5 0 年该产品首次应用于天津飞机 场跑道，使混凝土抗冻性、耐蚀性均有所提高，并在武汉长江大桥和其它水利 工程中得以应用。以后又使用过以亚硫酸盐法造纸的纸浆废液、制糖工业废蜜 为原料的混凝土塑化剂，同时氯化钙、氯化钠、三乙酸胺等早强剂使用也很多。 但直到7 0 年代初中国混凝土外加剂还未形成正式产品。直到1 9 7 3 年，受国际 建筑技术和混凝土新型工艺的影响，在我国才推动了高效减水剂的研制和生产。 由于染料工业中的扩散剂被成功的移植到混凝土减水剂行列，从此牵动了以煤 焦尚未中各馏分，尤其是以萘及其同系物为主要原料所生产的减水剂获得迅速 发展。1 9 7 4 年 - - 1 9 7 6 年国家建材院研制了以甲基萘、萘残油为主要原料的m f 和建l 两种高效减水剂。清华大学、天津建材所、武汉冶金建、交航二局分别 对高效减水剂作出过研究。于此同时，普通减水剂也获得了长足的发展。1 9 7 5 年吉林开山屯化纤厂研制了木质素磺酸钙，广东造约厂也制成了同类产品。1 9 8 7 年我国首次颁布了混凝土外加剂标准( g b 8 0 7 仁8 7 ) 规范，此后陆续出台 了许多相关规范，对混凝土外加剂从种类区分，技术指标和检验方法上作出了 具体规定。 按( g b 8 0 7 0 8 7 ) 分类，混凝土外加剂按其主要功能可分为四类： 改善混凝土拌合物流变性能的；, i - n n - 包括各种减水刘、引气剂和泵送剂等。 调节混凝土凝结时间，硬化性能的外加剂：包括缓凝剂、早强剂、速凝剂等。 改善混凝土耐久性的外加剂：包括引气剂、防水剂、和阻锈剂等。 改善混凝土其它性能外加剂：包括引气剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、防水 剂和泵送剂等。 土壤固化技术是近些年逐渐被人们所开始关注的固化技术之一。2 0 世纪初， 欧美等一些经济发达国家由于大量兴建道路、港口、机场等工程的需要，采用 石灰、水泥对土壤进行改良，这一技术才得以普遍推广，并取得了良好的效果。 第1 章绪论 本世纪三十年代，土力学理论在欧洲率先进人土木建筑领域，土体稳定( 固结) 这一概念才开始被人们所认可和接受。四十年代初期，土体稳定( 固结) 技术 逐渐形成一门学科，并迅速发展起来，应用该技术修筑的道路逐渐遍布世界各 地。从技术特征上来看，目前的土体稳定固结技术可以大致分为三种：一是机 械的方法，例如纯粹的就地素土压实或不同土类混合后的压实等：二是物理化 学的方法，例如采用水泥、石灰等无机结合料或沥青稳定固结的方法；三是化 学方法，这其中包括离子交换、聚合、氧化作用等方式的稳定固结处理等。 进入7 0 年代，美、日、德、南非等国家对土壤改良技术进行了深层次的开 发，技术水平获得了长足的进步，固结土的材料由原来单一的石灰、水泥、粉 煤灰等升级到专门用来固结土壤的新产品土壤固结剂。在这些国家里、土 壤固结剂作为一种有品牌的商品被专门的企业生产制造，并被广泛应用于道路 工程、土木建筑、环境保护、农田水利工程、各种污泥固化处理( 包括含有废 油、油泥、重金属、有机物的淤泥) 等各个工程领域，取得了显著的经济效益 和环保效益。如美国路邦( r o a d b o n d ) 公司的路基强固剂、美国帕尔玛公司 的固化酶，日本田熊公司的a u g h t s e t 系列土壤固化剂，日本世纪东急工业株式 会社土壤安定剂、日本u k c 公司土壤固化剂、日本住友株式会社土壤固化剂等。 改革开放前期，我国的土壤改良固结技术仍处于国外六七十年代的水平，改 良土壤的产品仍沿用单一的石灰、水泥、粉煤灰或这些材料在施工现场相互拌 和的混合物。直至9 0 年代，国内有关单位开始引进日本土壤固化剂及其技术。 在吸收国外经验的基础上，针对我国土壤性质，开发国产化的土壤固化剂，主 要研制单位有北京奥特赛特、海南筑车、北京大学、浙江大学、北京固邦等。 