（材料学专业论文）高性能支座灌浆材料的研究与应用.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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 武汉理工大学或其他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。 签名：鹰幽日期：蚓 l 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并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阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部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 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研? 鼽柳驯签名豸阈一似7 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 高速铁路具有高速、安全、便捷的特点，因此对基础设施提出了更高的要 求。本文针对我国高铁的建设情况，尤其是高铁对特殊材料的要求而研制出一 种具有优良的技术性能、易于施工、低成本、高适应性等优点的支座灌浆材料。 本课题所研制的高性能支座灌浆材料是以快硬水泥为主要胶凝材料，以优 质石英砂为细集料，配之以减水剂、缓凝剂、膨胀剂等化学外加剂组合而成的 一种高性能支座砂浆。该产品具有良好的流动性能和早强性能，浆体微膨胀且 性能稳定，耐久性好。 本课题的主要研究内容有： ( 1 ) 进行支座灌浆材料的初步配合比设计：通过对实验所需原材料的选择以 及各种原料掺量的变化来研究其对砂浆具体性能的影响，包括工作性能、强度 与自由膨胀率等。具体研究路线为：1 ) 对高性能支座灌浆材料的胶凝材料进行 筛选，水泥选用快硬水泥；2 ) 细集料为优质石英砂，并对不同粒度的石英砂进 行级配得到最佳密堆积效果；3 ) 通过比较萘系、三聚氰胺系、聚羧酸系三种高 效减水剂对砂浆的流动性、强度以及膨胀性能的影响得出三聚氰胺系减水剂对 快硬水泥的适应性较好；4 ) 选用与水泥适应性最好，缓凝作用最好的无机缓凝 组分h l 作为砂浆的缓凝剂，可以有效延缓砂浆的早期水化；5 ) 膨胀剂选用石 灰系与其他类型膨胀剂复合，对砂浆的膨胀有明显的促进作用；6 ) 在砂浆中掺 少量的聚丙烯纤维可以使砂浆的浆体均匀分散，防止泌水以及分层离析，抑制 微裂纹的产生。 ( 2 ) 支座灌浆材料配合比的优化：在初步配合比的基础上加入自研发优化组 分对砂浆性能进行优化，并研究水料比和温度对砂浆各种性能的影响。研究表 明：1 ) 添加自研发优化组分可使砂浆在流动度满足要求的前提下抗压强度提前 半个小时达到要求，优化组分的掺加对砂浆早期抗压强度增长明显，但是也可 以增大砂浆的流动度经时损失；2 ) 水料比对砂浆流动度影响最为明显，水料比 低，砂浆流动度小，随着水料比的逐渐增大，砂浆流动度也相应增加。随着水 料比的逐渐增大，砂浆2h 抗压强度逐渐降低。3 ) 温度对砂浆早期强度起着至 关重要的作用，温度过低会抑制砂浆的早期水化，使得砂浆早期强度过低。随 着温度的升高，快硬水泥水化反应加快，砂浆2h 抗压强度有明显提高。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 支座灌浆材料的施工细则与工程应用：讨论如何应对环境因素对材料性 能的影响以及在施工中应注意的问题。提出了各季节施工的注意事项，研究了 施工中经常出现的问题以及解决方法。本文研制的支座砂浆经过实验室试验和 工程检验，已经推广应用。 关键词：支座砂浆，减水剂，缓凝剂，强度，流动度 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , f o rt h ec o n s t r u c t i o no fh i g h - s p e e dr a i l ，e s p e c i a l l yh i g h - s p e e dr a i l o nt h er e q u e s to fs p e c i a lm a t e r i a l s ，d e v e l o p e da r le x c e l l e n tt e c h n i c a lp e r f o r m a n c e ， e a s yc o n s t r u c t i o n , l o wc o s t , h i g ha d a p t a b i l i t y , t h ea d v a n t a g e so fb e a r i n gg r o u t i