（材料学专业论文）水稳类基层外加剂的研究.pdf

摘要 近几十年来 国内外高度重视半刚性基层的开裂问题 尤其是水泥稳定类基 层材料的开裂问题尤为突出 因此本课题重点研究了复合外加剂改善水泥稳定类 基层材料的抗裂性能 而与水泥稳定类基层材料具有相似性的掺加各种外加剂的 混凝土作为一种优质建筑材料早已得到广泛应用 但我国对掺加外加剂的水稳基 层的研究和应用尚处于探索阶段 对其路用性能 技术特性 作用机理方面的研 究尚不多见 因此对水稳类外加剂进行系统研究有着很大的发展前景 本文对水泥稳定类基层外加剂进行研究是在已有研究 复合矿物外加剂 的 基础上 对其进行了改良 并在此基础上复合了不同种类的化学外加剂 从水泥 稳定类外加剂的合理剂量的研究着手 以求从改善结合料性质提高水泥稳定类基 层的综合路用性能 混合料采用相同的级配 水泥剂量不变 掺加最佳剂量的复 合外加剂进行混合料的路用性能研究 并结合微观分析 得出复合外加剂对各种 路用性能的影响 最终研究得出综合路用性能最优的外加剂 关键词 水泥稳定类基层 外加剂 复合技术 抗裂性能 路用性能 a b s t r a c t i nt h el a s ts e v e f a ld e c a d e s t h ei n t e m a t i o n a lh i g h w a ye n 舀n e e r i n ga t t a c h e sg r e a t i m p o r t a i l c et ot l l ep r o b l e mo fc m c ko fs e m i r i g i db a s em a t e r i a l e s p e c i a l l y c e m e n t s t a b i l i z e da g g r e g a t e t os o l v et h ep r o b l e m t l l i se s s a yf b c u s e s0 nc o m p o u n d a d d i t i v ea g e n tt 0i m p r 0 v es e m i r i g i db a s em a t e r i a lp e 哟m 锄l c eo f 钺岖 c r a c k c o i l l p o u n da d d i t i v ea g e n ta sa ne x c e u e n ta r c h i t e c t u r a lm a t e r i a lh a sb e e nw i d e l yu s e d i nh i g l lp e r f o 咖a n c ec e m e n tf i e l dw r h i c hh a sm u c hs i m i l 撕t yw i t hc e m e n t s t a b i l i z e d a g g r e g a t e al o to fr e s e a r c hh a sb e e nd o n e t oi m p r o v et h ep e r f b m l a n c eo fa n t i c r a c k o fc e m e n t s t a b i l i z e da g 伊e g a t eb yc o m p o u n da d d i t i v ea g e n t b u tt h el e v e lo f c o m p o u n da d d i t i v ea g e n ts c i e n t i f i cr e s e a r c hi ss t i l lr e s t i n go nap r i m a r yp h a s e t h e r e i sf e wp r o j e c td e a l i n gw i t hp e r f o 皿a n c e t e c h n i c a lc h 盯a c t e r i s t i ca n df u n c t i o n a r y m e c h a l l i s mo f c o m p o u n da d d i t i v ea g e n t i naw o r d i th a sl u c i f e r o u sf o r e 伊o u n di i l t h ef i e l do fa d d i t i v ea g e n t t h i se s s a yt r i e st oi m p r o v et h ep e b n n a n c eo fm i n e r a la d d i t i v ea g e n t 锄d c o m p o u n dm a n yl i n d so fe x i s t i n gc h e m i ca d d i t i v ea g e n t t h es c h e m eo ft h i se s s a y b e g i n sw i t hr