（材料学专业论文）面向水利工程的多孔混凝土耐久性的研究.pdf

摘要 摘要 与普通混凝土相比，生态型多孔混凝土具有良好的透水、透气特性，可以大大改善周围 大气环境，营造生物多样性环境，被广泛用于河道护坡工程。生态型多孔混凝土用于河堤护 坡，随着潮涨潮落多孔混凝土长期处于干湿交替的状态，特别是用于寒冷地区时，多孔混凝 土还会遭受到冻融循环的破坏作用。能否确保河堤护坡的长期安全稳定，即生态型多孔混凝 土在冻融、干湿交替的耐久性问题，是当前水利工作者和材料工作者都十分关注的重要问题。 针对上述问题，本文研究了生态型多孔混凝土在冻融、干湿交替作用下的耐久性及作用 机理，研究提高生态型多孔混凝土耐久性的措施，提出适用于生态型多孔混凝土的耐久性试 验方法及相应的评价指标，对确保堤岸护坡的长期安全稳定，推进生态河流的建设有重要的 现实意义。 在多孔混凝土抗冻性能研究中，首要问题是确定合适的试验方法。传统方法借用普通混 凝土冻融试验方法中的“快冻法”和“慢冻法”。多孔混凝土在实际使用环境中，随着冻结 过程的发生，空隙中的大体积水可以向未冻结水中释放，从而缓解结冰压力。在“快冻法” 中多孔混凝土试件四周同时冰封，试件中心空隙中大体积水的冻胀压力无法得到释放，其破 坏程度远大于实际环境中的冻融破坏；在“慢冻法”试验中，冻融过程中无大体积水的结冰 压力作用，也无法正确地反映实际环境中多孔混凝土的冻融破坏。本试验提出一种新的试验 方法一单向快速冻融法，通过试验证明，此方法可有效地缓解空隙中大体积水的结冰压力， 起到模拟实际环境的作用。试验还对多孔混凝士在氯化钠溶液中的抗冻性能进行了研究，结 果表明，多孔混凝土难以承受盐冻破坏的作用，经过数个冻融循环，试件呈崩解状破坏。 在确立抗冻性试验方法的基础上，本试验采用聚合物改性的方法以提高多孔混凝土的抗 冻性能。试验结果表明，聚合物掺入多孔混凝土可有效地提高其力学性能和抗冻性能：掺入 5 的e v a 胶粉时，试件的抗压强度提高了6 0 4 ，抗折强度提高了1 1 1 9 ；掺入丙乳乳 液时，试件的抗冻融性能也得到显著地提高。通过扫描电镜( s e m ) 分析，可知聚合物掺入多 孔混凝土中，在浆体中主要以包裹在水泥水化产物颗粒表面的形式存在，在骨料一浆体的过 渡区中则出现连续网状的聚合物膜结构，聚合物膜的产生可提高骨料一浆体的粘结性能；通 过压汞法分析孔结构试验结果可以看出，聚合物掺入多孔混凝土可以影响浆体的孔径分布， 相比基准试件，抗冻性能较好的试件其浆体中孔径分布集中在孔径较小的范围内，抗冻性能 较差的试件其浆体中孔径分布集中在孔径较大的范围内。聚合物对多孔混凝土抗冻性能的影 响是上述两种作用的综合结果。 本试验还针对多孔混凝土处于干湿交替作用下的耐久性特点，进行了多孔混凝土抗干湿 交替性能研究。研究结果表明，于湿交替可能对多孔混凝土造成破坏；干燥环境中湿度的影 响非常巨大；掺入矿粉、粉煤灰、矿粉与粉煤灰混掺以及减水剂的加入均可以改善多孔混凝 土试件的抗干湿交替性能；在空隙率相同的情况下，骨料粒径对试件抗干湿交替性能的影响 不大。通过测试界面区显微硬度，得出结论，随着干湿交替的进行，骨料一浆体的界面处逐 渐模糊不清；界面显微硬度呈现出先提高后下降的趋势：对于抗于湿交替性能较差的试件， 干湿交替破坏时，浆体中出现贯穿性的宏观裂纹，试件基本失去抗折强度。 关键词：多孔混凝土；冻融试验方法；聚合物改性；抗冻性能；孔结构；干湿交替；干湿交 替试验制度；界面显微硬度 东南大学硕上学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t hn o r m a lc o n c r e t e ，e c o t y p ep o r o u sc o n c r e t ec p o c ) i sn o ww i d e l yu s e di nr i v e r s l o p ep r o j e c tf o ri t sf i n ew a t e r - p a s s 、a i r - p a s sp r o p e r t i e s i tc a ni m p r o v es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t ， b u i l du pt h eb i o l o g yd i v e r s i t y w h e ne c o t y p ep o r o u sc o n c r e t ei su s e di nf i v e rs l o p ep r o j e c t , i tw i l l s u f f e rt h ee f f e c to f w e t - d r yc i r c l ew i t ht h et i d eg o e su pa n dd o w n , e s p e c i a l l yi nc o l dr e g i o ni tw i l l a l s o s u f f e rt h ee f f e c to ff r e e z i n g t h a w i n gc i r c l e i t sv e