（材料学专业论文）高等级路面快通混凝土性能试验研究.pdf

摘要 二十世纪九十年代以来我国修建了大量水泥混凝土路面的高等级公路。经过 近二十年的运营许多路面都出现了严重的病害妨碍了正常的通行。由于普通水泥 混凝土早期强度较低使用这种材料对破损的混凝土路面进行维修通常需要封闭 或半封闭交通以保证充足的施工和养护时间这往往又会导致严重的交通堵塞造 成很大的经济损失。本课题就是基于这一点，提出快通混凝土技术来实现混凝土 路面维修快速通车的目的。 本文采用掺加早强减水剂的途径来实现混凝土路面快通的目的。由于影响快 通混凝土强度的因素较多，而快通混凝土具有较高的早期强度的同时，还要求尽 可能的减少其后期强度的损失。本文旨在找出影响快通混凝土强度的因素水平， 优选出适合该课题要求的外加剂种类和合理的快通混凝土因素配合比，并通过对 其路用性能的检验，最终配制出既能达到快速通车，又具有较高的后期强度的快 通混凝土。本文的主要研究成果有： 概述了快通混凝土的性能要求，并对外加剂、混凝土的原材料进行筛选。 运用单因素法对影响快通混凝土强度的因素逐个分析，得出每一种因素对 快通混凝土强度的影响规律。 通过正交试验方法分析了# l , j n 剂、养护温度、砂率等因素对快通混凝土各 龄期强度的影响规律，并对其耐磨和收缩性能进行试验，从理论上得到早期强度 较高、后期强度损失小的快通混凝土因素配合比。 介绍快通混凝土路面的施工工艺，并运用上面得出的快通混凝土因素配合 比铺筑试验路，试验路检测结果表明：配制出的混凝土完全满足快通混凝土的性 能要求。 本文的试验研究为快通混凝土的应用提供了理论和试验基础，将为快通混凝 土在混凝土路面铺筑和旧混凝土路面维修中的应用有一定的借鉴作用。 关键词：快通混凝土；早强机理；强度影响因素；正交试验设计；路用性能 a b s t r a c t s i n c et h e19 9 0 s ，al a r g en u m b e ro fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n th a db e e n c o n s t r u c t e di nc h i n a a f t e rn e a r l yt w od e c a d e so fo p e r a t i o n s m a n yr o a d sh a v e e x p e r i e n c e dm a n ys e r i o u sd i s e a s e s ，t h u si m p e d i n gt h en o r m a lu s eo ft h e m 。a st h e e a r l ys t r e n g t ho fo r d i n a r yp o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t ei sv e r yl o w ，t h eu s eo fs u c hm a t e r i a l o nt h ed a m a g e dc o n c r e t ep a v e m e n t sr e p a i ro f t e nr e q u i r ec l o s e do rs e m i e n c l o s e d t r a n s p o r tt oe n s u r ea d e q u a t et i m ef o rc o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c e t h i sw i l lo f t e nl e a d t os e r i o u st r a f f i cc o n g e s t i o na n dg r e a te c o n o m i cl o s s e s t h i sp a p e rb a s e do nt h i sp o i m p r o p o s e s t ou s ef a s t - p a s sc o n c r e t et e c h n o l o g yt oa c h i e v et h e p u r p o s eo ft h e m a i n t e n a n c eo fc o n c r e t ep a v e m e n ta n df a s tt r a f f i co p e r a t i o n i nt h i sp a p e r t h ea p p l i c a t i o no f e a r l y - s t r e n g t hw a t e r - r e d u c i n ga g e n ti st or e a l i z et h e f a s tw d f f i cp e r a t i o no fc o n c r e t ep a v e m e n t g i v e nt h a tm a n yf a c t o r si n f