（材料学专业论文）水泥混凝土路面裂缝修补新材料研究.pdf

摘要 水泥路面是我国高等级路面的主要结构形式之一 在交通荷载及自然环境因 素作用下 许多路面都出现了早期微裂缝 如果不及时进行修补 将会导致路面 出现结构性损坏 因此 针对水泥路面的微裂缝特征 开发一种性能优良 价格 低廉的微裂缝修补材料 对于水泥路面预防性养护 延长道路使用寿命具有重要 的理论及现实意义 本文在对水泥混凝土路面的修复状况进行广泛调研的基础上 结合已有研究 成果 选用以普通水泥作为基质材料 用聚合物和高效减水剂作为主要改性剂 开发出了一种新型水泥路面微裂缝修补材料 研究中 首先用正交试验方法探寻 了各类原材料组成的大致范围 再基于试验结果的系统分析确定了裂缝修补材料 的初步配合比 对不同组成的裂缝修补材料的工作性能与路用性能进行了系统的 试验研究 分析了原材料及配比组成参数对微裂缝修补材料的工作性 力学性能 及各项耐久性的影响规律 通过路用性能综合排序对比 分析了不同裂缝微修补 材料的性能优劣 确定了最优配合比 为了深入认识微裂缝修补材料的微观结构 利用扫描电镜试验及孔结构测试 分析了聚合物等外掺剂对修补材料结构的影 响 揭示了微裂缝修补材料微观结构与路用宏观性能之间的关系 最终推荐出了 满足各项路用技术性能要求的水泥混凝土路面微裂缝修补材料 关键词 预防性养护 聚合物改性水泥 微裂缝修补材料 工作性能 路用性能 a b s t r a c t c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti so n eo ft h em a j o rs t r u c t u r a lf o r m sf o rt h eh i g h w a y i nc h i n a t r a f f i co v e r l o a da n dn a t u r a le n v i r o n m e n tf a c t o r sl c a dt oe a r l i e rm i c r oc r a c k i nm a n yp a v e m e n t t h ep a v e m e n ts t r u c t u r a ld a m a g ew i l lb ea p p e a ri fw ew o n tr e p a i r t h ec r a c k t i m e l y t h e r e f o r e d e v e l o p i n g ag o o dp e r f o r m a n c ea n dc h e a pm i c r o r e p a i r i n gm a t e r i a lf o rc r a c k sh a v ea ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c et o t h ep a v e m e n t p r e v e n t i v em a i n t e n a n c ea n dp r o l o n gs e r v i c el i f eo fp a v e m e n t i t sd e v e l o p e dan o v e lr e p a i r i n gm a t e r i a lf o rm i c r oc r a c k si nc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n tw h i c hc o n s t i t u t eb yo r d i n a r yc e m e n t p o l y m e ra n ds u p e r p l a s t i c i z e r b a s e d o ne x t e n s i v ei n v e s t i g a t i o no ft h er e p a i rs i t u a t i o ni nt h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta n d t h ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t s i nt h ef i r s ts t u d y i t r e c o m m e n da ni n i t i a lr a t i oo f r e p a i r i n gm a t e r i a lb a s e do ns y s t e ma n a l y s i sb yo r t h o g o n a lt e s tm e t h o dw h i c he x p l o r e t h eg e n e r a lu s i n gs c o p ea b o u tk i n d so fr a wm a t e r i a l s a n a l y z e dt h ei n f l u e n c er u l eo f d i f f e r e n tr a wm a t e r i a l sa n dc o m p o s i n gr a t i ot ow o r k a b i l i t