r yi m p o r t a n tt o i n s u r et h el o n g - t e r m d u r a b i l i t yo f e c o t y p ep o r o u sc o n c r e t e ，s ot h e s ep r o b l e m sc a u s ew i d e l ya t t e n t i o n i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h ed u r a b i l i t yo ff r e e z i n g - t h a w i n gc i r c l ea n dw e t - d r yc i r c l e a n dt h e i rm e c h a n i s m sh a v eb e e ns t u d i e dh e r e , a l s o ，t h em e t h o do fi m p r o v i n gt h e i rd u r a b i l i t ya n d t h ee x p e r i m e n t a le s t i m a t em e t h o da n de s t i m a t ep a r a m e t e rh a v eb e e nr e s e a r c h e d t h e s ew o r kw i l l b eo f g r e a ts i g n i f i c a n c et ot h ec o n s t r u c t i o no f e c o t y p er i v e r f i r s ta n df o r e m o s t ，t h ef r e e z i n g t h a w i n gc i r c l ee s t i m a t em e t h o ds h o u l db ee s t a b l i s h e d f o r m e r l y , t h ee s t i m a t em e t h o df o ro r d i n a r yc o n c r e t eh a sb e e nu s e di ne s t i m a t i n gt h ef r o s t r e s i s t a n c ep r o p e r t y i nt h ef r e e z i n gp r o c e s so fp o cu s e di nr i v e rs l o p ec o n d i t i o n ，i c ef o r m a t i o n p r e s s u r eo f t h eb u l k w a t e ri nt h ei n t e r s p a c eo f p o cc o u l de s c a p ef r o mt h eu n f i - e e z i n gw a t e r , w h i l e i nt h eo r d i n a r ym e t h o di c ef o r m a t i o nw i l lb e g i nf r o ma l la r o u n dt h es p e c i m e na tt h es a l u et i m ea n d i c ef o r m a t i o np r e s s u r eo ft h eb u l kw a t e ri nt h ei n t e r s p a c ec a nn o te s c a p ea n ym o r e ，t h ef r e e z i n g d a m a g ei no r d i n a r ym e t h o dc o n d i t i o ni sm u c hm o r es e r i o u s l yt h a nw h i c hu s e di nf i v e rs l o p e c o n d i t i o n an e wf r e e z i n g - t h a w i n gc i r c l ee s t i m a t em e t h o d - - s i n g l e s i d e dr a p i dm e t h o dh a sb e e n d e s i g n e d t h ee x p e r i m e n tv a l i d a t e st h a tt h i sm e t h o dc o u l de f f e c t i v e l yd i s p e lt h ei c ef o r m a t i o n p r e s s u r eo ft h eb u l kw a t e ri nt h ei n t e r s p a c eo fp o c t h ef r o s tr e s i s t a n c eo fp o ci nt h en a c l s o l u t i o nh a sb e e na l s os t u