（道路与铁道工程专业论文）改善水泥稳定碎石混合料收缩性能的试验研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o 保密 2 年 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c e r e s e a r c ho ni m p r o v i n gs h r i n k a g e p e r f o r m a n c eo fc e m e n ts t a b i l i z e dg r a v e i s c h o o l s c h o o lo f t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g m a j o r r o a da n dr a i l w a ye n g i n e e r i n g c a n d i d a t e s u ny i c h u n s u p e r v i s o r p r o f x uz h i h o n g f e b r u a r y 2 0 0 8 1 一 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前 提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 学位论文作者签名 翻 番弛 7 oo f m 了月了e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 学位论文作者签名 孙亦缈 7 o o 脚岁月 摘要 摘要 水泥稳定碎石具有强度高 稳定性好 抗冲刷性能及抗行车疲劳性能较好 的特点 但它在湿度变化 水分蒸发 时易产生干缩裂缝 导致沥青面层表面形成 反射裂缝 进而影响路面的使用性能和使用寿命 这一缺陷是很明显的 且随着 我国交通状况的变化 半刚性基层沥青路面遭遇到重载交通和早期损坏两大挑 战 因此 提出能适应重载交通的长寿命优性能半刚性基层沥青混凝土路面设 计方法 对目前重载交通高速公路的半刚性路面工程建设和养护将具有重大的 经济效益和社会意义 同时对低等级公路沥青路面 城市道路沥青路面和机场 跑道沥青路面的建设与养护也具有指导和参考价值 为此 本文分以下几个步 骤进行了研究 首先 定出所要研究的级配以及水泥用量 然后通过对掺加不同掺量膨胀 剂 减缩剂的混合料进行击实试验结果 得出各掺量混合料的最佳含水量和最 大干密度 与此同时 对掺与不掺外加剂的混合料做延迟时间击实试验 把其 对混合料的影响做一个综合分析 得出延迟时间对掺外加剂混合料的影响结论 然后 通过对掺加不同掺量膨胀剂 减缩剂的水泥稳定碎石混合料进行抗 压强度 劈裂强度 劈裂模量以及干缩试验 选取梁亚军推荐的干缩抗裂系数 来评价其抗裂性能 再结合抗压强度对其进行综合比较 得出最佳膨胀剂和减 缩剂掺量 最后 以此最佳外加剂掺量混合料与未掺外加剂混合料的路用性能做出综 合分析 得出掺外加剂能有效改善水泥稳定碎石收缩性能的结论 关键词 水泥稳定碎石 膨胀剂 减缩剂 干缩性能 抗裂性能分析 a bs t r a c t c e m e n ts t a b i l i z e d g r a v e l h a s h i g hs t r e n g t h g o o ds t a b i l i t y a n t i e r o s i o n p r o p e r t i e sa n d b e t t e ra n t i f a t i g u ep r o p e r t y b u ti ti se a s yt op r o d u c ed e s i c c a t i o n c r a c k sw h e nh u m i d i t yc h a n g e s c a u s e db ye v a p o r a t i o n r e s u l t i n gi nr e f l e c t i o nc r a c k o i lt h eb i t u m i n o u sp a v e m e n ts u r f a e t t h e ni n f l u e n c e sp e r f o r m a n c ea n dt h es e r v i c el i f e o ft h el d a v e m e n t t h i sf l a wi sv e r yo b v i o u s a n da l o n gw i t hc h a n g e si nt r a f f i c c o n d i t i o n s s 础 r i g i c ta s p h a l tp a v e m e n te n c o u n t e r st w ob i gc h a l l e n g e sh e a v y1 0 a d t r a n s p o r t a t i o na n dt h ee a r l yd a m a g e t h e r e f o r e i