l u e n c et h e s t r e n g t ho ff a s t - p a s sc o n c r e t e t h e yn o to n l yh a v et h ev e r yh i g he a r l ys t r e n g t h b u ta l s o r e q u i r et or e d u c et h el o s so f t h el a t e rs t r e n g t ha sm u c ha sp o s s i b l e t h i sp a p e ra i m st o i d e n t i f yt h ef a c t o rl e v e la f f e c t i n gt h es t r e n g t ho ff a s t - p a s sc o n c r e t e o p t i m i z et h et y p e o fa d m i x t u r es u i t a b l ef o rt h eo b j e e t sr e q u e s ta n dr e a s o n a b l et h ef a c t o r 7 sm i x p r o p o r t i o no ff a s t - p a s sc o n c r e t e t h r o u g ht h et e s to fi t sr o a dp e r f o r m a n c e t h ep r e p a r e d f a s t - p a s sc o n c r e t es h o u l dn o to n l yo p e nt h er o a dq u i c k l yb u ta l s oh a v et h ev e r yh i g h l a t e rs t r e n g t h t h em a i nr e s u l t so f t h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s ： o v e r v i e wt h er e q u i r e m e n t so ff a s t - p a s sc o n c r e t e 7 sp e r f o r m a n c ea n ds e l e c t t h et y p eo fa d m i x t u r ea n dt h er a wm a t e r i a lo fc o n c r e t e a p p l ys i n g l ef a c t o rm e t h o dt oa n a l y s ef a c t o r sa f f l u e n c i n gt h es t r e n g h t ho f f a s t - p a s sc o n c r e t e r e a c ht h el a w sh o we a c ho ft h e s ef a c t o r sa f f l u c et h es t r e n g t ho f f a s t - p a s sc o n c r e t e a n a l y s i so ft h el a w so fh o wa d d i t i v e s c u r i n gt e m p e r a t u r e s a n dr a t i oa n do t h e r f a c t o r sa f f l u c e n c eo nf a s t - p a s sc o n c r e t e e v e r ya g e ss t r e n g h t hi sm a d et h r o u g h o r t h o g o n a le x p e r i m e n t o t h e r t e s t sa b o u tt h e p e r f o r m a n c e o f w e a rr e s i s t a n c e a n dc o n t r a c t i l i t ya r ea l s om a d e t h e o r e t i c a l l yo b t a i nt h em i xp r o p o r t i o no ff a c t o r so f f a s t - p a s sc o n c r e t ew h oh a st h ev e r yh i g l le a r l ys t r e n g t ha n dl a r g e l yr e d u c et h el o s so f t h el a t e rs t r e n g t h i n t r o d u c et h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo ff a s t p a s sc o n c r e