d i e d , a n dt h er e s u l ts h o w e dt h a tp o cw i l lb r e a k d o w na f t e re v e nl e s st h a n e i g h tf r e e z i n g - t h a w i n gc i r c l ei nt h en a c is o l u t i o n b a s e do nt h en e we s t i m a t em e t h o d ，p o l y m e r - m o d i f i e dp o ch a sb e e nu s e dt oi m p r o v ei t sf r o s t r e s i s t a n c ep r o p e r t y t h er e s u l ts h o w st h a t p o l y m e r - m o d i f i e dp o ch a s b e t t e rm e c h a n i c s p e r f o r m a n c ea n df r o s tr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c et h a no r d i n a r yp o c ：w h e nt h ed o s a g eo fe v a p o w d e ri s5 o f t o t a lc e m e n td o s a g e ，t h ec o m p r e s s i v es 仃e n g t ho fs p e c i m e n si n c r e a s eb y6 0 ，4 ， w h i l e t h e f l e x u r a ls t r e n g t h i n c r e a s eb y1 1 1 9 ：w h i l e t h ed o s a g e o f p a ee m u l s i o n i sl o o f t o t a l c e m e n td o s a g e t h ef r o s tr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c ee n h a n c eo b s e r v a b l y t h er e s u l to fs e ma n a l y s i s s h o wt h a ti nt h ec e m e n tp a s t et h ep o l y m e ra d d e dc o v e r st h es u r f a c eo fc e m e n th y d r a t e sp a r t i c l e w h i l ei nt h ea g g r e g a t e - c e m e n tp a s t ei n t e r f a c et r a n s i t i o nz o n e ( i t z ) t h ep o l y m e rf o r m sac o n t i n u o u s m e m b r a n e ，i tc a nh e l pe n h a n c et h eb o n db e t w e e na g g r e g a t ea n dc e m e n tp a s t e w h e np o l y m e ri s a d d e di n t ot h ep o c i tc a na l s oa c to nt i l ep o r es t r u c t u r eo f t h ep a s t e ，c o m p a r e dw i mn l es t a n d a r d s p e c i m e n ，t h es p e c i m e nw h i c hh a ss m a l l e rp a s t ep o r es i z eg e t sb e t t e rf r o s tr e s i s t a n c ep r o p e r t y t h e m o d i f i c a t i o ne f f e c to f p o l y m e ro c o 1 r sa sar e s u l to f t h e s et w oa c t i v i t i e s t h ew e t - d r yc y c l er e s i s t a n c ep r o p e r t yo fp o ch a sb e e na l s os t u d i e d t h er e s u l ts h o w st h a t t h ew e t - d r yc y c l ec a nd od a m a g et op o c ；t h ei n f l u e n c eo fh u m i d i t yl e v e li sg r e a t e rt h a nt h e t e m p e r a t u r e ；w h e na c t i v ea d d i t i o ni sa d d e d ，i tw i l lg e tb e r e rw e t d r yc y c l er e s i s t a n c ep r o p e r t y t h ee f f e c to fa g g r e g a t es i z et ot h ew e t d r y c y c l er e s i s t a n c ep r o p e r t y i sm i n i m a l t h e m i c r o h a r d n e s st e s tr e s u l ts h o w st h a tt h em i c r o h a r d n e s si ni t zf n s tr i s e st 1 1 e nf a l l sd o w nw i t ht h e w e t - d i yc y c l e ；i ft h es p e c i m e nh a sb a dw e t - d r yc y c l er e s i s t a n c ep r o p e r t y , t h ep e r f o l i a t e m a c r o s c o p i cc r a c k l ew i l la p p e a ri nt h ep a s t e ，t h es p e c i m e nl o s e si t sm e c h a n i c a ls t r e n g t h 摘要 k e y w o r d s ：p o r o u sc o n c r e t e ( p o c ) ；f r e e z i n g - t h a w i n gt e s tm e t h o c l ：p o l y m e rm o d i f i c a t i o n ；f r o s t r e s i s t a n c e ；p o r es t r u c t u r e ；w e t - d r yc y c l e ；w e b d l - yt e s tm e t h o d ；i t zm i c r o h a r d n e s s i l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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。 研究生签名： 期：五螋左：；叶 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一虢卑虹一名：齑弦哆广 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 人类活动对于生态系统造成的不利影响，在生态学上称为胁迫( s t r e s s ) 。水利工程对 河流生态系统造成的胁迫是目前水利工程建设中面临的一个突出问题l i j 。水利工程中的河堤 护岸主要是用来防止水流和波浪对岸坡基土的冲蚀和淘刷作用。随着社会经济的发展，人们 逐渐意识到河堤护岸是河流生态系统的一个组成部分，它是河道水流生态系统向陆地生态系 统过渡的一个通道。河道不仅仅具有防洪、航运等基本功能，还应具有生物栖息地和人文景 观等功能。为了适应这种需要，河道整治工程中的护岸技术也应由原来的以安全为单一目标 逐步向生态型护岸技术转变1 2 j 。常规护岸工程技术主要考虑河道行洪速度、河道冲刷、岸坡 稳定等，环境因素考虑较少；常规护岸工程中采用的硬质化结构，阻碍了河岸带生物栖息地 功能的发挥，使生态系统结构的整体性受到影响，最终导致河流生态系统遭到破坏，继而对 人们的生活质量和身心健康带来不利影响 3 1 。生态型多孔混凝土内部存在许多连续的空隙， 使其具有良好的透水、透气特性，空隙率一般在1 5 2 5 ，适于植物在其表面生长并进 行绿色植被，从而可以大大改善周围大气环境，营造生物多样性环境，具有良好水土保持性 能的混凝土及其制品。此外，生态型多孔混凝土具有一定的力学性能，在日本、欧美等国， 被广泛用于河道护坡工程【4 】。生态型多孔混凝土以其优异的生态效应、环境效应和景观效应 得到了世界各国材料、环境和水利学者的普遍重视。采用生态型多孔混凝土构建的河堤护坡 可给人们带来“河畅、水清、岸绿、景美”的美丽景观。生态型多孔混凝土的研究与应用是 贯彻“天人合一”思想、与环境共生的理念、协调人地关系、实现社会经济环境持续协调发 展的重要方面。 但是，生态型多孔混凝土用于河堤护坡时，随着潮涨潮落多孔混凝土长期处于干湿交替 的状态，特别是用于寒冷地区时，多孔混凝土还会遭受到冻融循环的破坏作用。能否确保河 堤护坡的长期安全稳定，也就是说生态型多孔混凝土在冻融、干湿交替作用下的耐久性问题， 是当前水利工作者和材料工作者都十分关注的重要问题。因此，研究生态型多孔混凝土在冻 融、干湿交替等环境因素作用下的耐久性及作用机理，研究提高生态型多孔混凝土耐久性的 措施，提出适用于生态型多孔混凝土的耐久性试验方法及相应的评价准则，对确保堤岸护坡 的长期安全稳定，推进生态河流的建设有重要的现实意义。 