（材料学专业论文）水镁石纤维路面混凝土公路工程应用研究.pdf

摘要 水泥混凝土路面是高级路面的重要结构形式。与沥青路面相比，水泥混凝土路面 具有寿命长、养护工作量较小、能源消耗少、施工简便以及对交通等级和环境适应性强 等优点。但是由于各种原因，我国早期修建的水泥混凝土路面使用状况不佳，使用寿命 大大低于设计使用年限。尤其在一些重要交通干道上，水泥混凝土路面早期破损较为严 重，往往通车2 - 5 年左右就产生断板、断角和碎裂等结构性损坏。造成水泥混凝土路 面损坏的原因是多方面的，其中最主要的原因之一是与水泥混凝土材料的脆性有关。在 混凝土中掺入一定比例的纤维，即纤维混凝土，是改善混凝土脆性的重要手段之一。 本文利用水镁石纤维掺加到水泥混凝土中，制备出一种新型混凝土路面材料，并设 计合适的水镁石纤维混凝土路面配合比，使之更好的应用于路面工程。系统研究了水镁 石纤维混凝土材料性能及影响因素，通过室内试验，对水镁石纤维混凝土配合比设计进 行研究。在实验室研究的基础上，根据水泥混凝土路面材料配合比设计规范，进行工地 实验室试配，确定了工程配合比。最后根据现场原料性能，进行了工程配合比换算，并 根据施工技术规范进行试验路面的铺设。 室内试验研究结果表明掺矿粉水镁石纤维混凝土可提高混凝土的抗弯拉强度。在纤 维膏用量与水灰比大小之间有高度显著的负线性相关性，与坍落度之间也有显著的线性 关系。纤维膏用量增大时，用水量下降，坍落度增大。水泥及纤维膏用量与水镁石纤维 混凝土抗压强度之间存在显著的线性相关性。水泥及纤维膏用量越高，混凝土抗压强度 越高。坍落度与水镁石纤维水泥混凝土的抗弯拉强度也有高度显著的线性关系，混凝土 的强度随着坍落度的增加而增大。 铺设路应用研究结果表明：铜j i l 农村公路试验段降低了水泥标号，采用低标号的 p c 3 2 5 水泥；水泥用量降低到1 8 6 k g m 3 ，凝胶材料总用量仅为3 0 5 k g m 3 ，较之普通农 村公路水泥用量3 8 0 k g m 3 大幅度降低。混凝土施工及力学性能满足设计要求，抗折强 度达到5 0 m p a 以上；混凝土成本降低，较之普通农村公路每方混凝土成本降低5 1o 元。 青蓝线高速公路试验段水泥标号由小康线的5 2 5 号下降为4 2 5 号，水泥用量由小康线 的3 8 7 k g 减少为3 6 7 k g ；纤维用量由1 5 6 进一步减少为1 4 7 k g ；混凝土强度进一步提 高，2 8 d 抗弯拉强度达到近1 0 m p a ；材料成本进一下降低，达到每方混凝土约3 5 3 元， 不足钢纤维的3 3 3 。 通过与普通水泥混凝土路用性能对比试验及经济性分析，得出结论：水镁石纤维混 凝土较普通水泥混凝土在抗弯拉强度提高的同时降低了刚度，韧性上升，耐疲劳与抗冲 击等动力学性能明显改善，抗冻、抗渗、耐磨、抗腐蚀等性能均有一定幅度提高。由于 纤维膏的制备，简化了纤维混凝土的施工工艺，水镁石纤维混凝土施工与普通水泥混凝 土路面施工工艺基本相同，经路面工程铺设试验，应用效果良好。从经济成本的角度分 析，水镁石纤维混凝土路面造价略高于普通水泥混凝土路面，每立方米相当于普通混凝 土路面的1 0 2 倍，但其性能价格比却是普通混凝土路面的1 4 2 倍，表明水镁石纤维混 凝土路面具有很好的经济性和应用前景。 关键词：水镁石纤维；水泥混凝土；材料配合比；农村公路；高速公路；路面工程 a b s t r a e t c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti sa l li m p o r t a n ts t r u c n i r ef o r mo f h i g h w a y c o m p a r e dw i t h a s p h a l tp a v e m e n t ，c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n th a st h ea d v a n t a g e so fl o n gs e r v i c el i f e ，l e s s m a i n t e n a n c ew o r k l o a d ，l e s se n e r g yc o n s u m p t i o n ，e a s yt oc o n s t r u c ta n de a s yt o a d o p tt h e t r a f f i cr a n ka n dt h ee n v i r o n m e n t ，e t c b u td u et ov a r i o u sr e a s o n s ，t h eu s i n gs i t u a t i o no f c h i n a se a r l yb u i l tc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tw a sn o tw e l l ，i t ss e r v i c el i f ew a sg r e a t l yl o w e r t h a nt h el i m i to ft h ed e s i g n e du s i n gy e a r