（材料学专业论文）多孔水泥混凝土路面材料组成设计及技术性能研究.pdf

摘要 随着交通事业的迅速发展，生态型路面材料得到越来越多的关注。通过相关资料 分析得知，多孔水泥混凝土路面材料凭借其独特的骨架空隙结构，在满足一定承载能 力的条件下，具有良好的降噪和排水功能，不仅能够有效降低路面噪声，改善交通噪 声对周围环境带来的污染，而且可以改善雨天路表积水、眩光和溅水等现象，提高车 辆在雨天的行驶安全性，因此，对其进行深入研究具有重要的工程和环保意义。 本研究从传统混凝土路面存在的弊端入手，分析国内外多孔水泥混凝土路面的研 究与应用现状，总结已有的研究成果及存在不足，提出待解决的问题。针对多孔水泥 混凝土路面原材料技术性质和试验方法展开研究，提出室内成型工艺和耐磨性的评价 方法及评价指标。提出多孔水泥混凝土路面材料的配合比设计参数、设计原则和步骤。 分析多孔水泥混凝土强度特点，研究得出集料级配、成型工艺、水灰比、空隙率、增 强剂的种类及掺量对强度的影响规律。通过理论研究和试验分析多孔水泥混凝土的干 缩及耐磨性质，对其耐久性进行了评价。在此基础上，对多孔水泥混凝土的降噪、排 水等功能进行了研究和探讨。 关键词：多孔水泥混凝土，空隙率，渗透系数，降噪，耐久性 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t ，e c o l o g i c a lp a v e m e n tm a t e r i a lg e t sm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n r e l a t e dd a t as h o w st h a t ，b e c a u s eo ft h eu n i q u es k e l e t o n p o r es t r u c t u r e ，t h e p o r o u sc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n th a sf a v o r a b l en o i s er e d u c t i o na n dd r a i n a g ef u n c t i o n ， m e a n w h i l e ，s a t i s f i e dt h el o a d i n gc a p a c i t yo fac e r t a i n i td o s en o to n l ye f f e c t i v e l yr e d u c et h e t i r e - p a v e m e n ti n t e r a c t i o nn o i s ea n da l l e v i a t et h en o i s yp o l l u t i o nf r o mb u s yh i g h w a yn e a r p o p u l a t e du r b a na r e a , b u ta l s oe n h a n c ed r i v i n gs a f e t ya n dc o m f o r tb yi m p r o v i n gw a t e rl o g ， g l a r ea n ds p r a yo fr o a ds u r f a c ed u r i n gr a i n t h e r e f o r e ，t h e r ei si m p o r t a n te n g i n e e r i n ga n d e n v i r o n m e n t a ls i g n i f i c a n c et og i v ea t h o r o u g hr e s e a r c h t h ep a p e rs t a r t sf r o mt h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lc o n c r e t ep a v e m e n t ，n a r r a t e st h e r e c e n ts t u d ya n da p p l i c a t i o no fp o r o u sc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，s u m m a r i z e st h ee x i s t i n g r e s e a