n g m a t e r i a l t h eh i g h - p e r f o r m a n c eb e a r i n g sg r o u t i n gm a t e r i a ld e v e l o p e db yt h i sp a p e ru s e r a p i dh a r d e n i n gc e m e n ta st h em a i nc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l ，t h eh i g h - q u a l i t yq u a r t z s a n da sf i n ea g g r e g a t e ，c o m b i n e d 嘶t l lc h e m i c a la d m i x t u r e ss u c ha sw a t e rr e d u c e r , r e t a r d e r , e x p a n d i n ga g e n t ，e t c t h ep r o d u c th a sg o o df l o wp r o p e r t i e sa n de a r l y s t r e n g t h p r o p e r t i e s ，t h es l u r r y h a sm i c r o - e x p a n s i o np r o p e r t i e s ，s t a b l ep e r f o r m a n c ea n d d u r a b i l i t y t h em a i nr e s e a r c ho ft h et o p i c sa r c ： ( 1 ) t h ei n i t i a lm i xo ft h eb e a r i n gg r o u td e s i g n ：s t u d yt h es p e c i f i cp r o p e r t i e so f m o r t a rb yt h eo p t i o n so fe x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa n dav a r i e t yo fm a t e r i a l st o c h a n g e si nm a t e r i a l sc o n t e n t ，i n c l u d i n gt h ep e r f o r m a n c e ，s t r e n g t ha n df r e ee x p a n s i o n r a t e t h es p e c i f i cr e s e a r c hl i n e sa r e ：1 ) u s et h er a p i dh a r d e n i n gc e m e n ta st h em a i n c e m e n t i t i o u sm a t e r i a l 2 ) u s eh i g h q u a l i t yq u a r t zs a n da st h ef m e a g g r e g a t e ，a n dr a t i o t h eq u a r t zs a n do fd i f f e r e n tp a r t i c l es i z et og e tt h eb e s te f f e c to fc l o s ep a c k i n g 3 ) c o m p a r i s o no fn a p h t h a l e n e ，m e l a m i n ea n dp o l y c a r b o x y l a t es u p e r p l a s t i c i z e ro nt h e f l u i d i t y , s t r e n g t ha n de x p a n s i o np r o p e r t i e s ，o b m i n e dm e l a m i n es u p e r p l a s t i c i z e ra n d r a p i dh a r d e n i n gc e m e n th a sg o o da d a p t a b i l i t y 4 ) s e l e c ti n o r g a n i cr e t a r d e rh 1a st h e m o r t a rr e t a r d e r , h 1c a ns l o wd o w nt h em o r t a ro ft h ee a r l yh y d r a t i o n 5 ) s e l e c t e x p a n s i v ea g e n tc o m b i n