相对普通混凝土而言，多孔混凝土的耐久性要低。这是因为，多孔混凝土仅靠少量胶结 材将骨料颗粒胶结起来，骨料间胶结材的平均厚度不过2 3 m m ”，这使得骨料间的水泥胶 结材极易破坏从而造成耐久性失效。多孔混凝土在遭受冻融作用时，与普通混凝土相比，其 冻融过程的主要特征是1 6 j ：( 1 ) 受空隙中大体积水的结冰压力作用；( 2 ) 冻融破坏在内部与 表面同时发生。其中关于空隙中大体积水结冰压力对研究多孔混凝土的抗冻性能具有重要意 义。一般认为，多孔混凝土的冻融破坏是空隙中大体积水的结冰压力与浆体冻融破坏两种破 坏因素共同影响的结果。 包裹粗集料的浆体的抗冻性能对多孔混凝土的抗冻性能的影响是至关重要的。在保证其 流动度的前提下，如何对浆体的抗冻性能进行改善，这是多孔混凝土抗冻性能研究中的重要 课题。从目前的研究情况来看，对浆体的抗冻性能的改善主要采用的方法有掺入矿粉、硅灰 东南大学硕t 学位论文 和粉煤灰等活性混合材口j ，加入聚合物对浆体进行改性1 7 j ，加入引气剂、减水剂等嘲方法。 经过各种改性措施后，黏结浆体的抗冻性能得到很大的提高，但是浆体厚度仅有2 - 3 m m ， 冻融过程仍然容易造成破坏。 结冰压力的产生是一个很复杂的过程，它取决于初始时被冰包围的水的体积以及温度等 多重因素。u n i v e r s i t yo fo t t a w a 的s t a n a r y 等人早在9 0 年代既己做过相关的研究【9 】， 对地下结构中的孔洞结构中水的结冰压力进行了分析。多孔混凝土的空隙型式多样，空隙尺 寸、空隙形状、空隙类型( 连通或封闭) 千差万别，这就给从理论上对其进行分析并建立标 准化的计算公式带来了很大的困难。而且，不同冻融环境下，大体积水的结冰压也不相同。 例如在“快冻法”试验中，多孔混凝土试件空隙中的大体积水冻结过程中试件周围的水先冻 结，形成封闭的冰层，使中间未冻结水的结冰压力无法向外释放；实际冻融环境中，多孔混 凝土的冻结过程从与大气接触的水面开始，向水下进行，空隙中的大体积水结冰压力可以向 尚未冻结的水下释放。研究表明，不同约束条件下，水的结冰压力值相差很大【l q 。 干湿交替也是河堤护岸等面向水利工程的多孔混凝土在应用中面临的耐久性破坏问题。 混凝土内部存在大量的毛细孔和凝胶孔，具有较强的吸水能力，一般情况下混凝土显示出很 高的含水率。国内外的文献报道中关于正常的温湿度范围内的干湿交替对普通混凝土的耐久 性破坏的研究并不多见。一般来说干湿交替常作为混凝土其他耐久性腐蚀试验的辅助方法： 混凝土抗硫酸盐侵蚀试验中常用干湿交替作为加速硫酸盐侵蚀的方法【1o 】；氯离子侵入混凝 土试验中也运用干湿交替作为实验条件【1 1 】。但是，如果在比较苛刻的温湿度环境下，干湿 循环对普通混凝土造成的破坏还是不可忽略的。玄东兴等人研究表明【2 s 】，在热循环作用下 ( 室温7 5 ) ，普通混凝土的抗压强度可下降3 0 。 干湿交替对多孔混凝土造成的耐久性破坏的影响，相关的研究成果并不多见。正常的温 湿度范围内，干湿交替对普通混凝土的耐久性破坏可以忽略，但是对于多孔混凝土而言，由 于包裹集料的浆体层很薄，长期干湿交替作用对其破坏的影响值得关注。导致多孔混凝土收 缩破坏的因素主要有环境温度、相对湿度等外因，以及组成材料相互作用的相变过程等内因 两部分“。这些因素引起的破坏可归纳为硬化破坏、温度破坏及于燥破坏三类。多孔混凝 土在材料结构形成过程中生成新相的量非常小，实际中只考虑其温度破坏和干燥破坏两部 分。一般而言，硬化水泥浆的即时线膨胀系数是粗集料的2 倍多，二者的热变形行为存在明 显的差异例。常用混凝土集料的热膨胀系数介于( 3 i o ) x1 0 。6 之间，m e y e r ssl 研究表明 ”j ，在( 一1 0 1 0 0 c ) 之间，热胀缩系数不是唯一的值，而是取决于浆体含水量、水灰 比和浆体的龄期等多种因素，如湿养护的2 8 d 水泥浆体测得的室温即时热膨胀系数为( 1 5 2 0 ) xl o 。温度变化一方面造成浆体和粗集料的热变形行为的变化导致破坏，另一方面 温度升高加速了浆体内水分的蒸发加剧了干燥收缩的破坏。对于相对湿度对水泥浆体干燥收 缩的影响，有研究表明，水泥浆体干缩值随着相对湿度的降低几乎呈线性增加，当相对湿度 达到5 0 时，水泥浆体的相对干缩值可达1 0 0 3 0 l 。 在对多孔混凝土遭受冻融循环研究中，还应考虑到在卤水高盐环境中的影响。在我国西 部盐湖地区广泛存在高浓度的氯、硫酸根、镁等多种有害离子，导致当地混凝土的耐久性劣 化速度明显高于我国其他地区m j 。对于面向水利工程的多孔混凝土而言，高盐卤水环境下 各种有害离子对多孔混凝土的腐蚀作用也是必须考虑的问题。在冻融环境下，盐冻破坏的劣 化程度比一般冻融破坏要大出几十倍。 总而言之，面向水利工程的多孔混凝土除了力学性能之外，良好抗冻融性能和抗干湿交 替性能也是其重要的技术要求。除了选择合适的水泥、粗骨料之外，采用活性掺和料、高效 外加剂、聚合物改性都是提高其耐久性的方法。高强、高耐久性、良好施工性能的多孔混凝 土将在水利工程中得到广泛的应用。 