（材料学专业论文）路用柔性水泥基复合材料的制备与性能研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 基于隧道路面的特殊使用环境，路面材料既要保持强度高、耐久性好、防 火、防水害、施工安全等优点，又要满足行车舒适性。研究和制各一种具有低 弹性模量、高韧性特点的柔性水泥混凝土路面材料，具有广泛的应用前景。本 文通过研究路用柔性水泥砂浆的性能，为水泥混凝土路面材料的研究提供依据。 本文采用单因素和正交试验方法，在降低柔性水泥砂浆弹性模量，提高柔 韧性，保证必要的强度的前提下，优化了以纤维、聚合物及橡胶粉为主要组分 的柔性水泥砂浆的配合比。同时，借助扫描电子显微镜( s e m ) 表征手段，对 集料水泥石界面、孔结构进行了研究。通过对柔性水泥砂浆物理力学性能、路 用性能和微观结构的系统研究，揭示了柔性水泥砂浆的组成、结构与性能之间 的相互影响和变化规律。取得如下研究结果： 1 通过配合比的优化，确定了两种聚合物柔性水泥砂浆最佳配比参数：即纤 维体积掺量为0 1 ，橡胶粉取代砂的体积率为1 0 ，两种聚合物聚灰比( 乳液 固含量与水泥质量之比) 分别为2 0 和3 5 。所配制的水泥砂浆抗压都大于 2 0 m p a ，折压比大于0 3 2 ，抗压弹性模量小于1 2 2 g p a ，具有优良的韧性、体积 稳定性及耐久性能。 2 水泥砂浆中掺入橡胶粉后，砂浆中的孔隙增多，从而显著的削弱了砂水 泥石，橡胶粉水泥石界面的结合程度，大幅度降低砂浆的强度，并明显的增加 了砂浆的干缩率，但是加入橡胶粉后砂浆的柔韧性有明显的改善。 3 纤维的加入对水泥砂浆的强度影响不大，但对砂浆早期收缩抗裂有非常积 极的作用，明显得降低了砂浆的干缩率，提高了砂浆的抗渗性，同时使砂浆的 柔韧性也有略微改善。 4 由聚合物和橡胶粉对水泥砂浆的改性结果发现，砂浆内部聚合物乳液形 成连续网络，在保证低弹性模量的前提下，进一步增强了橡胶粉砂浆的抗压强 度，为该材料在路面上的应用奠定了基础。 关键词：橡胶粉；聚合物；折压比；弹性模量；微观结构 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s p e c i a la p p l i c a t i o n e n v i r o n m e n to fp a v e r n e n ti nt u n n e l sd e m a n dt h a tt h e p a v e m e n t n o to n l yh a v ec o m m o nc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n ta d v a n t a g e s i n c o n s t r u c t i o n , w a t e r p r o o f , f i r e p r o o f i n gs e c u r i t y , d u r a b i l i t y , b u ta l s oh a v er i d i n gc o m f o r t e x p l o r i n gal o we l a s t i cm o d u l u s a n dh i g ht o u g h n e s sf l e x i b l ec e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n tm a t e r i a l s ，h a v ea b r o a da p p l i e df i e l d a s i n g l ef a c t o ra n da l lo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o di sa d o p t e dt oo p t i m i z e t h em i xp r o p o r t i o no fr u b b e r i z e dl i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e ，i no r d e rt od e c r e a s e t h ee l a s t i cm o d u l u so nt h ep r e m i s eo f n e c e s s a r ys t r e n g t h s i m u l t a n e i t y ，r e s e a r c h e dt h e i n t e r f a c eb e t w e e na g g r e g a t e sa n dh a r d e n e dc e m e n tp a s t ea n dp o r es t r u c t u r eb yt h e m i c r o - h a r d n e s st e s t ，p o l a r i z i n gm i c r o s c o p ei r r i a g ea n a l y s i sa n ds e mi m a g e s b a s e d o nt h es y s t e m