tw i l lh a v et h es i g n i f i c a n te c o n o m i c e f f i e i e n e ya n dt h es o c i a lm e a n i n gt ot h ep r e s e n tc o n s t r u c t i o na n dt h em a i n t e n a n c eo f t h es e m i r i g i dh i g h w a yp a v e m e n ts l l i f a c et op r o p o s eal o n gl i f es e m i r i g i da s p h a l t e o n e r c t ep a v e m e n td e s i g nm e t h o dw h i c hi sa d a p tt ot h eh e a v y d u t yt l a f f i c i tw i l la l s o h a v ei n s t r u c t i o na n dr e f e r e n c ev a l u et ot h el o wg r a d er o a db i t u m i n o u sp a v e m e n t t h e m b a nr o a db i t u m i n o u sp a v e m e n ta n dt h er u n w a yb i t u m i n o u sp a v e r n c n t c o n s t r u c t i o n a n dt h em a i n t e n a n c e t h e r e f o r e t h i sa r t i c l eh a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c hw i t h f o l l o w i n gs e v e r a ls t e p s f i r s t l y t h es t u d ys e to u tt od e t e r m i n et h eg r a d ea n dc e m e n tc o n s u m p t i o n a n d t h e ng e tt h eb e s ta m o u n to fm o i s t u r ea n dm a x i m u md r yd e n s i t ya c c o r d i n gt ot h e c o m p a c t i o nt e s tr e s u l t so fd i f f e r e n tm i x t u r e sw i t hd i f f e r e n tc o n t e n t so fe x p a n s i v e a g e n ta n ds h r i n k a g er e d u c i n ga d m i x t u r e m e a n w h i l e m a k e s ag e n e r a l i z e da n a l y s i so f t h ea d m i x t u r ei m p a c tt ot h em i x t u r eb yp e r f o r m i n gt h ed e l a yt i m ec o m p a c t i o nt e s t a n dg e t sac o n c l u s i o na b o u tt h ei m p a c to fd e l a yt i m et ot h em i x t u r e a n dt h e n t h r o u g ht h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h t h ec l e a v a g es t r e i l g t h t h ec l e a v a g e m o d u l e 嬲w e l l 够t h ea i rs h r i n k a g ee x p e r i m e n t0 1 1t h ec e m e n ts t a b i l i z e dm i x t u r e i r i n l d i f f e r e n t c o n t e n t s a p p r a i s e s i t sc r a c kr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eb ys e l e c t i n gt h e s h r i n k a g ea n t i c r a c ke o e f f i c i c n tr e c o m m e n d e db y y a j u nl i a n gt h e ng e t st h eb e s t c o n t e n t so fe x p a m i v ea g e n ta n ds h r i n k a g er e d