2 第一章绪论 1 2 多孔混凝土研究现状评述 1 2 i 国外研究现状 直到2 0 世纪9 0 年代美国、日本、欧洲等国家才开发使用生态混凝土这种新型的材料。 在美国，1 9 6 3 年，k r y s t i a n h e y m a n 报道了无砂混凝土( 多孔混凝土) 的配合比设计方法。 1 9 8 3 年，r i c h a r dc m e i n i n g e r 研究了以透水为目的的多孔混凝土的空隙率、水灰比等， 并成功地应用于人行道和停车场。1 9 9 5 年，n a d e r6 h a f o o r i 对多孔混凝土的概念进行了论 述，研究了不同配合比的多孔混凝土的物理力学性能，特别是对成型方法进行了详细的探讨， 同时对透水性多孔混凝土铺装的厚度等设计方法进行了研究。自2 0 世纪8 0 年代开始，美国 出现了专门的透水性多孔混凝土搅拌站对这种混凝土实行商业供应。在南非，1 9 9 6 年， m i g u e la n g e lp i n d a d o 研究了聚合物对多孔混凝土耐久性的影响，虽然材料成本有所增加， 但多孔混凝土的疲劳性能提高，能减少透水性多孔混凝土铺装厚度，德国和西班牙等国也开 展了类似的研究工作。2 0 0 0 年，a b e e l d e n s d v a ng e m e r t 等也研究了聚合物对多孔混凝 土耐久性的影响，指出将聚合物多孔混凝土用于高速公路路面可以透水和降低噪音。在欧洲， 采用多孔混凝土作为吸音材料用于构建高速公路声屏障。在法国，透水性多孔混凝土大量应 用于网球场，全国约6 0 的网球场采用透水性多孔混凝土修建。一般来说，多孔混凝土用于 轻交通( 1 0 w - - t r a f f i c ) 领域，例如社区街道、停车场、人行道、露天广场和其他铺设路面以 及水工河堤护岸等一些对力学性能要求较低的使用条件。 研究表明，传统混凝土上铺设多孔混凝土的方法可有效的防止轮胎溅水和路面打滑，甚 至可以用作为机场跑道路面l l ”。为了提高多孔混凝土的抗折强度，除了传统的加入活性混 合材及外加剂、聚合物改性等手段之外，加入碳纤维进行改性以提高其力学性能也见于报道 ”。这就为多孔混凝土的应用拓展了极大的空间。 日本大成建设技术研究所进行了连续四年的探索性研究。在1 9 9 3 年提出生态材料 ( e n v i r o n m e n tc o n s c i o u sm a t e r i a l s ) 概念的基础上，日本混凝土工学协会在1 9 9 4 - - 1 9 9 5 年设立 了“生态混凝土研究委员会”，1 9 9 5 年日本混凝土工学协会提出了生态混凝土( e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l yc o n c r e t e ，e c o c o n c r e t e ) 的概念并成立了“生态混凝土研究委员会”。2 0 0 3 年6 月，在 该协会撰写的多孔混凝土设计施工方法的确立的报告书中，针对多孔混凝土抗冻融循环试验 方案设计及试验方法都进行了全面深入的阐述i l “。 在生态混凝土的抗冻融循环特性方面，日本小舍信榭、峰村修、阿部隆英、中原大磺采 用一面冻结融解试验方法对用于路面铺装兼有绿化性能的多孔混凝土的抗冻性能进行研究， 结果表明，空隙率在2 5 以下的多孔混凝土具有较好的抗冻性能，空隙率在2 5 以下的多孔 混凝土试件经受两百次冻融循环后，其相对动弹模量稳定在8 0 左右，且质量损失率稳定在 1 4 左右“o j 。同样地，小浞俊博、璺浞繁昭、堀口敬、佐伯舁等通过一面冻结融解试验研 究比较了多孔混凝土与相同空隙率的砂在冻融循环过程中产生的冻胀现象，并研究评价了多 孔混凝土的抗冻性能。通过检测从冻结面到触水面超声波传输速度的变化，来判断冻结融解 过程中冻胀现象对多孔混凝土各个层面的破坏状况，总结出了多孔混凝土在冻结融解过程中 产生的最大冻胀力随透水系数的减小而增大，这方面的性能与冻土相同7 j 。鸟居南康一、 小山夷等人对河岸护坡使用的预制多孔混凝土试件进行了模拟河岸护坡加速冻结融解的暴 鳝试验。 3 东南大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状 目前国内对于多孔混凝土的研究尚处于起步阶段，和国外的研究内容相比尚有一定的差 距，但是也取得了一定的成绩。对于多孔混凝土一般性能的研究，东南大学材料学院的高建 明教授、江苏大学土木工程系的刘荣桂、同济大学道路与机场工程系的郑木莲等人对多孔混 凝土的基本性能都做了大量的研究工作，并取得了相当的成果，其中高建明教授的研究成果 中，已配置出多孔混凝土空隙率稳定在2 0 2 5 ，抗压强度1 5 m p a 左右，耐久性优良的 试件，已应用于长春市伊通河城区上段防洪治理工程中1 2 0 j 。东南大学环境工程学院的吕锡 武教授、同济大学的陈志山等，对多孔混凝土的水质净化作用进行了相当程度的研究。陈志 山1 从1 9 9 7 年开始进行生态型多孔混凝土净水技术研究，应用于污染河道和生活小区污水 处理，水质可以达到或优于城市污水处理厂二级处理的排放标准，取得了相关的4 项技术专 利。