a t i cs t u d yo nt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n d m i c r o s t r u c t u r e ，t h er e l a t i o na m o n gt h ，ec o n s t i t u e n t s ，s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ea n dt h e j o i n te 仃e c t sa r ei n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt ot h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t s ，t h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sc a nb eo b t a i n e d ： 1 t h eo p t i m i z em i xp r o p o r t i o np a r a m e t e ra r e p p fr a t i oi s1 o ，t h em i xa m o u n to f r u b b e rp a r t i c l e si s10 p o l y m e r - c e m e n tr a t i oi s2 0 o r3 5 i tw i mc o m p r e s s i v e s t r e n g t ha b o v e2 0 m p a , r a t i oo fb e n d i n gs t r e n g t ht oc o m p r e s s i v es t r e n g t hi sa b o v e o 3 2 ，e l a s t i cm o d u l u sl e s st h a n12 2 g p aw a sp r o d u c e d i th a sl o ws h r i n k a g e ，h i g h t o u g h n e s sa n dg o o dd u r a b i l i t ya sw e l l 2 w h e nt h ei n t r o d u c t i o no fc e m e n tm o r t a ri nac e r t a i na m o u n to fr u b b e rp a r t i c l e sa d d i nt h ep o r o u sm o r t a r , i tc a ns i g n i f i c a n t l yw e a k e nt h ei n t e r f a c eo fs a n d c e m e n ta n d r u b b e r - c o m b i n a t i o no fc e m e n t t h er a t i oo fm o r t a rs h r i n k a g es i g n i f i c a n ti n c r e a s e d a n dt h ei n t e n s i t yr e d u c e d ，b u tt h em o r t a rf l e x i b i l i t ya f t e rt h ea c c e s s i o nt ot h er u b b e r h a v es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d 3 t h ee f f e c to ft h ec e m e n tm o r t a rs t r e n g t hi ss l i g h tw i t ht h ea d d i t i o no fp p f e a r l y c o n t r a c tf o rm o r t a rc r a c ki sav e r ya c t i v er o l e ，m o r t a rs h r i n k a g er a t ei s o b v i o u s l y l o w e r ，t h ep e r m e a b i l i t yo ft h em o r t a ri n c r e a s e d ，w h i l et h em o r t a rf l e x i b i l i t yi s i m p r o v e ds l i g h t l y 4 w i t ht h er u b b e ra n dp o l y m e rm o d i f i n g ，c e m e n tm o r t a rw a sf o u n dt h a tt h ei n t e r n a l m o r t a re m u l s i o np o l y m e rf o r m e dt h ef o r m a t i o no fn e t w o r k s ，w h i l ee n s u r i n gl o w 