u c i n ga d m i x t u r eb yr e e o m b i n i n gw i t h c o m p r e s s i v es t r e n g t h f i n a l l y m a k e sag e n e r a l i z e da n a l y s i sa b o u tp a v c r n e n tp e r f o r m a n c e so fm i x t u r e 嘶t l lb e s ta m o u n to fa d m i x t u r ea n dm i x t u r ew i t h o u ta d m i x t u r et h e ng e t sac o n c l u s i o n a b o u tt h ee f f e c t so fi m p r o v i n gs h r i n k a g ep e r f o r m a n c eo fc e m e n ts t a b i l i z e dm i x t u r eb y a d d i n ga d m i x t u r e k e yw o r d s c e m e n ts t a b i l i z e dg r a v e l d r ys h r i n k a g ep e r f o r m a n c e e x p a n s i v ea g e n t s h r i n k a g er e d u c i n ga d m i x t u r e a n t i c r a c k i n gp e r f o r m a n c 岔a n a l y s i s 目录 目录 第1 章绪论 1 1 1 研究背景 1 1 1 1i i 论 l 1 1 2 路面结构应适应重载交通条件 1 1 1 3 路面结构应满足艮寿命要求 2 1 1 4 本课题的导山 3 1 2 国内外研究现状和发展动态 4 1 2 1 i i i i 性基层的收缩研究 4 1 2 2 国内外膨胀剂应圳研究 6 1 2 3 国内外减缩刑应h j 研究 1 0 1 3 研究的目的及意义 1 6 1 4 研究内容 1 6 第2 章研究方案和试验方法 1 8 2 1 研究方案 1 8 2 2 试验方法 1 8 2 2 1 原材料性能试验 1 8 2 2 2 水泥稳定碎彳i 力学参数的测试 1 8 2 2 3 收缩观测 2 2 第3 章水泥稳定碎石混合料初步研究 2 4 3 1 原材料基本性能评价 2 4 3 1 1 水泥基本性能评价 2 4 3 1 2 集料的基本性能评价 2 4 3 1 3 外加剂基本性能评价 m 2 5 3 2 级配的选择 矗 2 2 5 3 3 击实试验综合比较 i 2 7 3 3 1 不掺外加刺延迟试验结果 2 7 3 3 2 掺膨胀齐 j 试验结果 2 8 3 3 3 掺膨胀刺延迟试验结果 3 0 3 3 4 掺与坷i 掺膨胀剂延迟试验结果对比 3 l 3 3 5 不同掺鼙减缩刺试验结果 3 2 3 3 6 掺减缩制对水稳碎彳i 最人干密度和城f i 禽水 i 的影响 3 7 3 3 7 掺减缩制延迟实验结果 3 9 l h录 3 4 本章小结 4 0 第4 章水泥稳定碎石性能试验结果与分析 4 1 4 1 无侧限抗压强度结果与分析 4 1 4 1 1 不掺外加剂水泥稳定碎彳i 抗压强度试验结果 4 1 4 1 2 掺膨胀剂水泥稳定碎彳i 试验结果 4 1 4 1 3 掺减缩剂水泥稳定碎彳i 试验结果 4 2 4 1 4 j 结 4 3 4 2 间接抗拉强度结果分析 4 4 4 2 1 不掺外加剂水泥稳定碎彳i 试验结果 4 4 4 2 2 掺膨胀剂水泥稳定碎彳i 试验结果 4 4 4 2 3 掺减缩剂水泥稳定碎彳i 试验结果 4 5 4 2 4 劈裂模量及劈裂应变结果 4 6 4 2 5 j 结 4 7 4 3 干缩性能结果与分析 4 8 4 3 1 干缩试验观测结果 4 8 4 3 2 干缩试验结果分析 5 4 4 3 3 小结 6 1 4 4 本章小结 6 1 第5 章抗裂性能评价与比较 6 3 5 0 l 常 h j 的抗裂性能评价指标 6 3 5 2 抗裂性能指标分析 6 4 5 3 抗裂性能分析 6 5 5 4 本章小结 6 7 第6 章结论与展望 6 8 1 结论 6 8 6 2 本文主要创新 一 6 9 6 3 展望 6 9 致谢 7 0 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 引论 第1 章绪论 近2 0 年来 我国高速公路发展迅速 特别是自1 9 9 8 年开始 平均每年都 有3 0 0 0 k m 高速公路建成通车 到2 0 0 年底 我国高速公路里程已达5 3 6 万k m 高速公路的快速发展为我国经济的持续健康增长 人民生活水平的提高作出了 突出的贡献 半刚性基层沥青路面综合了沥青面层具有平整 弹性 噪音小和 维修方便等优点和半刚性基层具有强度高 板体性好 良好的经济性等优点 2 4 1 在我国已建成的高速公路中 使用广泛 约占8 5 可以说 半刚性基层沥青路 