e dw i t ht h ed e p a r a n e n t o fl i m ea n dt h e o t h e rt y p e so f e x p a n s i v ea g e n t ，t h i se x p a n s i v ea g e n th a ss i g n i f i c a n tr o l e i np r o m o t i n gt ot h e e x p a n s i o no fm o r t a r 6 ) i nt h em o r t a rm i x e dw i t hs m a l la m o u n t so fp o l y p r o p y l e n e f i b e r sc a nm a k et h em o r t a rp a s t et ob ed i s p e r s e d ，t op r e v e n tb l e e d i n ga n d s e g r e g a t i o n ， i n h i b i t i o no fm i c r o - c r a c k s ( 2 ) t h eo p t i m i z a t i o no fb e a r i n gg r o u t i n gm a t e r i a l sm i x ：a c c o r d i n gt ot h ei n i t i a l m i xr e s e a r c h ，a d dt h e o p t i m i z i n gd e v e l o p m e n tc o m p o n e n t st oo p t i m i z e t h e p e r f o r m a n c eo ft h em o r t a r , a n dt os t u d yt h er a t i oo fw a t e ra n dt e m p e r a t u r eo nv a r i o u s 武汉理工大学硕士学位论文 p r o p e r t i e so fm o r t a r t h er e s u l t ss h o wt h a t ：1 ) o p t i m i z a t i o no fc o m p o n e n t si nt h e f l u i d i t yo fm o r t a rc a nm a k et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ht om e e tt h er e q u i r e m e n t sf o r h a l fa nh o u ri na d v a n c eu n d e rt h er e q u i r e m e n t so ff l u i d i t y , o p t i m i z a t i o nc o m p o n e n t s c a ns i g n i f i c a n t l yp r o m o t et h eg r o w t ho fe a r l yc o m p r e s s i v es t r e n g t hm o r t a r , i tc a na l s o i n c r e a s et h ef l u i d i t yo fm o r t a rt h r o u g ht i m e 2 ) r a t i oo fw a t e rt ot h em o r t a rf l u i d i t yi s o b v i o u s ，w h e nw a t e rr a t i oi sl o w , m o r t a rf l o wi ss m a l l ，w i t ht h er a t i oo fw a t e r g r a d u a l l yi n c r e a s e s ，t h ef l u i d i t yo fm o r t a ri n c r e a s e st o o a st h er a t i oo fw a t e r g r a d u a l l yi n c r e a s e s ，c o m p r e s s i v es t r e n g t hw i t ht w oh o u r so fm o r t a rd e c r e a s e s 3 ) t e m p e r a t u r ep l a y sav i t a lr o l ei nt h ee a r l ys t r e n g t ho fm o r t a r , w h e nt e m p e r a t u r ei st o o l o w , i tw i l li n h i b i tt h ee a r l yh