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 m o d u l u so fe l a s t i c i t yo nt h ep r e m i s eo ft h er u b b e rp a r t i c l e s ，i tf u r t h e re n h a n c et h e s t r e n g t ho f t h em o r t a r i ti st h ef o u n d a t i o nf o r t h em a t e r i a lu e s e di nt h ea p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：r u b b e r ；p o l y m e r ；r a t i oo fb e n d i n gs t r e n g t ht oc o m p r e s s i v es t r e n g t h ； e l a s t i cm o d u l u s ；m i e r o s t r u c t u r e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：觯日期：赳 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ， 。2从 l 一， j 日 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第1 章绪论 随着我国经济的不断发展，对交通的要求越来越高。目前，我国公路建设发 展迅速，“十一五”期间，我国公路建设的重点是国道主干线、国家重点公路、路 网改造、农村公路及客货运枢纽。交通部已经确定了国家重点公路建设计划的 1 3 纵、1 5 横，共2 8 条路，规划总里程7 1 万公里。随着公路建设的发展，桥梁、 隧道不断增多，目前，我国公路隧道已有1 7 8 2 座，总长达7 0 4 k m ，是世界上公 路隧道最多的国家，其中长大型隧道占了很大一部分，隧道的防火、减噪和行 车舒适性的矛盾十分突出。 目前世界各国广泛采用的两种路面材料有沥青混凝土和水泥混凝土。一般来 说沥青路面是柔性路面，而水泥混凝土路面则是刚性路面。我们都知道水泥混 凝土路面有如下一些优点：( a ) 水稳定性好，雨后可照常通行。( b ) 温度稳定性好， 无车辙现象。( c ) 耐老化，无污染。( d ) 平整度保持期长。( e ) 寿命长，设计基准期 可达3 0 年，耐久性、抗冻性、抗滑性和耐磨性等性能优良。( f ) 材料易获得，成 本低。但是作为刚性路面，其行车不舒适，噪音大。 而用沥青铺设的柔性路面，行车舒适性好，噪音小，柔性路面对变形适应 性强。但是沥青路面存在一些缺点：( a ) 孔隙率高，耐水性差；( b ) 温度稳定性差； ( c ) 耐老化性差，容易产生龟裂；( d ) 平整度保持性差；( e ) 寿命短，设计基准期1 5 年；( f ) 材料成本高【1 1 。 如果作为隧道路面，在施工期间，铺筑热沥青路面会散发大量有毒气体， 特别是中、长隧道，通风不良，有损于施工人员的身体健康。在运营期间，一 旦发生车辆火灾，沥青路面也会同时起火或生成浓烟，加重了火灾和人员逃生 的难度。出于防水防火、施工以及安全等方面的原因，隧道路面是不宜采用沥 青材料的【2 5 】。 随着汽车工业的发展，废旧轮胎的产生量也以每年两位数的速度增长。2 0 0 4 年，我国废旧轮胎的产生量己超过亿条，预计到2 0 1 0 年将超过2 亿条，废旧轮 胎已成为新的固体污染源。如何实现废旧轮胎的无害化处理，是多个领域的热 武汉理工大学硕士学位论文 点研究问题。鉴于废旧轮胎呈几何级数增长及现行处理方法的缺陷，寻求废旧 轮胎新的处理途径己是当务之急。 针对以上几方面原因，本课题所设计的柔性水泥砂浆，既保持普通水泥砂 浆在强度、耐久性、防火及防水害方面的优点，满足路面使用要求，同时也适 应了节约型经济和绿色“g d p ”的时代主题。 v 1 2 柔性水泥基材料的研究现状 一般来说，柔性砂浆要求具有一定的强度和较小的弹性模量，以及较大的 极限拉应变，从而能够适应较大的变形。国内外很多学者采用了很多方法对水 泥基材料改性，以降低其弹性模量，提高其韧性。 采用纤维来增强砂浆是改善砂浆性能的一个有效途径，利用纤维改善水泥 砂浆的抗拉强度低、韧性差等弱点，降低其脆性、提高其延性。1 9 6 5 年g o l d f e i n 建议用聚丙烯纤维作为混凝土的掺合料，建造美军工兵部队的防爆建筑【6 】。实验 证实：混凝土中加入0 9 k g m 3 的纤维化聚丙烯纤维后，几乎成倍地增加了混凝 土的抗撞击能力。这给当时正在进行往混凝土中加入聚丙烯薄膜纤维早期试验 研究的谢尔( s h e l l ) 国际化学有限公司很大的鼓励，该公司最早成功开发出了p p 纤维增强水泥制品【弘8 1 。进入二十世纪7 0 年代末、8 0 年代初有了进一步发展， 欧洲和美国取得了一系列有价值的成果，尤其是聚丙烯纤维的应用，在美国已 进入了商品化阶段。在英国用聚丙烯纤维配筋混凝土在泰晤士河河岸用喷射法 喷涂3 0 m m 厚的保护层【9 1 。