面是我国公路发展的一面旗帜 但随着我国交通状况的变化 半刚性基层沥青路面遭遇了重载交通和早期 损坏 5 l 两大挑战 同时 与我国半刚性基层沥青路面设计寿命为1 5 年相比 国 际上已经提出了设计使用期为3 0 4 0 年的长寿命路面新理念 因此 提出能适 应重载交通的长寿命优性能半刚性基层沥青混凝土路面的设计和施工方法 不 仅对目前重载交通高速公路的半刚性路面工程建设和养护将具有重大的经济效 益和社会意义 同时对低等级公路沥青路面 城市道路沥青路面和机场跑道沥 青道面的建设与养护也具有指导和参考价值 1 1 2 路面结构应适应重载交通条件 近年来 国民经济的快速发展使我国汽车生产量和保有量不断增加 汽车 货运量和客运量在社会总运输量中的比例迅速扩大 但是 随着汽车运输量的 增加 载货类汽车违章超载现象十分严重 且有蔓延的趋势 5 1 据调查 许多载 货类汽车都存在超载行为 有些成倍地超载 载货类汽车的严重超载 危害交 通安全 损坏路面 污染环境 已成为社会生活和经济发展中的一项 公害 严重扰乱了正常的市场经济秩序 也直接影响国家汽车工业的健康发展 第1 章绪论 载货类汽车违章超载的原因是多方面的 除了由于车辆用户为了降低运营 成本 增加利润 多装超载外 一些汽车生产企业为谋取本单位或个人的利益 无视国家有关规定 在车辆生产 改装或申报产品时 有意采用 大吨小标 即标定装载质量低于设计承载能力 或非法加高货箱栏板 增加钢板弹簧片数 等 为超载运输提供了条件 按照国际上通用的计算方法 汽车轴载质量对公路路面间的破坏关系呈 四 次方法则 汽车轴载质量增加一倍 公路受损将增至原来的1 6 倍 由于超限 超载 高速公路 1 5 年大修 7 至8 年中修 的维修周期早已被打破 现实情 况已变成 4 至5 年大修 2 至3 年中修 每年由此造成的损失达数十亿元 关于对超载问题的对策 许多学者认为应该通过严格立法来解决 公路治 超活动有效打击了超载超限现象 与此同时 一些高速公路已尝试采用计重收 费 通过经济杠杆来治理超载 这是一种很有前途的手段 但由于我国公路网 量大面广 杜绝超载现象仍有相当路要走 因此 通过技术手段 提出适应重 载的半刚性基层沥青路面就具有紧迫性和重要的意义 1 1 3 路面结构应满足长寿命要求 一般沥青路面的设计寿命为1 5 年 国外部分国家提出2 0 年 结构层厚度 按此累计标准交通轴载的作用次数考虑和计算 达到使用期末结构将出现疲劳 破坏 如基层疲劳破坏 沥青面层疲劳破坏 而目前我国高速公路沥青路面普遍还存在早期破坏现象 远没有达到一般 路面结构的使用寿命就需要进行大修 同时 国际上已经提出了长寿命路面 即4 0 5 0 年的设计年限期间不发生 结构性损坏 仅需要每1 5 2 0 年对面层进行维护的长寿命沥青路面 长寿命路面是一种按照不同的破坏模式进行设计的路面结构 沥青路面下 面层沥青含量较高 富油层 或者路面的整体较厚 使得沥青路面下面层的拉 应变被减少到不显著的水平 能够很好地抵抗由下至上的疲劳开裂 较高的沥 青用量还能提供耐久性 沥青路面中面层通过集料之间的嵌挤结构提供抗车辙 能力 抗剪切 密实 基本不透水的性能 沥青路面表面层抗车辙 抗老化 w e a t h e r i n g 抗疲劳开裂 耐磨损 一般采用s m a 或密级配的s u p e r p a v e 混 合料 一些地区为了提高表面排水能力采用开级配磨耗层 第1 章绪论 工程实践和理论分析都表明 长寿命路面在使用期间不会出现结构性的损 坏 仅仅需要对面层的破坏情况进行观测 发现裂缝到了一定深度则进行维护 理论和试验路研究都发现 对于具有较厚沥青层的结构 它的破坏大多出现在 面层 由于只需对表面层进行处理 维护十分方便 快速 而且费用低 对交 通影响小 对于重交通量道路和主要机场 其优势带来的经济效益十分可观 国际上的长寿命路面主要为柔性基层 全厚式沥青路面 由于它们造价较 高 且是否适应于我国的交通和环境状况尚不清楚 我国对此的研究刚刚起步 而半刚性基层沥青路面在我国使用广泛 经验丰富 实际使用寿命尚未达到其 疲劳寿命 有很大的潜力 且其造价低廉 因此 结合我国国情引进长寿命沥 青路面新理念 提出能适应重载交通的长寿命优性能半刚性基层沥青路面是非 常重要的 1 1 4 本课题的导出 半刚性基层沥青路面要能适应重载和长寿命的要求 必须采取必要的工程 技术措施 主要有 路基工作区强度保障技术 主要为路基排水 基层结 构增强与强度均匀性措施 沥青面层性能优良与稳定保证措施 其中最关键 的是增强基层 1 2 6 半刚性路面的承载能力取决于半刚性基层 因此 提高半刚性基层的质量 对延长沥青路面的使用寿命具有重大的意义 我国的半刚性基层主要包括水泥 稳定碎石和二灰稳定碎石 与二灰稳定碎石相比 水泥稳定碎石具有早期强度 高 冰冻稳定性好 抗冲刷性能好 施工质量易于控制等优点 故在目前我国 高等级公路半刚性基层中使用广泛 2 棚 基于以上考虑 为适应重载和长寿命的要求 水泥稳定碎石应有较高的强 度 7 天无侧限抗压强度达6 m p a 以减小其应力水平 提高强度可以从级配和水泥用量两方面入手 级配宜采用骨架密实结构 但增加水泥用量可能带来副作用 即干缩的增大引起基层开裂 l 删 