（材料物理与化学专业论文）复合外加剂对道路混凝土性能的影响.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 本文采用掺加复合外加剂和超细矿渣等方法研究出一种符合高标准道路要求的 混凝土，其具有脆性低、抗冻性好、耐磨性好、耐久性高等特点，对改善公路质量和 发展我国交通事业有较大的实际意义。 本文主要研究内容包括： 1 、萘系和氨基磺酸盐减水剂按不同比例复合掺加到水泥净浆中，通过正交试验 研究减水剂对水泥净浆流动度的影响。将萘系、氨基磺酸盐复合、聚羧酸系和氨基磺 酸盐高效减水剂分别与引气剂、缓凝剂进行复配，研究其不同掺量对水泥净浆和水泥 砂浆性能的影响，并利用扫描电子显微镜分析浆体内部微观结构。实验结果表明：当 氨基磺酸盐复合外加剂的掺量为1 5 时，水泥净浆流动度经时损失比较小，水泥浆 体呈现出较高的抗折、抗压强度，较低的压折比和密实的微观结构，符合道路路面工 程的标准要求。 2 、计算混凝土配合比，超细矿渣掺量取水泥的1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 分 别与氨基磺酸盐复合外加剂掺加到混凝土中，研究其对混凝土物理力学性能的影响。 实验结果表明：矿渣掺量为2 5 的混凝土试块压折比较小，改善了混凝土试块的脆性， 降低混凝土疲劳磨损的破坏速度与强度，提高了混凝土路面的耐磨性，符合道路路面 工程标准要求。 3 、将掺量为1 5 的氨基磺酸盐复合外加剂和掺量为2 5 的超细矿渣掺加到混凝 土中，分析所制备的道路混凝土的物理力学性能，并对混凝土内部微观结构进行 s e m e d s 分析，研究冻融前后混凝土试块的孔结构变化。实验结果证明：掺加复合 外加剂和超细矿渣的混凝土试块呈现出较高的抗折、抗压强度，较低压折比，抗弯拉 强度大大提高，尤其是9 0 天弹性模量已经达到道路高性能混凝土的标准，韧性增加， 在缓慢冻融条件下表现出很好的抗冻性能，且冻融前后孔结构变化不大，改善了内部 孔结构，降低了混凝土干燥失水的比例，减小了混凝土的干缩，减少路面出现的裂纹， 路面使用寿命延长。所有实验结果表明通过掺加复合外加剂和超细矿渣所制备的混凝 土性能均达到道路高性能混凝土的标准。 关键词：道路混凝土；复合外加剂；压折比；抗弯拉弹性模量；耐磨性 i l l 济南大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h es t u d yi n t r o d u c e dc o m p o s i t ea d d i t i v e sa n du l t r a - f i n es l a ga d m i x t u r et os t u d yt h e s u i t a b i l i t yo fah i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t ep a v e m e n tw i t l lh i g hs t a n d a r d sa n dr e l a t i v e l yl o w b r i t t l e n e s s ，g o o df r e e z er e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e ，g o o dw e a l r e s i s t a n c e ，h i 曲d u r a b i l i t y , w h i c hi sag r e a t e rp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oi m p r o v er o a dq u a l i t ya n dt h ed e v e l o p m e n to f o u rt r a n s p o r t a t i o nu t i l i t i e s t h em o s t l yc o n t e n to fs t u d yi n c l u d e s ： f i r s t l y , b ym i x i n gd i f f e r e n tp r o p o r t i o no ft h en a p h t h a l e n e - b a s e da n da m i n o s u l f o n i c a c i d - b a s e di n t ot h ef r e s hc e m e n t ，u s i n go r t h o g o n a lt e s tt a b l et oa n a l y z ei t se f f e c t so nt h e 舶s hc e m e n tf l u i d i t y i nt h eb a s i so ft h ea b o v es t u d yd e s i g n i n gan a p h t h a l e n e b a s e d ， c o m b i n a t i o no fn a p h t h a l e n e b a s e da n da r n i n o s u l f o