此外，同济大学道路与交通工程教育部重点实验室的杨群、郭忠印等对多孔混凝士用于 公路路面的研究也是非常深入的，研究了多孔混凝土应用于公路路面时的抗滑耐久性田】等 问题。同济大学道路与机场工程系的郑木莲等人对路面多孔混凝土的耐疲劳性能做了更深入 的研究，建立了相应的疲劳方程田j ，并且对普通混凝土路面和多孔混凝土顶面之间的连接 性能做了深入的分析 2 4 j 。南京工业大学奚新国等进行了低碱度生态混凝土的初步研究，以 粉煤灰为主要原材料配制低碱度生态多孔混凝土，在实验室内所配制的多孔混凝土9 0 天p i l 值为9 0 1 0 5 以下，孔隙率为2 7 7 4 ，9 0 天抗折强度在0 7 2 m p a 1 7 0 m p a 之间瞄j 。扬 州大学徐飞等进行了无砂多孔混凝土配合比研究，引入无砂多孔混凝土拌合物稠度等级的概 念，提出了无砂多孔混凝土配合比设计优化方法，所配制多孔混凝土2 8 天抗压强度在 6 4 m p a 1 2 6 m p a 之间i 2 6 j 。重庆交通科研设计院魏涛等研制出一种结合结构防护与生态防护 的植被混凝土公路护坡技术，多孔混凝土的抗压强度为7 o m p a ，抗折强度为1 7 m p a ，平均 孔隙率为2 9 6 ，利用多孔混凝土作为植物生长的载体，在多孔混凝土护坡上种植草萍植物， 达到了绿化美化公路景观的效果印j 。此外，中国建筑材料科学研究院进行了无砂多孔混凝 土透水砖的研究，吉林水利实业公司等单位进行了多孔混凝土在水坝护坡上的应用研究。但 在国内，对于多孔混凝土抗冻性能的研究，迄今为止东南大学材料学院刘小康硕士、潘志峰 硕士做了相关的研究，结合了多孔混凝土的实际使用环境，在实验室中模拟多孔混凝土河堤 护坡的冻融实际情况，进行了抗冻性试验口2 0 。此外，江苏大学土木系刘荣桂等对生态混凝 土的抗冻性进行了初步探讨。 1 2 3 现有研究中存在的主要问题 多孔混凝土具有良好的透水、透气特性，且具有一定的力学强度，随着人们对生态环境 的重视，多孔混凝土在河堤护岸等水利工程中将得到日益广泛应用。但是，多孔混凝土的耐 久性一直是其在实际应用中面临的一个问题，其中突出的两点是“多孔混凝土的耐久性 的破坏机理尚不明确”以及“多孔混凝土耐久性的评价方法尚未确立”。 1 2 3 1 多孔混凝土的耐久性破坏机理的尚不明确 多孔混凝土的抗冻性能，除了黏结浆体的自身的抗冻性影响之外，空隙中大体积水的结 冰压力对其的影响也是非常巨大的。迄今为止，对多孔混凝土空隙中大体积水的结冰压力的 研究也只停留在理论分析阶段，存在着诸如空隙中大体积水结冰压力值的大小，结冰压力对 黏结浆体造成破坏的程度等一系列亟待解决的问题。在普通混凝土“快冻法”试验中，试件 表面冻坏剥落，其破坏以质量损失为主要表现形式。多孔混凝土骨料表面黏结浆体虽然很薄， 4 第一章绪论 但冻融过程中并不会出现浆体大量冻坏剥落的情况，如何解释多孔混凝土的黏结浆体自身冻 融破坏的机理是一个迫切需要解决的问题。 对于多孔混凝土抗干湿交替性能而言，一般认为，在高温干燥环境下，黏结浆体发生干 燥收缩和自收缩i l ，产生自应力：继续浸泡在水中后，部分收缩得到恢复，自应力部分消 除。随着干湿交替循环的作用，黏结浆体受到周期性循环应力的作用而产生破坏。另外，由 于骨料和浆体的收缩系数、传热系数的不同造成浆体与骨料变形的不一致而导致的浆体的破 坏也是干湿交替破坏中的一个重要因素。但是上述破坏机理尚属理论阶段，还没有相关的实 验研究对其加以验证说明。 1 2 3 2 多孔混凝土耐久性的评价方法尚未确立 多孔混凝土具有特殊的结构，一般用来评价普通混凝土的耐久性的方法并不一定适合于 评价多孔混凝土的耐久性。普通混凝土的抗冻性试验的评价方法种类繁多，大体上可分为“快 冻法”、“慢冻法”、“盐冻法”。对于多孔混凝土的抗冻性的研究，传统的方法是借用国家标 准g b j 8 2 8 5 普通混凝土长期性能和耐久性能中的“快冻法”和“慢冻法”。由于“慢冻 法”的冻融特点是“气冻水融”，即在空气中冻结，水中融解。其冻结过程中没有空隙中大 体积水的参与，不适合评价多孔混凝土的抗冻性能。“快冻法”试验中试件四周同时冰封， 对中间的未冻结水形成约束条件，空隙中大体积水的结冰压力无法释放。杨全兵的研究表明 ”“，在强约束条件下，水的结冰压可达4 0 m p a 以上，而在实际环境中，大体积水的结冰压 力可向未冻结水中释放。因此“快冻法”造成的冻融破坏程度远大于实际环境中的冻融破坏 程度，一般数个循环之后试件便开裂破坏。对于多孔混凝土干湿交替性能而言，迄今为止， 在国内未见相关的研究报道，也无相关试验和评价标准。因此提出合适的评价方法用以评价 多孔混凝土的耐久性是目前研究的首要问题。 1 3 本文研究的内容与意义 本文基于生态型多孔混凝土研究与应用的现状，对上述两大问题及解决方案进行系统的 分析研究。 本文的研究思路是：通过试验研究，提出能正确反映多孔混凝土抗冻性、抗干湿交替性 的评价方法；通过加入不同种类和掺量的活性掺和料以及聚合物改性以提高多孔混凝土的力 学性能和耐久性；利用界面显微硬度、s e m 扫描电镜分析等手段对活性掺和料及聚合物改性 的机理进行分析研究。 