y m e c h a n i c sa n dd u r a b i l i t y p e r f o r m a n c ea b o u tt h er e p a i rs t u f fb ys y s t e mt e s t t h eo p t i m u mp r o p o r t i o no ft h e m a t e r i a lw i l lb ed o n e t h r o u g hc o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o na b o u tp a v e m e n t p e r f o r m a n c ea n da n a l y z er e s u l t sa b o u tk i n d so fm i c r oc r a c k s i nt h ei n t e r e s to fr e a l i z e t h em i c r o c o s m i cs t r u c t u r ea b o u tr e p a i r i n gm a t e r i a l s w eu s et h ea n a l y t i c a lt o o l so f s e ma n dm i ea n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fp o l y m e rt os t r u c t u r eo fc e m e n tc o n c r e t e w er e v e a lt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nm i c r o c o s m i cs t r u c t u r ea n dm a c r op e r f o r m a n c e a b o u tc r a c kr e p a i rm a t e r i a l f i n a l l y i t sr e c o m m e n d e dt h em a n u f a c t u r ew h i c hm e e t s t h et e c h n i c a lp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e p o l y m e r w o r k a b i l i t y p a v e m e n t p e r f o r m a n c e 长安人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 立项背景 水泥混凝土应用于路面建设在我国已有近百年的历史 相对于沥青混凝土 路面而言 水泥混凝土路面具有刚度大 扩散荷载能力强 高温稳定性好 材 料易得 使用寿命长 维护费用低等优势 自本世纪初开始得到了快速发展 特别是在目前金融危机的背景下 石油产品价格节节攀升的状况下 水泥混凝 土路面的重要性得到了广泛的认可 截至2 0 0 9 年底 我国已建成的水泥混凝土 高级路面约为1 7 0 万公里 约占沥青 水泥两种高级路面的6 0 1 1 j 如图1 1 随着公路里程的增加 加上早期修建的水泥混凝土路面已接近使用年限 养护 维修的任务就越来越重 路面因长期暴露在日光 雨水 冻融 温差和各种化 学物质侵蚀的自然环境中 且长期经受车辆的冲击荷载 循环荷载及磨耗 必 然会产生不同程度的损坏 尤其是最近几年出现的车辆数量的快速增长 行车 速度的提高 交通荷载的重型化 超限运输等因素更是加剧了路面的破坏 如 果在水泥混凝土路面使用期间及时地采取预防性 经济性的养护和修复措施 就可以使路面保持良好的工作状况 从而增加水泥路面的使用年限 图1 1 我国水泥混凝土高级路面发展状况 预防性养护是指在路面状况良好的情况下 采取一些必要的技术手段 使 路面功能一直保持较好的状态 如路面出现轻微裂缝即进行灌缝等措施 是一 种有计划性的养护 而裂缝修补就是一种预防性的养护措施 裂缝一旦出现就 应及时修补 否则在车辆荷载和环境因素影响下 裂缝会逐渐扩展 最终会使 整个面板发生破坏 这不仅影响行车的安全和舒适度 且后期路面修补费用也 将大大增加 路面裂缝种类繁多 修补方法也很多 第一章绪论 水泥混凝土路面的损坏按结构性能可分为两类 1 结构型损坏 包括严重裂 缝 断板 板角断裂 沉陷 错台 拱起 接缝碎裂和网裂等 损坏形成的原 因主要有过重的荷载 基层不达标和强烈的温度变化等引起 2 非结构型损坏 包括轻微表面裂缝 麻面 露骨 磨光 剥落 起皮 填缝材料损坏 坑槽和 孔洞等 损坏形成的原因主要有材料的质量不合格 施工质量问题等引起 常 见的损坏形态如图1 2 修补的方法大体来说主要是对缺陷进行填补 平整错台 或者予以整体换板 其中裂缝根据其所处部位及特点 可分为表面裂缝 贯穿裂缝及埋藏裂缝 2 1 等 要想取得理想的修补效果 一定要先调查裂缝产生的原因和裂缝的发展变 化形态 然后才能选用适当的处理方法 其常用的修补方法有 板底注浆法 扩缝灌浆法 直接灌浆法与条带罩面法等 一般而言 对于宽度 4 0 0 0尚 2 0 0 0 4 0 0 0 中等 l0 0 0 2 0 0 0 