n i c a c i d b a s e d ，p o l y c a r b o x y l a t ea n d a m i n o s u l f o n i ca c i d - b f i s e d 埘t 1 1a i r - e n t r a i n i n ga g e n t ，t h er e t a r d e rf o r m u l as h e e ts e p a r a t e ， t h e nt h ee f f e c t so ft h ed i f f e r e n tc o m p o s i t ea d d i t i v e so ft h ef o r m u l as h e e ti nd i f f e r e n t i n t e r m i n g l e dq u a n t i t yo nt h e 毹s hc e m e n tf l u i d i t y , t h em o r t a rc e m e n tf l u i d i t ya n dt h e f l e x u r a ls t r e n g t h ，c o m p r e s s i v es t r e n g t hw e r ea n a l y z e d ，a n dc o m b i n i n g 诵t 1 1s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p yp h o t o st o a n a l y z ee f f e c t so fc o m p o s i t e a d d i t i v e so ni n t e r n a l m i c r o s t r u c t u r e t h er e s u l t ss h o wt h a t ：w h e nn a p h t h a l e n e - b a s e da n da m i n o s u l f o n i c a c i d b a s e dc o m p o s i t ea d d i t i v ei n t e r m i n g l e dq u a n t i t yi s1 5p e r c e n t , t h el o s so ft h ef r e s h c e m e n tf l u i d i t yi sl e s s ，a n dt h em o r t a rc e m e n th a sh i g h e rf l e x u r a ls t r e n g t ha n dc o m p r e s s i v e s t r e n g t h ，l o w e rr a t i oo fc o m p r e s s i v ea n df l e x u r a l ，a n dt h em o r ed e n s em i c r o s t r u c t u r e ， a c c o r d i n g 、析t ht h es t a n d a r d so fr o a dw o r k s s e c o n d l y , c a l c u l a t i o no fc o n c r e t em i x i n gp r o p o r t i o n ，c h o o s i n gt h ev o l u m eo ft h ef i v e a l t e r n a t i v e10p e r c e n t ，15p e r c e n t ，2 0p e r c e n t ，2 5p e r c e n ta n d3 0p e r c e n ti nt h ea m o u n to f s l a gs u b s t i t u t i n gc e m e n te q u i v a l e n tr a n g eo fa l t e r n a t i v e s ，t h ee f f e c t so ft h es l u m pa n d f l e x u r a ls t r e n g t ha n dc o m p r e s s i v es t r e n g t hw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s s h o wt h a t ：w h e nt h ea m o u n to f s l a gs u b s t i t u t i n gc e m e n te q u i v a l e n ti s2 5p e r c e n t ，t h er a t i o o fc o m p r e s s i v ea n df l e x u r a li sl o w e rf o rd e c r e a s i n go ft h ec o n c r e t eb l o c kb r i t t l e ，i m p r o v i n g c o n c r e t ep a v e m e n ta b r a s i o nr e s i s t a n c e ，a