s e s p e c i a l l yi ns o m ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t s w i t hh e a v yt r a f f i c sd a m a g e ds e r i o u s l yi nt h ee a r l yy e a r s ，o f t e ns e r i o u s l yd a m a g e di n2 5 y e a r sa f t e rb e g i n n i n gt h et r a f f i ca n dp r o d u c et h es t r u c t u r a ld a m a g eo fb r o k e nb o a r d ，b r o k e n h o r na n ds h a t t e r s ，e t c t h ed a m a g eo ft h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta r ec a u s e db ym a n y r e a s o n s ，o n eo ft h em a i nc a u s e si st h eb r i t t l e n e s so ft h ec o n c r e t em a t e r i a l a d d i n gc e r t a i n p r o p o r t i o nf i b e ri n t oc o n c r e t e ，n a m e l yf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，i sa l li m p o r t a n tm e a s u r et o i m p r o v et h eb r i t t l eo fc o n c r e t e t h ep a p e ru s i n gb r u c i t ef i b e rm i x i n gi n t oc e m e n tc o n c r e t e ，a san e wk i n do fc o n c r e t e p a v e m e n tm a t e r i a l s ，d e s i g na p p r o p r i a t eb r u c i t ef i b e rm i x i n gp r o p o r t i o ni n t oc o n c r e t e p a v e m e n t ，a n dm a k ei tb e t t e ra p p l i e di nt h eu s a g eo f r o a dc o n s t r u c t i o n i tr e s e a r c h e ss y s t e m o nt h ep r o p e r t i e sa n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h eb r u c i t ef i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t em a t e r i a l ， a n dt h r o u g ht h ei n d o o rl a b o r a t o r yt e s t ，t h ep r o p o r t i o nd e s i g no fb r u c i t ef i b e rr e i n f o r c e d c o n c r e t ew e r es t u d i e d o nt h eb a s eo fl a b o r a t o r ys t u d i e s ，a n da c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d p r o p o r t i o n i n gd e s i g no fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tm a t e r i a l s ，c a l t yo u tt h es i t el a bt e s ta n d i n t r o d u c et h ee n g i n e e r i n gm i x t u r e ，f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h es c e n e m a t e r i a l ， g oo nt h ec o n v e r s i o no fe n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n ，a n da c c o r d i n gt ot h ec o n s t r u c t i o n a l t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sp a v et h et e