根据以上思路，本文的研究内容如下： l 设计一种新的冻融方法一“单向快速冻融法”对多孔混凝土的抗冻性能进行研究； 2 对多孔混凝土在不同n a c l 浓度下的盐冻破坏进行研究分析； 3 保持黏结浆体配合比一致，比较不同空隙率、不同骨料粒径下多孔混凝土试件的抗 冻融性能，从而对大空隙水结冰压和浆体自身冻融破坏两种破坏因素进行比较； 4 设计实验对多孔混凝土中空隙中大体积水的结冰进行模拟，对结冰压力进行定量分 析计算； 5 利用乙烯醋酸乙烯( e v a ) 胶粉、丁苯橡胶( s b r ) 乳液、丙烯酸脂共聚乳液( 丙 乳) 对多孔混凝土的抗冻性能进行改性； 6 采用三种不同的干湿制度对多孔混凝土的抗干湿交替性能进行研究分析，采用粉煤 灰、矿粉、粉煤灰矿粉混掺对多孔混凝土进行改性，研究不同矿物掺和料对抗干湿交替性能 的影响； 7 应用s e m 扫描电镜分析及显微硬度测定等方法对聚合物改性、活性掺和料改性与抗 5 东南大羊硕亡学位论文 冻性能、力学性能、抗干湿交替性能等宏观性能之间的联系进行分析。 本文的研究意义可以归结为以下几点： 其一，确立一种适合于评价多孔混凝土的试验方法，使得多孔混凝土的抗冻性能研究有 了明确可靠的方法，为多孔混凝土抗冻性能研究打下坚实的基础。 其二，利用聚合物改性，有望进一步提高多孔混凝土的力学性能和抗冻性能。本试验的 研究成果，有望对工程实践中多孔混凝土强度低下等问题的解决发挥一定的参考和借鉴作 用。 其三，通过对多孔混凝土的抗干湿交替进行系统的试验研究，明确干湿交替破坏是否对 多孔混凝土会造成破坏：通过加入矿物掺和料的改性试验，有望提高其抗干湿交替性能。 其四，以往对多孔混凝土性能的研究，大多数停留在宏观性能的分析上；但是，许多宏 观性能的解释，需要从微观层面上去寻求深层次的原因。本文通过对多孔混凝土的微观结构 分析研究，力求从微观的角度来解释聚合物的改性效果。 6 第二章原材科及试验方法 2 1 试验原材料 第二章原材料及试验方法 2 i i 粗骨料及其基本性能 试验所用粗骨料为各种粒径级配的玄武岩。颗粒外观形貌如图2 一i 所示，各项物理性 能测试结果如表2 1 所示。 图2 一i 玄武岩粗集料的颗粒形貌 表2 1 粗集料物理性能指标 2 1 2 水泥 p i l 5 2 5 硅酸盐水泥，江南小野田水泥有限公司生产，各项化学成分和物理力学指标如 表2 2 和表2 3 所示。 7 东南大学硕! 学位论文 注：l o i ：l o s so fi s n i t i o n 烧失量 表2 3p 1 1 5 2 5 水泥的物理力学性能 2 1 3 粉煤灰 南京热电厂生产的低钙i 级粉煤灰，化学成分如表2 4 所示。密度为2 0 4 9 c m 3 ，需水 量比0 9 5 ，细度( 4 5 “m 筛筛余) 6 。s e m 观察形貌如图2 2 。 表2 4 试验用粉煤灰的化学成份( m a s s ) ( a ) ( 5 0 0 ) 2 1 4 矿渣微粉 图2 2 粉煤灰的形貌 ( b ) ( 1 0 0 0 ) 南京江南粉磨有限公司生产的钟山牌$ 9 5 矿渣微粉，化学成份如表2 5 所示。密度2 8 6 g c m 3 。比表面积5 9 0m 2 k g 。s 蹦观察形貌如图2 - - 3 。 8 第一二章原材料厦试验方法 ( a ) ( x 5 0 0 ) 2 1 5 聚合物 图2 3 矿渣微粉的形貌 ( b ) ( 1 0 0 0 ) 2 1 5 1 醋酸乙烯一乙烯( e v a ) 共聚胶粉 v i n n a p a sr e5 0 4 4n 是一种具有抗皂化性能的遇水可再分散醋酸乙烯酯乙烯( e v a ) 共聚胶粉。其相对较高的乙烯含量，使胶粉具有极好的柔韧性。其玻璃化转变温度在零度以 下。上海威凯聚合物材料有限公司生产。具体性能指标如表2 6 所示。 表2 6 醋酸乙烯一乙烯( e v a ) 共聚胶粉的技术指标 图2 4e v a 胶粉外观图2 5e v a 胶粉扫描电镜图像( 5 0 0 ) 9 磊、南大学硕士学位论文 2 1 5 2 丙烯酸酯共聚乳液 水天牌n y s 水泥改性剂丙烯酸酯共聚乳液，简称丙乳。南京永丰化工责任有限公 司生产，主要性能指标如表2 7 所示。 表2 7 丙烯酸酯共聚乳液的技术指标 注：凝聚浓度为在c a c l ：溶液中的测量结果，单位g 1 2 1 5 3 丁苯橡胶( s b r ) 乳液 丁苯橡胶( s b r ) 乳液，重庆松柏化工有限公司生产。主要性能指标如表2 8 所示。 表2 8 丁苯橡胶乳液的技术指标 2 1 6 外加剂 “j m b ”高效减水剂，江苏博特新材料有限公司生产，粉剂，主要成分是b 一萘磺酸 亚甲基高聚物，减水率达2 0 以上。 普通自来水。 2 2 试验方法及成型养护工艺 本文中所采用的试验主要包括多孔混凝土基本物理力学性能试验、冻融试验、于湿交替 试验、微观结构观察试验四个方面。由于多孔混凝土的成型工艺与普通混凝土有所不同，故 在此介绍其成型工艺。 2 2 1多孔混凝土基本物理力学性能试验方法 2 2 1 1 空隙率 多孔混凝土的孔隙结构不同于普通密实混凝土，它含有均匀连续分布的宏观孔穴，因此 为了区别于普通混凝土的“孔隙”，将多孔混凝土中的孔穴结构称为“空隙”。 空隙率测试方法参考日本多孔混凝土