c c o r d i n g 、析t ht h er o a de n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s t h i r d l y , a d d i n gt h ei n t e r m i n g l e dq u a n t i t y1 5 o ft h en a p h t h a l e n e - b a s e da n d v 复合外加剂对道路混凝土性能的影响 a m i n o s u l f o n i ea c i d - b a s e dc o m p o s i t ea d d i t i v ea n dt h ei n t e r m i n g l e dq u a n t i t y2 5 o fs l a gt o t h ec o n c r e t em i x i n g ，as e r i e so ft h ep e r f o r m a n c eo ft h es e t t i n gt i m e ，a i rc o n t e n t ，t h ef l e x u r a l s t r e n g t h a n dc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t h ef l e x u r a lp u l lm o d u l u so fe l a s t i c i t y , a b r a s i o n r e s i s t a n c e ，f r e e z e r e s i s t a n c ea n dd r y s h r i n k a g e ，a t t h es a n l et i m e ，t h ei n t e r n a l m i c r o s t r u c t u r es e m - e d so fc o n c r e t es t r u c t u r e ，b e f o r ea n da f t e rf r e e z i n ga n dt h a w i n go f c o n c r e t eb l o c kt op o r es t r u c t u r ew e r es t u d i e da n da n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t ： c o n c r e t eb l o c kw h i c hw a sa d d e dt h eb e s ti n t e r m i n g l e d q u a n t i t yo ft h eo p t i m i z i n g c o m p o s i t ea d d i t i v ea n ds l a g ，p e r f o r m sh i g h e rf l e x u r a ls t r e n g t ha n dc o m p r e s s i v es t r e n g t h ， l o w e rr a t i oo fc o m p r e s s i v ea n df l e x u r a l ，t h ef l e x u r a lp u l lm o d u l u so fe l a s t i c i t yi n c r e a s i n g ， e s p e c i a l l yt h e9 0 - d a ym o d u l u so fe l a s t i c i t yo fc o n c r e t eh a sb e e na c h i e v e dt h er e q u i r e m e n t s o fr o a dh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，t o u g h n e s si n c r e a s i n g ，i m p r o v i n gt h ei n t e r n a lp o r e s t r u c t u r e ，u n d e rt h en a t u r a lc o n d i t i o n so fs l o wf r e e z i n ga n dt h a w i n gs h o w i n gt h eg o o d a n t i f r e e z ep e r f o r m a n c ea n dn od i f f e r e n c e si np o r es t r u c t u r eb e t w e e nb e f o r ea n da f t e r f r e e z i n ga n dt h a w i n go fc o n c r e t eb l o c k , r e d u c i n gw a t e rl o s sr a t i oo fc o n c r e t ed r y i n ga n d t h es h r i n k a g eo fc o n c r e t e ，t h ec r a c ka