y d r a t i o no fm o r t a r , m a k i n gt h el o we a r l ys t r e n g t ho f m o r t a r w i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，t h eh y d r a t i o no fr a p i dh a r d e n i n gc e m e n tw i l l a c c e l e r a t ea n ds i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hw i t l lt w oh o u r so f m o r t a r ( 3 ) t h ec o n s t r u c t i o nd e t a i l sa n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h eb e a r i n gg r o u t i n g m a t e r i a l ：d i s c u s sh o wt or e s p o n dt oe n v i r o n m e n t a lf a c t o r s0 1 1t h em a t e r i a lp r o p e r t i e s a n dc o n s t r u c t i o np r o b l e m st h a ts h o u l db en o t e d p r o p o s e dt h ec o n s t r u c t i o na t t e n t i o n o fm o r t a ri nd i f f e r e n ts e a s o n ，s t u d yt h ep r o b l e m st h a to r e na p p e a ri nt h ec o n s t r u c t i o n a n ds o l u t i o n 刀砖b e a r i n gg r o u t i n gm a t e r i a ld e v e l o p e db yt h i sp a p e rh a sb e e nt e s t e d b yl a b o r a t o r ya n de n g i n e e r i n g ，i th a sb e e np o p u l a r i z e d k e y w o r d s ：b e a r i n gm o r t a r , s u p e r p l a s t i c i z e r , r e t a r d e r , s t r e n g t h ，f l u i d i t y i v 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 世界高速铁路的发展史1 1 1 2 中国高速铁路的发展史1 1 1 3 高速铁路对于中国的意义3 1 2 高性能支座灌浆材料的研究背景。3 1 3 支座灌灌浆材料的研究现状5 1 3 1 支座灌浆材料的主要性能指标5 1 3 2 支座灌浆材料的主要组成部分6 1 3 3 支座灌浆材料配合比设计的基本要求7 1 3 4 支座灌浆材料配合比设计中应考虑的问题8 1 4 支座灌浆材料目前存在的问题9 1 5 研究内容与技术路线1 0 1 5 1 研究内容。10 1 5 2 拟采取的技术路线。l2 第2 章原材料与试验方法13 2 1 原材料：1 3 2 1 1 水泥。13 2 1 2 矿物掺合料。13 2 1 3 细集料。1 4 2 1 4 化学外加剂1 4 2 1 5 纤维。1 4 2 2 试验方法1 4 2 2 1 凝结时间的测定1 4 2 2 2 流动性的测试1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 体积稳定性测试15 2 2 4 力学性能测试1 5 2 2 5 微观测试。1 6 第3 章支座灌浆材料初步配合比的设计1 7 3 1 胶凝材料的选择1 7 3 1 1 不同胶凝材料的工作与力学性能对比1 7 3 1 2 不同胶凝材料的自由膨胀率的对比1 8 3 2 石英砂的配比对砂浆性能的影响1 9 3 3 减水剂对砂浆性能的影响2 1 3 3 1 减水剂对砂浆流动性的影响2 2 3 3 2 减水剂对砂浆强度的影响2 2 3 3 3 减水剂对砂浆体积稳定性的影响2 4 3 4 缓凝剂对砂浆性能的影响2 5 3 4 1 缓凝剂对砂浆流动性的影响2 6 3 4 2 缓凝剂对砂浆强度的影响2 7 3 5 膨胀剂对砂浆性能的影响2 8 3 5 1 膨胀剂对砂浆流动性的影响2 9 3 5 2 膨胀剂对砂浆强度的影响2 9 3 5 3 膨胀剂对砂浆体积稳定性的影响3 0 3 6 