北京建工学院、山东大学、武汉大学、化工部晨光化工研究院和铁道部科学研 究院等1 0 多家科研院所和大专院校也对土壤固化剂开展了深入的研究，并取得 了一些实验研究成果。这其中，比较突出的是北京中土奥特赛特科技发展有限 公司开发的a u 曲t s e t 系列土壤固化剂( c 1 型、d 1 型、b l 型等) ，目前己形 成规模生产，并开始广泛应用于道路工程、水利工程等。此外，武汉大学研制、 武汉路德材料有限责任公司制造的改性固结剂( h i g hs t r e n g t h & w a t e rs t a b i l i t y e a r t hc o n s o l i d a t o r ) 高强高耐水土体固结剂是国家火炬计划项目，2 0 0 3 年由国家 科技部、商务部、质量监督检验检疫总局、国家环保总局、国家税务总局联合 颁发了国家重点新产品证书，并成功地在包括水利水电、基础工程等近百 个工程中应用，取得了良好的技术经济效益和社会效益i l 州3 1 。 4 第1 章绪论 1 3 存在的问题 目前用于半刚性基层的无机水硬性结合料一般为石灰、水泥、粉煤灰以及其 它工业废料。石灰作为固结材料用于工程中其最大的优点就是价格相对低廉， 但石灰固土的早期强度不高，后期强度也没有增加，且水稳定性较差；水泥固 土虽具有一定的强度和耐水能力，但水泥的收缩性很大，极易开裂；石灰一粉 煤灰( 二灰土) 的水稳性也很差。 石灰的不足之处： 石灰与土壤形成的固结体强度形成缓慢，往往影响施工进度。 石灰固结体的强度与石灰的掺量在一定范围内成正比，若提高掺量超出范 围，则固结体的强度反而下降。因此，对于固结体强度要求较高的工程，石灰 显得无能为力。 水稳性差、易软化、干缩大、易开裂。在公路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 - - 9 3 ) 中提到，最佳含水量下制成的石灰土梁式试件，在空气中自然风干产生 的最大干缩应变为31 2 0 - - 6 0 3 0 塔，它是各种半刚性材料中收缩性最大的材料， 也是最容易受水影响产生表层软化的材料，由于这种水稳性差的弱点，石灰固 结土在公路系统中被禁止用作高级路面的基层，而只能用作底基层处理。 水泥的不足之处： 固结土壤时受土壤类别的限制。实践证明，水泥对塑性指数高的黏土、裂土、 有机土及盐渍土的固结效果很不理想，甚至没有固结作用。 生产混凝土时对集料的要求较高。当用砂石作为骨料，水泥作为胶凝材料拌 合混和料时，为了不影响混凝土的性能，则要把砂石中的泥土尽量清洗干净， 这样不仅费时费力，而且增加工程造价。 干缩较大、易开裂。在公路路面基层施工技术规范中提到。水泥土的干 缩系数和温缩系数都比较大，在最佳含水量下制成的水泥土试件，在空气中风 干所达到的最大干缩应变为2 7 8 0 - - 3 9 5 0 肛。因此，暴露的水泥土易干缩和冷缩 产生裂缝，这种裂缝的出现，导致固结体( 水泥土) 的抗压强度、抗渗、抗冻、 抗冲刷性能均降低。因此，在公路规范中，水泥土被禁止用作高级沥青路面和 水泥混凝土路面的基层，而只能用作底基层。 水泥初、终凝时间无法调整，影响工程质量。水泥与土壤从加水拌和到碾压 终了的时间称之为延迟时间，此时间无法调整：而固结剂的延迟时间可根据工 第1 章绪论 程需要加以控制。延迟时间除了与被固结的土壤土质有关外，受水泥的初、终 凝时间影响也很大；而水泥的初、终凝时间是按国家规范标准执行的，作为固 结砂石的建筑材料，不可能根据固结土壤的施工需要而调整初、终凝时间。在 生产实践中，有很多工程由于各种条件限制，施工时要求有足够的延迟时间来 完成各个工序。