r c hr e s u l t sa n d d e f i c i e n c y ，a n db r i n g sf o r w a r dt h ep r o b l e m st ob es o l v e d a c c o r d i n g t o m a t e r i a lt e c h n o l o g i c a lp r o p e r t ya n dt e s tm e t h o d so fp o r o u sc e m e n tc o n c r e t e ，t h e p a p e r o u t l i n e st h ei n d o o rm o u l d i n ga n dw e a rr e s i s t a n c em e t h o d s t h em i xp r o p o r t i o np a r a m e t e r s ， p r i n c i p l ea n dp r o c e s s e so fp o r o u sc e m e n tc o n c r e t ea r es t u d i e di nd e t a i l t h ep a p e ra l s o a n a l y s e st h es t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c so fp o r o u sc o n c r e t ea n do u t l i n e st h ei n f l u e n c el a wo f a g g r e g a t eg r a d a t i o n ，m o l dt e c h n o l o g y , w a t e r - c e m e n tr a t i o ，p o r o s i t y , t h es t r e n g t h e n i n ga g e n t t y p ea n do p t i m u mm i xa m o u n t b yt e s t sa n dm e c h a n i s ma n a l y s i st h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so f s h r i n k a g ea n dw e a rr e s i s t a n c e ，t h ed u r a b i l i t yo fp o r o u sc e m e n tc o n c r e t ei se v a l u a t e d o n t h i sb a s i s ，n o i s er e d u c t i o n , d r a i n a g ea n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf u n c t i o no fp o r o u s c e m e n tc o n c r e t ea r es t u d i e di nd e t a i l k e yw o r d s ：p o r o u sc e m e n tc o n c r e t e ；p o r o s i t y ；c o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t y ；n o i s e r e d u c t i o n ；d u r a b i l i t y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：讳b 乏五 1 年6 只| 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 邳汤 6 0 三氧化硫不得 4 o 出磨时安定性蒸煮法检验必须合格 标准稠度需水量不宜 3 0 烧失量不得 5 0 比表面积宜在3 0 0 , - - - 4 5 0m k g 细度 筛余量不得 1 0 初凝时间不早于1 5 h 终凝时间 不迟于1 0 h 1 0 长安大学硕士学位论文 根据多孔混凝土的强度形成机理得知，胶凝材料的强度对多孔混凝土的性能起着 关键作用，而水泥作为胶凝材料的主要组成成分其自身性质的优劣对多孔混凝土性能 高低的影响尤为重要。因此本研究选用的水泥标号应不小于4 2 5 ，经过试验对比最终 选用乌兰总厂生产的p o 4 2 5 普通硅酸盐水泥，其技术性质指标测试结果如表2 2 所 示。