对半刚性基层开裂的防治措施主要有三种 一是改善面层的性能 如增加 沥青面层的厚度等 二是从结构入手 采用应力吸收层 如级配碎石和s a m i 等 三是改善基层的性能 如减少细料 控制碾压含水量等 显然 其中最有 效的是改善基层本身的抗裂性 1 1 2 3 第l 章绪论 与水泥稳定碎石相类似的材料混凝土的收缩开裂也是近1 0 0 年来没有很好 解决的难题 但据文献报道 采用膨胀剂和减缩剂能有效减轻或避免混凝土开 裂 在国内外应用正逐步展开 因此 在水泥稳定碎石中掺入膨胀剂和减缩剂 通过外加剂来改善水泥稳定碎石的抗裂性是一种很值得研究的方法 1 2 国内外研究现状和发展动态 1 2 1 半刚性基层的收缩研究 因为反射裂缝的产生是由于半刚性材料抗变形能力差 脆性大 在温度或 湿度变化时易产生收缩开裂而导致的 所以目前国内外在对半刚性基层沥青路 面裂缝的研究方向上 除了沥青路面裂缝的研究外 就主要集中在半刚性基层 材料收缩裂缝的研究上 对于水泥稳定碎石基层的收缩裂缝的研究 目前国内 外主要集中在两个方面 收缩机理及其影响因素和收缩的防澍 8 埘 1 2 i 1 收缩机理及其影响因素 干缩是指半刚性基层材料因内部水分变化而引起体积收缩现象 一般认为 由于蒸发和混合料内部的水化作用 混合料的水分会不断减少 进而导致毛细管 作用 吸附作用 分子间力作用等引起半刚性材料产生体积收缩 根据g e o r g e 的有关试验表明 由水泥水化作用使混合料水分减少而产生的体积收缩约占总收 缩的1 7 影响水泥稳定碎石收缩的因素很多 比如 水泥的类型和数量 集料的 含泥量和塑性指数 混合料的级配和含水量等 一般认为水泥稳定碎石的干缩 应力主要受水泥剂量及施工时的含水量的影响 水泥剂量越大 干缩应力也就越 大 裂缝越多 有关数据表明 水泥剂量增加1 倍 路面的横缝增加2 4 倍 混合料的 含水量越大 干缩应力也越大 导致的裂缝也越多 缝宽增大u j 国外在温缩方面的研究较少 关于半刚性基层温度收缩主要由我国学者在进 行探讨 一般认为 半刚性基层材料是由固相 液相和气相组成 所以半刚性基层 材料的外观胀缩性是由其基本体的固 液 气相的不同温度收缩性的综合效应 结果 但气相大部分与大气相通 在综合效应中影响较小 可以忽略 故半刚性基层 材料的胀缩性主要从固相 液相胀缩 及两者的综合作用考虑 9 1 一般在温缩中 4 第l 章绪论 存在这么几个规律 1 半刚性材料中固相部分的收缩取决于固相的成分及其含量 2 随着化学反应的进行以及新生物的结晶硬化 半刚性基层材料的收缩 系数将不断增大 3 水对半刚性基层材料的涨缩性能影响很大 温度在冰点以上时 水会 增大半刚性基层材料的收缩系数 温度在冰点下时 如果水较多 由 于水的冻结会导致整体的膨胀 从而降低收缩系数 4 半刚性基层材料强度的增长 又会在一定程度上制约水的作用 1 2 1 2 收缩的防治 改善基层抗裂性能是防治沥青路面非荷载型裂缝的重要措施之一 其关键 在于减少基层干缩和温缩并提高基底的抗拉强度 或在提高强度的同时减小材料 的刚度 主要从结构和材料两方面出发 1 1 结构方面 增加半刚性基层的厚度 采取措施 使半刚性基层在施工 过程中产生很多的微小裂缝 这就促使稳定基层内形成间距很小的均 匀细密裂缝 在保证裂缝有良好的传荷能力的前提下 减轻反射裂缝的 产生 让基层先开裂 美国密西西比州 匈牙利试验表明 基层完工 后几个月 且已出现开裂时再铺沥青混凝土面层 则面层裂缝减少 2 材料方面 主要是从原材料的组成出发 对集料 水泥 含水量和添加 剂做了严格的要求 如限制水泥稳定基层材料的强度和水泥用量 水 泥稳定基层材料的强度高 刚度就大 基层材料与底基层材料的模量 比就会增大 从而增大基层底面由行车荷载引起的拉应力或拉应变 易使基层在行车荷载作用下产生开裂 同时由于水泥稳定基层材料的 强度高 其收缩量就大 基层内产生收缩裂缝的间距就小 所以一些 国家以前常限制水泥稳定基层材料的强度不超过某一高限值 如 7 d 龄期的无侧限抗压强度 在日本不超过4 m p a 在前苏联不超过6 m p a 限制水泥稳定基层材料中水泥用量的目的是减少水泥稳定材料的收缩 性或减轻水泥稳定基层可能产生的收缩应变 如在比利时 一般只用 4 水泥 以控制温缩裂缝 有的国家则规定水泥剂量不超过5 5 第l 章绪论 1 2 2 国内外膨胀剂应用研究 1 2 2 1 膨胀剂发展概述 混凝土膨胀剂 e x p a n s i v ea g e n tf o rc o n c r e t e 是指与水泥 水拌和后经水 化反应生成钙矾石 钙矾石和氢氧化钙或氢氧化钙 使混凝土产生膨胀的外加 剂 2 9 1 它是在膨胀水泥基础上发展而来的一种混凝土外加剂 我国从上世纪5 0 年代起 研制和生产了各种类型的膨胀水泥 1 9 5 7 年 中 国建筑材料科学研究院试制成功硅酸盐自应力水泥 m 型水泥 没有快凝的缺 点 6 0 年代初 我国研制了以高炉矿渣为基础的矿渣膨胀水泥并在某些工程上 使用 1 9 6 9 年 中国建材研究院试制成功了不煅烧明矾石膨胀水泥 不久即投 产 用作补偿收缩混凝土 1 9 7 4 年 中国建材研究院与石家庄水泥制品厂共同 研制成功硫铝酸盐膨胀水泥 分早强型和自应力型两种 