水泥与土壤拌和后，为了保证固结体的强度不受损失，要求在 3 4 h 的延迟时间内完成养护前的各个工序。当水泥无法满足这种施工时的需求 时，施工质量往往受到影响。 水泥与土壤色泽相近，难以判别是否拌和均匀，影响工程质量。由于水泥颗 粒在润湿情况下与土壤颗粒色泽相近，如果出现没有拌匀特征的灰条、灰团现 象，也不易用肉眼辨别出来，无法采取补救措施，从而影响施工质量。 石灰一粉煤灰( 二灰土) 的不足之处： ( 1 ) 早强性差。近年来，石灰一粉煤灰被我国公路部门广泛用于道路基层、 底基层的稳定处理。但在使用中发现石灰一粉煤灰的早期强度低，直接影响施 工进度及质量。虽然采取了很多早期强度提高措施，但由于效果不理想且增加 了成本，早期强度仍然是一个没有很好解决的问题。( 2 ) 水稳性差。由于粉煤 灰特性，注定二灰土水稳性差，室内试验也证明了这一点。 另外，基层材料一般采用级配碎石加结合料，主要有水泥稳定碎石、石灰粉 煤灰稳定碎石、以及水泥粉煤灰稳定碎石等，目前运用较多的是水泥稳定碎石。 对基层材料的组合设计主要考虑两个方面的问题，一是碎石的级配，级配的选 择对基层的强度、稳定性、耐久性具有重要的意义，一般以密实的原则来选择 颗粒的级配组成，同时又要考虑到尽量避免沥青面层过早地、过多地产生裂缝， 因此要严格控制粒径小于4 7 5 m m 的细集料的含量；二是结合料的掺量，一般 说来对每种结合料总有一个最佳掺量，这个最佳掺量的确定必须从强度、稳定 性、干缩性、经济性等方面综合予以考虑，并通过试验确定。研究表明，普通 的水泥稳定碎石中，提高水泥用量或等级，在获得高强度的同时也增加了水泥 稳定碎石的干缩裂缝。 由此可见，传统的半刚性基层材料存在许多问题，这些问题严重制约着半刚 性基层沥青路面的应用与发展。 6 第1 章绪论 1 4 本文研究的目的 由于上述问题，本文提出能够适应重载、长效沥青路面的材料和结构，在保 证基层材料强度的同时减少其干缩变形与温缩变形。因此，本文将根据国内外 文献资料的调研，研制具有以下效果的基层材料：强度可以自由调整、抗裂性 好、无冲刷、具有快速排水能力、施工速度快；在此基础上将拟定一种新型路 面结构，通过理论计算，验证其是否满足重载交通道路对基层材料的要求。因 此深入开展该种m b h 薪型材料的组成设计及物理、力学性能的研究可以为其以 后的推广应用奠定基础，充分发挥其良好的经济效益和社会效益，使研究成果 可以应用于混凝土路面和沥青路面结构的基层，并可以直接用作面层。 1 5 研究内容和研究框架 1 ) 针对以上问题，本文的主要研究内容如下： 新型基层材料研究； m b h 的组配设计； m b h 材料特性及强度发展规律研究； m b h 抗裂特性研究； m b h 工艺技术研究； m b h 复合结构路面力学分析研究。 2 ) 研究框架 第1 章绪论 8 第2 章原材料性能及试验方法 第2 章原材料性能及试验方法 m b h 基层材料和普通的水泥稳定碎石不同的是其所用的固结剂。普通水泥 稳定碎石使用的固结剂为水泥，而m b h 所使用的固结剂为h e c 。为了更好的 了解和研究m b h ，本章首先对其所使用的原材料的性能进行研究，并对改性固 结剂以及t , i , j ；r l 剂的机理进行分析，其次给出本研究中所采用的试验方法。 2 1 集料性能的检验 表2 1 集料性能检测( 1 ) 试验项目 单位 指标 试验结果 石料压碎值 3 0 ( 粒径小于2 3 6 衄) 4 3 1 8 表2 2 集料性能检测( 2 ) = _ 3 6 0之2 5 1 1 0芝5 5 3 2 5 3 5 5 001 0 0 水泥 5 m m 上海海螺 2 3 2 8 l3 9 24 4 15 86 7 3 6 41 4 71 4 22 7 04 6 3 2 3 改性固结剂性能检验及机理分析 2 3 1 改性固结剂性能检验 表2 。