低 1 0 0 1 0 0 0 很低 1 0 0 可忽略 k e n t c v j 混凝土真空饱水饱盐设备 夹具 图2 4k e n t c c 1 2 0 2 氯离子渗透仪 2 耐腐蚀性 第二二章研究方案与试验方法 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 将尺寸为 4 0 x 4 0 x16 0 m m 的试件分别浸入5 盐酸 5 h 2 s 0 4 溶液和自来水中 测定3 0 d 后试 件强度的变化 并观察试件表面有无起皮 剥落等缺陷 3 耐磨性 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 中的水泥胶砂耐磨性试验方 法 制备试件尺寸为15 0 m m xl5 0 m m x 3 0 m m 试 件成型后养护2 8 d 将试件底面作为磨耗面 采 用水泥胶砂耐磨性试验机 以磨耗后的质量损失 百分率作为耐磨性指标 磨耗后试件的形态见图 2 5 所示 图2 5 磨耗后试件状态 7 粘接性能实验 粘接性能是一个比较综合性的指标 对粘接性能的评价 从广义上讲有三个 方面的内容 包括修补材料的收缩变形性能 修补材料本身的抗折抗压强度 修 补材料与旧混凝土之间的粘接剪切强度 新旧混凝土结合面是一个薄弱环节 其 界面粘结强度一般都低于整体浇筑的混凝土强度 极大的影响着路面修补的可靠 性 新旧混凝土在结合面上发生的破坏主要是由于垂直于结合面的拉应力过大 产生的结合面张开破坏 以及平行于结合面的剪应力过大产生的沿结合面滑动剪 切破坏 或二者兼而有之 用拉伸粘结强度来表征结合面张开破坏 试验方法为 老混凝土成型面不做 任何处理 在其上面直接浇注修补材料 浇注厚度约为1 0 m m 带模养护2 d 拆 模 然后放入养护室 在标准条件下养护2 8 d 测试前2 d 用环氧树脂将拉拔用 的钢块粘结在修补材料表面上 用拉拔试验机测定其拉伸强度 如图2 6 用粘 结劈裂抗拉强度来表征结合面滑动剪切破坏 试件采用劈裂处用修补材料补好的 15 0 m m x15 0 m m xl5 0 m m 的立方体试块 在压力机上进行劈裂抗拉试验 如图2 7 同时为了模拟张开破坏和滑动剪切破坏同时存在的情况 进行粘接抗折强度试 验 将4 0 m m x 4 0 m m x l 6 0 m m 的砂浆试块从中间断开 中间预留约3 m m 距 离 断 开处用修补材料补好 在电动抗折仪上进行抗折强度试验 如图2 8 用粘结比 1 2 长安人学硕士学位论文 来表征修补材料粘结性能指标 粘结比定义为修补材料的粘结强度与基准水泥浆 的粘结强度的比值 f 料 补材料 图2 6 修补材料的拉伸强度测定示意图 图2 7 修补材料劈裂抗拉强度测定示意图 阿 料 图2 8 修补材料的粘接抗折强度测定示意图 8 收缩试验 由于试件水泥含量较高 所制试件尺寸不能太大 具体方法参照j g j 7 0 9 0 建筑砂浆基本性能的试验方法 试件尺寸为4 0 m m x 4 0 m m x1 6 0 m m 先测定 其3 d 龄期时的初始长度 然后在自然条件下养护至各个龄期 7 d 1 4 d 和2 8 d 用比长仪分别测试试件的长度 以收缩率作为修补材料收缩性能指标 修补材 料在各个龄期的收缩率按式 2 1 计算 s 生生 1 0 0 2 1 三 式中 s d d 天龄期时的收缩率 厶一试件成型3 d 时的长度 即初始长度 m m l d d 天时的试件长度 咖 9 实验试件养护制度 该修补材料是聚合物改性水泥浆体 在这个混合体中发挥主要功能的是水 泥与聚合物 而二者对水的需求是有矛盾的 水泥的水化需要适量的水才能充 分水化 而聚合物的干燥成膜需要相对干燥的环境 合适的养护制度就是要找 到兼顾二者的契合点 既能让水泥充分的水化 又能让聚合物干燥成膜 对此 1 3 第二章研究方案与试验方法 设计了四种试件的养护制度 标准养护2 8 d 自然养护2 8 d 先标准养护 7 d 再自然养护2 1 d 先标准养护3 d 再自然养护2 5 d 试验设备为标准养 护箱 通过试验对比 最终选择第四组养护制度 1 4 长安人学硕士学位论文 第三章原材料的技术性质 如前所述 在原材料的选择上应综合考虑修补材料与旧混凝土的相容性 修补材料的优良的工作性和耐久性 良好的界面粘接性能和变形能力 较强的 抗弯拉强度以及经济环保等因素 基于这个原则 通过市场调研及分析 初选 了以下原材料 3 1 水泥 本修补材料定位为一种补强材料 应选用强度等级较高的水泥 故选用陕 西某厂生产的4 2 5 r 普通硅酸盐水泥作为基质材料 其化学组成 矿物组成 技术性能指标和实测结果见表3 1 表3 2 和表3 3 表3 1p o4 2 5 r 的主要化学组成 化学组成s i 0 2a 1 2 0 3 c a o s o a m g o p o4 2 5 r1 9 8 55 8 86 1 8 82 51 5 5 表3 2 p o4 2 5 r 的主要矿物组成 矿物组成 c 3 sc 2 sc 3 ac 4 a f p 0 4 2 5 r5 2 4 62 0 0 48 3 31 3 4 1 表3 3e o4 2 5 r 的技术性能指标 凝结时间 企业烧失量安定抗折强度 m p a 抗压强度 m p a 细度 m i n 技术 性 初凝终凝3 d 