t ea n du s et h ea b o v e d e d v e dm i xp r o p o r t i o no ff a c t o r st oc o n s t r u c tt e s tr o a d t h et e s t i n gr e s u l t so ft e s tr o a d i n d i c a t et h ep r e p a r e dc o n c r e t ef u l l ym e e tt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ff a s t - p a s s c o n c r e t e t h i ss t u d yp r o v i d e sat h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h e f a s t - p a s sc o n c r e t e w h i c hw i l ls u p p o r tt h ec o n s t r u c t i o no ft h e mo nc o n c r e t ep a v e m e n t a n dm a i n t e n a n c eo fo l dc o n c r e t ep a v e m e n t k e yw o r d s ：f a s t - p a s sc o n c r e t e ；e a r l ys t r e n g t hm e c h a n i s m ；i n f l u e n c i n gf a c t o r so f s t r e n g t h ；o r t h o g o n a ld e s i g nt e s t ；p a v e m e n tp e r f o r m a n c e 重庆交通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：掘橱日期：劲加年妙，泪 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到 1 0 0 1 标准稠度用水量( ) 2 7 2 初凝( m i n )不得早于1 5 h 2 1 0 凝结时间 终凝( m i n )不得迟于1 0 h 3 1 5 安定性( 沸煮法)必须合格合格 项目龄期标准要求平均强度( 肝a ) 抗压强度 3 d1 6 2 1 4 ( m p a ) 2 8 d 4 2 54 5 6 弯拉强度 3 d3 5 4 4 ( m p a ) 2 8 d 6 57 5 表3 4 水泥熟料的化学成分 t a b l e3 4c h e m i s t r yc o m p o s i t i o no f c e m e n tc l i n k e r 熟料的化学成分( ) 品种 c a 0s i 0 2a l ：0 3f e d 0 3t i 晚m 9 0 s 0 3 地维p 0 4 2 5 r5 8 6 92 1 4 56 2 83 8 50 4 53 0 l 1 9 6 普通硅酸盐水泥 硅酸盐水泥1 主要的矿物成分有硅酸三钙c 3 s 、硅酸二钙c 2 s 、铝酸三钙c 3 a 、 铁铝酸四钙c , a f 等，水泥的性能与它的矿物组成由一定关系，硅酸盐水泥强度主 要与c 。s 和c 2 s 含量有关，2 8 d 以前的强度取决于c 。s 的含量，2 8 d 至6 个月间的强 度增长与c 2 s 含量成近似的直线关系。c 3 s 含量高的水泥，早期强度高，但c 2 s 含 量高的水泥强度为随龄期不断增长，至1 2 个月龄期时，几乎与c 。s 的强度相等。 水泥中c 擅与c d f 水化速率很快，对水泥早期强度有所贡献，但最终对水泥强度 有负的影响。一般普通硅酸盐水泥中c 。s 占了总矿物的3 0 - 6 0 ，对水泥早期强度 发展贡献大，与其他外加剂掺配，更能发挥其早强的功效，另外，这三种水泥与 其它早强水泥相比，价格低，是一种用量最为广泛的快通混凝土原材料。 1 6第三章快通混凝土配制途径及原材料的选择 早强型普通硅酸盐水泥 5 2 5 r 和6 2 5 r 型硅酸盐水泥，生产时选择了合适的矿物组成范围，以优质原 材料生产优质孰料，以优质孰料生产高强度等级水泥，主要以白水泥的优质原材 料为主，再调整铁的含量，来配制高强度等级的硅酸盐水泥生料。 该种水泥，比表面积为4 5 0 0 c m 2 g ，这种水泥早期强度发展快，3 d 抗折强度达 2 8 d 的7 6 ，7 d 达2 8 d 的8 7 ，抗压强度3 d 达2 8 d 的6 0 ，7 d 达2 8 d 的8 1 。是配 制抢修工程快通混凝土的好材料，但成本较贵。 快硬硫铝酸盐水泥 快硬硫铝酸盐水泥是以铝质原料( 如矾土) 、石灰质原料( 如石灰石) 和石膏， 经适当比例配合后，煅烧出含有无机硫铝酸钙的孰料，再掺适量石膏共同磨细制 成的。其主要成分是无水硫铝酸钙和硅酸二钙。