s tp a v e m e n t t h ei n d o o rl a bt e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tm i n e r a la d m i x t u r eb r u c i t ef i b e rr e i n f o r c e d c o n c r e t ec a ni m p r o v et h ef l e x u r a lt e n s i l es t r e n g t ho fc o n c r e t e b e t w e e nt h ed o s a g eo ff i b e r c r e a ma n dw a t e r - c e m e n tr a t i ot h e r ea r et h eh i g h l ys i g n i f i c a n tn e g a t i v ec o r r e l a t i o nr e l a t i o n s h i p a n dh a v es i g n i f i c a n tl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed o s a g eo ff i b e rc r e a ma n ds l u m p w h e n t h ed o s a g eo ff i b e rc r e a mi n c r e a s e s ，t h ew a t e rd e c r e a s e s ，a n dt h es l u m pi n c r e a s e s b e t w e e n t h ed o s a g eo fc e m e n ta n df i b e rc r e a ma n dt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fb r u c i t ef i b e rr e i n f o r c e d i i i c o n c r e t et h e r ea r et h er e m a r k a b l el i n e a rr e l a t i o n s h i p w h e nt h ed o s a g eo fc e m e n ta n df i b e r c r e a mi n c r e a s e s ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fc o n c r e t ea l s oi n c r e a s e sw h e nt h es l u m pi n c r e a s e s t h e r ea r ea l s oh i g h l ys i g n i f i c a n tl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns l u m pa n dt h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t ho fb r u c i t e f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，t h es t r e n g t ho fc o n c r e t ei n c r e a s e sw h e nt h e s l u m pi n c r e a s e s r e s e a r c ho nl a y i n go fr o a ds h o wt h a t ：t h et e s ts e c t i o no ft o n g c h u a nr u r a lh i g h w a yf a l l t h ec e m e n tg r a d e ，u s i n gt h el o wg r a d eo fp c 3 2 5c e m e n t ；t h ec o n s u m p t i o no fc e m e n td o w nt o 18 6 k g m 3 ，t h et o t a la m o u n to fg e lm a t e r i a lh a so n l y3 0 5 k g m ，t h a ti ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d c o m p a r e dw i t ho r d i n a r yr u r a lr o a d sa m o u n to fc e m e n t38 0 k g m t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fc o n c r e t ec o n s t r u c t i o nf i ut h eo r d e ro fd e s i g n ，f l e x u r a ls t r e n g t ho f5 0 m p ao rm o r e ；c o n