2 8 d3 d2 8 d 指标 3 22 9 7 合格 1 3 51 9 05 58 o3 04 9 标准 s 1 0 0 8 0 芝1 5芝1 0 3 3 多 l j n n 在修补材料中 经过资料收集与系统分析 初步确定添加的外加剂类型有 减水剂 膨胀剂和消泡剂等 l 减水剂 减水剂在修补材料中起到增大浆体流动性的作用 以利于裂缝的灌浆 同 1 7 第三章原材料的技术性质 时 减水剂对水泥制品的力学强度和耐久性方面也有一定的改善效果 经过市场调查和分析 并经过对减水率的考量 初步确定选用以下两种减 水剂 1 四川某化工有限公司生产的某高性能减水剂 文中代号为l 型高性能 减水剂 其功能团为 s 0 3 n a 主要生产工艺是通过不饱和单体在引发剂作用 下发生接枝共聚 后将带有活性基团的侧链接枝到聚合物的主链上而形成一定 分子量的大分子聚合物 l 型高性能减水剂具有掺量低 推荐掺量为0 1 到o 4 之间 减水率高 一般在2 5 到3 5 之间 与水泥适应性较好 对环境无任何影响等特点 是一种安全的环保新型高效减水剂 其外观为浅棕色液体 l 型高性能减水剂 属于引气型高效减水剂 可用消泡剂调节其含气量 其主要匀质性指标见表3 9 表3 9l 型高性能减水剂主要匀质性指标 固含量 密度 g m 1 p h 值氯离子含量 碱含量 甲醛含量 3 0 士l约1 07 8 o 0 5 20 2 陕西某化工有限公司生产的某高性能减水剂 其功能团为 c o o n a 文中代号为f 型高性能减水剂 f 型高性能减水剂属于非引气型高效减水剂 为固体粉末状物质 适用于高强混凝土 现浇混凝土以及大体积混凝土等 其 推荐掺量为0 5 0 7 5 减水率一般大于2 0 减水剂的掺量存在 饱和点 现象 即随着减水剂掺量的增大 水泥浆的流 动度开始时逐渐增大 当达到一定掺量点后 减水剂的掺量继续增大 水泥浆 流动性几乎不再增加 这一掺量点称为减水剂的饱和点 饱和点不但对水泥浆 的流动性能有意义 对水泥的胶砂强度和收缩也同样有意义 一般而言 当减 水剂掺量在饱和点附近时水泥胶砂强度达到最大值 掺量超过饱和点后 强度 会明显下降 随着减水剂掺量的增大 水泥砂浆的干燥收缩随之增大 同时 根据研究 流动性的饱和点与强度 收缩性的饱和点一致 因此 对减水剂用 量的确定可看成是对减水剂饱和点的确定 以流动性的饱和点为准即可 试验方法为测定固定水灰比时水泥净浆流动性随减水剂掺量增大而变化的 趋势 参考g b t 8 0 7 7 2 0 0 0 混凝土多 i n 剂匀质性试验方法 用水泥净浆在玻 璃平面上自由流淌的最大直径表示水泥浆体流动度 1 8 长安大学硕上学位论文 高效减水剂选用l 型高性能减水剂和f 型高性能减水剂进行对比试验 以 确定减水剂的种类和大致掺量 对比指标为水泥净浆流动度 水灰比统一为0 5 对比试验结果见表3 1 0 表3 1 0 高效减水剂对比试验结果 编号减水剂种类水灰比减水剂掺量 水泥净浆流动度 m m j z 0 5 1 6 8 l ll 型高性能减水剂 0 50 1 52 4 l l 2l 型高性能减水剂0 5 0 22 5 7 l 3 l 型高性能减水剂 0 5o 2 52 6 4 l 4 l 型高性能减水剂 0 50 32 6 7 f 1f 型高性能减水剂0 5 0 5 52 0 l f 2 f 型高性能减水剂 o 5o 6 2 2 3 f 3 f 型高性能减水剂 0 50 6 52 2 8 f 4 f 型高性能减水剂 o 50 72 2 9 注 试样j z 为不掺加减水剂的水泥净浆 图3 1 掺l 型高性能减水剂水泥净浆流动度 1 9 第三章原材料的技术性质 图3 2 掺f 型高性能减水剂水泥净浆流动度 图3 3 掺l 型和f 型减水剂 饱和点 水泥净浆流动度对比 由表3 1 0 中数据和图3 1 3 2 和3 3 可知 1 经过试验验证 减水剂确实存在 饱和点 现象 2 0 1 如在图4 1 和4 2 中 当水灰比分别超过0 2 5 和0 6 5 时 流动度随减水剂掺量的增加而增加的趋 势明显减缓 故二者的饱和点可分别取为o 2 5 和0 6 5 在饱和点附近的取值是 比较经济的 2 在图4 3 中可看出减水剂对水泥流动度的提高幅度是很大的 而不同 品种的减水剂在其发挥最大减水作用的时候 即饱和点附近 减水率是不同的 在本次对比试验中 l 型减水剂比f 型减水剂在饱和点时对水泥流动度提高1 4 左右 故本修补材料用减水剂选取l 型高性能减水剂 3 对于减水剂存在 饱和点 现象的可能原因 西安建筑科技大学的何廷 树教授认为 减水剂掺入到新拌水泥浆体时破坏了水泥颗粒的絮凝结构 起到分 散水泥颗粒的作用 从而释放出絮凝结构中的自由水 增加水泥浆体拌合物的流 动性 当减水剂掺量较小时 不足以分散水泥颗粒和减少水泥表面的吸附水膜厚 长安大学硕士学位论文 度 因而水泥浆体的流动性不高 但随着减水剂掺量的增加 减水剂的分散作用 越来越明显 达到饱和点掺量附近时 水泥对减水剂的吸附就达到了饱和状态 若此时继续增大减水剂的掺量 水泥对减水剂的吸附量也增加不多 水泥浆的流 动性基本不再增大 而对于水泥胶砂的强度 在饱和点以前 随着减水剂掺量的 增加 水泥颗粒也分散得越来越均匀 水泥颗粒的水化也越充分 因此随着减水 剂掺量的增加 水泥胶砂抗压和抗折强度会增加 如果继续增大减水剂掺量超过 