与表2 1 规范要求对比表明，所选用的水泥满足规范要求。 表2 2 乌兰水泥技术性质指标 细度标准稠度 凝结时间 抗压强度抗折强度 安定性( ，负压需水量 ( m 口a )( m p a ) 筛析法) ( ) 初凝终凝3 d 2 8 d 3 d 2 8 d o 96 72 62 h 2 5 m i n3 h 4 0 m i n2 8 24 9 14 87 1 2 1 2 粗集料 粗集料是水泥混凝土中用量最大的单项材料。根据多孔混凝土的强度形成机理得 出，粗集料在多孔混凝土中形成主体骨架，其嵌锁和挤压力是多孔混凝土路面承载能 力的重要保证，因此粗集料应不含有机质、风化物或其他有害杂质，其质地应坚硬、 耐久、洁净。同时，在施工或使用过程中，拌合物中的集料都要保持良好的完整性， 不能破碎，故对其压碎值提出要求。本研究粗集料选用宁夏太阳山的石灰质碎石。经 测试粗集料的技术性质指标均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 ) 要求，且级别不低于i i 级，如表2 3 所示。粗集料技术指标按照公路工 程集料试验规程( j t ge 4 2 2 0 0 5 ) 的试验方法进行测试。 表2 3 粗集料技术性质指标 技术指标技术要求i i 级 检测结果 碎石压碎指标( ) 1 5 1 3 9 坚同性( 按质量损失计) 86 8 针片状颗粒含量( 按质量计) 1 3 5 0k g m 31 6 3 0k g m 3 空隙率 1 4 01 6 0 3 d 1 3 0 1 4 0 抗压强度比( ) 7 d 1 2 51 3 3 2 8 d 芝1 2 01 2 5 对钢筋锈蚀作用 应说明对钢筋有无锈蚀作用 无 2 1 4 增强剂 1 、有机聚合物乳液 由多孔混凝土的强度形成机理得知，粗骨料相互嵌挤形成主体骨架结构后，需经 胶凝材料裹覆和粘结后才能达到稳定状态，因此，胶凝材料的性能对混凝土的强度有 很大影响。本研究从改善胶凝材料性能进而增加混凝土强度这一思路出发，在严格控 制基质材料的基础上，通过对比四种不同类型的有机聚合物乳液对水泥砂浆的作用效 果( 具体试验结果见第四章第五节) ，挑选出既实效又经济的l 撑聚合物乳液作为多孔 水泥混凝土的增强剂。现将这四种聚合物乳液的技术性质介绍如下： 表2 51 。聚合物乳液技术性质指标 产品编号外观固含量( )粘度( m p a s )p h 值 成膜温度( )稳定性 乳白色液体 1 44 73 0 09 5 1 5 丙乳砂浆 o 10 3 l0 54 3 15 7 83 9 03 2 5 非粘结面 1 5 附注：1 、p c = 0 1 ，p c 、w c 、c s 分别为聚灰比、水灰比、灰砂比。 管斌君【1 9 1 给出的聚合物改型砂浆的弹性模量和泊松比见表4 6 。 表4 6 改型聚合物砂浆的弹性模量和泊松比值 类型 弹性模量( 1 0 6 k g c r n 2 )泊松比 未掺( 普通) 2 1 60 1 4 改性环氧乳胶 2 3 l0 2 3 改性s b r 乳胶2 8 6o 2 3 管斌君关于改性环氧乳胶和改性s b r 乳胶砂浆的物理力学性能结果概括如下： ( 1 ) 改性s b r 乳胶砂浆的单位质量小，而改性环氧乳胶砂浆和普通砂浆相近。 改性s b r 乳胶砂浆和改性环氧乳胶砂浆的吸水率远低于普通砂浆。 ( 2 ) 改性环氧乳胶和改性s b r 乳胶砂浆的干缩值分别是8 1 x 1 0 4 和8 0 x 1 0 4 ， 低于普通砂浆9 0 x1 0 4 这一干缩值。 ( 3 ) 从冻融循环试验中得出改性环氧乳胶砂浆的耐久指数是9 5 2 0 0 次冻融循环， 3 6 长安大学硕士学位论文 改性s b r 乳胶砂浆是5 1 1 5 0 次冻融循环，普通砂浆则是4 1 1 2 0 次冻融循环，因而改 性环氧乳胶有很高的抗冻融性能。 ( 4 ) 改性s b r 乳胶砂浆和改性环氧乳胶砂浆的抗压、抗折、抗拉强度分别比普 通砂浆高出1 4 2 0 倍、1 7 - 2 0 倍、2 9 , - - - - 3 0 倍。 ( 5 ) 普通砂浆、改性环氧乳胶砂浆和改性s b r 乳胶砂浆的弹性模量分别是 2 1 6 x 1 0 6 k g c m 2 ，2 3 1 x 1 0 6 k g c m 2 ，2 8 6 x 1 0 6 k g c m 2 ，三者的泊松比分别是0 1 4 ，o 2 3 和0 2 3 。 ( 6 ) 普通砂浆的冲击强度是0 8 3 k g c m 2 ，而改性环氧乳胶砂浆和改性s b r 乳胶 砂浆的冲击强度比普通砂浆高一些，分别是1 3 2 k g c m 2 和1 2 8 k g c m 2 。 ( 7 ) 改性环氧乳胶砂浆和改性s b r 乳胶砂浆的粘附强度分别比普通砂浆的高5 7 倍和4 5 倍。 ( 8 ) 上述结果说明改性环氧乳胶砂浆和改性s b r 乳胶砂浆是有效的修补材料， 而前者效果更佳。 从以上的试验数据看出：水泥砂浆经过聚合物改性后密实性提高、抗渗性提高、 干缩性下降、抗化学腐蚀性提高；水泥砂浆经过聚合物改性后可以获得较高的抗弯拉 强度、抗拉强度和粘结强度，现有试验结论比较一致；而对抗压强度是否提高的结论 则有分歧，甚至对同一种聚合物，有些结论提高了，有些却降低了。 本课题的研究思路是利用聚合物水泥胶结材加强骨料，因此研究中十分关注聚合 物改性水泥胶结材的力学性能。已有聚合物改性水泥砂浆的结论对聚合物水泥结合料 性能研究有一定的参考价值。 作为路面面层材料的多孔水泥混凝土，在力学性能、耐久性能、稳定性能等方面 对聚合物乳液有更高的要求。聚合物乳液是研制聚合物水泥胶结材的基础，由于其种 类繁多，且不同类型的聚合物其性质也大不相同，本研究在总结以往聚合物改性砂浆 的基础上，确定了几种基本符合道路运用的聚合物乳液，在此基础上，重点研究了各 类聚合物乳液在不同掺量下对水泥砂浆力学性能的影响，并为后期混凝土的研制提供 基础数据和可供选择的聚合物类型。 由四种聚合物乳液分别掺加制成的水泥砂浆试件的7 d 、2 8 d 力学性能检验结果列 于表4 7 、表4 8 和图4 7 、图4 8 。试验中，试件尺寸采用4 0 m m x 4 0 m m x l 6 0 m m ，水 泥仍采用p o 4 2 5 普通硅酸盐水泥，浆体试件的制作及测试方法参考公路工程水泥 及水泥混凝土试验规程( j t ge 3 0 2 0 0 5 ) 。 3 7 第p q 章多孔水泥混凝土力学性能研究 表4 7 掺加不同种类和质量聚合物乳液后水泥砂浆7 d 强度测试结果 不同掺量下7 d 抗压强度不同掺量下7 d 抗折强度 聚合物 ( m 【p a )( m p a ) 种类 5 l o 1 5 5 1 0 1 5 1 81 2 61 8 71 9 52 53 14 3 2 #5 55 08 51 oo 92 2 3 41 6 41 3 71 6 o2 73 62 8 牮2 2 81 6 63 4 23 2 4 34 6 基准3 4 24 0 附注：l 、聚合物乳液掺量确定以大量实际经验为依据。 2 、聚合物乳液的掺量按照水泥总质量的相应百分比同等掺加。 表4 8 掺加不同种类和质量聚合物乳液后水泥砂浆2 8 d 强度测试结果 不同掺量下2 8 d 抗压强度不同掺量下2 8 d 抗折强度 聚合物 ( m p a ) ( m p a ) 种类 5 1 0 1 5 5 1 0 1 5 1 #1 6 o2 8 43 7 83 1 4 65 6 2 #8 79 81 1 41 81 72 4 3 “3 9 43 7 34 3 95 15 55 2 母3 6 43 4 12 3 o5 1 4 24 2 基准 4 4 35 4 3 0 日 乱 = 2 0 堪 瞽1 0 堰 勺 卜 0 蓁 羽 冈 蓁鍪 t 4 咧 4 1234 聚合物种类和掺量 5 垒4 v 蜊3 薰2 弩1 卜 o 123 4 聚合物种类和掺量 图4 6 聚合物种类和掺量与7 d 抗压、抗折强度的关系 3 8 长安大学硕士学位论文 5 0 羹4 0 刨3 7 鐾2 0 辖1 0 0 1234 聚合物种类和掺量 6 日 星5 刨4 慧3 羹2 磊1 n o _ 寥 匿 冀蓁 _ 霞匡 冈 圈 l234 聚合物种类和掺量 图4 7 聚合物种类和掺量与2 8 d 抗压、抗折强度的关系 6 盘5 皇 。4 餐3 羹2 1 o 51 01 5 51 01 5 不同掺量( )不同掺量( ) 图4 81 4 聚合物乳液的掺量与7 d 、2 8 d 强度的关系 由表4 7 、4 8 和图4 6 、4 7 可以看出： 从聚合物种类角度来讲，随着龄期的增长和掺量的增加，掺加l 撑、2 撑、3 群聚合物 乳液的水泥砂浆抗压强度和抗弯拉强度( 抗折强度) 均呈上升趋势；与之不同的是， 掺加矿聚合物乳液的水泥砂浆试件的抗压、抗弯拉强度，随着龄期的增长显著提高， 而随着掺量的增加呈现减弱趋势。从强度角度来讲，聚合物乳液使水泥砂浆的抗弯拉 强度得到改善，抗压强度却降低于普通水泥砂浆，但适当降低抗压强度对路用性能无 不利影响。