c r e t e c o s tr e d u c t i o n ，a sc o m p a r e dw i t ho r d i n a r yr u r a lr o a d sr e d u c i n gt h ec o s tp e rs q u a r ec o n c r e t e 5 10d o l l a r s t h et e s ts e c t i o no fb l u el i n eh i g h w a yf a l lt h ec e m e n tg r a d e5 2 5b yt h eo f f - l i n e n u m b e rd r o p p e dt o4 2 5n u m b e r , c e m e n tc o n s u m p t i o nd e c r e a s e db yt h ew e l l o f fl i n e3 8 7 k gt o 3 6 7 k g ；f i b e rc o n t e n tf u r t h e rr e d u c e df r o m15 6 k gt o1 4 7 k g ；f u r t h e ri m p r o v et h es t r e n g t ho f c o n c r e t e ，2 8 df l e x u r a li n t e n s i t yn e a r l y10 m p a ；t h ec o s to fm a t e r i a lf a l ll o w e r , t oa b o u t3 5 3 y u a np e rs q u a r ec o n c r e t el e s st h a n33 3 o fs t e e lf i b e r s t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nw i t ho r d i n a r yc e m e n tc o n c r e t et e s ta n de c o n o m ya n a l y s i s ，t h e c o n c l u s i o n ：c o m p a r e dw i t ho r d i n a r yc e m e n tc o n c r e t e ，b r u c i t ef i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t e i n c r e a s et h ef l e x u r a lt e n s i l es t r e n g t ha n dr e d u c et h er i g i d i t y , i n c r e a s et h et o u g h n e s s ，i m p r o v e t h e f a t i g u er e s i s t a n c ea n d ，i m p a c tr e s i s t a n t ，t h ep r o p e r t i e s o fr e s i s t a n t f r o s t ，a n t i s e e p ， w e a r - r e s i s t i n g ，c o r r o s i o nr e s i s t a n ta r e a l s oi m p r o v e di n c e r t a i na m p l i t u d e b e c a u s eo ft h e p r e p a r a t i o no ff i b e rc r e a ms i m p l i f i e dt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so f t h ef i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ， t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so ft h ep a v e m e n tb e t w e e nb r u c i t ef i b e rc o n c r e t ea n dt h eo r d i n a r y c e m e n tc o n c r e t ea r ea l m o s tt h es a m e ，a f t e rt h ep a v e m e n te n g i e e r i n gt e s t ，t h ea p p l i c a t i o ni s g o o d f r o mt h ea n g l eo fe c o n o m i ca n a l y s i s ，b r u c i t ef i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ep a v e m e n tc o s t s l i 曲t l yh i g h e rt h a nc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，t