p p e a rt ot h er o a dr e d u c i n ga n dt h er o a dt oe x t e n dt h e s e r v i c el i f e a l lr e s u l t ss h o wt h a tt h r o u g ht h em o d i f i c a t i o no fo r d i n a r yc o n c r e t e ，i t s p e r f o r m a n c e sa r eu pt o t h es t a n d a r d so fr o a dh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e k e y w o r d s ：r o a d w a yc o n c r e t e ；c o m p o s i t ea d d i t i v e s ；r a t i oo fc o m p r e s s i v ea n df l e x u r a l ； f l e x u r a lp u l lm o d u l u so f e l a s t i c i t y ；a b r a s i o nr e s i s t a n c e v i 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己经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究作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责任由本人承担。 论文作者签名：蕴0 ：翌 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：船导师签否毖期： 济南大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 水泥混凝土路面的国内外研究现状 从水泥混凝土被用来铺设路面或小道时算起，水泥混凝土应该与1 9 世纪初发明 的波特兰水泥同龄了。不过，据有关资料记载【l 】，水泥混凝土真正作为路面材料只有 7 0 、8 0 年的历史。水泥混凝土作为筑路材料用于铺筑路面最早是在英国。1 8 2 8 年在 伦敦郊外，英国用水泥混凝土铺筑道路基层，直到1 9 1 2 年美国威斯康星州和加利福 尼亚州把水泥混凝土用于铺筑标准的面层。1 9 1 4 年第一次世界大战后，水泥混凝土 路面得到了广泛的应用，2 0 世纪3 0 - 4 0 年代，水泥混凝土路面由于高强、耐久、行车 性能好等一系列优点，在欧美各国发展迅速i z j 。 随着公路交通现代化建设的快速发展，发展水泥混凝土路面已经放到道路建设的 重要位置。由于混凝土路面比沥青路面具有使用寿命长、施工简单、维修费用低的优 势，同时还具有良好的耐磨性和抗冲击性特点，因此在世界各国广泛采用【3 l 。近年来， 美国高速公路网中，水泥混凝土路面占4 9 左右1 4 j 。在欧洲，比利时是使用水泥混凝 土路面最多的国家，目前有5 0 的高速公路是水泥混凝土路面。法国最近每年建成的 高速公路约有3 0 为水泥混凝土路面，连续配筋水泥混凝土路面已被广泛用于高速公 路。德国是大量使用水泥混凝土路面最早的国家，1 9 6 0 年以前建成的高速公路几乎都 是混凝土路面【5 1 。上世纪6 0 年代和7 0 年代虽然对混凝土高速公路的兴趣减少，现在则 又关注混凝土路面，近年来修建的高速公路几乎都采用混凝土路面，使用状况良好 6 1 。 英国自1 9 7 0 年以来修建的主要干道中约有2 2 为水泥混凝土路面。2 0 世纪9 0 年代以 来，美国和欧洲一些国家对混凝土路面的耐久性进行关注，并且从路面设计上提出按 5 0 6 0 年的寿命设计结构，不少国家计划修建钢筋混凝土( 包括连续配筋路面在内) 特强 基层，5 0 年不维修，这样水泥混凝土路面在可持续发展战略地位中表现出独到的优势 【7 叫 。 中国水泥混凝土路面起步较晚m 12 1 。至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16 0 0 k i n ，约占高级和次高级路面里程的1 o 。近年来混凝土路面里程大幅度增加， 在高级和次高级路面中所占的比例也迅速提高。从2 0 世纪8 0 年代初我国一些省如浙 1 复合外加剂对道路混凝土性能的影响 江、河北、广东、江苏等，才较大规模地在公路上铺筑水泥混凝土，水泥混凝土路面 在我国以不可阻挡之势发展起来。到1 9 8 8 年，我国共修筑水泥混凝土路面82 6 4k m ， 平均每年修筑2 l lk m 。经过几年积累推广，到1 9 9 3 年底水泥混凝土路面里程增至2 8 0 4 9k m ，五年净增1 97 8 5k m 。这五年间水泥混凝土路面的每年修建里程数为前3 9 年的约1 9 倍。这个发展速度是非常惊人的【1 3 1 。 近年来，我国高速公路事业发展迅速，而水泥混凝土路面结构形式自2 0 世纪9 0 年代以来在公路建设中得到飞速发展，里程也增长很快，截止2 0 0 2 年底，我国已经 建成水泥混凝土公路达1 3 万多k m f l 4 1 。