1 9 7 7 年，有美国学者提出用占水泥重量2 的聚丙烯 纤维来增强混凝土，提高其抗弯强度【9 】。应用聚丙烯纤维作为水泥基材料掺合料 已被世界上6 0 多个国家接受，其最大优点是纤维的加入，可以大大地减轻水泥 基材料的塑性龟裂，而且还能降低成本。在英美等发达国家，聚丙烯纤维广泛 应用于管桩、管子、道路、墙面和屋面制品等【l 们。 近年来，通过对水泥砂浆进行改性以改善水泥路面使用性能的工作在国内 开始受到重视。特别是高分子聚合物改性技术的运用，在提高水泥混凝土路面 路用性能方面取得了重要的进展。高分子聚合物在水泥凝胶中均匀分散，可以 使水化作用更趋完善高分子聚合物可以改善胶凝材料集料界面情况，与水泥凝 胶形成了相互贯穿的网络，改善了砂浆内部结构，使砂浆的力学性能得到改善 【l l 】。从目前已经发表的成果来看，经聚合物改性后混凝土路面材料抗折强度、 断裂韧度提高，柔韧性得到了改善。 2 武汉理工大学硕士学位论文 美国是世界上聚合物复合材料开发应用先行国家，聚合物改性水泥砂浆在 建筑上应用十分广泛。2 0 世纪8 0 年代常采用的聚合物是丁苯和丙稀酸醋胶 乳。现在，常用保水剂是纤维素醚，聚合物水泥改性砂浆也被用作新型墙体材 料的粘结材料。粉状可再分散胶乳和水溶性胶乳，以双包装的形式供货已商品 化，而砂浆也早以商品砂浆和干粉砂浆的形式供应。在日本，聚合物砂浆和混 凝土于2 0 世纪7 0 年代已成为主要结构材料。原材料主要为环氧树脂、不饱 和聚酯材料、乙烯聚酯树脂、丙稀酸树脂( 以丙稀酸为基础的树脂) ，聚合物砂 浆广泛作装饰、修理用。日本聚合物砂浆研究发展较快，就其粘结材料而言， 应用了新的液体树脂，如高分子量甲基丙稀酸，低聚合度丙稀酸单体和尿醛， 甲基丙稀酸等，也有将不饱和树脂和乙烯单体组成的粘结料用于复合材料或复 合液体树脂。在配料设计方面，随树脂不同而有不同的设计体系，如发展了不 饱和树脂砂浆的配比设计体系；聚丙基丙稀酸甲醋砂浆的配合比设计体系；掺 轻集料不饱和树脂砂浆的配比设计体系。为增加砂浆强度采用了钢纤维、玻璃 纤维、碳纤维或玻璃纤维制成纤维等【l 卜1 2 】。 橡胶粉混凝土的研究始于2 0 世纪7 旺8 0 年代，它是将废旧轮胎制成橡胶粉， 然后以适宜的掺量加入混凝土中。橡胶粉加入到混凝土中后，可填充混凝土内 部空隙，改善水泥与骨料的界面状况，约束混凝土内微裂缝的产生与发展，并 形成吸收应变能的结构变形中心，吸收震动能，从而降低混凝土的弹性模量， 明显改善混凝土抗冲击韧性【l3 。 基于柔性水泥基材料的各方面优点，国内外专家及学者对其产生了浓厚的 兴趣，并开展了研究。 1 9 9 5 年，i l k e rb e k i rt o p c u 用1 4 m m 和0 1 m m 橡胶粉掺加1 5 4 5 到混 凝土中，成型1 5 0 m m x 3 0 0 m m 的圆柱体及1 5 0 m m 的立方试件进行抗压实验， 用a s t mc4 9 6 测定应力应变曲线，结果表明：加入0 1 m m 橡胶粉后，混凝 土抗压强度降低可达5 0 ，拉伸强度降低可达6 4 ，并且粗橡胶粉对混凝土 强度幅度的降低大于细橡胶粉，分别可达8 0 、7 4 。随着橡胶粉加入量的 增加，混凝土的抗压、抗折强度降低越多；但是加入橡胶粉后，混凝土的塑 性增加，弹性降低，这说明加入橡胶粉后，增加了变形能，使得断裂时需要 吸收更多的能量【悼”】。 1 9 9 6 年，f a t t u h i 和c l a r k 在水泥基复合材料中掺加橡胶粉，并测定用橡 胶粉替代水泥的净浆以及用橡胶粉代替骨料的砂浆和混凝土的强度、质量、 孔隙率及密度等性能的变化。研究表吲1 6 】：各种水泥基材料中掺加橡胶粉后， 抗压强度、抗折强度、抗压弹性模量、密度等物理性能降低，塌落度也减小。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 9 7 年，h a ih u y n h 等人【1 7 】的研究表明：2 m m 粒径橡胶粉加入砂浆中使 得抗压、抗折强度均降低，而1 0 8 n l r n x l 8 m m 橡胶粉纤维可以改善砂浆的性 能，尤其是减小了砂浆的裂纹宽度和长度，其工作性与不掺橡胶粉砂浆相当。 h a t o u t a n j i 按照a s t mc3 9 标准要求制成1 0 0 m m x 2 0 0 m m 圆柱体进行 了混凝土抗压实验，按a s t mc7 8 标准要求制10 0 m m x1o o m m x 3 5 0 m m 试件 进行了弯曲实验，结果表明：随着橡胶粉加入量的增加，混凝土的抗压强度 和弯曲强度均降低，且抗压强度降低大于抗拉强度的降低【l8 1 。 e l d i n 和s e n o u c i 用水浸泡橡胶粉去除其表面污物，使得橡胶粉混凝土强 度比不处理前提高1 6 【1 9 1 ；r o s t a m i e t a l 用c c h 水溶液处理橡胶粉表面，混凝 土抗压强度提高5 7 2 0 】；s e g r e 和j o e k e s 使用n a o h 溶液对橡胶粉表面进行 处理，对砂浆进行的力学性能及微观结构分析研究表明，水泥砂浆和胶粒的 粘结能力有所增强，砂浆的强度损失减少，韧性也有所提高【2 。