h ea v e r a g e c o s tp e rc u b i cm e t e r so fi ti sa b o u t 1 0 2t i m e so ft h ee q u i v a l e n to fc o m m o nc o n c r e t ep a v e m e n t ，b u ti t sp e r f o r m a n c ei s1 4 2t i m e s o fc o n c r e t ep a v e m e n t i ts h o w st h a tb r u c i t ef i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ep a v e m e n th a sv e r yg o o d e c o n o m i c a la n da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y - w o r d s ：b r u c i t ef i b e r , c o n c r e t e ，r u r a lr o a d ，h i g h w a y , p a v e m e n te n g i n e e r i n g i v 长安大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 与沥青混合料路面相比，水泥混凝土路面作为一种高级路面的重要结构形式，具有 强度高、耐久性好、低能耗、施工工艺简单、养护维修费用少以及色泽鲜明，反光力强， 对夜间行车有利等特点。作为世界范围应用广泛的水泥混凝土路面，已经具有长期的应 用历史。我国水泥混凝土路面起步较晚。1 9 7 0 年全国公路水泥混凝土路面的里程仅为 2 0 0 k m ，占高级和次高级路面总里程的0 9 ；至1 9 8 0 年，混凝土路面的里程为1 6 0 0 k m ， 约占高级和次高级路面里程的1 0 。从2 0 世纪8 0 年代以来，我国水泥混凝土路面得到迅 猛发展。1 9 9 0 年水泥混凝土路面总里程达到11 3 7 3 k m ，占高级与次高级路面总里程的4 4 ；至2 0 0 0 年，水泥混凝土路面总路程达到l1 5 7 5 4 k m ，占高级和次高级路面总里程的4 6 2 。3 0 年的时间，水泥混凝土路面所占百分比增长了5 1 倍。近年来，水泥混凝土路面的 发展速度更为迅猛，2 0 0 2 年水泥混凝土路面总里程达到1 6 7 5 1 7 l ( i i l ，占高级和次高级路面 的5 8 0 ；2 0 0 4 年，水泥混凝土路面总里程达到2 5 7 1 2 5 l ( n 1 ，占高级和次高级路面的5 8 2 o a t l l 。 由于石油资源的紧缺和价格上涨，沥青价格也在上涨，使沥青路面的成本造价大大 增加。与此相比，水泥价格则维持变化不大。我国是世界上水泥产量最大的国家，连续 多年，我国的水泥产量持续保持世界第一。我国水泥资源丰富，水泥混凝土路面的发展 在我国具有较好的资源条件。由于我国资源和能源的限制和制约，加快水泥混凝土路面 的发展和技术进步是我国公路建设的客观需求，也是促进我国能源大发展的重要战略措 施【2 】。 由于人为和客观因素的影响，我国早期修建的水泥混凝土路面实际使用状况较预计 使用状况有较大出入。尤其是使用年限与设计使用年限差距较大，在一些荷载较重的交 通干道上早期水泥混凝土路面的破坏非常严重，通车5 年左右就产生唧泥，面板局部破 碎、断裂，坑洞，裂缝，接缝损坏，错台等损坏【3 】。也就是说，目前很多水泥混凝土路 面不但无法体现出使用耐久性好、维修养护费用较少等特点，反而使水泥混凝土路面维 修困难的弱点进一步凸现，造成一些省市地区限制水泥混凝土路面在干线公路中的应 用。 造成水泥混凝土路面损坏的原因是多方面的，其中最主要的原因之一与水泥混凝土 第一章绪论 材料的脆性有关。 水泥混凝土是一种非均质、多缺陷、抗拉强度低，难塑变的脆性材料【5 】。尤其是高 强混凝土和高标号高性能混凝土，脆性更大。容易在拉伸、弯曲、冲击等载荷的作用下 破坏1 6 1 。 道路水泥混凝土是一种应用条件更为苛刻的混凝土材料。与普通水泥混凝土材料相 比，道路水泥混凝土在应用中不仅同样要受到气温变化、风吹日晒、雨雪冻融等自然环 境以及静载荷的考验，而且更多的是工作在动载荷的条件下。因此经常受到冲击、振动、 摩擦、过载、以及循环不已的载荷引起的疲劳应力，同时还要经受路面及地基的温度差 及地基稳定性产生的变形、夏天的高温路面经暴雨冷却引起温度应力、冬天的冻融伸缩 以及雨雪的侵蚀等条件的考验。为了提高强度和耐磨性，道路混凝土一般采用高标号水 泥，因此脆性是其破坏的主要原因。当道路水泥混凝土受到弯曲载荷作用时，在受拉的部 位就容易萌生裂纹。由于混凝土难以抑制裂纹的扩展，一旦有裂纹产生，就容易导致脆 性断裂，使道路的使用寿命比设计时的预期值大大缩短f 7 1 。 由于水泥混凝土的固有弱点是因脆性而容易产生裂缝。自从有水泥混凝土以来，裂 缝问题一直困扰着人们。高强混凝土的抗拉强度与抗压强度之比仅为6 。