这些成分水化速度很快，水化过 程中能够很快的与掺入的石膏反应生成钙矾石，并产生大量的氢氧化钙胶体。生 成的钙矾石会迅速结晶形成水泥石骨架，使水泥凝结时间要比硅酸盐水泥大为缩 短。此后随着氢氧化钙凝胶体和水化硅酸钙的不断生成，水泥石结构不断被填充 而逐渐致密，强度很快发展，获得了较高的早期强度。而且后期强度能继续发展， 长期强度降低很少，已经成为混凝土结构修补的首选材料。 本课题均采用重庆腾辉地维水泥有限公司生产的地维p 04 2 5 r ，该种水泥质 量比较稳定。水泥熟料的化学成分及水泥物理力学试验性质结果分别列于表3 3 和表3 4 。这些指标都符合标准要求。 3 3 2 粗集料的选用及其性能 粗集料的最大粒径对硬化混凝土的力学性能有很大的影响，尤其是在配制富 浆混凝土( 水泥用量大的混凝土) 时，增大粗集料的最大粒径会导致混凝土强度 的降低。我们称之为粗集料粒径效应。 在配制较高强度( 即低水灰比) 混凝土时，混凝土的抗压强度随着粗集料最 大粒径的增大而降低，此现象反映在水灰比越低时更为明显，当水灰比提高到一 定值时，粗集料的最大粒径对混凝土强度则没有很大的影响。由于快通混凝土对 早期强度要求较高，要求的水灰比相对较小，因此，在配制快通混凝土时不宜采 用较大粒径的粗集料，而应采用最大粒径小于3 1 5 m m 的粗集料。 本实验采用最大粒径为3 1 5 m m 的重庆碎石。 首先对粗集料进行筛分试验，确定粗集料的颗粒级配范围，然后再进行压碎 值、针片状含量、含泥量、表观密度、松散堆积密度、空隙率等指标进行试验， 应使符合公路水泥混凝土路面施工技术规范( j t gf 3 0 - 2 0 0 3 ) n 们要求。 本课题使用的粗集料，其筛分试验结果见表3 5 。 第三章快通混凝土配制途径及原材料的选择l7 表3 5 粗集料筛分试验结果 t a b l e 3 5t h es c r e e n i n gt e s tr e s u l to f c o a r s ea g g r e g a t e 项目累计筛余( ) 筛孔尺寸( 咖)试验值规范要求值 3 7 50 0 0 3 1 5 0 7 0 5 2 6 52 2 32 0 3 5 水洗后 1 94 3 2 4 0 6 0 干筛法 筛分 1 66 7 46 0 7 5 9 58 4 77 5 9 0 4 7 59 9 39 0 l o o 2 3 69 9 5 9 5 1 0 0 从表3 5 可以看出，粗集料满足 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 ) n 们中合成级配4 7 5 - - 3 1 5 的要求。 粗集料的性能试验见表3 6 。从表3 4 可以看出，粗集料级别满足规范公路 水泥混凝土路面施工技术规范( j t gf 3 0 - 2 0 0 3 ) n 们中i i 级的要求。 表3 6 粗集料基本性能 t a b l e 3 6t h eb a s i cp e r f o r m a n c eo fc o a r s ea g g r e g a t e 项目技术要求试验结果项目技术要求试验结果 压碎值( ) 2 5 0 02 6 3 0 针片状含量( 哟 1 3 5 0 1 4 1 0 含泥量( ) 1 oo 1 5 空隙率( ) 4 73 6 9 泥块含量 o 2 0 粗集料是水泥混凝土中用量最大的单项材料，粗集料在混凝土中形成骨架， 其嵌锁和挤压力是路面水泥混凝土弯拉抗压强度的重要保证。因此粗集料应质地 坚硬、耐久、洁净。其性质应符合 4 0 0 0 2 7 m g m m 3 0 0 0 5 m g m m 3 不得含有油污、泥和其他有害物质 3 3 5 外加剂的优选 减水剂n 3 3 按照其减水效率大于或小于1 5 分为高效减水剂和普通减水剂，减水 剂中加入早强组分或缓凝组分的为早强减水剂、缓凝高效减水剂。 由于早强减水剂种类繁多，并鉴于增强试验的客观性和适用性的需要，本文 研究选用比较常用的具有代表性的几种国内萘系外加剂生产厂家生产的外加剂来 进行优选试验。分别为：北京某厂生产的i 型早强高效减水剂，推荐掺量为0 5 1 5 ；重庆某厂生产的i i 型高效早强减水剂，推荐掺量为1 4 - 一1 6 ；广东某厂 生产的i i i 型早强减水剂，推荐掺量为0 2 - - - 0 6 ；江西某厂生产的型高效早强 减水剂，推荐掺量为o 6 1 2 。 早强减水剂使水泥混凝土减水作用机理n 们 随着建筑业及基础设施建设的迅速发展，对水泥混凝土各方面的性能不断地 提出了新的要求。这些性能新的要求，除对水泥自身的特性改进之外，在水泥混 凝土中使用外加剂是达到这些性能新要求的最主要的手段。减水剂是水泥混凝土 中用量最大的外加剂品种，按其减水效果可分为普通减水剂和高效减水剂。随着 工程质量要求的提高，高效减水剂的发展越来越受到重视。 早强减水剂主要是由高效减水剂和对水泥能起早强作用的材料复合而成的。 减水剂的作用，就是加入减水剂后可明显减少拌和水泥混凝土时所加入的水量， 同时大大提高水泥混凝土浆料的流动性能和水泥混凝土的强度，从而提高工程的 质量。