在我国，水泥混凝土高速公路具有得天独厚 的资源优势，其在未来的经济建设中将面临着高速发展的机遇，同时也为道路水泥的 发展提供了良好的机遇。随着国民经济发展突飞猛进，公路交通运输量和汽车的荷载 也随之迅速增长，各地公路遭受破坏、限制汽车荷载的报道也逐渐增多，公路交通承 受力已成为国民经济发展的瓶颈。为了缓解这一状况，国家加大了对公路建设的投资 力度，公路建设将从2 0 0 5 年的1 9 2 x 1 0 6k m 扩大到2 0 1 0 年的2 3 0 x 1 0 6k m ，并向 2 7 4 x 1 0 6k m 的目标前进，高速公路将从2 0 0 5 年的4 1 1 0 4k m 扩大到2 0 1 0 年的 6 5 0 x 1 0 4k m ，这有力地促进了公路交通事业的发展【1 5 - 16 1 。 水泥混凝土路面虽然一次性投资大，但其耐久性好，使用寿命长( 一般为3 0 年， 甚至可达5 0 年) ，维修费用低。每公里养护费用只有10 0 0 元，按1 9 8 9 - 1 9 9 1 年净增 6 9 7 0k m 计算，就可节约维修费用40 0 0 多万元。如果在水泥混凝土拌和时掺入外加 剂( 比如减水剂) ，可减少水泥用量，因而可降低成本和能耗，就以三年净增的69 7 0k m 水泥混凝土路面计，若水泥用量减少3 ，则可节约水泥在2 0 万t 以上，合人民币80 0 0 多万元【1 7 - 1 9 1 。水泥混凝土路面刚度大、强度高、板体性能好，是经得起检验的结构。 1 9 9 8 年的特大洪涝灾害中水泥混凝土路面在抗洪救灾中发挥了重要的作用，体现了 其特有的坚固性。 1 1 2 道路水泥混凝土的性质 由于道路水泥混凝土路面所处的使用条件、环境和所承受外力的特殊性，对道路 水泥混凝土的性能也就有特殊的要求，体现在以下几个方面： ( 1 ) 需具有很高的抗折强度 水泥混凝土路面不但要求较高的抗压强度，而且对其抗折强度要求也很高。我国 现行水泥混凝土路面设计规范规定“路面用的水泥混凝土的设计强度，应以抗折强度 2 薪南大学硕士学位论文 为标准，般采用龄期的计算抗折强度”。混凝土的抗折强度是路面设计的重要参 数，它不但直接影响路面的厚度，而且也影响路面的使用年限。国外对其抗折要求一 般都在5 0m p a 以上，考虑到我国水泥生产和供应情况，允许在轻交通量和使用年限 短的条件下，采用较低的抗折强度，但不得低于4 0 m p a l 2 0 1 。 ( 2 ) 需具有很好的耐磨性 道路混凝土在使用过程中一般要承受百万次甚至千万次车辆反复载荷的磨耗作 用，所以应保证路面具有很好的耐磨性。 ( 3 ) 需具有较好的和易性 在保证混凝土抗压、抗折强度的前提下，能满足易于拌和、运输、浇筑、振实等 各道工序的施工操作要求，且在施工过程中不产生离析，质量稳定铺筑后的面层具有 密实、平整、耐久、抗磨、防滑等特性。 ( 4 ) 需具有良好的耐久性 由于路面混凝土直接受到行驶车辆的磨损，寒冷积雪地区又受到防滑链车轮和带 钉车轮的冲击，同时长年经受风吹日晒、雨水冲刷及冰雪冻融的侵蚀。因此，为保证 道路的正常运行，要求混凝土必须具有良好的抗渗、抗冻、抗磨、抗疲劳、抗收缩徐 变、抗碳化腐蚀等耐久性制2 1 1 。 水泥混凝土最大的缺点就是脆性大，普通混凝土的折压比一般为1 8 1 1 2 ，随着 混凝土的抗压强度的增长，其抗折强度也增大，但增长幅度不如抗压强度增长的大， 因此，表现出混凝土的抗压强度越高，脆性越大。路面结构对混凝土抗折强度要求较 高。在混凝土中配以乱向分布的纤维或配以钢筋都是为了提高结构整体的抗拉能力和 抗裂能力，同时也减小横向接缝。这两种方法都是从外部改善混凝土的性能，无疑给 施工带来不便1 2 2 2 3 1 。在进行道路决策、设计和施工时，从经济效益出发，我们都想作 到工艺简单，节省投资，节约能源，即早开通使用，缩短车辆受阻和绕行时间，降低 运输费用，同时加快施工进度，方便施工组织。从这些角度出发，最好的途径就是发 展常规混凝土路面，即对混凝土本身进行改性，使其达到我们的要求。 对道路混凝土的研究，目前国内外都以降低其脆性为主，同时也对其耐久性、收 缩率和耐磨性能提出了一定要求，特别是要研究、开发和应用高性能混凝土，我们认 为应该采取两项主要措施：开发新型道路水泥和道路混凝土外加剂。 ( 1 ) 开发新型道路水泥 由于路面工程的特点，要求水泥具有抗折强度高，耐磨耗，胀缩小，耐久性好等 3 复合外加剂对道路混凝十性能的影响 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼1 皇曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 优良性能。我国地方水泥厂生产的水泥耐久性差，脆性大，熟料中的c a o 含量高， 高活性矿物c 3 s 含量较低，加入大量混合材料后，导致水泥凝结硬化较慢，早强低等。 另外，普通水泥和矿渣水泥的强度和耐磨性都不能很好地满足路面混凝土工程的要 求。 因此，开发新型道路水泥要求提高水泥c 3 s 和c 椰的含量而相应降低c 3 a 和 c 2 s 的含量f 2 4 1 。近几年，道路水泥的研究虽不同程度地提高了混凝土的早期和抗折强 度，但却未从根本上降低混凝土的脆性，或者说降低的效果不明显。 ( 2 ) 开发道路混凝土外加剂 在大力开发新型道路水泥的同时，还必须对普通水泥配制的混凝土进行改性，使 其满足道路混凝土的设计要求。在配制混凝土时，掺入一定量的外加剂，不仅可以按 要求对混凝土进行改性，而且可以节约水泥用量，加快施工进度，尽早开放交通。当 然，不同品种的外加剂在混凝土中所起的作用是不同的【2 5 1 。 运用于道路混凝土中的外加剂，我们希望它能降低混凝土的脆性，减少收缩，这 是主要目的。至于其他的性能，则采用减水剂、早强剂、养护剂等进行改善。使用道 路混凝土外加剂可以使普通水泥应用到路面工程中而不产生浪费，改变了以往通过采 用高标号水泥或增加水泥用量来提高混凝土抗折强度的方法。当然，我们还力求减少 混凝土的体积收缩，以期减少使施工工作者和道路使用者烦恼的收缩预留缝的问题 2 6 - 2 8 。目前，已有在路面混凝土中使用膨胀剂补偿收缩取得成功的例子。 1 1 3 水泥混凝土路面与沥青混凝土路面的特性分析 水泥混凝土路面与沥青路面之间主要差异在于前者是刚性结构而后者是柔性结 构，而柔性结构道路和刚性结构道路的本质差别在于他们分布荷载的方式不同。混凝 土有刚性和坚硬的特性，刚性道路把荷载分布在下面层次的一个相当广泛的区域内， 道路结构承载力的很大部分是混凝土提供的；柔性路面是用柔软的材料制成，不能类 似混凝土一样把荷载分开，柔性道路通常需要更多的层次和更大的厚度来把荷载传递 给下面层次( 见图1 1 ) 口9 。 4 济南大学硕士学位论文 栽荷 “) 水泥混凝土路面m ) 沥青混凝上路面 用 图1 1 荷载对路基的作用示意图 f i g1 1f u n c t i o n a ld i a g r a mo fl o a do nr o a d b e d 沥青路面作为一种无接缝的连续式路面，具有较好的力学性能、良好的承受力、 行车稳定、舒适、无扬尘、无震动、低噪音及可机械化施工，维修方便等优点，已成 为我国高等级公路的主要路面结构形式；但也存在路面使用周期短、后期养护费用高 的缺点。由于我国沥青资源有限，含蜡量较高，用于重交通的道路石油沥青大量依赖 进口，因而沥青混凝土面造价相对较高。与沥青相比，我国水泥的资源及供应状况非 常充裕，无需进口，据统计，我国现有水泥产量达1 0 亿吨以上，而且水泥混凝土高 速公路最著名的优点之一就是它的卓越的耐久性和更大的承载力，比较适合我国国 情。 在沥青道路上，重荷载会产生严重的车辙，同时，重型车辆的制动和启动会产生 波纹状的表面，在交叉路口或转角处易使柔软的沥青材料产生位移、形成波纹、出现 车辙。混凝土路面的刚性特质则可阻止这种形式的变形产生，不会出现车辙，波纹状 表面与位移。在潮湿的天气，沥青道路上的车辙将会积水并增加滑行的可能性；在冬 天，沥青车辙里的积水会变成冰，增加了发生交通事故的可能性。考虑到驾驶员以及 乘客的人身安全，水泥混凝土道路具有比较明显地防滑作用，这是由于其含有宏观和 微观两类构造。宏观构造主要指通过拉毛或刻槽工艺修筑的沟槽式构造，微观构造主 要指通过拉毛或磨蚀作用在砂浆表面形成的细微构造【3 0 】。 重型车辆在柔性道路上行驶时会产生比在刚性道路上行驶时更大的倾斜，倾斜吸 收一部分本应推进汽车前进的能量，也就是说在柔性道路上行驶会需要更多的能量与 燃料，水泥混凝土的刚性设计减少了汽车的倾斜和与之相对应的汽车燃料的消耗3 1 1 。 加拿大国家研究委员会与加拿大水泥协会进行了为期一年的研究，认为在水泥混凝土 道路上行驶的卡车比在沥青道路上平均节省11 的燃料【3 2 1 。 在我国的高等级公路中，水泥混凝土路面( 高速公路和一级公路) 约占2 5 ，二级 5 复合外加剂对道路混凝土性能的影响 以下公路所占比例约为4 0 。由于现代公路交通的车流量和荷载进一步增大，渠化程 度进一步提高，沥青混凝土路面将面临着严峻的考验，其中很大一部分沥青混凝土路 面建成通车后不久，短的几个月，长的也不过3 - - 4 年，就出现车辙、开裂等破坏， 需进行大面积维修或罩面，既影响了交通运输，又造成了极大的经济损失口3 。3 5 1 。水泥 混凝土路面具有路面整体性能好、路面强度高、使用周期长、后期养护费用较低、可 利用当地资源、带动地方经济发展的优点。水泥混凝土路面适合车流量大，轴载大， 交通渠化程度高的地区采用，尤其是交通繁忙地区的高等级公路。 路面混凝土因其本身特点决定了工作环境要比其他一些建筑物更为复杂和严峻， 随着当今重载、超载车辆的急剧增加，混凝土路面损坏加剧，除力学性能要满足设计 要求外，其耐久性问题日益突出，研制并开发新型的混凝土路面材料刻不容缨3 6 】。道 路高性能混凝土( h i g hp e r f o r m a n c er o a dc o n c r e t e ，简写h p r c ) 不仅具有优异的物理力 学性能和耐久性，而且还具有高施工性( 高流动性、高可浇筑性、低离析等) ，具有良 好的工作性叨。 1 2 道路高性能混凝土的国内外研究现状 过去对混凝土材料进行研究，主要是为提高其强度指标，采取的方法是提高水泥 标号、水泥用量和外加剂，这种方法只提高了混凝土的强度，而没有改善其他性能， 而且有些性能还有所降低，因而不能被称为高性能混凝土。真正的高性能混凝土的研 究是从8 0 年代末、9 0 年代初开始的。