当混凝土结 构受弯，荷载达到破坏荷载的1 5 - - 2 0 时就开始产生裂缝，随着裂缝扩展会造成路面 结构抗渗性能等的降低，从而导致使用寿命缩短，因此，混凝土韧性的提高显得十分重 要。 大量研究表明，在水泥混凝土中添加纤维可以有效改善混凝土韧性。因此，纤维增 强水泥混凝土是改善水泥混凝土路面材料韧性的重要措施之一【9 1 。因此，以纤维增强道 路水泥混凝土，对于提高道路的力学性能很有必要。 1 2 课题提出及研究意义 本课题拟以价格低廉的天然矿物纤维水镁石纤维作为道路水泥混凝土的增强材 料，把其加入到混凝土中，在承载时与混凝土基体发生脱粘、拔出、桥接、载荷传递等 作用，提高混凝土吸收荷载能量的能力，能够有效阻止由于外部荷载作用或混凝土自身微 裂纹的产生与发展，提高混凝土的疲劳循环次数及抗冲击性等动力学性能，增大混凝土 的韧性 1 0 , 11 , 1 2 】。 水镁石纤维作为我国特有的特色矿产资源和独特的工业矿物，具有较好的抗拉强 度、韧性，并且与水泥结合强度和相容程度较好，将水镁石纤维作为一种增强材料加入 2 长安大学硕士学位论文 到路面混凝土中，能代替传统的混凝土增强材料，提高水泥混凝土的性能，对于水泥混 凝土路面材料的发展具有一定的意义1 4 1 5 1 。 1 3 本文研究的主要内容 水镁石纤维路面混凝土研究包括很多方面内容。作为一种在我国应用不多的新型 纤维增强面层材料，应该研究适合于各类路面混凝土的配合比设计方法及其路用性能， 如工作性、力性、耐久性能、疲劳性能等。此外，还应铺筑一定试验路工程，对研究成 果进行对比论证，探讨合适的工艺，并作出必要的经济性分析。因此，本文主要研究内 容如下： 1 水镁石纤维路面混凝土结构及增强机理研究 2 水镁石纤维路面混凝土组成材料优选及其性能研究； 3 适用于农村道路水镁石纤维混凝土配合比设计及公路施工技术研究； 4 适用于高速公路工程水镁石纤维混凝土配合比设计研究； 5 水镁石纤维混凝土路面工程应用对比分析研究； 6 水镁石纤维路面混凝土路用性能及经济性研究； 第二章水镁石纤维路面混凝士组成结构及特性 第二章水镁石纤维路面混凝土组成结构及特性 2 1 水镁石纤维道路混凝土的组成结构 水镁石纤维路面混凝土是由按一定比例拌和的水镁石纤维、水泥、砂子、石子、外 加剂、水6 种材料，经过凝固硬化后制得的带有水镁石纤维网络结构的人工石材，是一 种具有不同性质组分的水泥基多相复合材料( 见图2 1 ) 。 主。 ，、觥影：一 名掰i 耀 图2 1 硬化水镁石纤维混凝土的结构示意图 水镁石纤维的显微照片图2 2 。从照片可看出，产品以长度为2 n u i l 以下的短纤维为 图2 2 水镁石纤维显微照片( x l s ) 水镁石纤维混凝土样磨光面光学显微镜照片见图2 3 ，从照片上观察，混凝土样断 面上肉眼已经分辩不出纤维，与普通混凝土无明显区别。 4 长安大学硕士学位论文 图2 3 水镁石纤维混凝土样磨光面光学显微镜照片 水镁石纤维混凝土断面s e m 照片见图2 4 。从照片上可以看出在混凝土基体中，水 镁石纤维的直径绝大部分达到纳米级。在样品受力断裂时，纤维以拔出为主，以拔断为 辅。纤维在基体中分散程度好，与基料的粘结适中，界面结合较好。这样，有利于对混 凝土的增韧。 图2 4 水镁石纤维混凝土断面s e m 照片( x 8 0 0 0 ) 材料的宏观行为取决于材料的组成和内部结构。水镁石纤维路面混凝土主要使用具 有一定长径比( 即纤维的长度与直径的比值) 的水镁石短纤维，硬化后的组成和结 构有其特点。硬化混凝土由带有纤维网络结构水泥浆体、集料和集料与浆体的界面 第二章水镁石纤维路面混凝土组成结构及特性 过渡区三个主要部分组成。水镁石纤维混凝土的性质取决于上述三个部分各自的性 质及其相互关系以及整体的均匀性。三个部分都很重要，但其中带有水镁石纤维网 络结构的水泥浆体和界面过渡区影响着道路混凝土的弯拉强度和韧性、耐久性等性 质，尤其是水镁石纤维网络结构的性质对水镁石纤维路面混凝土的性质起着决定性 的作用。 2 2 水镁石纤维提高路面混凝土性能的机理 2 2 1 水镁石纤维对混凝土的增强机理 2 2 1 1 纤维增强理论0 7 , 1 8 j 水镁石纤维够改善普通水泥混凝土的韧性及增强作用可以从以下角度去分析。 从图2 5 、图2 6 可以看出，水镁石纤维在混凝土中呈现乱向的分布，并且直径达到 纳米级，且具有很大的长径比。能够有效的抑制水泥水化产生的干缩和温度变化导致温 缩产生的裂缝。并且混凝土基体中的乱向分布的纤维在道路混凝土基体受到载荷时具有 传导能量的能力，使得应力均匀分布，减少应力集中导致裂缝扩张的产生。 图2 5 水镁石纤维基体断面的扫描电镜照片8 ( x1 5 0 0 0 ) b ( x 2 0 0 0 0 ) 翟 长安大学硕士学位论文 图2 6 水镁石纤维对混凝土桥接作用( x2 0 0 0 0 ) 从图2 6 可以看出，当道路混凝土基体受到荷载时，水镁石纤维阻止了基体的裂缝的 迸一步扩展，能有延长道路混凝土破坏的时间，增强其韧性。 ( 8 ) 未知载 来变形 c b ) 加载后开裂 变彤 图2 7 开裂前后纤维受力状态的变化 2 2 2 2 微集料作用【1 9 】 水镁石纤维的微集料效应是指水镁石纤维经减水剂化学劈分过后就象微细的集料 一样，均匀分布于水泥浆体的基相之中。混凝土的硬化过程及其结构和性质的形成，不 仅取决于水泥，而且还取决于微集料。