这些研究表 明：加入合适的改性剂，可以提高橡胶粉混凝土的强度，改善混凝土某些性 能 宋少民等 2 2 】用4 2 5 级矿渣水泥做胶粉掺合实验，配合比为：c ：s ：w = 1 ：2 5 ：0 4 4 ，f d n = 0 2 c ，采用砂浆搅拌机搅拌，振动成型，制成 4 0 m m x 4 0 m m x l 6 0 m m 试样，测定抗折和抗压强度；2 0 m m x 4 0 m m x l 6 0 m m 带v 型槽的试件测冲击强度。当胶粉掺量为3 c ，加入2 0 r 的偶联剂，4 0 r 的某高硅材料，4 0 r 的某膨胀材料时( r 为橡胶粉掺量) ，冲击功提高了2 7 ， 抗压强度基本不损失，抗折强度提高了2 4 。说明偶联剂改善胶粉一水泥复 合材料的各项力学性能。 另外，由于无机材料与有机聚合物在化学结构和物理形态上存在显著差 异，两者之间缺乏亲和性，为增加无机物与有机聚合物之间亲和性，一般可 用偶联剂或其他一些改性剂来增强二者的粘结力。偶联剂把性能截然不同的 两种物质通过化学或物理作用结合起来，偶联剂对无机材料的物理和化学作 用，可以使其由亲水性表面变成亲油性表面，从而达到与有机聚合物之间紧 密结合，改进复合材料的物理力学性能【2 3 1 。黄少文等2 4 1 利用硅烷偶联剂改性 轮胎胶粉后再与水泥制成砂浆与未改性的胶粉相比，力学性能获得了明显的 改善。 各国研究者的实验结果均表明：混凝土中加入橡胶粉后，由于橡胶粉密 度较其所替代的原材料低，使得混凝土的密度、质量减轻；而橡胶粉与砂浆 基体之间粘结较差，使混凝土坍落度减小，抗压、抗折强度降低；但橡胶粉 在混凝土断裂时，能够吸收更多的能量，从而增加变形能；使得塑性能提高， 4 武汉理工大学硕士学位论文 弹性能降低。 1 3 柔性水泥基材料的工程应用 由于轮胎橡胶粉报废导致全球“黑色污染”严重应引起全社会的重视，轮胎橡 胶粉制品是一种难熔、难降解的有机高分子材料，废轮胎不能被直接利用，且 加工处理困难，如果堆放则易发生火灾和滋生蚊虫传播疾病如果填埋则百年不 降解，破坏植被，污染地下水如果焚烧则有毒气体严重污染环境。 早在2 0 世纪7 旺8 0 年代，国内外就有将橡胶粉用于沥青混凝土中，以改善 其原有的路用性能和使用寿命。现在，胶粉改性沥青己大面积应用于高速公路， 飞机跑道等。美国政府曾下令从1 9 9 4 年起，所有由国家资助的公路，废胶粉应 用的比例应在1 5 以上，现已有个州将废胶粉应用比例由1 9 9 6 年的1 5 提高到 现在的2 0 。与胶粉改性沥青混凝土相比，对胶粉掺入到水泥混凝土中的研究 及工程应用相对较少，而且主要集中在国外，国内少有这方面报导。 韩国发明了将废轮胎胶粉、砂子、石子、水泥混合，用模型压制成铁路枕木， 这种材料制作的铁路枕木具有重量轻、抗冲击和耐腐蚀等优点，还能减少火车 行驶时产生的噪声和震动，此项技术己在美国获得了专利。美国、加拿大、日 本、波兰及南美一些国家在铁路平交道口大量应用橡胶粉铺面板取代传统混凝 土铺面。这种用胶粉生产的橡胶粉铺面板，提高了道口铺面寿命，减少了维修， 增加了道口安全性，极大地降低了重载车辆对线路的冲击作用，并能减震降噪， 是良好的地面绝缘性材料。 1 9 9 9 年2 月在美国亚利桑那州立大学校园内建造了一段橡胶粉混凝土人行 道，它是世界上第一个可使用的橡胶粉混凝土结构，该段人行道性能表现良好。 2 0 0 3 年1 0 月，亚利桑那州交通部及其它单位在美国亚利桑那州建筑了多个橡胶 粉混凝土试验点，包括停车泊位、网球场和房基，至今表现良好。 由于经加工的橡胶粉分子呈三维空间网络结构，富有弹性而不具有粘性和 可塑性，在外力作用下，它很快发生变形，变形可达百分之几百，但当外力除 去后，又会恢复到原来的状态，而且保持这种性质的温度区间范围很大，在一3 5 6 5 均维持柔韧性。因此，橡胶粉制品都具有高弹性和高韧性的特点。 目前，柔性混凝土在国内一些工程领域已有研究和应用。如长江三峡二期 围堰工程采用柔性混凝土为防渗材料，它是在塑性混凝土的基础上采用当地废 料风化砂及石屑粉研制的新型防渗材料，其特点是在保证一定的强度前提下具 有较低的弹性模量。其抗压强度为4 6 5 m p a 时，弹性模量可低至1 g p a ，极限拉 s 武汉理工大学硕士学位论文 应变可达1 8 6 x 1 0 。4 。较低的弹性模量和较大的极限拉应变，使它能适应较大变 形而不开裂，保证了围堰的抗渗要求【2 5 1 。此外，柔性水泥基材料也用于结构物 裂缝修补和柔性防水中。 美国密执根大学开发了一种延展性非常好的混凝土，并首次大规模地应用 于大桥路面。由于延展性近似于钢铁，这种柔性混凝土预计将较少发生开裂， 从而减少维护费用。和普通的混凝土相比较，这种混凝土用少许甚至不用增强 筋，取而代之的是一种特殊的纤维，用以提高混凝土的张拉延展性。材料的压 缩强度和普通的混凝土相当。而且这种柔性混凝土不必设置伸缩缝，避免了重 型车辆通过时产生的颠簸和冲击，以及由此造成的路面开裂破坏和行车舒适性 的降低【2 6 1 。 在美国，7 0 以上橡胶粉用于建筑行业，而在我国橡胶粉的应用仅处在开 发阶段。我国有铁路线1 2 万公里【2 7 圆】，如果将橡胶粉用于道路建设中，一方 面可以变废为宝，改善环境；另一方面可以改善混凝土路面的抗冲击性、耐 磨性，增加安全性，延长道路的使用寿命。