我国在2 0 世纪8 0 年代开始使用水泥减水剂，用量不断扩大。目前减水剂 在我国的平均使用率已达到2 0 左右，经济发达国家的平均使用率已有8 0 以上。 因此我国的减水剂市场有着巨大的发展空间，减水剂，特别是早强减水剂在我国 水泥混凝土路面维修工程中的使用还处在研究和推广应用阶段。 减水剂都是表面活性剂，具有憎水基团( 有机化合物烃类) 和亲水基团( 联 结在憎水基团上的能解离出各种离子的盐类) 。减水剂的作用机理主要是表面活性 作用。将减水剂溶于水后，能降低水的表面张力( 水气相) 和界面张力( 水 第三章快通混凝土配制途径及原材料的选择 固相) 。在水泥中加入水以后，由于水的表面张力较大，水和水泥颗粒之间的界面 张力也较大。因此在接触水的水泥颗粒的周围便形成许多包容水，占据了较多的 用水量。在水泥混凝土中，每个水泥颗粒同样都需要许多包容水。这样整个水泥 混凝土的用水量就增加了，需要很大的水灰比。向水泥混凝土中加入减水剂后， 由于减水剂的表面活性作用，降低了水的表面张力和水与水泥颗粒之间的界面张 力，已溶解于水的减水剂的亲水基团会很块地刺破水泥颗粒周围的包容水，将包 容水释放出来，去参与其它水泥颗粒的水化作用。这样水泥混凝土所需要的拌和 水量就相应地减少了。 另外，在水泥凝结硬化过程中，会产生一些絮凝状结构，在这些絮凝结构中 也包裹着很多拌和水。由于减水剂的表面活性作用，降低了水的表面张力，使水 泥水化产生的絮凝结构分散开来，被絮凝结构包裹着的拌和水，同样也会被释放 出来，从而增加了水泥混凝土的和易性。 当加入减水剂以后，减水剂的憎水基团定向吸附于水泥质点表面，亲水基团 指向水溶液，组成了单分子或多分子吸附膜。使水泥质点表面都带上相同符号的 电荷，于是在同种电荷斥力的作用下，把水泥质点更加均匀地分散开来，避免结 团，使水泥质点和水溶液的分散度显著增加，水泥混凝土质量的均匀性相应得到 提高。 在水泥混凝土路面板块修补用的混凝土中，早强剂也是经常使用的外加剂。 早强剂是能提高混凝土的早期强度并对其后期强度无显著影响的外加剂。它的作 用是增加水泥和水的反应初速度，缩短水泥的凝结和硬化时间，促进水泥混凝土 早期强度的发展。早强剂可单独使用，也可复合使用。 早强减水剂使水泥混凝土早强的作用机理n 司 为搞清早强减水剂的早强作用机理，必须先弄清水泥的凝固硬化机理。从物 理变化情形来看，水泥加水后的凝结硬化过程可分三个阶段： 溶解期：水泥加水后，水与水泥颗粒表面立即发生水化作用，其产物溶解在 溶液中，然后水泥又露出新的表面继续与水作用，直到水泥颗粒周围的液体成为 过饱和溶液为止。 胶化期：溶液达到饱和后，水泥与水继续作用的产物不能再溶解，而是以极 细的固体颗粒分散在溶液中形成胶体。水化作用继续，新胶粒增加，游离水减少， 胶体逐渐变稠、失去塑性，出现凝结现象，但不具备强度。这时期放热量最多， 温升最大。 结晶期：水化后的胶体不稳定。水化生成的铝酸三钙水化物和氢氧化钙等逐 渐变为结晶体，再与胶体紧密结合起来，形成具有一定强度的水泥石。随着硬化 时间的继续，水泥颗粒内部未水化部分继续水化，晶体逐渐增长，结果水泥石强 第三章快通混凝土配制途径及原材料的选择2l 度及胶结力增大。 水泥加水拌合后的物理变化是外部表现。要彻底弄清早强剂的作用机理，最 重要的还是要弄清水泥凝固硬化过程中发生的化学变化过程。 1 ) 水泥加水后的化学反应过程 水泥加水后则发生水化。水泥的水化作用包括两方面：水泥成分被溶解于 水中或悬浮于水中；水泥颗粒吸收水分到其表层，与水发生水化作用。在这一 系列化学反应中起主要作用的是水泥水化后产生的c a ( o h ) ：。 水泥的水化作用可用下列几个化学反应式说明： 3 c a 0 a l ：0 3 + 6 h ：o - - 3 c a o a 1 ：0 3 6 h 2 0 式( 3 1 ) 3 c a o a 1 2 0 3 + c a ( o h ) 2 + n h 2 0 - - 4 c a o a 1 2 0 3 n h 2 0式( 3 2 ) 3 c a o s i 0 2 + nh 。o - - 2 c a o s i 0 2 ( n 1 ) h ：o + c a ( 0 h ) 2 式( 3 3 ) 3 1 式中的3 c a o a l ：0 3 6 h 。0 是绒毛状的、均质的结晶水化物。 3 2 式中的c a ( o h ) 。是从3 3 式中水化后新生成的。 3 3 式中的2 c a o s i 0 2 ( n - 1 ) h 2 0 是无定型的水化物；c a ( o h ) 。为结晶体。 4 c a o a l ：0 3 f e 2 0 3 + n h 2 0 - - 3 c a o a 1 ：0 3 6 h ：o + x式( 3 4 ) 2 c a o s i 0 2 + n h 2 0 c a o s i 0 2 nh 2 呲a ( o h ) 2式( 3 5 ) 3 4 式中的3 c a o a 1 ：0 3 6 h ：0 是结晶体，x 是构造不明的无定型凝胶体。 3 5 式中的c a o s i 0 2 r i l l 。