水镁石纤维的微集料效应明显地增强了硬化浆体 的结构强度，水镁石纤维在水泥浆体中分散状态良好，有助于新拌水泥砂浆和硬化砂浆 均匀性的改善，水镁石纤维微集料填充性的作用，也有助于混凝土中孔隙和毛细孔的充 填和细化。 2 3 本章小结 本章主要研究水镁石纤维道路混凝土的材料组成及结构，分析了水镁石纤维混凝土 增强增韧的原因，阐述了水镁石纤维路面混凝土破坏过程，得出以下结论： 1 ) 水镁石纤维路面混凝土是由按一定比例拌和的水镁石纤维、水泥、砂子、石子、外 7 第二章水镁石纤维路面混凝土组成结构及特性 加剂、水6 种材料经过凝固硬化制得的水泥基多相复合材料。 2 ) 通过微观分析和理论研究得出水镁石纤维在基料中分散程度较好，与基料的粘结适 中，在基体受力断裂时，纤维以拔出为主，纤维可以发挥桥接作用和微集料效应，有利 于对混凝土的增韧。 8 长安大学硕士学位论文 第三章水镁石纤维路面混凝土原材料优选及试验方法 在我国公路水泥混凝土路面施工中，原材料性能的好坏严重影响到路面施工的质量 和路面的使用寿命，因此，建设水泥混凝土优质路面必须高度重视所选用原材料的质量。 与普通混凝土相比，水镁石纤维道路混凝土原材料还需使用水镁石纤维。要获得高质量 混凝土，必须从原材料质量入手，选取优质水镁石纤维、水泥、减水剂及集料。为此， 本章研究了水镁石纤维道路混凝土的试验原材料、试验方法及设备。 3 1 原材料的技术性质及优选 在公路水泥混凝土路面施工中，原材料技术性能的优劣直接关系到路面施工的质量 和使用寿命，因此，建设优质水泥混凝土路面必须高度重视所用原材料的质量【2 。 3 1 1 水泥 与普通混凝土相同，道路水泥混凝土由水泥、细集料、粗集料和外加剂等原材料组 成，但由于其用与承载车辆的行驶，道路水泥混凝土对原材料也有与普通水泥混凝土不 同的要求，组成材料的品质对混凝土路面的抗弯拉强度、抗渗性能、疲劳性能等路用性 能具有显著的影响，因此对道路水泥混凝土原材料的优选是非常必要的。 根据现行行业规范要求，道路水泥混凝土选择水泥时考虑的原则有： 选用优质硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。为了加快道路水泥混凝土路面的开放与提 高长期性能，道路水泥混凝土选用早期强度高、耐磨性好、抗冻性好的水泥。道路硅酸 盐水泥、普通硅酸盐水泥等用于特重、重交通等级路面，矿渣硅酸盐水泥可用于中、轻 交通等级路面。在低温地区施工、对通车时间要求较高的路段宜选用r 型早强型水泥。 水泥强度等级根据道路混凝土要求配置强度，耐久性和经济性等因素进行选择【2 2 1 。 不能用低标号的水泥配置高标号强度的道路水泥混凝土，因为水泥标号较低导致水泥用 量需求较大，从而道路混凝土产生的收缩裂缝较多，导致混凝土性能降低。也不能用高 标号水泥制作低标号混凝土，水泥用量的减少会导致道路混凝土和易性能变差，而水泥 用量增加导致成本大幅度增加。根据我国道路交通等级的要求，道路水泥混凝土抗弯拉 强度设计等级为4 0 m p a 到4 5 m p a 时选择水泥等级为3 2 5 ，道路水泥混凝土抗弯拉强度 设计等级为5 0 m p a 到5 5 m p a 时选择水泥等级为4 2 5 t 2 3 1 。 9 第三章水镁石纤维路面混凝土原材料优选及试验方法 根据以上分析，本课题铜川农村公路路面试验段路面混凝土设计强度为4 5 m p a , 因 此，本文选用e c 3 2 5 复合硅酸盐水泥，技术性能见表3 1 。 表3 1e c 3 2 5 水泥技术性能 水泥品凝结时间抗弯拉强度抗压强度比表面积安定标准稠度 种 ( m i n )( m p a ) ( m p a ) ( m 2 k g ) 性 ( ) 初凝终凝3 d2 8 d3 d2 8 d p c 3 2 5 2 2 02 8 54 41 5 13 6 43 o2 7 6 铜川市公路交通试验检测中心测试结果。 青兰线高速公路铁龙湾隧道路面试验段设计强度为5 0 m p a ，因此，本文选用陕西 y b 水泥有限公司p 0 4 2 5 r 普通硅酸盐水泥，技术性能见表3 2 。 表3 2e 0 4 2 5 r 普通硅酸盐水泥技术性能 水泥品凝结时间抗弯拉强度抗压强度比表面积安定标准稠度 种( m i n )( 衅a )( m p a ) ( m 2 k g ) 性( ) 初凝终凝 3 d2 8 d3 d2 8 d p 0 4 2 5 r2 0 02 8 55 57 82 6 14 6 13 6 41 52 8 o 青蓝高速公路q l 2 工地试验室 3 1 2 减水剂 水镁石纤维路面混凝土用高效减水剂需要起到2 个方面的作用，一方面是由于水镁 石纤维的加入导致混凝土流动性等工作性能变差，高效减水剂的加入可以使其达到合适 的粘聚性和坍落度。另一方面是纤维膏中的减水剂对水镁石纤维具有化学劈分作用，使 得水镁石纤维更容易进行分散，从而使水镁石纤维路面混凝土达到最佳的性能。综合以 上2 点，需要对减水剂进行优选。 本课题选取了4 种牌号的氨基磺酸盐减水剂：t c a n a 型，t c a n b 型， t c a m 型，t c a n 一d 型进行减水剂优化选择。 图3 1 是应用不同减水剂后混凝土2 8 d 抗弯拉强度测试结果的柱状图。 