饱和点掺量后 反而会使水泥浆出现明显的离析泌水现象 使浆体内部匀质性变 差 从而产生大量的内部缺陷 致使胶砂强度大幅度降低 因此 准确测定减水 剂的 饱和点 不仅能节约成本 同时也能提升水泥产品的质量 2 早强剂 本材料为修补型材料 对材料强度形成的时间有一定的要求 故选用早强 剂对这一性能进行调节 初步确定选用对水泥浆体流动性影响能较小的化学分 析纯氯化钙和硫酸钠试剂 3 膨胀剂 选用u 型膨胀剂 代号u e a 它是目前我国应用较多的一种膨胀剂 是 由硫铝酸钙水泥熟料与适量的明矾石和石膏共同磨细而成 其膨胀源为钙矾石 推荐掺量约为水泥质量的1 0 1 2 u 型膨胀剂主要技术指标见表3 7 表3 7u 型膨胀剂主要技术指标 比表面积密度 化学成分 烧失量 c m 2 值 g c m 3 s i 0 2 f e 2 0 3 t i 0 2a 1 2 0 3 c a o m g o s 0 3 3 2 0 02 8 51 6 10 9 80 8 91 3 6 93 5 4 83 0 52 4 3 51 5 1 4 消泡剂 消泡剂主要用来消除聚合物在拌合过程中产生的气泡 以增强材料的密实 度 哈尔滨理工大学的李玉铭在研究玻璃纤维增强水泥制品时发现消泡剂磷酸 三丁酯在消泡的同时还具有提高砂浆流动性和抗折强度的作用f 2 本修补材料 所使用的消泡剂推荐掺量为0 1 密度约为1 0 9 c m 3 3 4 本章小结 在广泛的市场调查 技术性能对比和科学的试验基础上选定了组成裂缝修 补材料的各原材料的类型 其中对减水剂进行了对比试验 本章结论如下 2 1 第三章原材料的技术性质 1 确定了原材料选择应考虑的综合因素 主要有修补材料与旧混凝土的相 容性 修补材料的优良的工作性和耐久性 良好的界面粘接性能和变形能力 较强的抗弯拉强度以及经济环保等 2 考虑到修补材料具有的流动性及工作性能 确定了减水剂的优选指标为 水泥净浆流动度 经过试验 最终确定选用l 型高性能减水剂 理论最佳掺量 为0 2 5 长安大学硕士学位论文 第四章裂缝修补材料配合比设计 正如第一章所分析 本研究寄希望于外掺料 外加剂和聚合物材料 对水 泥进行改性 以使修补材料各项性能达到要求 如 与旧混凝土的相容性好 工作性优良 抗弯拉强度高 界面粘结性能良好 变形能力优良 耐久性能好 等 修补材料的最终成形就是一个对各种材料组成 配方 优化的过程 因此 必须对原材料进行初选 通过科学的实验方案设计及实施 确定初步配合比 4 1 修补材料配合比正交设计 正交设计是数理统计的一种方法 其原理是均衡分散性和整齐可比性 用 正交表来安排实验可用较少的实验次数得到理想的实验结论 而这也正是配方 设计经常使用正交设计的原因 用正交设计主要可以获得两种结论 1 各因 素对考核指标的影响程度区分 2 各因素对考核指标的影响显著性 通过正 交试验 可以获得各原材料掺配的原则与大致范围 为后续的 撒细网 打下基 础 2 2 i 在正交试验中 因素的选择至关重要 它决定了试验结论是否能真正满足 试验目的 结合以往研究结论及本课题特点 认为水灰比 聚合物掺量 减水 剂掺量和聚合物种类是影响修补材料性能的四个重要因素 这四个参数的选用 范围将在很大程度上影响修补材料的各项性能 水灰比 水灰比对修补材料的工作性 强度 耐久性等方面有重要影响 初步选定0 4 0 5 和0 6 三个水平进行试验 聚合物掺量 聚合物的掺量可能对修补材料的路用性能和耐久性有重要 影响 初步选定0 1 0 和2 0 三个水平进行试验 减水剂掺量 减水剂的掺量对修补材料的工作性能与后期强度等方面有 重要影响 结合推荐掺量 初步选定0 o 2 和0 3 三个水平进行试验 聚合物种类 聚合物的种类选取对修补材料配方的最后确定至关重要 由于是初步的配合比设计 故初步选定聚丙烯酸 聚醋酸乙烯和丁苯三种聚合 物进行试验 试验考察了4 个因素 3 个水平 故选取l 9 3 叶 正交表 因素 水平 试 验安排以及试验结果分别见表4 1 表4 2 和表4 3 考虑到浆体初始流动度 第四章裂缝修补材料配合比设计 2 8 d 抗折强度和2 8 d 抗折粘接强度对修补材料的工作性能和路用性能有较大的 影响 故选取他们为正交试验设计的考核指标 表4 1 修补材料配合比正交试验因素水平表 因素 水灰比聚合物掺量 减水剂掺量 聚合物种类 水平 abcd lo 4 oo 聚合物a 20 51 0 0 2 聚合物b 30 62 0o 3 聚合物c 注 聚合物与减水剂掺量为与水泥的质量比 表4 2 修补材料配合比正交试验安排 考核指标与试验结果 列号因 原材料种类及掺量考核指标 素 水灰聚合物 减水剂 聚合物流动度 抗折强度抗折粘接强度 试验号 比a 掺量 掺量c种类d m m m p a m p a lll111 6 26 4 4 2 212222 3 66 84 6 3 l3332 4 55 33 9 42l232 6 36 3 4 o 5223l2 6 l5 54 1 623l22 1 76 o4 4 73l322 6 9 4 22 5 832l32 2 05 1 4 2 933212 6 85 24 3 对于正交试验的结果分析主要有两种方法 一种是极差分析法 或称直观分 析法 另一种是方差分析法 根据试验结果 我们进行相应的极差分析和方差分 析 从而找出对考核指标影响最为敏感的因素 