4 改性固结剂性能检测结果 龄期抗压强度( m p a )抗折强度( m p a ) 强度 3 天l9 14 6 2 8 天3 5 76 6 相当于标号为3 2 5 r 水泥。 2 3 2 改性固结剂的机理分析 改性固结剂是一种新型的土工复合固结材料，它是以铝硅酸盐为基材，添加 矿渣、炉渣、粉煤灰等具有水硬活性的矿物组分以及核心元素，经一定的生产 工艺配制而成，是针对固结高含水土质和工程弃渣的需要而开发研制的一种新 型水硬性胶凝材料，同时可以固结各种集料。固结体具有早强、高强和良好的 水稳定性。h e c 高强高耐水土体固结剂被国家科技部列为2 0 0 0 年度国家级火炬 计划项目， “九五”国家科技成果重点推广计划指南项目，国家科技部2 0 0 3 年 国家级重点新产品项目。使用h e c 高强高耐水土体固结剂混合料的路基、路面、 1 0 第2 章原材料性能及试验方法 基层的特点是无侧限抗压强度高，水稳定性好，可固结各类骨料。取料便利， 施工简捷，并可降低成本，保护环境。 改性固结剂中包括1 0 , - - - 2 0 促进土体活化的核心组分和9 0 - - 8 0 具有潜在 活性的载体两大部分。载体的作用是对核心组分起稀释和分散作用使固化剂在 被固化的土体中均匀分散，在一定的激发剂下还能产生胶凝性。核心组分中含 有一定的晶种、催化剂和数种表面活性物质，对被固化的土体和固化剂中的再 提起激发作用，使固化剂和土体连生成整体，因而改性固结剂体具有良好的水 硬性。 图2 1 是改性固结剂组成的示意： f 表面活性组分1 l 表面活性组分2 i 催化剂 厂促进土体活化的核心组分 碹蒉瓣焉蔓两：； ii 吸附剂 l1 分散剂 改性固结剂r 载体1 l 高效絮凝剂( i i 型专用) ji 助磨剂 i 活性载体 载体2 l l 载体3 lr 一一一一一一一一一一 增强组分( 根据需要可选)； 图2 1改性固结剂产品组成示意 核心组分中的表面活性物质可根据不同固化对象选用一种或两种，以便对不 同土体及其中不同组分起不同的作用；必要时( 例如需要早强) 所加入的晶种 作为新生成物的核心，可加速固化体内部结构的形成；离子型的吸附剂用以增 加土体颗粒之间的内聚力，并可吸附侵蚀性离子；分散剂的作用是防止固化剂 和被固化的颗粒在新拌状态下互相团聚而影响其与有限的水结合，以便生成水 硬性的含水化合产物。利用工业废料如粉煤灰、高炉矿渣作为载体，受到激发 后产生水硬性的胶凝物质，和被固化的土体结合，共同产生强度。总之，多组 分组使改性固结剂在土体中产生“超叠加 的复合效应而具有有益的固化效 果。 第2 章原材料性能及试验方法 关于改性固结剂与被固结材料的反应固结机理，有以下三点认识： ( 1 ) 被固结材料与改性固结剂混合压实后，混合体是由固相的颗粒、液相 的溶液和气相的空气三相组成。此时，固一液、液一气、气一固三相之间产生 着包括物理和化学相互作用。影响和改变着矿物质的组成和性能稳定。特别是 与改性固结剂固结体的稳定和硬化反应有关的液态硅、铝组分，在反应中自身 建立起空间的网状结构，应用作用在矿物于胶结物界面上的化学力来实现分散 颗粒体系的结构连结。事实上，固结体中的主要水化产物都是上述胶结物，因 此能将分散的颗粒胶结成具有较高强度的整体。只要环境中有水存在，三相的 作用和平衡就不会停止，固结体的强度和耐水性能就会不断地提高。 ( 2 ) 被固结材料与改性固结剂混合均匀后，在外加的成型压力及表面活性 组分等作用下，被固结材料的颗粒紧密接触，改性固结剂的活化组分深入被固 结材料颗粒内部的基本单元，切断铝硅酸盐的化学键，发生水化反应生成水化 硅酸钙、水化铝酸钙以及硅酸和铝胶等产物。使被固结材料颗粒表面形成了具 有胶凝性的活性层，并使颗粒之间互相联结成网状整体。