0 是无定型的凝胶体水化物；c a ( o h ) ：为微量的结 晶体。 水泥与水拌合后，按照3 1 式和3 2 式进行反应，首先产生铝酸三钙 水化物和氢氧化钙。它们可溶解于水中，但溶解度不高，很快就能达到饱 和。这两个反应连续不断地进行，就产生出一种胶质物体。这种胶质物体 有一部分混在水中悬浮，后来就包围在水泥颗粒的表面形成一层胶质薄膜。 3 3 式所形成的硅酸二钙水化物几乎不溶于水，只能以无定型的胶质包围 在水泥颗粒的表层，也可能渗入水中一些。 这样由水泥的各种成分所生成的胶质膜逐渐发展连接起来，就形成了 胶凝体，此时水泥则表现出初凝状态，水泥开始有胶粘的性质。此后水泥 各成分在不缺水、不干燥的情况下继续按上述水化程序发展、扩大和增强， 由此产生： a 凝胶体增大并吸收水分，凝固加快，结合更紧； b 由结晶核进而生出结晶体，结晶体与胶凝体相互包围、渗透，达到一种 稳定状态，于是开始硬化； 第三章快通混凝土配制途径及原材料的选择 c 水化作用继续深入到水泥颗粒内部，使未水化部分再来参与上述这些化 学变化，直到水化完全及胶质凝固和结晶充分为止。 有试验证明水泥的水化作用能进行很长时间，无论水化时间继续多久， 也很难将水泥颗粒内核全部水化完全。 2 ) 早强减水剂使水泥混凝土早强作用机理 水泥与水拌合后，按照3 3 式产生氢氧化钙。氢氧化钙可溶解于水中， 但溶解度不高，很快就能达到饱和。随着氢氧化钙在水中浓度的增大，由 3 3 式表示的水泥的水化作用就会减慢。等氢氧化钙在水中的浓度达到饱 和以后，由3 3 式表示的水泥的水化作用就会停止。 我们知道，大部分早强减水剂主要是由高效减水剂和早强材料复配成 的。早强材料中主要起早强作用的是其中的无机盐类。无机盐见水电离出 的负离子能与水泥在水化作用中产生出的氢氧化钙起化学反应，根据所用 的无机盐的种类不同，其负离子与溶液中的氢氧化钙分别生成水化硅酸三 钙凝胶体、钙矾石、水化铝酸三钙等，将氢氧化钙从其溶液中分离出来， 从而降低了水化溶液中钙离子的浓度，使3 3 式的化学反应向右进行，于 是加快了水泥熟料矿物的水化，加速了水泥混凝土强度的发展速度，发挥 出早强减水剂对水泥混凝土的早强作用。 早强材料对水泥混凝土产生早强作用的化学反应式如下： s i 瓯卜+ 2 c a 2 + + n h 2 0 - - 2 c a o s i 0 2 n i l 2 0 ( 胶凝体)式( 3 6 ) 或s o , 2 一+ c a 2 + + 2 h 。o - - c a s o , 2 h 。0 ( 钙矾石)式( 3 7 ) 或a 1 2 0 2 + 3 c a 2 + + 6 h 2 0 - - 3 c a o h 1 2 0 3 6 h 2 0式( 3 8 ) 上述3 个化学反应分别生成的水化硅酸三钙、钙矾石、水化铝酸三钙 等的结晶体都能成为水泥水化反应的后续反应物晶体生长的晶核，从而进 一步加快了水泥各种水化产物晶体的生长，使水泥混凝土强度增长加快， 达到快通早强的目的。 外加剂与水泥的适应性n 阳 、 关于混凝土外加剂，除了自身必须具有良好的性能外，在使用过程中， 还存在着一个普遍的、非常重要的问题就是与水泥适应性问题，如混凝土 坍落度经时损失快就是外加剂与水泥不适应的典型例子。对于商品泵送混 凝土、液态混凝土、自密实混凝土及低水胶比混凝土等适应性是一个非常 重要的必须考虑的问题。外加剂与水泥的适应性不好，不但会降低外加剂 的有效作用，增加外加剂掺量从而增加混凝土成本，而且还可能使混凝土 无法施工或者引发工程事故，外加剂与水泥的适应性已引起混凝土科技工 第三章快通混凝土配制途径及原材料的选择2 3 作者的高度重视。 与水泥存在着适应性问题的外加剂包括普通减水剂、高效减水剂、早 强减水剂、缓凝剂( 有机缓凝剂、缓凝减水剂、缓凝高效减水剂) 、普通泵 送剂、高效泵送剂、保坍剂等。由于这些外加剂多是减水型外加剂，并且 主要是减水剂组分与水泥及其他外加剂组分之间存在着适应性问题，故人 们经常又将“外加剂与水泥的适应性称之为“减水剂与水泥的适应性。 路面早强剂作为常用的一种混凝土外加剂，其与的水泥的适应性问题， 涉及水泥化学、高分子材料学、表面物理化学和电化学等多方面的问题， 是路面混凝土生产与施工中必须面临和解决的问题。水泥i s o 新标准正式 施行后，各水泥厂已采取了一系列重大技术措施来提高水泥质量以适应i s o 新标准的要求，主要是提高水泥早期强度、细度、c 。a 的含量等，但外加剂 的适应性却增加了不少问且由题，而于我国混凝土生产的原材料因产地不 同而化学成分差异很大；且外加剂生产厂家较多，这也造成外加剂与水泥 之间的适应性问题。 一般来说，影响外加剂与水泥适应性的因素包括三个方面，即：水泥 方面，如水泥的矿物组成、碱含量、混合材种类、细度等；化学外加剂方 面，如减水剂分子结构、极性基团种类、非极性基团种类、平均分子量及 分子量分布、聚合度、杂质含量等：环境条件方面，如温度、距离等。 判断外加剂与水泥的适应性程度是通过国家标准混凝土外加剂应用 技术规范( g b 5 0 1 1 9 - 2 0 0 3 ) n 附录a 混凝土外加剂对水泥的适应性检测方 法进行，并结合相应的混凝土试验来判断两者的适应性好坏。 