以确定材料的初步配合比 极差 值r 的相对大小可以区分各因素对实验指标的影响程度 但极差值本身并不能反 映影响程度的大小 而是需要通过方差分析来判断因素对实验结果影响的显著程 度 在一个考核指标中 极差r 越大 说明该因素对考核指标的影响越大 而经 长安人学硕士学位论文 过方差计算得出的f 值若大于f 临界值 说明它对应的因素对考核指标有显著影 响 极差与方差分析结果分别见表4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 和4 8 所示 表4 3 不同因素对流动度的极差影响分析 一 水灰比 聚合物掺量b减水剂掺量c聚合物种类d a 流动度平均值 m m 12 1 4 2 3 l2 0 02 3 0 水平 2 2 4 72 3 9 2 5 52 4 l 32 5 22 4 3 2 5 8 2 4 3 极差r 3 8 01 2 05 8 61 2 3 因素 主 次 ca db 优方案 c 3a 2 d 3b 3 表4 4 不同因素对流动度的方差影响分析 a o 0 5 因素离差平方和自由度f 值f 临界值显著性 水灰比a 2 5 3 9 5 5 624 1 8 95 1 4 0 不显著 聚合物掺量b2 2 1 5 5 6 20 3 6 55 1 4 0 不显著 减水剂掺量c6 5 8 4 8 8 921 0 8 6 6 5 1 4 0 显著 聚合物种类d 2 6 2 8 8 9 2 0 4 3 2 5 1 4 0 不显著 误差9 3 4 6 0 06 因素 主一次 ca db 表4 5 不同因素对2 8 d 抗折强度的极差影响分析 一 水灰比 聚合物掺量b减水剂掺量c聚合物种类d a 抗折强度平均值 m p a l6 25 65 85 7 水平25 95 86 15 7 34 85 55 05 6 极差r i 40 31 10 1 冈素 主一次 ac bd 优方案 a 2c 2 b 2 d 1 2 第p l j 章裂缝修补材料配合比设计 表4 6不同因素对2 8 d 抗折强度的方差影响分析 a o 0 5 因素离差平方和自由度f 值f 临界值显著性 水灰比a3 0 4 22 9 1 0 35 1 4 0 显著 聚合物掺量b 0 1 3 620 4 0 65 1 4 0 不显著 减水剂掺量c 1 9 7 625 9 1 l5 1 4 0显著 聚合物种类d 0 0 2 920 0 8 75 1 4 0 不显著 误差5 1 56 因素 主一次 ac b d 表4 7 不同因素对2 8 d 粘结抗折强度的极差影响分析 一 水灰比a 聚合物掺量减水剂掺量聚合物种类 b c d 粘接抗折强度平均值 m p a y l 4 2 3 64 3 4 2 水平 2 4 2 4 34 33 8 3 3 7 4 2 3 5 4 0 极差r o 50 60 8o 4 因素 主 次 c ba d 优方案 c 1 2b 2a 1 2 d 2 表4 8不同因素对2 8 d 粘结抗折强度的方差影响分析 舻町 0 5 因素离差平方和自由度f 值f 临界值显著性 水灰比a 0 5 7 623 2 2 35 1 4 0 不显著 聚合物掺量b0 9 4 925 3 1 55 1 4 0显著 减水剂掺量c 1 2 2 926 8 8 25 1 4 0显著 聚合物种类d 0 2 0 221 1 3 05 1 4 0不显著 误差2 7 56 因素 主一次 c ba d 依据以上表格结果绘制的各因素水平趋势图分别见图4 1 4 3 所示 长安人学硕上学位论文 图4 1 流动度各因素水平趋势图 图4 22 8 d 抗折强度各因素水平趋势图 图4 32 8 d 粘接抗折强度各因素水平趋势图 分析正交试验结果可以知 1 影响修补材料流动度的因素显著性顺序为 减水剂掺量 水灰比 聚合 物种类 聚合物掺量 其中减水剂掺量对流动度的影响最为显著 高效减水剂的掺入使得水泥浆体的粘度迅速降低 其对微裂缝的可灌性才 可能得以实现 经过试验验证 掺入过量的减水剂可能会使材料的凝结时问和 2 7 第p q 章裂缝修补材料配合比设计 强度等性能不能满足工程需求 减水剂掺量宜控制在0 2 左右 聚合物的掺入对材料流动度的影响并不显著 与一般的经验 掺入聚合物乳 液可以改善水泥基材料的流动性 有一定的出入 可能的原因是聚合物乳液颗粒 对水泥砂浆或水泥混凝土的级配有改善作用 进而改善了其流动性 而本材料 为水泥净浆 聚合物乳液对浆体的级配改善效果有限 2 影响修补材料2 8 天抗折强度的因素显著性顺序为 水灰比 减水剂掺 量 聚合物掺量 聚合物种类 其中水灰比的影响最为显著 其次为减水剂掺 量的影响 水灰比宜控制在0 5 左右 减水剂掺量宜控制在0 2 左右 为保证修补效果 修补材料要求有与旧有混凝土相近的强度 此时应选定 合适的水灰比以及适宜的减水剂掺量 3 影响修补材料2 8 d 粘接抗折强度的因素显著性顺序为 减水剂掺量一聚 合物掺量 水灰比一聚合物种类 其中 减水剂掺量和聚合物掺量有着相近的 影响显著性 减水剂掺量宜控制在0 2 左右 聚合物掺量宜控制在1 0 左右 修补材料与旧有混凝土之间的粘接性能对材料的修补效果有直接的影响 聚合物的加入将会改善其界面粘结效果 4 2 修补材料初始配合比 基于修补材料的配合比正交试验设计及实施 确定了修补材料的初始配合 比 