与此同时，具有潜在 活性的载体也受到激发，反应生成水化铝酸盐、含水硅酸盐等胶凝物质，使颗 粒的表面及内部产生不可逆的凝结硬化，且所有产物均为不溶于水的稳定相。 因此改性固结剂固结体具有良好的水稳定性和较高的强度。 ( 3 ) 表面活性物质和拌和掺入的极性水分子进入颗粒内部的孔隙中，使材 料的分散度增大，比表面积增加。这些被分散的颗粒表面的动电电位也随之 增大。此时，改性固结剂中的活性物质的离子与材料中凝聚能力低的离子( 如： k + 、n a + 、m 9 2 + 等) 发生离子交换而降低电位，增强凝聚力，颗粒发生聚集， 电解质浓度增加，胶体颗粒双电层减薄，从而使颗粒凝聚。 改性固结剂高强高耐水土体固结剂发挥了土体单元矿物成分中铝硅酸盐矿 物的活性，使固化不仅能在土体颗粒之间进行，而且更能在颗粒表面及内部进 行；在提高土体固结体强度的同时，具有较好的水稳定性和耐久性，把三者有 机的统一起来，这正是改性固结剂这种新材料的创新点，也正是改性固结剂的 研究在土体固结理论的上的突破之处。 第2 章原材料性能及试验方法 2 4 减水剂陋1 6 l 2 4 1 混凝土减水剂的定义 混凝土减水剂，是能够减少混凝土用水量的j , b d n 齐l 。它可以定义为能保持混 凝土坍落度不变，而显著减少其拌和水量的外加剂。混凝土减水剂多属表面活 性剂，借助极性吸附及排斥作用，降低水泥颗粒之间的吸引力而使之分散，从 而取得减水的效果，故又称之为分散齐l j ( d i s p e r s i o na g e n t ) 或超级塑化齐t j ( s u p e r p l a s t i c i z e r ) 。采用减水剂的目的在于提高混凝土的强度，改善其工作性，泌水性， 抗冻性，抗渗性和耐蚀性等。 2 4 2 减水剂的功能 ( 1 ) 各种减水剂、高效减水剂可以使用低水灰比的拌和物，并为掺入超细 混合材提供了条件，混凝土的强度有了较大的提高。 ( 2 ) 减水剂的增塑作用，可以大大提高混凝土的流动性，满足配制流态混 凝土、免振混凝土等需要。 ( 3 ) 减水剂在混凝上高性能化中的应用，在于其能全面地提高混凝土的性 能。因此，高效减水剂己成为高性能混凝土中除水泥、砂、石和水之外的“第 五组分”。 ( 4 ) 节约固结剂、节省投资。水泥是高能耗、高污染的产品，我国的能源 供应一直紧张，水泥也一度成为紧缺物资；因此，节约水泥具有非常重要的社会 意义。另外，掺用减水剂的经济效益也是显而易见的，使用减水剂后的总成本 还将更低。 ( 5 ) 改善施工条件，减轻劳动强度，实现文明施工。掺用减水剂以后，混 凝土的流动性可以提高，使搅拌、运输、浇灌、振捣、抹平更易进行。有资料 指出，当混凝土坍落度由2 0 3 0 m m 增加到18 0 m m 时，振动时间可减少3 0 ，振 动能耗减少4 2 。混凝土实现流态化后，可以使用泵送技术和集中搅拌等先进 工艺，提高施工的机械化程度。 ( 6 ) 加快建设速度，降低能耗。减水剂的增强、早强作用，可以减少养护 时间，提早拆模，加速模板周转：对于预应力混凝土，可以提早张拉或张放、 第2 章原材料性能及试验方法 剪筋，提高设备利用率；对于预制构件来说，可以缩短蒸养时间甚至取消蒸汽 养护，节约大量能源。 ( 7 ) 用不同性能的减水剂加入普通混凝上中可以配制特种棍凝土，如早强 混凝土、流态混凝上等。在很多情况下应用减水剂并不仅是为了经济性，而是 由于其特殊技术性能，比研制特种水泥更为简便和灵活。 ( 8 ) 保证施工质量，促进混凝土的优质化，降低结构物的维修费用，延长 使用寿命，也等于节省了投资。 2 4 3 高效减水剂的作用机理 目前， 一般认为减水剂能够产生减水作用主要是由于减水剂的吸附和分散 作用所致。研究混凝土中水泥硬化过程可以发现，水泥在加水搅拌的过程中， 由于水泥矿物中含有带不同电荷的组分，而正负电荷的相互吸引，将导致混凝 土产生絮凝结构。