水泥净浆流动度试验 1 ) 试验方法 水泥净浆流动度试验依据国家标准混凝土外加剂应用技术规范 ( g b 5 0 1 1 9 - 2 0 0 3 ) 1 附录a 混凝土外加剂对水泥的适应性检测方法进行。 2 ) 试验结果和数据分析 a 试验数据 本试验选用重庆腾辉地维水泥厂生产的p 0 4 2 5 r 水泥。 通过水泥净浆试验，测出重庆地维p 0 4 2 5 r 水泥对i 、i i 、四 种外加剂在各自不同掺量下的流动度值见表3 9 3 1 2 。 第三章快通混凝土配制途径及原材料的选择 表3 9 水泥净浆流动度( i ) t a b l e3 9c e m e n tp a s t ef l u i d i t y ( i ) 不同掺量下水泥净浆流动度m m 水泥外加剂时间 流动度损失m m 0 5 o 8 1 1 5 3 r a i n1 7 01 9 5 2 0 51 8 7 地维 i3 0 m i n1 5 51 8 61 9 81 7 81 2 p 0 4 2 5 r 6 0 m i n1 4 11 7 2 1 8 61 6 5 表3 1 0 水泥净浆流动度( ii ) t a b l e3 1 0c e m e n tp a s t ef l u i d i t y ( ii ) 不同掺量下水泥净浆流动度m m 水泥外加剂 时间流动度损失m m 1 4 1 5 1 6 1 8 3 m i n2 5 52 7 5 2 8 02 7 0 地维 i i3 0 m i n2 3 92 7 02 7 72 6 55 p 0 4 2 5 r 6 0 m i n2 2 32 6 52 7 2 2 5 8 表3 1 1 水泥净浆流动度( ) t a b b l e3 11c e m e n tp a s t ef l u i d i t y ( ) 不同掺量下水泥净浆流动度m r 水泥外加剂时间流动度损失m m 0 4 0 5 0 6 0 7 3 m i n2 0 52 1 72 2 51 9 4 地维 i i i3 0 m i n1 9 42 l l 2 2 01 9 08 p 0 4 2 5 r 6 0 m i n1 8 52 0 02 1 11 8 2 表3 1 2 水泥净浆流动度( n ) t a b l e3 1 2c e m e n tp a s t ef l u i d i t y ( ) 不同掺量下水泥净浆流动度m m 水泥 外加剂 时间流动度损失m m 0 6 0 8 1 1 2 地维 3 m i n 2 2 22 5 82 7 02 6 7 p 0 4 2 5 r 3 0 m i n2 1 72 5 42 6 82 6 4 6 6 0 m i n 2 0 92 4 72 6 22 5 8 b 结果分析 根据表3 9 3 1 2 中试验数据分析可知，净浆流动度随外加剂掺量的 增大而增大，当掺量到某一值时，再增加掺量流动度基本不再增加，有的 反而减少，此掺量即为饱和点。 通过净浆试验判断外加剂与水泥适应性好坏的原则是i 外加剂饱和点 掺量低，流动度大，流动度损失小，且浆体无沉底、泌水现象的外加剂对 水泥的适应性比较好。 通过水泥净浆流动度曲线得出四种外加剂的饱和点掺量分别为：i ( 1 ) ： 第三章快通混凝土配制途径及原材料的选择 2 5 i i ( 1 6 ) ；( 0 6 ) ；( 1 ) 。可知，的饱和点掺量最低，但其流动 度相对于i i 和偏小，且其流动度损失相对稍大；i 的流动度损失也相对 稍大，这与外加剂对水泥的凝结速度的影响程度有关。 和与地维水泥的适应性试验中，的流动度稍小，饱和点掺量也 稍低，但在试验中发现掺加此种外加剂的浆体有沉底和少量泌水现象出现， 说明此种外加剂与该水泥的适应性稍差。 i i 和i 与地维水泥的适应性试验中，二者的饱和点掺量相差不多，但 i i 的流动度相对i 较大，这主要是由于i 的减水率稍低引起。 混凝土平行试验 1 ) 混凝土配合比 表3 1 3 混凝土试验配合比 t a b l e3 13c o n c r e t et e s tm i x i n gp r o p o r t i o n 混凝土原材料用量k g m - 3 外加剂及掺量 水泥( c ) 砂( s ) 碎石( g )水( w )外加剂( z ) i ( 0 8 )3 8 0 6 6 8 1 2 4 21 5 73 0 4 i i ( 1 6 )3 8 06 6 81 2 4 2 1 4 66 0 8 i i i ( 0 5 )3 8 06 6 81 2 4 21 5 81 9 ( 0 8 )3 8 06 6 81 2 4 2 1 5 03 0 4 混凝土设计强度等级为c 3 5 ，根据公路水泥混凝土路面滑膜施工技术 规程凹1 中配合比设计要求，最佳坍落度为3 0 - - 6 0 m m 。此平行试验控制水 泥用量为3 8 0k g m 一、砂率为0 3 5 ，控制坍落为5 0 m m ，调整掺加每种外 加剂的混凝土单位用水量。