七十年代 我国又开 展了用于混凝土大坝的低热微膨胀矿渣水泥的研究和生产并在某些小型坝上应 用 8 0 年代我国试制成功的铁铝酸盐膨胀水泥 具有多种功能 我国是进入7 0 年代才开始进行混凝土膨胀剂的研究的 1 9 7 4 年 中国建材 研究院研制成功类似日本c s a 的硫铝酸盐膨胀剂 但没有推广 1 9 7 8 年冶金部 建筑研究总院研制出一种脂膜石灰膨胀剂 1 9 7 9 年 江苏省建科所把矾土水泥 与二水石膏按比例混合成膨胀剂进行推广使用 也即后来发展的m 型膨胀剂 同年 安徽省建科所成功研制了明矶石膨胀剂 它是用一定比例的天然明矾石 和无水石膏共同粉磨而成的 已广泛推广使用 1 9 8 5 年后 中国建材院研制了复合膨胀剂 c e a 铝酸钙膨胀剂 a e a u 型膨胀剂 u e a 均通过了部级技术鉴定 并已投入生产应用 u e a 和a e a 是国内膨胀剂的主导产品 生产厂家约3 0 个 占国内总销量的8 0 左右 与此同时 同济大学研制出早强型硫铝酸盐膨胀剂 长江水利水电科学研 究院与中国建材院联合研制了大坝混凝土膨胀剂 1 9 8 5 年 南京化工学院研制 成功氧化镁膨胀剂 用于水电站坝基混凝土 1 9 9 0 年 山东省建筑科学研究院 研制成功以明矾石和石膏为主原料的p n c 膨胀剂 1 9 9 2 年 山东省建材研究院 研制成功j e a 膨胀剂 浙江工业大学研制出t e a 膨胀剂 江西建材院开发了 h e a 膨胀剂等 此后 以中国建材院为代表 对膨胀剂进行了深入持续的研究 实现了产 6 第1 章绪论 品的更新换代 中国建材院分别以特制铝酸钙水泥熟料和铝酸钙 硫铝酸钙水泥 熟料作为膨胀组分 研制出了掺量为6 鼽8 的高性能膨胀剂 u e a h 又名 z y 膨胀剂 唐山北极熊特种水泥公司对硫铝酸水泥熟料进行改性 研制成c s a 膨胀剂 石家庄功能建材公司以铝酸盐熟料 硫铝酸盐熟料 石膏和分散剂磨 制成f e a 膨胀剂 1 2 2 2 国外膨胀剂在水稳碎石相关领域应用研究 国外将膨胀剂或膨胀水泥应用于道路相关领域已有4 0 几年的经验 对其成 功和失败例子的研究 有助于我们对膨胀剂和膨胀水泥的正确理解 从而为我 国将其应用于基层提供指导 以下就对国外膨胀荆和膨胀水泥研究进行了综述 1 9 9 9 年 美国土木工程师协会的d a v i dw p i t t m a n 掣2 0 j 对t y p ek 和聊e i 水泥混凝土进行了试验评价 研究认为 1 补偿收缩混凝土的凝结时间比普通混凝土快1 0 0 分钟 补偿收缩混凝 土的坍落度损失也快 2 补偿收缩混凝土的抗压和抗拉强度高于普通混凝土 3 补偿收缩混凝土限制试样7 天表现出明显的膨胀 其膨胀值是普通水 泥的4 倍多 4 补偿收缩混凝土补偿效果对湿养护敏感 2 0 0 6 年 美国加利福尼亚c t s 水泥公司的d a v ef l a x 2 l j 对补偿收缩混凝土 用于停车场消除裂缝进行了研究 研究认为 1 聊ek 水泥大大减少 甚至消除开裂 一般来说 普通混凝土的水灰 比为0 4 5 到o 5 但是波特兰水泥仅仅需要o 2 5 水灰比完全水化 剩下的水 称为满足工作性的水 便于承包人施工 所有的剩余水不得不从混凝土中出来 随着这部分水的挥发 导致板收缩和开裂 但是t y p ek 水泥需要0 3 8 水灰比完 全水化 所以从板中析出的多余水更少 收缩和开裂少 2 t y p ek 水泥大大改善了混凝土抗腐蚀性 普通混凝土由于泌水和裂缝 比补偿收缩混凝土多 造成渗水通道 水 化学物质和除冰盐等 从通道进入 混凝土 使混凝土腐蚀性变大 3 t y p ek 水泥减少表面磨损达3 叫0 普通混凝土由于泌水比补偿收 缩混凝土多 提高了表面的水灰比 降低了表面的抵抗磨耗的能力 7 第1 章绪论 4 许多停车场使用补偿收缩水泥混凝土已3o 年以上完好无损 使用普 通水泥混凝土的7 年就开裂严重 5 t y p ek 水泥稍微提高了初期成本 但是显著减少了寿命周期成本 从以上研究可以看出 国外开展膨胀剂 水泥 应用于道路领域的研究比 较早 取得了很多成功的经验 但将膨胀剂 水泥 应用于水泥稳定碎石的研 究报道较少 从用于水泥土的研究可以看出 膨胀水泥能有效减少面层反射裂 缝 1 2 2 3 国内膨胀剂在水泥稳定碎石应用研究现状 随着水泥稳定碎石在半刚性基层沥青路面中广泛使用 作为水泥基材料的 一种 突出的问题是由于基层的收缩裂缝引起路面的开裂 而水泥基材料的收 缩是一百多年来世界各国没有解决好的问题 为此 许多学者进行了研究 提 出了很多的措施 其中之一就是在水泥基材料中掺入膨胀剂 从上世纪5 0 年代 以来膨胀剂在混凝土中得到广泛应用 2 0 世纪末 为解决半刚性基层的收缩裂 缝 国内从事道路研究学者对膨胀剂应用于水泥稳定碎石进行了深入的研究 东南大学的廖公云 s j 认为 1 膨胀剂对减小混合料失水率和改善干缩应变的作用有比较明显的效 果 膨胀剂量从水泥用量的0 增加到2 干缩减小 从2 增加到3 5 干 缩增大 从3 5 增加到1 0 干缩减小 这种膨胀剂存在一个最佳掺量 以控 制在2 左右为宜 2 随着膨胀剂量的逐渐增加 混合料7 天强度先增大后逐渐减小 强度 