如表4 9 所示 在后续章节中 将对不同初始配合比的裂缝修补材料的工 作性能和路用性能的进行验证 最终推荐出满足工程需求的修补材料配合比 表4 9 修补材料的初始配合比 外加剂1 掺量 i 力n n2 掺量 编号聚合物名称水灰比聚灰比 a l 聚合物乳液a o 50o 2 50 1 a 2 聚合物乳液ao 5 6 o 2 5 o 1 a 3 聚合物乳液a o 58o 2 5 0 1 a 4 聚合物乳液ao 5 1 0 o 2 50 1 a 5 聚合物乳液a 0 51 2 o 2 50 1 a 6 聚合物乳液ao 51 40 2 5o 1 a 7 聚合物乳液a 0 51 6 0 2 5 o 1 长安大学硕士学位论文 续表4 9 多 b n nl 掺量 外加剂2 掺量 编号聚合物名称水灰比聚灰比 b l 聚合物乳液b o 5o0 2 5o 1 b 2 聚合物乳液b 0 56o 2 50 1 b 3聚合物乳液b 0 580 2 5o 1 b 4 聚合物乳液b0 51 00 2 5 0 1 b 5 聚合物乳液bo 5 1 2o 2 50 1 b 6聚合物乳液b0 51 4o 2 5 0 1 b 7 聚合物乳液b 0 51 6 o 2 5 0 1 c 1 聚合物乳液c 0 50o 2 5 o 1 c 2 聚合物乳液c 0 5 6 0 2 50 1 c 3 聚合物乳液c o 58o 2 50 1 c 4 聚合物乳液c 0 5l o0 2 50 1 c 5 聚合物乳液c 0 51 20 2 50 1 c 6 聚合物乳液c 0 51 40 2 5o 1 c 7 聚合物乳液c o 51 6o 2 50 1 d 1 聚合物乳液d o 50o 2 50 1 d 2 聚合物乳液d 0 560 2 50 1 d 3 聚合物乳液d o 580 2 5o 1 d 4 聚合物乳液d o 5l oo 2 5o 1 d 5 聚合物乳液d o 51 20 2 50 1 d 6 聚合物乳液d 0 51 40 2 5o 1 d 7 聚合物乳液d o 51 6o 2 50 1 4 3 本章小结 本章通过理论分析及正交试验设计实施 确定了修补材料的初始配合比 为后续的修补材料工作性和路用性能验证以及对初始配合比的改进打下了基 第四章裂缝修补材料配合比设计 础 本章主要结论如下 1 通过修补材料配合比正交试验设计及实施 确定了各原材料对修补材料 主要性能指标的影响程度以及各原材料的理论最优掺量 2 对j 下交试验结果进行了分析 认为水灰比宜控制在o 5 左右 减水剂掺 量宜控制在0 2 左右 聚合物掺量宜控制在10 左右 3 基于正交试验设计及结果分析 确定了微裂缝修补材料的初始配合比 3 0 长安人学硕上学位论文 第五章裂缝修补材料工作性能研究 水泥路面中的微裂缝狭小而且不规则 修补材料的流变性能直接影响着路 面微裂缝的的修补效果 浆体在微裂缝中流动时 受到缝壁的阻力和自身粘滞 力的影响 因此修补材料必须具备良好的流动性 方能保证裂缝内填满浆体 同时修补材料还应该保持良好的体积稳定性 另外 交通条件对修补材料的凝 结时间有一定的要求 浆体的终凝时间不能太长 否则会影响交通的开放 因 此 修补材料的工作性能包括浆体的流动性 可灌性 稳定性 凝结时间等指 标 5 1 修补材料的流变性能 5 1 1 修补材料对流变性能的要求 经研究 水泥浆体的流变性能在非牛顿流体中与宾汉姆模型最为接近 2 3 2 4 1 故水泥净浆的流变方程可用宾汉姆模型来讨论 其方程如下 f f 叼尘 5 1 f2 f 叼面 5 1 式中 f 浆体流动时所受的剪切应力 一浆体的屈服极限或屈服应力 叩 浆体的塑性粘度 冬一浆体的应变速率 a t 从流变方程可以知道 水泥浆体的流动性主要由屈服极限f 和塑性粘度叼 这两个流变参数所决定 当作用于水泥浆体的剪切应力f 小于浆体的屈服应力 f 时 浆体不发生流动 当水泥浆体的剪切应力f 大于其屈服应力 之后 浆 体才开始流动 在一个二维平面等厚光滑裂缝模型中 水泥浆体的流变阶段大致分为不流 动阶段 塞流阶段 层流阶段和紊流阶段 经过对浆体的力学分析可知 浆体 的屈服极限f 和塑性粘度 7 均影响浆体在裂缝中的平均运动速率和灌入量 而 且影响灌浆过程的历时长短及修补效果 因此 对水泥浆体的流变性能的改善 主要就是要降低水泥浆体的屈服极限r 和塑性粘度叩 3 l 第五章裂缝修补材料工作性能研究 为了使修补材料在狭小的裂缝中灌入自如 必须深入研究浆体的流动度大 小和微裂缝灌入难易程度之间的关系 以此作为材料的性能测定和配方的改善 的依据 本研究采用了可灌性的试验方法 将从中间劈开的混凝土试件竖直并靠在一起 控制两个 试块之间形成一条上口宽为l m m 3 m m 的平行裂缝和v 形 裂缝 裂缝周围用水泥密封 通过调整水灰比的方法获得不 同的流动度 将搅拌好的水泥浆体倒入缝隙 待水泥浆体 初凝以后 将混凝土试块分开 测量水泥浆的灌入情况 图5 1 可灌性试验模拟裂缝 如图5 1 通过试验 流动度大小与灌入情况的关系见表5 1 表5 1 浆体的流动度大小与灌入深度的关系 材料操作 流动度 灌入深度 c m 饱满情况 灌入方法 类型时间 m m 平行裂缝v 形裂缝平行裂缝v 形裂缝 1 4 82 52 5 不饱满不饱满 1 5 91 1 3ll 不饱满不饱满 1 7 52 8 72 7 2 不饱满不饱满 