高性能混凝土是当前国内外混凝土领域中研究 的热点，高性能混凝土是一种具有良好施工性能、强度较高、体积稳定性好及高耐久 性混凝土，是混凝土进入高科技时代的产物，是2 1 世纪的重要建筑材料1 3 引。 1 9 9 0 年，美国n i s t 和a c i 主办的讨论会上，把高性能混凝土的性能归纳为： 易于浇筑、捣实且不离析；具有高超的、能长期保持的力学性能、具有较高早期强度、 高韧性、高体积稳定、在恶劣环境下的使用寿命长【3 9 1 。法国的m a l i e r 认为：高性能 混凝土的特点在于有良好的工作性、高的强度和早期强度、工程经济性高和高耐久性， 特别适用于桥梁、港口、核反应堆以及高速公路等重要的混凝土建筑结构中【删。日本 的小泽一雅和冈村甫认为：高性能混凝土应具有高工作性( 高的流动性、粘结性与可 浇筑性) 、低温升、低干缩率、高抗渗性和足够的强度。他们强调高性能混凝土首先 应具备高工作性，甚至要达到免振捣，即自流平的状态【4 1 1 。日本的s a r k a r 提出：高 性能混凝土具有较高的力学性能( 如抗压、抗折、抗拉强度) 、高耐久性( 如抗冻融循环、 6 济南大学硕士学位论文 抗碳化和抗化学侵蚀性) 、高抗渗性，属于水胶比很低的混凝土家族【4 2 】。加拿大的 p i e e r - c l a u d e 和英国的a d a mn e v i l l e 提出：高性能混凝土除比普通混凝土抗压强度高 以外，还具有高弹性模量、高密实性能、低渗透性以及能抵御多种形式侵蚀的性能； 特别适用于高层建筑、桥梁及暴露在恶劣环境中的结构【4 3 削】。以美国弗吉尼亚州交通 研究院的c0z y i l d i r i m 为代表强调：用于交通设施的高性能混凝土最重要的性能是低 渗透性与高早期强度，在一些特殊设施中还要求较高的极限强度( 4 0 6 0 m p a ) 4 5 1 。 1 9 8 6 , - , 1 9 9 3 年，法国有政府组织包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等2 3 个单位开展了“混凝土新方法”的研究项目，进行高性能混凝土的研究，并建成了示范 工程【4 6 】。1 9 9 6 年，法国公共工程部，教育与研究部组织了为期四年的国家研究项目“高 性能混凝土2 0 0 0 ”，投入研究经费5 5 0 万美元1 4 7 1 。日本建设省于1 9 8 8 1 9 9 3 年进行了 一项综合开发计划“钢筋混凝土结构建筑物的超轻质，超高层化技术的开发”( 简称“新 r c 计划) 【4 引。挪威皇家科技研究院的科学与工程研究基金( s i n e f ) 持续资助高强混凝 土和高性能混凝土的研究【4 9 1 。瑞典1 9 9 1 1 9 9 7 年政府联合出资5 2 0 0 万克郎，实施高 性能混凝土研究的国家计划【5 0 1 。1 9 9 9 年美国n i s t 的建筑与防火研究实验室( b f r l ) 在国际互联网上公布了一个“高性能混凝土技术的伙伴关系( p h p c t ) ”由工业界四个 大企业和国家预拌混凝土协会，波特兰水泥协会协作，承担“商品高性能混凝土结构 项目中计算机集成知识系统( c i k s ) 的开发”的国家重点研究计划【5 。 同时，我国科研工作者也在这方面作了很多研究。吴中伟院士及清华大学廉慧珍 教授给出了高性能混凝土的如下定义5 2 5 3 】：高性能混凝土是一种新型高技术混凝土， 是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，采用优质材料，在 严格质量管理条件下制成的：除了水泥、水、骨料外，必须掺加足够数量的掺合料和 外加剂，且水胶比较低：针对不同用途要求，高性能混凝土对下列性能有重点地予以 保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性及经济性，但应以耐久性作为设 计的主要指标。黄大能教授认为：高性能混凝土应具有适当的高强，但必须具有良好 的耐久性，能抵抗各种化学侵蚀作用，体积稳定性好。清华大学冯乃谦教授认为【体5 5 】： 高性能混凝土具备高强度但同时具备高耐久性，耐久性是高性能混凝土最重要的技术 指标；高性能混凝土必须具备良好的工作性，可泵性好且坍落度损失小。 目前国内外学者多数还认为高性能混凝土必须是高强混凝土( 大于c 5 0 ) ，但从目 前已取得的效果以及从工程安全性与安全使用期等要求来看，高强混凝土必须是高性 能混凝土1 5 6 1 。因此高强混凝土应当包括在高性能混凝土之中。单纯的高强混凝土不一 7 复合外加剂对道路混凝士性能的影响 定就具有高性能。如果强调高性能混凝土必须在c 5 0 以上，则将大大限制高性能混 凝土的应用范围。大量使用的钢筋混凝土建筑物，如低层和多层房屋以及高层房屋的 上层构件，又如海工、水工，尤其是在不利环境中的结构物、大体积混凝土等，对强 度要求并不高，但对耐久性要求却很高【5 7 5 8 1 。高性能混凝土恰能满足此要求。因此高 性能混凝土不只是高强度的，而是包括各种强度等级的，其应用范围十分广泛。这也 正是高性能混凝土能成为混凝土的发展方向的重要原因。工作性也是高性能混凝土的 一个重要方面，良好的工作性是使混凝土质量均匀、获得高性能因而安全可靠的前提。 没有良好的工作性就不可能有良好的耐久性。