上升和下降幅度都不大 从增加强度的角度考虑 膨胀剂掺量以水泥用量的3 5 为宜 综合考虑经济 强度 改善收缩应变效果 膨胀剂掺量采用水泥用量的 2 长安大学的杨红辉 3 1 1 认为 1 掺膨胀剂水泥稳定碎石7 天抗压强度随膨胀剂掺量的增加先增加后减 少 并得到最佳剂量为3 9 6 占混合料质量百分比 2 各龄期掺最佳剂量膨胀剂水泥稳定碎石抗压强度 劈裂强度和抗冻系 数均比未掺的水泥稳定碎石大 3 膨胀剂提高了水泥稳定碎石材料的刚度 它能有效抑制水泥稳定碎石 第l 章绪论 早期干缩裂缝 掺膨胀剂水泥稳定碎石温缩系数有一定的增加 4 在开封市的尉扶路铺筑了三种不同材料水泥稳定碎石基层的试验路 段 通过对试验路段裂缝情况的调查 得出如下结论 膨胀剂可以提高水泥稳 定碎石基层材料的抗压强度和抗裂性 普通水泥稳定碎石基层7 d 平均裂缝产生 的间距1 1 1 m 且裂缝基本都贯通 加膨胀剂2 0o 水泥稳定碎石基层7 d 平均裂缝 产生的间距5 0 m 比普通水泥稳定碎石间距增大4 5 倍 其抗压强度提高4 0 加膨胀剂3 水泥稳定碎石基层7 d 平均裂缝产生的间距2 5 m 比普通水泥稳定 碎石间距增大2 5 倍 其抗压强度提高1 6 表明膨胀剂有一个最佳含量 长安大学的陈冬剡 认为 1 水泥稳定碎石中掺入膨胀剂则可以明显提高劈裂强度 掺加剂量为水 泥用量的5 时 劈裂强度最大 2 水泥稳定碎石中掺加膨胀剂能显著降低早期干缩系数和平均干缩系 数 水泥稳定碎石材料中掺加膨胀剂能明显改善其温缩性能 3 掺膨胀剂水泥稳定碎石抗压回弹模量增加 抗弯拉回弹模量减少 4 掺膨胀剂水泥稳定碎石具有良好的疲劳性能和抗冲刷性能 从以上国内研究综述可以得到 1 膨胀剂最佳剂量的确定标准 文献 8 3 1 均以7 天无侧限抗压强度标准 来选择最佳剂量 认为随着膨胀剂掺量的增加 强度先增加后减少 这一点是 值得探讨的 补偿收缩混凝土认为 膨胀第一 强度第二 膨胀剂剂量的选取 以限制膨胀率为标准 掺膨胀剂自由条件下7 天无侧限抗压强度强度下降l o 左右 以2 8 天自由强度或7 天限制强度来考察膨胀剂对混凝土强度的影响 因 此应以较长龄期来评定膨胀剂对强度的影响 这可以从文献 3 2 1 研究结果看出 随着膨胀剂剂量的增加 2 8 天强度增加 2 各研究试验结果的矛盾 文献 8 j 研究得到膨胀剂剂量从2 增加到3 5 时 混合料干缩增加 文献口i 中试验路结果也表明掺膨胀剂4 比掺6 效果好 以上研究结果与补偿收缩混凝土结果和其他试验结果 3 2 3 3 不符 作者也未能给 出解释 文献 3 l 认为掺膨胀剂使水泥稳定碎石的温缩增加 而文献 3 3 认为掺膨 胀剂水泥稳定碎石的温缩比未掺的小 3 没有研究不同养护条件下膨胀剂对水泥稳定碎石性能的影响 即膨胀 剂在实际使用中对不同养护环境下的适应性 4 对掺膨胀剂水泥稳定碎石的研究局限于室内试验和试验路观测 对膨 9 第1 章绪论 胀剂应用效果的长期性能报道少 1 2 3 国内外减缩剂应用研究 1 2 3 1 减缩剂基本概述 减缩剂 日文称为 收缩低减剂 于1 9 8 2 年由日产水泥有限公司和三洋 s a n y o 化学工业有限公司首先研制成功 其主要成分是聚烷基醚乙二醇 一种 低酒精的烯化氧加成化合物 1 9 8 5 年g o t o 等人取得专利 称为m 型减缩剂 商品名为t e t r a g u a r d 1 9 9 5 年后期日本的g 型减缩剂逐渐引入美国市场 随后 美国的众多学者对这一领域进行了广泛深入的研究 1 9 9 8 年 美国的g r a c e 公 司开发了商品名为e c l i p s e 的混凝土减缩剂 s h r i n k a g er e d u c i n ga d m i x t u r e s s r a 总的来说 减缩剂是由聚醚或聚醇类有机物或它们的衍生物组成 通式可 用r i o a o n r 2 或q o a p o r x 表示 r 可为h 基 c i c n 烷基 c s c s 环烷 基或苯基 强调以c 弗5 烷基为好 a 为碳原子数 的环氧基 c 箩 c 8 烯基 或上述两种不同碳原子数的官能团的组合 q 为c 弗1 2 的脂肪烃官能团 n p x 为聚合度 n l 一8 0 p o l o x 3 一5 部分专利还给出具有上述结构的有机物 或其衍生物复合诸如硅粉 超细钙 甜菜碱等具有减缩效果的组合 1 2 3 2 国外减缩剂在水稳碎石和相关领域应用研究综述 随着人们对混凝土结构耐久性要求的日益提高 特别是高强混凝土的使用 带来的自收缩问题 世界各国对混凝土的收缩开裂都进行了深入的研究 现将 国外对减缩剂的性能及其在水泥稳定碎石和相关领域的应用研究综述如下 文献汹 介绍了日本的m 型减缩剂性能和应用情况 m 型减缩剂可采用整体 式掺入 也可直接涂刷在混凝土表面 整体掺入混凝土时 用量为6 lo 0 k g m 3 m 型减缩剂可增加混凝土的流动性 延长凝结时间 对混凝土抗压强度的影响 很小 用m 型减缩剂处理的混凝土 其2 8 天龄期时干缩率的减少值为5 0 6 0 左右 1 2 星期后的减少值约为4 0 0 旷5 0 长期暴露在室外的混凝土试件 其干 缩率也有同样的减少 