矿物掺合料对砂浆性能的影响31 3 6 1 硅灰对砂浆流动性的影响3 2 3 6 2 硅灰对砂浆强度的影响3 3 3 7 纤维对砂浆性能的影响3 3 3 7 1 纤维对砂浆流动性的影响3 4 3 7 2 纤维对砂浆强度的影响3 5 3 7 3 纤维对砂浆体积稳定性的影响3 5 3 8 支座灌浆材料初步配合比综合宏观性能的研究3 6 3 9 支座灌浆材料水化机理的研究3 7 3 1 0 本章小结3 9 第4 章支座灌浆材料的性能优化以及工程应用4 2 4 1 支座灌浆材料的性能优化4 2 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 1 水料比对灌浆料宏观性能的影响4 2 4 1 2 温度对灌浆料宏观性能的影响4 4 4 1 3 在标准的基础上研制更高性能的支座灌浆材料4 7 4 2 支座灌浆材料的工程应用4 8 4 2 1 支座灌浆过程中的注意事项4 9 4 2 2 支座砂浆硬化后出现的问题以及解决办法。5 1 4 2 3 支座砂浆的具体工程应用5 2 4 3 本章小结5 3 第5 章结论与展望5 5 5 1 结论5 5 5 2 展望5 7 参考文献5 8 附录6 l 致谢6 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 世界高速铁路的发展史 2 l 世纪以来，全球的环境问题的愈来愈受到世界各国的重视。在交通运输 领域，通过对水陆空各方面的单位运量、能源消耗、资源占用以及运行的安全 方面进行综合比较分析，铁路运输的优势较为明显。世界上欧洲日本等发达国 家在经历了长时间对交通问题的探索实践之后，重新审视了原有的交通运输策 略，对其运输方式都做出了相应调整。把交通运输的重点重新转移到铁路方面， 其中比较重要的一项就是对高速铁路的发展进行规划。 高速铁路最早在日本应用。日本自1 9 5 9 年开始建造高速铁路，在1 9 6 4 年 开通，全长5 1 5 公里，时速达到2 1 0 公里。 法国自上世纪中叶进行高铁技术方面的研究，在1 9 5 5 年研制成功，试运行 时速为3 3 0 公里，创造了当时的世界铁路的最高记录。自此人们发现高速铁路 的美好前景，对高铁技术开始重视。之后法国的高速铁路技术通过不断的改进 和创新，在1 9 8 1 年时速达到了3 8 0 公里。到1 9 9 0 年的法国第二代机车以5 1 5 公里刷新了当时的记录。 德国的高速铁路技术于1 9 7 9 年研制成功，其高速铁路规划于1 9 8 2 年开始 实施。到1 9 8 8 年德国的高速铁路创造了时速4 0 6 9 公里的记录。至此高铁已经 成为发达国家交通运输中必不可少的组成部分【l 】。 1 1 2 中国高速铁路的发展史 我国的铁路建设以世界发达国家的先进水平为目标，运用自身的特殊优势， 根据先引进后吸收再创新的理念，在几年时间之内使我国成为高铁技术达到国 际领先水平，图1 1 为中国的高铁机车。到现在我国已成为世界上高速铁路技术 完善、在建规模最大的国家，引领着世界高铁建设并可以对外输出高铁技术。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 中国高铁 2 0 0 4 年由国务院通过的中长期铁路网规划中指出，国家计划到2 0 2 0 年， 高铁客运专线的运行路程在一万两千公里以上，如图1 2 所示。根据规划， 我国的高速铁路发展以“四纵四横”为重点，形成便捷快速安全的的高速铁路 客运专线，逐步实现原有铁路的分流。到现在为止，国家已经建好京沪高铁、 郑西客专、石武客专、沪杭客专等一系列客运专线，为缓解铁路交通运输的压 力作出巨大贡献。可以预计，到2 0 1 4 年，我国铁路运输难的问题将得到一定缓 图1 2 中长期铁路网规划图 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 高速铁路对于中国的意义 高速铁路与高速公路一样，是现代社会交通运输必不可少的先进的交通工 具，具有高速和安全可靠等优点。高速铁路之于中国有着不同寻常的意义。高 速铁路的在中国的大面积开通运营将大大降低交通运输的社会成本，从而产生 很大的经济和社会效益。 ( 1 ) 从经济效益方面来讲，高速铁路之所以受到广泛青睐，因为高铁可以 减少大城市之间交通时间和成本。第一，高铁大量节省了旅客的行车时间，形 成了良好的社会效益；第二，高铁的建设对沿线地区经济发展起到了推动作用； 最后，高铁节约了传统能源和减少了环境污染。高铁对中国工业化和城镇化的 发展起到了非常重要的促进作用，带动周边城市同步发展。 ( 2 ) 从就业率的角度讲，我国g d p 每年要保持8 或9 这样一定的增速， 其中是有深刻原因的。在任何国家，就业率的高低都是社会稳定的重要因素， 随着工业以及农业科学技术的发展，社会的劳动生产效率得到极大提高，社会 劳动力就会相对过剩，而我国是有着1 3 亿人口的大国，为了经济的快速发展与 社会和谐稳定，就必须要保证相应的就业率。