絮凝结构是由于水泥颗粒在溶液中的热运动致使某些颗粒的 边棱角处互相碰撞、相互吸引而形成。由于在絮凝结构中包裹着很多拌合水， 因而无法提供较多的水用于水泥水化，所以降低了新拌混凝土的和易性。因此， 在施工中为了使水泥能够较好地水化，就必须在拌合时相应地加用水量，但用 水量的增加将导致水泥石结构中成过多的孔隙，致使其物理力学性能下降。加 入混凝土减水剂，就是将这些多余的水分释放出来，使之用于水泥水化，因而 可在不降低混凝土物理力学性能的条件下，减少拌合水用量。 混凝土中掺入减水剂后，可在保持水灰比不变的情况下增加流动性。一般的 减水剂在保持水泥用量不变的情况下，使新拌混凝十坍落度增大l o c m 以上，高 效减水剂可配制出坍落度达到2 5 c m 的混凝土。 减水剂中的极性亲水基团定向吸附于水泥颗粒表面上，它们很容易和水分子 以氢键形式缔合。这种氢键缔合作用的作用力远远大于水分子与水泥颗粒间的 分子引力。当水泥颗粒吸附足够的减水剂分子后，借助于磺酸基团负离子与水 分子中氢键的缔合，再加上水分子间也缔合氢键，水泥颗粒表面便形成层稳 定的溶剂化水膜，而这层膜起到了立体保护作用，阻止了水泥颗粒间的直接接 触，并在颗粒间起润滑作用。减水剂的加入，伴随着引入一定量的微气泡( 即 使是非引气型的减水剂，也会引入少量气泡) 。这些微细气泡被因减水剂定向 吸附而形成的分子膜所包围，并带有与水泥质点吸附膜相同符号的电荷，因而 1 4 第2 章原材料性能及试验方法 气泡与水泥颗粒问产生电性斥力，从而增加了水泥颗粒间的滑动能力。由于减 水剂的吸附分散作用、湿润作用和润滑作用，因而只要使用少量的水就能容易 地将混凝土拌合均匀，从而改善了颓拌混凝土的和易性。 现在为大家普遍接受的高效减水剂作用机理理论有3 种，即静电斥力理论、 空间位阻效应理论和反应性高分子缓慢释放理论。 ( 1 ) 静电斥力理论 高效减水剂大多属于阴离子型表面活性剂。由于水泥粒子在水化初期时其表 面带有正电荷( 一e ) ，减水剂分子中的负离子一s o ；，一c o o 一就会吸附于水泥 粒子上，形成吸附双电层( 毛电位) ，使水泥粒子相互排斥，防止了凝聚的产生。 毛电位绝对值越大，减水效果越好，这就是静电斥力理论。该理论主要适用于 蔡系、三聚氰胺系及改性木钙系等目前常用的高效减水剂系统。 根据d l v o 理论，当水泥粒子因吸附减水剂而在其表面形成双电层后。相 互接近的水泥颗粒会同时受到粒子间的静电斥力和范德华引力的作用。y o s h i o k a 等人认为，随着雪电位绝对值的增大，粒子间逐渐以斥力为主，从而防止了粒 子间的凝聚。与此同时，静电斥力还可以把水泥颗粒内部包裹的水释放出来， 使体系处于良好而稳定的分散状态。d a i m o n 等通过研究水泥水化的过程发现， 随着水化的进行，吸附在水泥颗粒表面的高效减水剂的量减少，雪电位绝对值 随之降低，体系不稳定，从而发生了凝聚。 ( 2 ) 空间位阻效应理论 这一理论主要适用于正处于开发阶段的新型高效减水剂聚羧酸盐系减 水剂。该类减水剂结构呈梳形，主链上带有多个活性基团，并且极性较强，侧 链也带有亲水性的活性基团。c o u e p a r d i 对氨基磺酸盐系( s n f ) 和聚羧酸盐系( p c ) 高效减水剂进行了比较，发现在水泥品种和水灰比均相同的条件下，当s n f 和 p c 高效减水剂掺量相同时，水泥粒子对p c 的吸附量以及掺p c 水泥浆的流动性 都大大高于掺s n f 系统的对应值。但掺p c 系统的毛电位绝对值却比掺s n f 系 统的低得多，这与静电斥力理论是矛盾的。这也证明p c 发挥分散作用的主导因 素并不是静电斥力，而是由减水剂本身大分子链及其支链所引起的空间位阻效 应。