由于这种改性混凝土成本低，工 艺简单，并具有良好的社会效应和经济效应，因此具有广阔的应用前景。 1 4 柔性水泥基材料制备存在的问题 水泥砂浆、混凝土在力学性能方面突出额度问题是抗拉强度和张拉变形能 力不足。用于路面的柔性砂浆、混凝土需要解决的以下几个问题【3 0 】： ( 1 ) 降低弹性模量并保证足够的强度，特别是抗拉强度； ( 2 ) 提高柔性水泥砂浆、混凝土的弯拉变形能力，以提高材料韧性； ( 3 ) 保证材料在路面往复荷载作用下的疲劳强度要求； ( 4 ) 研究如何改善其路面吸声减噪性能。 但是高强度和低弹性模量是相互矛盾的，一般情况下水泥基材料强度的提高 伴随着脆性增大的趋势，于是相应的弹性模量也高，这是因为水泥基材料的强 度越高，说明水泥石的密实度也相应提高，从而抵抗变形的能力就增强了，这 就要求综合考虑这两个力学性能，从而获得最佳的柔性指标。 要满足柔性砂浆、混凝土低弹性模量的要求，可选用弹性模量低的骨料。 而橡胶粉是重复单元( 链节) 构成的长链分子，分子链柔软其链段有高度的活 动性，所以其弹性特别好。故橡胶粉是制备柔性水泥基材料非常好的选择。 尽管橡胶粉制成砂浆、混凝土有许多优点，但是橡胶粉砂浆、混凝土的研 究还存在许多不足，如t 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 在橡胶粉改性水泥砂浆的研究中，橡胶粉对砂浆某些性能改善的相关 作用机理尚缺乏深入研究。 ( 2 ) 橡胶粉改性水泥基材料微细观结构方面的研究仍然是个难题。针对橡 胶粉与水泥石间薄弱界面的研究理论还很少。 ( 3 ) 橡胶粉改性水泥基材料的研究仍缺乏系统性。作为一种特殊的水泥基 材料，柔性砂浆、混凝土是集工作性能、力学性能、耐久性能等诸多性能为一 体的水泥基复合材料。柔性砂浆、混凝土的各项性能之间既是相互联系又是相 互制约的，要实现各种性能之间的协调统一，具有较大的技术难度。 ( 4 ) 橡胶粉改性水泥砂浆虽然具有良好的柔韧性，但抗压强度普遍偏低， 不能广泛应用于公路建设，需要进一步研究，在保证柔韧性前提下，提高砂浆 抗压强度的柔性水泥砂浆。 1 5 本研究的目的和意义 沥青混凝土和水泥混凝土是目前广泛应用的两种路面材料。由于沥青混凝 土是可燃物质，一旦发生火灾会产生大量有毒烟雾，对人员造成重大危害。沥 青混凝土路面在施工时产生的有害气体也会对环境造成污染，对人员健康产生 不良影响。此外，由于沥青混凝土水稳定性差，容易发生路面水害；水泥混凝 土虽然可以解决隧道防火和水害问题，但由于材料弹性模量高、路面接缝多， 车辆振动较大，缺乏缓冲减振效果，导致路面行车舒适度明显下降。水泥混凝 土路面缺乏吸声降噪表面，在高速行车时不可避免地产生很大的噪音。因此， 研制并开发一种新型隧道路面材料已成为公路建设者函待解决的重大课题，刻 不容缓。 使用水泥混凝土路面带来的路面行车舒适度的明显下降。一方面是由于水 泥混凝土材料弹性模量高，缺乏沥青混凝土柔性路面的缓冲减振效果；另一方 面是由于路面接缝多，引起的车辆振动较大。归根到底是因为水泥混凝土的脆 性本质特征_ 冈0 度大而韧性差且易于收缩开裂造成的，成为水泥混凝土工程应用 中的突出问题。本项研究致力于水泥混凝土的复合改性技术，探求降低混凝土 弹性模量、提高其弯拉变形能力、改善其吸声降噪性能的途径，开发具有低弹 性模量高韧性特点的柔性水泥混凝土。使之既保持普通水泥混凝土路面在强度、 耐久性、防火及防水方面的优点，又能兼备良好的行车舒适性。 近年来，废弃橡胶粉应用于水泥砂浆、混凝土中的研究受到广大研究人员 的关注，尤其是利用废弃橡胶粉掺入水泥基材料中制备柔性砂浆、混凝土，一 7 武汉理工大学硕士学位论文 方面，改善了砂浆、混凝土的性能，满足隧道路面各方面要求；另一方面，对 废弃橡胶粉再生利用，即符合环保的要求，又节约了成本，可谓一举两得。目 前，橡胶粉砂浆虽然具有优越的柔韧性，但是抗压强度低，限制了它在路面工 程中的应用。 因此，研究和制备一种具有低弹性模量、高韧性特点的柔性水泥路面材料， 具有广泛的应用前景。 1 6 本文主要研究目标和内容 本研究的最终目标是提出能够同时满足公路隧道路面强度、耐久性、舒适 性的具有低弹模、高韧性特点的柔性水泥路面材料，围绕这一目标，就材料配 比、施工工艺的一系列关键性问题进行研究并提出解决方案。 为此，所需要研究的主要内容包括： 1 、柔性水泥路面材料的制备技术研究 柔性水泥路面材料的关键性问题是加大极限张拉应变、提高韧性，为了路 面应用的需要降低弹性模量，同时还要保证足够的强度。通过正交试验提出低 弹模高韧性柔性水泥路面材料的制备技术，包括各种掺和料、外加剂的选择方 案与配制方法。 2 、柔性水泥路面材料的物理力学性能和路用性能研究 修筑公路面层所用的路面材料，受到动荷载的冲击、摩擦和反复弯曲作用， 同时还受到温度和湿度反复变化的影响。因此必须具有较高的抗弯拉强度、较 低的弹性模量、良好的动力性能和耐久性能。本课题运用对比试验，研究柔性 水泥路面材料的强度、柔韧性、耐久性及干缩等性能。 3 、柔性水泥路面材料的改性机理研究 通过研究集料一水泥基体界面、橡胶粉一水泥基体界面和聚合物一水泥基 体显微结构，揭示界面显微结构特征与柔性水泥路面材料的性能之间的关系， 随后结合微观结构对柔性水泥路面材料的改性、增韧机理进行了讨论。