水泥5 m i n1 9 33 33 4 不饱满不饱满 自然灌入 净浆以内2 0 74 03 8 不饱满不饱满 2 1 84 04 0 饱满饱满 2 3 14 04 0饱满饱满 2 5 54 04 0 饱满饱满 注 1 裂缝设计深度为4 0 c m 2 灌入饱满是指浆体灌入裂缝全部深度 并在缝壁上附着均匀 没有缺陷 不饱满是指 浆体灌入裂缝时 在缝壁上附着不均匀 存在缺陷 从表5 1 可知 浆体的流动度大约在2 2 0 m m 左右时 即可灌满整个裂缝 但考虑到实际中裂缝的复杂性和为操作时问留下余地 对能完满灌入裂缝的浆 体流动度初步限定在2 3 5 m m 左右 将其定义为对l 一3 m m 的微裂缝的可灌性临 界值 5 1 2 流变性与可灌性的测定及分析 根据第四章的初步配合比设计 测试修补材料的流动度 可灌性 以评价 3 2 长安大学硕上学位论文 其工作性能 根据第二章所介绍的测定流动度的方法 考虑到一般操作时间在1 5 m i n 以 内即可完成 故分别测定修补材料在5 m i n l o m i n 1 5 m i n 2 0 m i n 和2 5 m i n 时 的流动度 建立流动度与时间的关系 同时测定修补材料的可灌性 建立流动 度与可灌性的关系 表5 2 修补材料流动度与可灌性测试结果 聚合物不同时间j i f 对应的流动度 m m 类型 试件编号可灌性 5 m i n l o m i n1 5 m i n2 0 m i n2 5 m i n j z1 8 31 8 21 7 51 7 51 6 7 不饱满 a l2 6 42 6 22 6 l2 6 02 5 5饱满 a 22 6 62 6 52 6 32 6 l2 5 7 饱满 a 32 7 l2 7 0 2 6 8 2 6 72 6 0 饱满 聚合物 乳液a a 42 7 32 7 l2 7 02 6 62 6 0饱满 a 52 7 l2 6 82 6 52 6 l2 5 8 饱满 a 6 2 6 92 6 62 6 22 5 92 5 7 饱满 a 72 6 82 6 42 6 32 6 02 5 5 饱满 b l2 6 42 6 22 6 12 6 02 5 5 饱满 b 22 6 82 6 7 2 6 52 6 02 5 8饱满 b 32 7 42 7 42 7 32 7 02 6 6 饱满 聚合物 b 42 7 52 7 32 7 l2 6 82 6 3 饱满 乳液b b 52 7 32 7 02 6 72 6 52 6 1 饱满 b 6 2 7 l 2 6 72 6 52 6 42 5 9饱满 b 72 7 02 6 62 6 42 6 12 5 6 饱满 c l2 6 42 6 22 6 12 6 02 5 5 饱满 c 22 7 02 6 82 6 72 6 12 5 7 饱满 聚合物c 32 7 52 7 42 7 22 6 62 6 2 饱满 乳液c c 42 7 42 7 22 7 02 6 52 6 l 饱满 c 52 7 32 7 l2 7 02 6 42 6 0 饱满 c 62 7 02 6 82 6 42 6 22 5 8 饱满 第五章裂缝修补材料1 二作性能研究 续表5 2 不同时间励 对应的流动度 m m 聚合物 试件编号 可灌性 类型 5 m i nl o m i n1 5 m i n2 0 m i n2 5 m i n 聚合物 c 72 7 02 6 62 6 52 6 02 5 6 饱满 乳液c d l2 6 42 6 22 6 l2 6 02 5 5 饱满 d 22 6 92 6 82 6 62 6 l2 5 6 饱满 d 32 7 62 7 7 2 7 52 7 12 6 4 饱满 聚合物 d 42 7 72 7 52 7 32 7 02 6 5饱满 乳液d d 52 7 42 7 22 7 02 6 62 6 0 饱满 d 62 7 52 7 l2 7 02 6 52 5 9 饱满 d 72 6 8 2 6 52 6 l2 5 62 5 l 饱满 附注 1 可灌性试验的操作时间在5 m i n 左右 灌入方法为自然灌入 2 试件j z 为基准试件 水灰比为0 5 不掺加减水剂和聚合物 图5 2掺加聚合物乳液a 浆体流动度与时间的变化关系 长安大学硕士学位论文 图5 3 掺加聚合物乳液a 浆体流动度与聚合物掺量的变化关系 图5 4 掺加聚合物乳液b 浆体流动度与时间的变化关系 图5 5 掺加聚合物乳液b 浆体流动度与聚合物掺量的变化关系 3 5 第五章裂缝修补材料工作性能研究 图5 6 掺加聚合物乳液c 浆体流动度与时间的变化关系 图5 7 掺加聚合物乳液c 浆体流动度与聚合物掺量的变化关系 图5 8 掺加聚合物乳液d 浆体流动度与时间的变化关系 长安人学硕士学位论文 图5 9 掺加聚合物乳液d 浆体流动度与聚合物掺量的变化关系 图5 1 0 基准浆体流动度时间的变化关系 对表5 2 和图5 2 5 1 0 进行分析可知 1 在不掺加减水剂和聚合物的情况下 基准浆体的流动度只有1 8 0 m m 左 右 达不到可灌性临界值2 3 5 m m 故基准浆体对1 3 m m 的微裂缝不具备可灌 性 而试样a 1 a 7 b 1 b 7 c 1 c 7 和d 1 d 7 在2 5 m i n 内的流动度均超过 了可灌性临界值 说明减水剂与聚合物的掺加大大