e s e a r c ho fr e a s o n a b l ed o s a g eo fa d d i t i v ea g e n t a i m sa ti m p r o v et h e i n t e 霉 a t e dp e r f o 肌a n c eo fm i x t u r eb ye i l l l a n c i n gt h ep e r f o n n a n c eo fc e m e n t 柚ds a n d s l u l l r y n em i x t u r ed e s i g l lh o l dt h e 伊a d a t i o na n d c e m e n tp r o p o r t i o nu n c h a n g e a b l e c a 盯y0 nr e s e a r c ho fp e r f o m a n c e0 f m i x t u r eb a s e do nt h eo p t i m a lc o n t e n to fa d d i t i v e a g e n t 觚dt h ea 1 1 a l y s i so fm i c r o c o s m i cm e c h a n i s mh a s b e e na p p e n d e dt 0 a t1 a s t t h i s e s s a yt r i e st 0f j n dt 1 1 er e l a t i o n s h i pb e t w e e n a d d i t i v ea g e n ta n di t sp e 哟n n a n c e a n d g i v e sap r o p o s a la b o u tt h em o s te x c e l l e n ta d d i t i v ea g e n tw h i c hh a sa b e s tb e h a v eo f i n t e 罟 a t e dp e r f b 加a n c e k e y w o r d c e m e n t s t 暑l b i l i z e da g g r e g a t e a d d i t i v ea g e n t t h ec o m p o u n d t e c h n o l o g y p e r f b m a n c eo fa n t i c r a c k p e 渤m l a n c e0 nr o a d x 论文独创性声明 y9 7 8 2 9 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 均已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 茼乡粒 论文知识产权权属声明 b 6 年 i 目 占日 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 商三牝 训 年 月 i 日 铷签名 刎葡栖 晦嘶咖 铆琦扔 南一 7 弓 第一章绪论 1 1 我国半刚性基层的发展现状及存在问题 在我国 为适应高等级公路交通流量大和重型车辆多的特点 以无机结合料 稳定粒料 土 类为基层 沥青混凝土为面层的半刚性基层沥青路面被大量应用 于高等级公路 这主要是因为半刚性基层材料具有如下优点 良好的水稳性 一 定的强度 适宜的工作性能和方便的施工工艺 虽然半刚性基层材料具有以往基 层材料无法比拟的优点和广阔的使用前景 但是在道路的实际使用过程中还是出 现了不少问题 主要是易开裂和耐久性不足 这些问题在水泥稳定碎石基层中尤 为突出 1 1 1 裂缝产生机理 在交通荷载和环境的双重作用下 半刚性沥青路面结构的路基和路面都出现 了不同程度的收缩和开裂 并且干缩和温缩共同作用所生成的基层裂缝还反射到 路面 破坏路面整体结构 裂缝的存在不仅使车辆行驶质量下降 而且也破坏了 路面结构整体性和连续性 并在一定程度上导致结构强度的削弱 如裂缝处弯沉 增大 路面回弹模量降低等 无论是沥青路面还是水泥路面在路面面层出现裂 缝后 在有表面水和大量行车荷载反复作用下会导致路面强度大大降低 产生冲 刷和唧泥现象 使裂缝加宽 裂缝两侧的沥青路面破碎 加速沥青路面的破坏 从而影响公路使用质量和寿命 1 1 2 收缩规律研究现状 国内外公路部门对半刚性基层材料的干缩和温缩性能已经进行过大量的研 究 得出了对设计和施工方面有益的结论 现总结如下 半刚性基层材料的收缩主要来源于干燥收缩和温度收缩 国内一般认为 半刚性基层材料的干燥收缩性能主要是受土质情况 压实度和含水量等因素的 影响 减少干燥收缩应变的措施有 用塑性指数较低的土 掺加一定的集料和 降低含水量等 美国的g e o r g e 澳大利亚的r e 洛林斯等认为 水泥稳定土干 缩与下述因素有关 结合料的类型和剂量 被稳定土的类别 粒料的含量 小 于0 5 m 的细土含量和塑性指数 小于o 0 0 2 