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章实验原料及实验方法 2 1 试验原材料优选及技术指标测试方法 2 1 1 水泥 采用湖北亚东有限公司生产的p o4 2 5 级普通硅酸盐水泥。水泥的全化学分 析见表2 1 。按照水泥细度检验方法( 8 0 1 t m 筛筛析法) ( g b t 1 3 4 5 2 0 0 5 ) 、 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法( g b 厂r 1 3 4 6 2 0 0 1 ) 、水 泥胶砂强度检验方法( i s o 法) ( g b 厂r 1 7 6 7 1 1 9 9 9 ) 及水泥化学分析方法 ( g b l 7 6 1 9 9 6 ) 中的试验方法进行物理力学性能试验，结果见表2 2 。 表2 1水泥的全化学分析( ) 标准 9 5 0 规定 检测 3 4 0 结果 1 0 0 ：4 5 10 ：0 03 56 516 04 2 5 4 23 90 5 82 - 4 83 ：4 06 28 93 1 54 9 1 2 1 2 集料 普通砂浆集料一般用的都是砂，为了配置柔性水泥砂浆，降低弹性模量，部 分试验采用橡胶粉取代部分砂的方案。 9 武汉理工大学硕士学位论文 轮胎橡胶粉胶粉是由废旧橡胶粉轮胎破碎而成的不溶、不熔的交联聚合物， 具有一定的弹性、强度、耐磨性和抗滑性。橡胶粉因其链节中无大的取代基团， 有利于链段运动，故容易形变而且伸长率大，表现出柔软。由于胶粉具有上述 特点，能够填充空隙，使得其用于增韧砂浆成为可能。 橡胶粉一般采用废旧轮胎常温粉碎法加工而成。其粉碎原理是通过机械对 橡胶粉施加挤压、碾磨、剪切、撤拉等多重物理作用力，以此将橡胶粉剪断并 压碎。常温粉碎法生产的胶粉具有表面积较大、表面凸凹不平、毛刺较多等特 点【3 2 1 。由于上述特点，橡胶粉有利于与水泥浆的结合状况，使橡胶粉在砂浆中 能发挥出纤维的作用。 ( 1 ) 河沙，细度模数为2 2 3 ，属中砂。堆积密度为1 5 6 0k g m 3 ，表观密度 为2 6 4 0 k g m 3 含泥量 9 5 折光率 1 4 3 9 0 - 士- 0 0 0 0 5 沸点 1 6 0 1 6 2 0 4 k p a 闪点( p ) 1 7 0 。c 0 1 k p 2 2 试验设计与实验方法 2 2 1 实验设计 羧基丁苯乳液按聚灰比( p c ) 分别为4 、8 、1 2 、1 6 、2 0 ( 聚灰比： 聚合物乳液固体含量的质量与水泥质量的比) ；聚乙烯醇分别按水泥质量的2 、 3 5 、5 ；胶砂比1 ：3 ；消泡剂添加量为聚合物乳液固含量的1 ；聚羧酸减 水剂加入量为水泥质量的0 8 ；聚丙烯纤维分别以聚合物改性砂浆体积率的 0 5 、1 o 、1 5 加入。 控制砂浆流动度来调节水灰比( w c ) ，胶结料流动度采用跳桌流动度测定 法，具体操作参照g b t2 4 1 9 1 9 9 4 水泥胶砂流动度测定方法进行，由流动 度可以得出各种配合比改性砂浆的水灰比。流动度值按基准水泥胶砂试件 1 7 0 - 士5 m m 计。基准水泥胶砂试件按g b l 3 4 4 1 9 9 9 水泥胶砂试验成型方法来 成型。 2 2 2 试验仪器与设备 1 检测设备：抗折实验机，3 0 t 液压式万能材料实验机，n l d 一2 型水泥胶 砂流动度测定仪，万能微机电子试验机，砂浆稠度仪，s j s 1 5 砂浆抗渗仪，砂 浆收缩仪，t m s - 4 0 0 型水泥胶砂耐磨试验机。 2 成型设备：砂浆搅拌机，胶砂振动台。 2 2 3 养护制度 试验试件养护制度均采用，标准养护1d 脱模，然后放于标准养护箱内养护。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 4 基本性能试验 1 、抗折、抗压强度试验 参照g b t 1 7 6 7 1 1 9 9 9 水泥胶砂强度检验方法，将成型并养护_ 定龄期 的试件先在抗折试验机上进行抗折强度测试，然后在全自动压力试验机上进行 抗压强度测试。试件尺寸均为4 0 m m x 4 0 m m x l 6 0 m m 。 2 、弹性模量试验 材料的刚度一般由弹性模量来表征。抗压弹性模量参照钢丝网用水泥砂 浆力学性能实验方法静力受压模量实验g b 7 8 9 7 6 9 0 ，试件采用 4 0 m m x 4 0 m m x l 6 0 r a m 棱柱形试件，每组试件6 个，其中3 个用于测定轴心抗压 强度。养护至2 8 天龄期后，进行抗压弹性模量试验。试验时，取立方体抗压强 度的0 8 5 - 4 ) 9 5 倍，近似为轴心抗压强度r a ，并取0 4 r a 作为抗压弹性模量试验 的加荷标准。取3 根试件，在其两侧( 成型时两侧面) 划出中线，标出标距l ， l = 1 5 0 m m ，装上弹模仪，并置于压力机受压面上，以0 2 0 3 m p a s 的速度连续 而均匀的加荷到p a ( p a = 0 4 r a a ，a 为受压面截面面积) ，然后以同样的速度卸荷 到零，反复预压三次。