国家出台了四万亿的经济刺激计 划，其中有一半用于高铁建设，保证了农民工的就业。 ( 3 ) 从政治角度讲，高铁对维持社会和谐稳定，增长国力都有重要作用。 第一，高铁的建成可以使国内人员迅速流动，加速了民族融合，间接增强了国 家的凝聚力。第二，中国在建欧亚调整铁路，中国和南亚国家直通高速铁路， 可让中国陆地上具有明显优势，减少国家对海洋运输的依赖。第三，高速铁路 可以增强国防。因为高速铁路由于超高速度，可进行远距离快速运输，成本低， 机动性强。第四，通过建立大陆直通台湾的高铁，加强两岸的交流来，增强台 海的凝聚力，对国家统一作重要的战略辅助。 ( 4 ) 从全球战略角度看，中国高铁技术以及运营里程均创世界第一，有助 于中国建设“泛中国铁路圈 ，增强中国对中亚和南亚影响力，有助于中国打破 印度威慑，维护我国的周边安全。 泛战略化，就是说国家意义上的大型投资必须是建立在一个大的国际战略 总体构想上面，并应该和目前的人民币战略联系在一起。而高铁的重要战略意 义便是极大了扩展了国家的生存空间，使我国更好的使用世界相应的资源。 1 2 高性能支座灌浆材料的研究背景 武汉理工大学硕士学位论文 近年来由于新材料的不断发展，水泥基灌浆材料从原来的高强度逐渐向高 性能的方向转变【5 】。高速铁路的特殊性要求其具有高速、安全、便捷的特点， 因此对基础设施中的桥梁、轨道等提出了更高的要求。高铁的施工工艺与一般 铁路有着较大差异，因此产生了数量众多的铁路工程新材料，如自密实混凝土、 c a 砂浆、支座砂浆等新品种以适应高铁技术的发展。 从高铁的重要战略意义出发，针对我国高铁的建设情况，尤其是高铁对特 殊材料的要求而研制的一种具有优良的技术性能、易于施工、低成本、高适应 性等优点的支座灌浆材料。 球爱支鏖 图1 3 支座砂浆位置示意图 本文主要研究铁路工程新材料的一种，即预制简支箱梁盆式橡胶支座重力 灌浆材料，图1 - 3 为其在高铁中的灌浆位置示意图。 本课题所研制的高性能支座灌浆材料是以快硬水泥为主要胶凝材料，以优 质石英砂为细集料，配之以减水剂、缓凝剂、膨胀剂等化学外加剂组合而成的 一种高性能支座砂浆。这种砂浆在现场只需要根据实际环境条件来改变水的掺 量即可以达到工程施工所需的各种性能。本材料可以在保证高铁基础设施质量 的前提下缩短施工时间，满足了高铁建设的进度要求，因此该材料在高铁的施 工建设中有着重要的作用。 ( 1 ) 支座灌浆材料的高性能为高铁桥梁的安全性提供了保证 支座灌浆材料具有高早期强度，微膨胀性能，从而保证了填充的密实程度， 后期强度不倒缩又保证了砂浆的耐久性和高铁桥梁的安全性。 ( 2 ) 支座灌浆材料的良好早期特性为施工的进度提供了保证 4 武汉理工大学硕士学位论文 支座灌浆材料对初始流动度和3 0m i n 流动度有很高的要求，且要求2h 具 有2 0m p a 以上的强度，从图1 3 可看出高铁桥梁的架设进度取决于支座灌浆材 料的早期强度与工作性能，支座灌浆材料良好的早期性能可以在保证工程质量 的基础上提高进度，缩短工程的工期。 1 3 支座灌灌浆材料的研究现状 高铁技术自诞生之日起就被就被少数发达国家所垄断。而如今中国也掌握 了这个技术，完全吸收并进行优化创新，现在已经可以对外输出技术。中国的 高速铁路自2 0 0 5 年以来发展极为迅猛，并取得的显著成就。近年来，我国高速 铁路的发展在在国内日新月异，并且在国际上也产生了一定影响。如今我国已 发展成为世界上高速铁路技术完善、开通里程最长的国家。 由于高铁支座灌浆材料的强度高，水灰比低，受影响的因素很多，因此在 支座灌浆材料的配合比设计方面，普通砂浆的配合比设计方法和原则已不适用。 其主要原因是：通常高强度与低水灰比之间不再成反比关系，因为在较大的水 泥用量中不能水化的部分不容忽视，改变其他外加剂用量可以调节流动度，添 加矿物掺和料的品种和数量也可以直接影响到砂浆的强度和其他性能。 1 3 1 支座灌浆材料的主要性能指标 表1 - 1 高铁专用支座灌浆材料的性能指标【9 】 性能指标要求值 初始流动度m m 3 0 m i n 流动度m m 2 h 抗压强度m p a 2 4 h 抗折强度m p a 2 8 d 抗压强度a 5 6 d 抗压强度m p a 9 0 d 抗压强度m p a 2 8 d 弹性模量g p a 2 8 d 膨胀率 3 2 0 2 4 0 控o 1 0 5 0 筮8 d 5 6 d 3 0 0 0 2 o 1 武汉理工大学硕士学位论文 作为铁路工程新材料的一种，高铁专用支座砂浆要求其具有早强、高强、 高弹性模量等非常好的力学性能，而且要求其有良好的工作性，以便于工程施 工。上表即是高铁专用支座砂浆的具体性能指标。 1 3 2 支座灌浆材料的主要组成部分 1 3 2 1 胶凝材料 高速铁路专用支座灌浆材料的特殊性决定了其胶凝材料的特殊性，如支座 砂浆所必须具有的微膨胀和早强性能必然要体现在胶凝材料上。