具体分析为： 1 撑聚合物乳液对水泥砂浆的早期抗压强度作用效果不明显，但随着龄期的增长和 掺量的增加，抗压强度得到很大加强，见图4 8 。1 # 聚合物乳液对水泥砂浆的抗弯拉强 度改善效果较显著，其抗弯拉强度高于普通水泥砂浆试件。因此，l 撑聚合物乳液改性 水泥砂浆后力学性能的增长较有稳定性和规律性。 2 撑聚合物乳液对水泥砂浆抗压强度和抗弯拉强度的作用效果偏差，其适用性有待 进步改善。 3 9 m 0 令量一越瞬龃堰p8n 第四章多孔水泥混凝土力学性能研究 3 群聚合物乳液制成的水泥结合料力学性能较好，但是成本较高。 矿聚合物乳液对水泥砂浆的早期强度有较大提高，但2 8 d 抗压强度和抗弯拉强度 出现下降趋势。当掺量超过5 时，水泥砂浆的抗压强度和抗弯拉强度会随着龄期的 增加而降低。因此，该乳液对水泥砂浆的早期强度有利，但对长期强度的提高并不理 想。 综合考虑得出，掺加1 5 的1 群聚合物乳液后水泥砂浆的力学性能更优，因此，本 研究主要以1 撑聚合物乳液为基础，研究掺加该聚合物乳液后多孔水泥混凝土的性能。 4 5 1 2 掺加聚合物乳液后多孔水泥混凝土试验结果 已有聚合物改性水泥砂浆的试验证实【1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 】：聚合物掺入水泥砂浆中，水泥砂 浆的抗压强度会降低；抗弯拉强度和抗拉强度提高幅度较大，与砂浆的粘结强度明显 提高；抗渗性能和抗裂性能明显提高；干缩率下降；吸水率减小；抗碳化能力明显提 高。 文献表明【1 1 ，2 1 ，2 2 ，2 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 ，】：聚合物改性水泥混凝土的弯拉强度比普通水泥混凝土明 显提高；弹性模量减少，变形性能提高；聚合物改性水泥混凝土的抗裂性能提高；聚 合物改性水泥混凝土的抗腐蚀性增加；聚合物改性水泥混凝土的收缩变小。聚合物改 性水泥混凝土的性能明显优于普通水泥混凝土。 参照已有文献对聚合物乳液改性水泥砂浆得出的结论，结合本研究经比选得出的 能明显改善水泥砂浆力学性能的1 撑聚合物乳液，对掺加该聚合物乳液后多孔水泥混凝 土2 8 d 主要力学性能进行测试，具体测试结果见表4 9 和图4 1 0 。 表4 9 掺加1 8 聚合物乳液后多孔水泥混凝土2 8 d 主要力学性能指标测试结果 聚合物掺量2 8 d 抗压强度2 8 d 抗折强度2 8 d 抗拉强度 级配 水灰比成型方法 ( )( m p a )( m p a )( m p a ) 0 3 202 2 24 1 62 4 1 2 插捣成型 0 2 31 52 0 15 4 03 3 0 附注：1 、级配2 代表的集料粒径尺寸为( 4 7 5 9 5 ) i t i n l 。 2 、减水剂掺量为0 8 。 3 、水灰比为包括聚合物的含水量。 4 、目标空隙率为2 0 。 长生 学砸学位论立 强国均i 幽 01 5 聚合物乳液掺量( ) 01 5 聚台物乳液掺量( ) 01 5 聚合物乳液掺量( ) 图4 9l i 聚合物乳液与多孔水泥混凝土2 8 d 力学性能指标的关系 图4i 0 多孔水泥混凝土抗弯拉试件破坏断面 分析表4 9 、图49 和图4 1 0 后得出： 1 、掺入1 ”聚合物乳液后，多孔水泥混凝土抗压强度降低，与普通多孔水泥混凝 土相比并没有得到明显改善：掺入l4 聚合物乳液后多孔水泥混凝土的抗折强度( 抗弯 拉强度) 得到显著提高，为普通多孔水泥混凝土抗折强度的i3 倍：掺入1 4 聚合物乳 液后多孔水泥混凝土的抗拉强度也得到显著改善，为普通多孔水泥混凝土的1 4 倍。 多孔水泥混凝土抗弯拉试件破坏断面( 如图41 0 ) 显示，试件在外荷载作用下破坏时， 第四章多孔水泥混凝土力学性能研究 集料颗粒和胶结材均遭到破坏，这表明，多孔水泥混凝土的强度由紧密嵌挤的集料颗 粒和均匀、连续的胶结材共同提供，再次证实了多孔水泥混凝土的强度特点。 总体来讲，添加该类聚合物乳液能显著提高多孔水泥混凝土的韧性和抗拉强度。 这是因为，添加该类聚合物乳液后，水泥水化和聚合反应共同进行且作用生成具有连 续聚合物薄膜的水泥胶结材，一方面提高了水泥胶结材的弹性，另一方面增强了水泥 胶结材的耐拉伸力，因而改善了多孔水泥混凝土的性能。 2 、结合聚合物薄膜的工作特性可以认为：聚合物膜在弯拉应力作用下由于聚合物 的柔性可使裂缝尖端应力松弛，从而抑制了微裂缝的发展，同时，具有高抗拉强度的 聚合物膜可以抵消胶结层的脆性，并防止裂缝在应力作用下传播。因此，掺入聚合物 乳液后使多孔水泥