调整后的配合比见表3 1 3 。 2 ) 试验结果与分析 新拌混凝土性能和力学性能如表3 1 4 ，3 1 5 示。 a 试验结果分析 由表3 1 3 可知，几种外加剂配制配制混凝土的配合比用水量各不相同， 这主要由各自的减水率大小控制；各自的坍落度损失都比较大，这与萘系 外加剂的坍落度损失都比较大有关，也与高效减水剂都没有明显的缓凝和 引气作用有一定关系。 掺加四种外加剂配制的混凝土的泌水率都比基准混凝土有很大的降 低；掺加的混凝土凝结时间相对较长，这可能与中含有少量的缓凝成 分有关。 选用i i 和外加剂的掺量都为o 8 ，但配制的混凝土的坍落度损失 相对偏大，即此种外加剂配制的混凝土坍落度保持性能差。配制的混凝 第三章快通混凝土配制途径及原材料的选择 土的和易性差，并出现少量泌水、离析现象。这与与水泥的适应性差有 关。 在i 与的对比试验中，控制坍落度都为5 0 m m 的条件下，的用水量 比i 小，但其各龄期的强度却相对稍小，这与此种外加剂和水泥的适应性 也不无关系，所配制混凝土的泌水和离析现象，使得骨料的裹覆程度不足， 骨料和浆体之间的粘结力减小，影响了其强度发展。 表3 1 4 混凝土凝结泌水试验结果 t a b l e3 1 4t e s tr e s u l t so f c o n c r e t es e t t i n gb l e e d i n g 外加剂及掺量 混凝土凝结时间l h ：m i n 泌水率 水泥强度等级初凝终凝 7 ：3 01 0 ：0 83 2 2 i ( o 8 )6 ：4 59 ：3 01 6 8 重庆地维 c 3 5 i i ( 1 6 )6 ：5 49 ：3 31 4 5 p 0 4 2 5 ri i i ( 0 5 )1 2 ：1 81 5 ：0 51 7 9 ( 0 8 )7 ：0 79 ：4 52 0 3 表3 1 5 混凝土强度试验结果 t a b l e3 15 t e s tr e s u l t so f c o n c r e t es t r e n g t h 抗压强度肝a 水泥品种外加剂及掺量出机坍落度m m1 h 坍落度损失m 3 d7 d2 8 d 5 03 02 0 9 2 7 3 4 0 2 重庆地维 i ( 0 8 9 6 )5 02 03 0 53 5 74 1 5 i i ( 1 6 )5 02 53 3 33 5 84 5 6 p 0 4 2 5 r i i i ( 0 5 0 4 )5 0 1 52 8 2 3 1 73 9 7 ( o 8 )5 03 02 9 13 2 84 0 5 b 试验结果讨论 由平行对比试验结果可知，掺早强剂的混凝土相对不掺早强剂的混凝 土，各个龄期的强度都有不同程度的提高；四种外加剂配制的混凝土的3 d 强度均能达到设计强度的8 0 以上，可以实现3 d 通车的要求；7 d 强度达到 设计强度的9 0 以上，其中i i 配制的混凝土7 d 强度已超过设计强度：2 8 d 强度均超过设计强度的11 0 ，均能够满足设计要求。 其中，配制的混凝土虽然最终强度满足设计要求n 引，但与该水泥 的适应性差，在混凝土试验中也出现了离析、泌水现象，混凝土和易性差， 不利于施工的顺利进行。因此在选用重庆地维p 0 4 2 5 r 水泥配制混凝土 时，应该慎重考虑选用此种外加剂。 试验结论 第三章快通混凝土配制途径及原材料的选择2 7 水泥净浆试验与混凝土试验结果有较好的一致性，但所试验外加剂的 水泥净浆流动性、保水性、粘聚性及流动度损失小并不表示相应混凝土具 有同样较好的和易性和坍落度保持性能。即水泥净浆试验结果不能完全反 映混凝土中外加剂对水泥的适应性；外加剂与水泥的适应性好坏，必须同 时参考水泥净浆流动度试验和混凝土试验结果。 不同厂家生产的同一类型外加剂，其减水率和与水泥的适应性也不一 样。同一类型的外加剂，由于生产厂家不同，原材料性质及生产工艺参数 不同，其磺化度、聚合度、平均分子量、分子量分布、含杂量等也不同。 外加剂的优选以早强效果好坏为主要选择条件，流动度和施工和易性 是次要因素，且可以通过其他途径改善。本文选用配制出的混凝土流动性 较好的i 、和型三种外加剂。 第四章影响快通混凝土强度的单因素分析 第四章影响快通混凝土强度的单因素分析 工程材料的强度通常被定义为抵抗外力不受破坏的能力，而破坏有时 等同于出现裂缝。然而，混凝土与其他工程材料有不同之处，因为在其承 受外力之前，混凝土内部早已存在裂缝和其他结构缺陷。在强度方面，快 通混凝土不仅具有混凝土的诸多共性，还要求混凝土具有较高的早期强度， 以达到快通的目的。因此，研究影响快通混凝土强度的因素尤为重要。 影响快通混凝土强度有诸多因素“3 ，如：水灰比、孔隙率、水泥品种与 用量、混凝土外加剂、集料的选用及其级配以及养护条件、施工时的捣实 程度等等。这些复杂因素对混凝土强度的影响关系综合于图4 1 。 本章拟对这些因素对快通混凝土强度的影响作逐一讨论。在讨论中注 意到，各种影响因素实际上都是相互依赖的，因此各因素的影响作用不能 真正加以分开。这里的讨论为了简明起见，故均在保持其它因素不变的情 况