本文使用快硬 水泥作为支座灌浆材料的主要胶凝材料。 快硬水泥具有凝结硬化快、早期强度高、微膨胀性、低温性能好，并 且具有较好的耐腐蚀性。快硬水泥包括硅酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、高铝 水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。 快硬水泥早期水化产物中的大部分为钙矾石，钙矾石的生成使水泥浆 体具有微膨胀功能，而且钙矾石也是砂浆浆体早期强度发挥的主要因素。 本文研究支座灌浆材料就需要砂浆具有不收缩微膨胀性能。 1 3 2 2 细骨料 本文选用的支座砂浆细骨料由不同目数的优质石英砂级配而成。 1 3 2 3 减水剂 高性能减水剂是现代建筑工程中必不可少的外加剂，它可以显著减少 胶凝材料的用水量，增大水泥浆体的强度以及其他各种性能【1 0 。1 4 1 。本文选 用的三种类型的高效减水剂进行比较，分别是萘系高效减水剂、三聚氰胺 系高效减水剂和聚羧酸系高效减水剂。 高效减水剂的减水主要是通过减水剂分子在水泥浆体中的水泥颗粒表 面形成亲水性的保护膜，阻止水泥颗粒间的接触从而实现减水剂对水泥颗 粒的分散作用 1 5 - 2 3 】。水泥加水搅拌之后，在其水化的初期会产生一定量水 泥颗粒的絮状物，这些絮状结构中包含有大量的拌合水，在水量一定的情 况下使水泥浆体的流动性降低。如果要保持较高的和易性能，则须加大用 水量，这样对水泥石强度会有很大影响。高效减水剂的加入可以使这种絮 状物结构解体，把其中包含的拌合水释放出来，如此砂浆所用水量就可以 大幅度减少。同时在砂浆中加入减水剂后，在浆体中解离出大单体阴离子。 6 武汉理工大学硕士学位论文 表面活性高的阴离子吸附在水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面带相同的负电 荷，这样就可以使水泥颗粒间相互排斥从而使颗粒分散。一般来说，高效 减水剂不仅具有减水功能，同时附带有一定的缓凝作用。 1 3 2 4 缓凝剂 在砂浆中掺加一定量的缓凝剂可以延缓水泥初期的水化，提高砂浆初 期的和易性能。一般来说缓凝剂组分不同，其缓凝的机理也不尽相同。在 缓凝剂机理的研究领域有沉淀、络盐等假说。在络盐假说中，无机盐缓凝 剂在水泥浆体中解离后与c a 2 + 反应形成络盐，抑制了凝胶的结晶析出，从 而影响到浆体的凝结速率【2 4 1 。这种缓凝剂与c a 2 + 在水化早期形成了不稳定 的络合物，在水泥颗粒表面形成一层阻隔，减少了浆体中钙离子的浓度， 延缓了水泥的水化，从而对浆体产生缓凝作用。但是这种不稳定的络合物 到水泥水化后期会自动分解，所以并不影响水泥的后期水化。 缓凝剂可降低水泥水化的放热速率以及延缓砂浆的初凝和终凝时间。 在砂浆中掺加适量的缓凝剂可以改善砂浆的流动性，满足支座灌浆材料的 特殊施工要求。 1 3 2 5 膨胀剂 配制微膨胀型的支座砂浆，一种是利用膨胀性水泥，另一种就是掺加 膨胀剂。膨胀剂是一种可以使砂浆产生一定体积膨胀的外加剂【2 4 。2 引。砂浆 在灌浆以及硬化的过程中，会出现相应的收缩，包括干燥收缩、化学收缩、 温度收缩、碳化收缩等。不同原因引起的体积收缩可能会使砂浆产生裂纹， 降低砂浆的强度、抗渗等一系列性能，故需要引入膨胀剂来抑制砂浆的体 积收缩。现有的膨胀剂有硫铝酸盐类、氧化钙类、氧化镁类、氧化铁类等 多种类型。 1 3 3 支座灌浆材料配合比设计的基本要求 支座灌浆材料配合比设计的任务，是要根据原材料的技术性能和施工要求 科学合理地选择原材料，通过实验和计算确定可以满足工程要求的技术指标的 各项原材料的用量【2 1 1 。根据工程建筑对砂浆的要求，高性能支座灌浆材料的 配合比设计有大致以下几方面要求： ( 1 ) 高耐久性 7 武汉理工大学硕士学位论文 与普通的砂浆不同，支座砂浆专用于高铁桥梁锚固支座上，高铁设计寿命 长，相应材料要求与一般砂浆有很大不同，首先就要保证具有良好的耐久性。 因此支座灌浆材料设计配比时要考虑到抗渗性、抗冻性、抗化学侵蚀以及抗干 燥收缩的体积稳定性等。这些性能与水灰比有一定关系，水灰比低，相应砂浆 硬化后密实度就比较高，体积稳定性也较强，因此高铁专用支座灌浆材料设计 水灰比不得大于0 3 4 。 ( 2 ) 高强度 大量建筑试验表明，砂浆要具有高耐久性，必须具有较高的强度。而且支 座砂浆最重要的性能就是要其具有很高的抗压强度，故高强度是支座砂浆的基 本特征。 ( 3 ) 良好的工作性能 高速铁路施工工期短，施工进度要相应加快并保证安全质量问题就必需使 支座灌浆料具有良好的工作性能，这就需要支座砂浆在拌和灌浆以及成型中易 施工，不分离。 流动度是表征支座灌浆料流动性的重要指标，流动度越大，砂浆流动性越 高，工作性能相应也越好。般情况下，支座砂浆的初始流动度应大于3 2 0i t i i t i ， 半小时流动度不应小于2 4 0m m ，这样既可以使其具有良好的工作性，又不容易 使砂浆产生离析，造成匀质性变差。 ( 4 ) 经济性 中国高速铁路铺设范围广，覆盖面大，其基础材料中的支座灌浆料用量也 比较大，因此支座砂浆的经济性是高铁建设中必须考虑的一个问题。在高速铁 路专用支座砂浆中，水泥和高性能减水剂价格最高，用量也大，因此在对支座 砂浆满足要求的情况下，单位体积支座砂浆中水泥用量越少经济性越高。且支 座砂浆较普通砂浆一个明显的区别就是其所用的主要胶凝材料为快硬水泥，水 化热较高，容易在高温下水化容易产生裂缝，因此水泥用量不仅是经济问题， 也是安全问题。 1 3 4 支座灌浆材料配合比设计中应考虑的问题 ( 1 ) 胶凝材料与骨料的比例 对于高速铁路专用支座灌浆材料来说，胶凝材料占比一般为3 0 6 0 ，在 此范围内寻找最佳配比。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 强度等级 高强度不是支座砂浆的唯一指标，但是当支座砂浆达到一定强度时，其密 实性、抗渗透能力以及耐久性也会相应提高【2 9 】。通过高铁工程实践，计算桥梁 受力情况，得出支座砂浆应满足的标准载荷。一般情况下，支座砂浆的2 小时 抗压强度应大于2 0m p a ，2 8 天抗压强度应大于5 0m p a ，且后期强度不降低， 2 4 小时的抗折强度应大于10m p a ，2 8 天弹性模量应大于3 0g p a 。 ( 3 ) 细集料中各种粒度骨料的比例 高铁专用支座砂浆所选骨料为优质石英砂，通过不同目数的石英砂配比使 骨料具有良好的级配，并使砂浆具有良好的工作性能与强度。 ( 4 ) 用水量 经验表明，一般情况下，砂浆用水量与砂浆的抗压强度成反比关系，因此 必需严格控制砂浆用水量。客运专线支座砂浆材料的用水量标准为水料比不得 大于0 1 7 ( 5 ) 减水剂的种类与用量 普通减水剂达不到高铁专用支座砂浆材料的性能标准，因此必须用高效减 水剂。常用的高效减水剂主要有萘系、三聚氰胺系和聚羧酸系减水剂。在配制 支座砂浆时应根据砂浆的组成材料选用合适的减水剂类型。一般情况下减水剂 的固体用量为水泥用量的0 5 2 ，为达到良好的效果，应多次试验来确定其 最佳用量。 ( 6 ) 矿物掺和料的种类与用量 矿物掺和料的种类，简单可以分为不掺任何矿物掺和料、掺加单一或多种矿 物掺和料。 第一种情况即单独使用水泥，不掺加任何矿物掺和料。这种情况较少，因为 不掺加矿物掺和料将使砂浆的一些重要性能不可能达到，如降低水化热，提高 强度工作性能。 第二种情况为掺加一种或多种矿物掺和料以取代砂浆中的部分水泥。如掺粉 煤灰可改善砂浆工作性能，还可以降低水化热。掺硅灰可以使砂浆硬化产物更 加密实，提高抗渗性和耐久性。本文研究掺入一种或多种矿物掺和料来改善支 座砂浆的各种性能，以便适应工程需要。 1 4 支座灌浆材料目前存在的问题 9 武汉理工大学硕士学位论文 尽管国内的一些厂家已经研究出了支座灌浆材料，但是在施工使用过程中 还存在一些问题： ( 1 ) 支座灌浆材料使用安全性上有一定的问题。 根据的工作经验和实际调查，目前大部分支座灌浆材料在早期强度和早期 的工作性能上都没有能找到一个很好的平衡点，或者是有良好的早期强度，但 是早期的工作性能就会比较差，不能保证施工的顺利进行。支座灌浆材料凝结 时间过早造成废料在搅拌机上的堆积，给清理工作造成了很大的影响。另外， 凝结时间过早还会造成在重力灌浆的时候堵管，一旦堵管，施工就不能继续进 行。 有些支座灌浆材料后期性能不稳定，如无膨胀性或有一定的收缩造成灌浆 料不能有效填充锚固支座，或者后期强度倒缩，这些都将影响高速铁路的安全 性。 ( 2 ) 支座灌浆材料系统价格偏高，加大了高速铁路的投资 市面上的支座灌浆材料的价格在3 0 0 0 到5 0 0 0 元不等，价格高的灌浆材料 大大增加了高速铁路建设的成本，价格低的支座灌浆材料往往性能上有一定的 问题，因此有必要寻找一种性能优良、价格适中的支座灌浆材料。 1 5 研究内容与技术路线 1 5 i 研究内容 研究外加剂对胶凝材料的水化历程的影响以及水化产物和浆体结构的发展 变化规律，研究胶凝材料、骨料与外加剂不同配比对支座灌浆材料整体性能的 影响，探讨外加剂对胶凝材料水化的调控机理，并实现在实际工程中的应用。 具体内容包括： ( 1 ) 骨料级配和外加剂对支座灌浆材料工作性能和力学性能的影响 通过不同粒度不同掺量的骨料的配比以及不同种类不同掺量的外加剂来研 究其对支座灌浆材料的流动性能和强度的影响。 ( 2 ) 外加剂和骨料对支座灌浆材料体积稳定性的影响 研究外加剂作用下的胶凝材料的干燥收缩和化学收缩以及骨料密堆积对灌 浆料体积的影响的规律。 ( 3 ) 外加剂对胶凝材料的水化机理 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 通过宏观数据，再结合x r d 、s e m 等微观手段探讨不同种类外加剂对胶凝 材料水化历程的影响。 ( 4 ) 支座灌浆材料配