u c h i k a w a 的研究结果也表明，静电斥力理论适用于解释分子中含有基团 一s o ；的高效减水剂，如蔡系减水剂、三聚氰胺系减水剂等， 而空间位阻效应 则适用于聚羧酸盐系高效减水剂。 c h r i s t o p h e r 等人指出，具有大分子吸附层的球形粒子在相互靠近时，颗粒之 第2 章原材料性能及试验方法 间的范德华力是决定体系位能的主要因素。当水泥颗粒表面吸附层的厚度增加 时，有利于水泥颗粒的分散。聚羧酸盐系减水剂分子中含有较多较长的支链， 当它们吸附在水泥颗粒表层后，可以在水泥表面上形成较厚的立体包层，从而 使水泥达到较好的分散效果。 ( 3 ) 反应性高分子缓慢释放理论 反应性高分子减水剂是在高分子主链上带有分子内酯、酸酐、酞胺、酞氯等， 这些基团在混凝土的碱性成分的作用下发生水解反应，从不溶于水的高分子变 为水溶性高分子分散剂进入溶液中，由于水解反应仅在表面，因此溶解过程是 缓慢进行的，需要一定的时间，从而有效地防比坍落度损失。可以认为这种缓 慢发挥的机理是由以下4 个阶段构成的： 第1 步：由于水泥与水的水化反应而产生o h 一离子； 第2 步：o h 一离子与反应性高分子表面的酸酐等基团作用发生水解反应； 第3 步：水解产物为酸酐型分散剂，从反应性高分子表面溶解至碱性介质中； 第4 步：羧酸根离子一c o o 被水泥粒子吸附，使水泥粒子表面带负电，达 到分散的目的。 为防止坍落度损失，在考虑最适合的反应性高分子的缓慢发挥时，必须知道 影响加水分解反应的因素。这种反应在固液界面发生，是不均匀反应。反应性 高分子的加水分解反应是受碱浓度、温度和反应性高分子的粒径支配的。但混 凝土中温度和碱度为特定值，因此反应性高分子的粒径就成为决定缓慢发挥量 的主要因素。 另外，本反应也有必要考虑反应性高分子的分子结构。立体障碍越大，反 应速度越低。这是因为能改变羟基部位电子密度的官能团和在接近羟基部位有 产生立体障碍的官能团的存在，都会使o h 一离子的攻击容易程度发生变化。 2 5 试验方法【协，明 2 5 1 原材料性能测试 对水泥和集料进行物理力学性能试验，试验项目如下： 1 ) 水泥物理力学性能：细度筛余量、凝结时间、安定性、抗折和抗压强度 1 6 第2 章原材料性能及试验方法 等。 2 ) 集料物理力学性能：粗、细集料的表观密度、压碎值、洛杉矶磨耗值等。 2 5 2 物理性能测试 1 ) 试件制作与养护 立方体试件：试件制作参考公路工程水泥及水泥混凝土试验规程( j t je 3 0 2 0 0 5 ) 。拌和采用人工方式拌和，待充分拌和均匀后，将混凝土分两层装入 1 5 0 m m 1 5 0 m m x1 5 0 m m 的试模中。试模在装入混凝土之前要在内壁上均匀涂 油，以方便脱模。然后将装满混凝土的试模放在振动台上，先振动3 0 s ，再加入 混凝土，要高于试模l c m ，再振动3 0 s 。然后刮掉多于的混凝土，整平表面，放 入标准养护室。放置2 4 小时候脱模，继续养生。 2 ) 孔隙率测定方法 将试件在干燥条件下( 风干三天或放入烘箱至恒重) 进行孔隙率的测定。采 用电子称称取质量( 精确至o 1 9 ) ，用游标卡尺量取试件高度h ( 精确至0 0 2 c m ， 取4 个点量取平均值) ，按下式计算孔隙率： 圪= ( 1 一夕尼) 1 0 0 ( 哟 f ，1 、 式中：p 一试件实测密度，p = m 。3 3 7 5 ( g c m 3 ) ； 一试件在空气中的质量( g ) ； 一一混合料的理论密度( g c m 3 ) 。按照各档粒径集料的表观密度、水泥密 度和水的含量按组成比例计算得到。其中，由于混合料拌和时的用水大于水泥 水化的实际用水量，因此水的含量取用水化水的含量，取值为水泥用量的1 4 。 有效孔隙率是指试件中连通孔隙