1 0 长安大学硕士学位论文 图3 1 减水剂对抗弯拉强度的影响 从图3 1 可知，抗弯拉强度最高的f 5 较最低的f 2 试件2 8 d 高2 1 ，可见减水剂选 择对水镁石纤维混凝土影响较大，本试验确定采用d 型减水剂。 3 1 3 水镁石纤维 参考前期研究成果，本课题选用x 型水镁石纤维。纤维的物理性能指标( f 5 0 0 i 型标准筛筛析) 见下表( 表3 3 ) ： 表3 3 纤维物理性能表 纤维规格+ 1 4 m m 筛余量术+ o 4 m m 筛余量术，砂粒量丰。备注 x 级 4 21 5 图3 2 是不同纤维用量对混凝土2 8 d 抗弯拉强度的影响。 第三章水镁石纤维路面混凝土原材料优选及试验方法 图3 2 纤维掺量对抗弯拉强度的影响 从图3 2 可知：当水镁石纤维用量为4 时，试件的抗弯拉强度达到极大值。相 对于无纤维试件其2 8 d 的抗弯拉强度具有显著的提高，提高了2 5 。本试验中确定水镁 石纤维用量为4 。 3 1 4 粗集料 粗集料的技术要求【2 4 】 根据规范要求，粗集料应使用质地坚硬、耐久、洁净的碎石、碎卵石和卵石，粗集 料的质量指标应符合表3 5 的规定。按照新颁布的国标建筑用卵石、碎石( g b 厂r1 4 6 8 5 ) 规定，根据所配制的混凝土强度等级将粗集料分为三个级别：c 6 0 以上高强混凝土应使 用i 级集料；c 3 0 - c 6 0 中强混凝土使用i i 级；强度等级低于c 3 0 的低强度混凝土使用 级。大量的施工试验表明，当水灰比已经压低到0 4 - - 0 4 4 时，路面混凝土的抗压强 度等级已经达到了c 3 5 - - c 5 0 级，只用三、四级公路面层混凝土抗压强度等级在c 2 5 c 3 5 之间。高速公路、一级公路、二级公路、有抗( 盐) 冻要求的三、四级公路混凝土路面、 贫混凝土( 透水) 基层使用的粗集料级别应不低于i i 级，无抗( 盐) 冻要求的三、四级 公路混凝土路面、碾压混凝土及贫混凝土基层可使用级粗集料【2 5 1 。 1 2 长安大学硕士学位论文 表3 4 碎石、碎卵石和卵石技术指标 项目 技术要求 i 级i i 级 i i i 级 碎石压碎指标( 压碎值) ( ) 1 0 ( 18 3 8 ) 1 5 ( 2 4 5 1 ) 2 0 ( 3 0 6 4 ) 卵石压碎指标( 压碎值) ( ) 12 ( 2 0 3 8 ) 14 ( 2 3 2 8 ) 1 6 ( 2 5 7 4 ) 坚同值( 按质量损失计) 5 8 1 2 针片状颗粒含量( 按质量计) 5 1 5 2 0 含泥量( 按质量计) 0 5 1 0 1 5 泥快含量( 按质量计) 0 o 2 0 5 有机物含量( 比色法) 合格合格合格 硫化物及硫酸盐( s 0 3 质量计) o 5 13 5 0 k g m 3 空隙率t。(na+n2-2)=a v 吃j i _ _ 球t z ：( n a + n 2 - 2 ) 居+ 2y - l 2 则拒绝假设h o ，即认为两个母体平均数无显著差异；若 2 1 第四章水镁石纤维路面混凝土农村公路t 程应用研究 | t z ：( n 1 + n , - 2 ) 居o 1 2 2y 1 则接受h o ，即认为两个母体平均数无显著差异。 平均值的标准误( s em e a n ) ： 度量样本平均值多大精确程度地估计总体平均值，并用于创建总体平均值的置信区 间。s em e a n 值越小，表示对总体平均值的估计越精确。s em e a n 等于样本标准差( s ) 除以样本大小( n ) 的平方根。因此：标准差越大，产生的s em e a n 越大。样本大小越 大产生的s em e a n 越小。s em e a n 估计样本之间的变异性，而标准差则度量单个样本内 的变异。 坍落度： 表4 5 计算结果 n平均值标准差平均值标准误 k s 水泥 36 71 1 56 7 y z 水泥 31 3 31 1 56 7 差值= m u ( k s ) 一m u ( y z ) 差值估计：一6 6 7 差值的9 5 置信区间：( 3 2 8 4 ，1 9 5 1 ) 差值= 0 ( 与) 的t 检验：t 值= - o 7 1p 值= 0 5 1 9 自由度= 4 7 d 抗弯拉强度： 表4 6 计算结果 n 平均值标准差平均值标准误 k s 水泥32 8 6 70 2 0 8 0 1 2 y z 水泥 33 0 0 00 3 4 60 2 0 差值= m u ( k s ) m u ( y z ) 差值估计：o 1 3 3 差值的9 5 置信区间：( - o 8 7 6 ，0 6 0 9 ) 差值= 0 ( 与) 的t 检验：t 值= - o 5 7p 值= o 6 0 8 自由度= 3 长安大学硕士学位论文 表4 7t 值与差异显著性关系表 t p 值差异显著程度 t t ( d f ) 0 01 p 0 0 l 差异非常显著 t t ( d f ) 0 0 5 p 0 0 1 差异显著 t o 0 5 差异不显著 不同水泥对试件性能试验结果的差异分析表4 8 。 表4 8 同水泥对试件性能试验结果的差异分析表 因素p 值 差异显著程度 坍落度 o 5 1 9 差异不显著 7 d 抗弯拉强度0 6 0 8 差异不显著 通过不同水泥牌号对试件性能结果的