例如，不均匀的拌和物( 离析、泌水) 会 造成混凝土分层和不密实，流动性和填充性不足时还可能造成混凝土中出现孔洞、蜂 窝等严重缺陷。工作性对混凝土技术和管理现代化有重大影响。良好的工作性可因操 作方便而加快施工进度，改善劳动条件，有利于环境保护，因此对工作性应特别重视 【5 9 1 。工作性的提高会使混凝土的填充性、自流平性和均匀性得以提高，并为高性能混 凝土的生产和施工走向全盘机械化、自动化、计算机控制和机器人操作提供可能性。 这是提高工作性的又一个重大意义。 当然，不同国家不同学者对高性能混凝土有不同的定义和解释，但共同的观点是： 高性能混凝土应具有高耐久性【删。本文也持相类似的观点，即高性能混凝土最核心的 内容是优异的耐久性，也就是说高性能混凝土首先应具备高耐久性，同时兼有良好的 工作性和适宜的强度。道路高性能混凝土的重要特征是具有高抗弯拉强度。当前道路 混凝土设计计算抗弯拉强度一般为4 5 m p a ，相应2 8 d 平均抗弯拉强度为5 0 2 m p a ， 抗压强度约为4 0 m p a ，属于中等强度。道路高性能道面混凝土抗弯拉强度高达 6 0 11 0 m p a ，相应抗压强度约为5 5 9 5 m p a 。所以使用道路高性能混凝土可以显著提 高路面的承载能力，延长使用寿命或减薄路面的厚度以降低工程造价【6 1 1 。 道路高性能混凝土配合比设计的一般原则【6 2 】： 1 ) 道路高性能混凝土的用水量低，水灰比一般小于0 3 5 ：对8 0 m p a 的混凝土， 水灰比小于0 3 0 ；更高强度时水灰比取0 2 2 左右。 2 ) 水泥用量一般为4 0 0k g m 3 - 4 5 0k g m 3 ，对8 0 m p a 的混凝土可为5 0 0k g m 3 ，更 高强度时也不应超过5 5 0k g m 3 。 3 ) 集料应挑选强度高、吸水率低的碎石，最大粒径不超过1 5 m m 一2 0 m m 。 4 ) 当水灰比很低时，为改善工作度，宜掺加矿物混合料，并适当增加高效减水 剂的用量。当选用萘系和氨基磺酸盐高效减水剂时，用量以不超过水泥用量的1 5 8 济南大学硕士学位论文 2 0 为宜；当选用聚羧酸系高效减水剂时，用量以不超过水泥用量的0 6 1 0 为宜。 道路高性能混凝土不仅具有优异的物理力学性能和耐久性，而且还具有高施工性 ( 高流动性，高可浇筑性，低离析等) ，具有良好的工作性【6 3 1 。因此，采用道路高性能 混凝土来修建或更新修补高速公路等的混凝土路面，具有重大技术、经济意义。 1 3 本论文研究目的意义 早期的道路混凝土是以石油沥青为胶结料，砂石为集料的混凝土，主要用于公路 的路面。由于沥青耐老化性差、温度稳定性低、使用寿命短，导致道路沥青混凝土维 护费用高。据不完全统计，到2 0 0 5 年底，我国有1 2 预计完工的沥青面高速公路， 由于沥青价格上涨，其花费已经大大超出了预算。众所周知，沥青路面对周围的土地、 地下水等会造成污染，沥青的自然分解与降解需要几十年，这是国际上绿色环保组织 反对大量建筑沥青路面的重要原因之一【6 4 1 。随着经济的发展，尤其是汽车工业的发展， 对公路质量的要求越来越高。世界上很多先进的工业化国家将提高道路质量、完善公 路网、发展高速公路作为发展国民经济的重要决策。因此，需要更好的路面材料来代 替传统道路沥青混凝土。 道路水泥混凝土是以硅酸盐水泥或专用水泥为胶结材料，以砂石为集料，掺入矿 物掺合料和少量乡 1 - a n 剂拌和而成的混合料，经浇筑或碾压成型，通过水泥的水化、硬 化从而形成具有一定强度，用于铺筑道路的混凝土。随着我国公路的大量兴建，水泥 混凝土路面，以其质量稳定，维修率低，使用年限长等优点，逐步取代了传统的沥青 路面。利弊关系总是相辅相成的，道路混凝土在具有上述优点的同时，也存在一个很 大的缺陷，即脆性大，抗折强度低。有关研究表明，随着抗压强度的提高，其脆性也 有较大幅度提高，而道路混凝土的抗弯拉性能，是评价其质量优劣的一个重要技术指 标，所以改善道路混凝土的抗弯拉性能，降低其脆性至关重要。 混凝土外加剂在混凝土中的广泛应用，已使其成为混凝土中必不可少的第五组 份，混凝土外加剂的特点是品种多、掺量小、在改善新拌和硬化混凝土性能中起着重 要的作用。由于单独一种外加剂本身不可避免的缺点以及开发新的外加剂所需耗费很 多财力物力，因此，对外加剂进行复合得出高效的复合外加剂是一种很有效的途径。 物理多元复合就是具有不同功能的不同组分的复合，复合后可使外加剂具有多种功能 或取得超叠加效应。为提高水泥混凝土路面施工质量，改善水泥混凝土路面的抗弯拉 9 复合外加剂对道路混凝土性能的影响 性能、耐磨耗性以及行车平稳性、抗滑性等技术指标，选择满足设计、施工要求以及 与水泥适应性好的优质高效的复合外加剂，是保证工程质量、降低混凝土脆性与提高 耐久性的重要措施。因此，本课题采用掺加超细矿渣，配合高效的复合外加剂来研究 一种符合高标准道路要求、脆性比较低、抗冻性能好、耐磨性能好、耐久性高的高性 能混凝土，对改善公路质量和发展我国交通事业有较大的实际意义。 1 4 本论文主要研究内容 一、研究萘系和氨基磺酸盐高效减水剂的复合对水泥净浆流动度的影响 设计萘系和氨基磺酸盐高效减水剂的复合正交表，测定其不同配比对水泥净浆流 动度的影响，分析结果得到