保证两侧千分表运转正常，并且两侧千分表变形之差不 得大于变形平均值的1 5 。按试验读数计算试件的抗压弹性模量。 抗折弹性模量采用三点弯曲法测定，参照水泥混凝土抗弯拉弹性模量的试 验方法，试验的试件尺寸为4 0 m m x4 0 m i n x l 6 0 r a m ，每组为同龄期、同条件制作 的试件6 条，其中3 条用于抗弯拉强度，以提出抗弯拉弹性模量试验的加荷标 准，另3 根则用作抗折弹性模量试验，取抗弯拉极限荷载平均值的5 0 为抗折 弹性模量试验的荷载标准进行5 次加卸荷载循环。试验在1 0 t 微机电子万能试 验机上进行，读取试验数据，取3 次抗弯弹模的平均值。 3 、干缩试验 参照j c t 6 0 3 1 9 9 5 水泥胶砂干缩试验方法。试件规格采用 2 0 m m x 2 0 m m x 2 8 0 m m ，且两端带钉头。成型后养护一天后拆模，然后将试件放 在( 2 0 a ：1 ) 、湿度为9 5 的养护箱内养护2d ，即在收缩仪上测其初始长度为 k ，然后养护到相应龄期时测量试件的长度。干缩收缩率按下式计算： s t1 1 ( l f l o ) l x l 0 0 ( 2 1 ) 式中：s 。某龄期的干缩收缩率；l t 某龄期的试件长度测量值 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( m m ) ：l o 试件的初始长度( m m ) ；i _ 式件的有效长度( 2 5 0 m m ) 。 4 、耐久性试验 ( 1 ) 抗渗性能试验 参照公路工程水泥混凝土试验规程j t j 0 5 3 9 4 在上口直径为7 0 m m ， 下口直径为8 0 m m ，高度为3 0 m r n 的试模中成型试样。将试件放进标准养护箱( 2 0 ，相对湿度9 5 ) 养护2 8d 后脱模，安装在抗渗仪上，起始水压为o 1 m p a ，每 隔1h 增加水压o 1 m p a ，当逐级加压到1 0 m p a 时恒压6h ，若所有试样均没有 出现渗水现象，将试件沿纵向劈开后测其渗透高度，用相对渗透系数评定砂浆 的抗渗性。按照下式计算试样的相对渗透系数： s k = w d n 2 2 t( 2 2 ) 式中：s k _ 相对渗透系数( r a m h ) , d n - 一渗透高度( m m ) ； m 压时间( 6h ) ； w 砂浆的吸水率( o 0 3 ) ( 2 ) 耐磨性试验 水泥砂浆耐磨性试验参照j c t4 2 1 1 9 9 1 水泥胶砂耐磨性试验方法进行。 试验步骤如下： 耐磨性砂浆试件尺寸为1 5 0 m m x l 5 0 m m x 3 0 m m ，试件的制备过程与强度试 验标准试件相同，成型过程中，直接将砂浆均匀装入试模内，接通振动台电源， 振动约1 0s 时，开始用小刀插划砂浆，横划1 4 次，竖划1 4 次，另外在试件的 四角分别插捣1 0 次，整个插捣动作在9 0s 内完成，振动1 2 0s 后，自动停车。 将试模放入养护箱内养护4h 后取出刮平，编号，再放回养护箱内养护2 4h ( 以 加水的时间算起) 后脱模，脱模后，在2 0 的水里养护2 7d 后取出放在空气中自 然干燥2 4h ，然后在6 0 的温度下干燥4h ，自然冷却到室温。 取经干燥处理后的试件，将刮平面朝下，放在耐磨性实验机的水平转盘上， 作好定位标记，并用夹具轻轻紧固，先在2 0 0 n 的负荷下预磨3 0 转，取下试件 扫净粉末称量，该质量作为试件的原始质量g l ，然后再将试件放回到水平转盘 上原来位置上固紧，整个磨损过程中将吸尘器对准试件磨损面，使磨下的粉尘 及时从磨损面吸走。 花轮磨头与水平转盘作相反转动，磨头沿试件表面环形轨道磨削，使试件表 面磨出一个内径3 0 m m ，外径约1 3 0 m m 的环形磨损面。4 0 转后取下扫净称量， 该质量为磨损后的质量。耐磨性按试件上单位面积的磨损量来表示。按g = - 武汉理工大学硕士学位论文 ( 9 1 9 2 ) 0 0 1 2 5 来计算。精确到o 0 1k g m 2 ( 3 ) 耐腐蚀试验 试验依据普通水泥砂浆的化学侵蚀试验和评价方法，对砂浆的耐久性进行化 学侵蚀试验。参照g b 7 4 9 6 5 ，采用养护一个月后4 0 x 4 0 x 1 6 0 ( m m ) 试件。侵蚀性 溶液选择浓度为5 的n a 2 s 0 4 、5 的h 2 s 0 4 和3 5 的h c i 溶液。 采用常温全浸法浸泡，在3 0d 、6 0d 、9 0d 更换溶液；为使介质与试件充 分接触，试件之间应相互隔开，液面至少高出试块l - - - 2 c r n ；浸泡龄期取3 0d 、 6 0d 、9 0d 、1 2 0d ，其中3 0d 、6 0 d 、9 0d 的龄期可以只检查试件的外观变化， 不作强度测定；1 2 0d 龄期应测试出试件的外观变化、强度变化。 其中试验结果以试件的抗折抗蚀系数k 和抗压抗蚀系数k 表示；抗折抗蚀 系数k 为相同龄期浸泡在侵蚀介质中的试块与浸泡在清水中的试块的抗折强度 之比。抗压抗蚀系数k 为相同龄期浸泡在侵蚀介质中的试块与浸泡在清水中的 试块的抗压强度之比，以抗折抗蚀系数k 为主要参考指标。我国国标g b 7 4 9 6 5 规定，以侵蚀溶液中和自来水中浸泡的同龄期水泥砂浆试件