m 型减缩剂在远东地区 特别是日本 已经广泛地应用 于各项工程中 其应用项目包括混凝土平板 路面 桥梁 导流墙 水库和滤 l o 第1 章绪论 水厂等 1 9 9 6 年 美国的a i m eb a l o g h 4 7 l 对掺减缩剂混凝土进行了研究 减缩剂掺量 为1 5 研究认为 1 减缩剂使混凝土的引气困难 2 尽管减缩剂不改变混凝土的热膨胀系数 但是减缩剂确实降低了水化 热产生速率 减缩剂减少了混凝土的最大温度 所以温度下降梯度减小 早期 水化热的减少也是掺减缩剂混凝土抗压强度低的原因 3 在较低的水灰比混凝土中 减缩剂减少干缩率更有效 对水灰比低于 0 6 的混凝土 2 8 天和5 6 天减缩剂收缩减少分别为8 0 和7 0 对水灰比为0 6 8 的混凝土 2 8 天和5 6 天减缩剂收缩减少分别为3 7 和3 6 4 格雷斯公司已经评价了大尺寸混凝土板 3 9 英尺长 3 英尺宽 4 英 寸厚 掺减缩剂的性能 尽管板完全受限 并且暴露在湿度低于5 0 的环境下 2 0 个月 但是没有发生开裂 不掺减缩剂的参考板在2 个月内开裂 减缩剂应 忡用俩子有混凝土桥面板 停车场 海工结构和工业厂房 1 9 9 7 年 美国格雷斯公司的n s b c r k e 等 4 8 对掺减缩剂的性能进行了研 究 试验用减缩剂为乙二醇乙醚混合物 研究表明 1 减缩剂能有效减少现场和试验室大尺寸限制试件的干缩和干缩开裂 长期干缩减少率达4 0 2 保持混凝土配合比不变 掺减缩剂后坍落度增大 2 8 天强度减少 开 裂时间大大延长 菲尼克斯现场数据表明 4 0 5 0 的干缩减少率能显著减少开 裂 3 随减缩剂剂量增加 掺减缩剂试件收缩减少 原因在于毛细管水表面 张力的明显减少 4 减缩剂不是腐蚀性的 可能有减低氯离子渗入的额外好处 格雷斯公司的n s b e r k e 等 钙 研究了丙二醇减缩剂对新拌混凝土和硬化混 凝土的影响 研究表明 1 减缩剂有轻微的减水效应 稍延迟水泥早期水化和凝结时间 延长时 间不超过9 0 分钟 对混凝土引气有影响 需增加引气剂用量 2 减缩剂大大减少收缩和开裂 减缩剂减少了混凝土的强度5 1 5 格雷斯公司的n s b e r k e 等 4 9 l 研究了减缩剂对混凝土冻融能力的影响 试 验用减缩剂为市场正式出售的e c l i p s e 减缩剂 s r a 1 和最近开发的新产品 第l 章绪论 e c l i p s ep l u s 减缩剂 s r a 2 研究表明 1 掺乙二醇乙醚减缩剂混凝土冻融抵抗能力良好 同时 减缩剂还能改 善混凝土渗透性和腐蚀性 2 s r a 1 在低的强度 无引气剂和与亚硝酸钙同时使用时 减缩剂降低 了混凝土的抗冻融能力 s r a i 与其他外加剂相容对形成好的孔系统是很重要 的 一般与聚翔酸型高效减水剂相容性好 3 s r a 2 与塔尔油和松香型引气剂 亚硝酸钙相容良好 当需要考虑氯 离子的腐蚀和减少开裂时 可复合使用亚硝酸钙腐蚀抑制剂与s r a 2 2 0 0 6 年 美国威斯康星州大学的t a r u nr n a i k 等 5 0 1 对掺减缩剂混凝土桥面 板进行了研究 试验用减缩剂为e u c l i d 生产的e u c o n 牌s r a i g r a c e 生产的 e c l i p s ep l u s 牌s r a 2 和d e g u s s a 生产的t e t r a g u a r da s 2 0 牌s r a 3 研究得到 如下结论 1 3 种减缩剂在减少混凝土干缩和自收缩方面显示出相似的性能 2 减缩剂消除了混凝土大部分的早期干缩 4 天和2 8 天干缩分别减少 6 7 和4 8 3 大多数情况下 s r a 1 和s r a 3 有减水功能 增加强度和抗氯离子渗 透性 s r a 2 有时减小强度 对抗氯离子渗透性的影响不明显 4 所有3 种减缩剂不影响含气量的变化和新拌混凝土的坍落度 对掺减 缩剂混凝土的抗冻融能力和抗除冰盐能力需进一步的考察 从以上研究可以看出 1 将减缩剂应用到水泥稳定碎石的研究还比较少 公开资料仅一篇报道 且仅仅做了减缩剂对水泥稳定碎石的强度和收缩试验 研究不够系统 也未铺 筑试验路观测其实际效果 因此有必要对减缩剂应用于水泥稳定碎石进行深入 系统的研究 2 国外对减缩剂应用于混凝土的研究比较深入 已取得了丰硕的成果 并在道路 桥梁 隧道 厂房 水池 堤岸等许多工程中加以应用 取得了较 好的效果 3 减缩剂品牌多 对混凝土强度 模量和凝结时间等性能的影响不一 但是其减缩效果均良好 1 2 第l 章绪论 1 2 3 3 国内减缩剂在水稳碎石和相关领域应用研究综述 应该说 我国对减缩剂的研究比日本晚了十年的时间 于2 0 世纪9 0 年代 初才开始关注和研究减缩剂技术 但在国家 高校和科研机构的合作下 已研 制出了相关产品 特别是2 0 0 0 年以来 不断有新产品问世 而且对其性能和机 理研究的报道越来越多 目前 市场上公开销售的产品主要有江苏博特新材料有限公司生产的 j m s r a 混凝土减缩剂 北京慕湖外加剂有限公司生产的s r 型减缩剂 南京瑞 迪高新技术公司生产的n a s p 砼 砂浆 减缩剂 天津建工特种混凝土