唧的粘粒含量和矿物成分 室内 试件含水量和龄期等 关于温度收缩 国外鲜有相关文献 在国内 张洪华通过对水泥稳定细粒土 水泥稳定中粒土和粗粒土的温缩 性的研究 分别得出几种半刚性基层材料的温缩特性曲线 并进行了对比 得 出了一些重要的结论 长安大学张登良 郑南翔教授对多种半刚性材料的温缩性 干缩性进行了 系统研究 对多种半刚性基层材料分别在饱水状态 最佳含水量状态 半风干 状态 风干状态和烘干状态等五种不同状态做了电测法实验 得出了一些重要 结论 1 1 3 防裂措施研究现状 国内外对防裂措施的研究主要在于以下三个方面 1 材料组成设计 1 结合料种类 对于水泥稳定类砂砾材料 就收缩性能而言 存在着一个最佳水泥范围 一般认为水泥剂量超过6 时 会导致干缩和温缩系数大幅度增长 很多研究试 验表明 当水泥剂量在3 6 时 其收缩性能没有明显的差异 对于半刚性材料 应提倡综合稳定 用粉煤灰代替部分水泥 可以抑制材 料体积的部分收缩 2 集料级配及含量 对于集料级配问题 在水泥稳定碎石和二灰稳定碎石材料中研究得比较多 而对于水泥稳定类砂砾材料 研究相对较少 重庆交通学院杨锡武 梁富权等认为 应综合考虑混合料的强度 施工操 作性和经济性 同济大学林绣贤教授基于8 0 年代实践经验提出如下观点 针对石灰粉煤灰 或水泥石灰粉煤灰稳定碎石类 其材料组成可采用填充理论 同时还需解决石 灰粉煤灰的合理比例 随着重型振动压路机在道路施工中的应用 哈尔滨建筑工业大学王哲人教 授提出了二灰碎石混合料的紧密骨架结构模型 长安大学的戴经梁教授 蒋应军博士等通过大量试验也认为 骨架密实结 构能显著减小半刚性基层的收缩量 增大其抗裂系数5 0 9 6 左右 该种方法不会 增加公路建设费用 抗裂效果显著 可以看出 目前由于大吨位振动压路机的使用 许多学者都认为集料颗粒 在混合料中应该从以前的松散排列向紧密骨架结构过渡 2 外加剂 目前主要是各种膨胀剂 膨胀水泥 或减缩剂的使用 中国的一些援外工程实践表明 在水泥稳定粒料中掺入减水剂 可以减小水 泥稳定粒料基层的修建初期因含水量的散失而引起的干燥收缩 东南大学在研究 二灰碎石抗冻外加剂时 也意外的发现引气减水剂不仅对材料抗冻性有好处 亦 可提高材料的韧性 增加抗裂性能 目前膨胀剂广泛应用于早强混凝土 补偿收缩混凝土与自应力混凝土压力 水管等 都取得了很好的社会和经济效益 在水泥稳定粒料基层中 膨胀剂作 为一种缓解水泥基层收缩开裂现象的外加剂 在安徽等省份正逐步得到应用 3 施工技术及措施 1 含水量变化是造成干燥收缩的主要原因之一 因此半刚性基层施工过程中 及施工完毕后有效养护是保证半刚性基层不出现或少出现早期开裂的必要手段 2 压实较密的路段与压实较小的相比 不易产生干燥收缩 因此建议采用重 型压实标准 3 让基层在施工过程中产生很多的微细裂缝 外国学者认为微细裂缝的传荷 能力好 也不会反射到路面 而且人工创造的微细裂缝网会大大减轻甚至完全消 除宽缝的出现 在水泥稳定材料结硬过程中 捷克斯洛伐克用反复碾压的方法人 为地创造微细裂缝网 科威特在新铺的水泥土基层上用重型钢轮压路机碾压 故 意使水泥土基层预先开裂 在法国 目前正在研究的方法是在水泥稳定基层的下 部2 3 内每隔2 m 安置一块波纹状塑料诱发横缝板 板的形状能保证裂缝有良好 的传荷能力 4 让基层先开裂 美国密西西比州曾在水泥砂粘土基层一部分试验段完工后 一个星期才铺筑沥青表面处治 在此期间试验段已完成开裂 一年半后的调查显 示有一定的效果 匈牙利也做过类似的成功试验路 5 调整水泥稳定基层的施工时间 波兰的道路工作调查研究表明 水泥稳定 基层内产生的裂缝与基层施工时的温度和年温度梯度或多年的温度梯度有密切 的相关性 在高温季节施工的水泥稳定基层经过冷季节后产生收缩裂缝 而在低 温条件下施工的水泥稳定基层经过热季节后却产生膨胀性的裂缝 因此应该根据 当地的气候条件 合理安排基层的施工时间 6 加厚沥青面层 采用较厚的沥青面层 一方面可以增加路面结构的弯曲刚 度 减少层内的弯曲应力和剪切应力 另一方面 裂缝从底面反射到顶面需要经 历的距离变长 这样可以延长路面的使用寿命 但很突出的是采用这种方案的经 济代价高 而且 沥青面层达到一定厚度后 防止反射裂缝的效果不明显 在高 温时易产生车辙 7 应力吸收层 通常采用由橡胶沥青混合料组成的高弹性低劲度夹层 厚度 为1 0 m m 5 0 m m 模量约为1 0 m d a 1 0 0 m p a 其作用是改善沥青面层和基层的 层间结合状况 主要减少由于温度引起的反射裂缝 同时也减少应力集中现象 减少来自荷载作用产生的应力 8 土工织物 采用聚丙烯或聚脂织物和聚乙烯 聚丙烯或聚脂无纺织物及玻 璃纤维等 景于沥青层底 对沥青混凝土起着加强的作用 而且也是一种防水层 所用粘层沥青必须能填充织物的孔隙 当基层接缝较宽 又没有填封 便不会有 足够的沥青渗入织物 织物也就起不到防水的作用 土工织物的物理力学性质如 抗腐蚀 耐热 抗拉强度 顶破与撕裂强度及变形特性等也应满足路用性能的要 求 从我国公路建设实践来看 玻璃纤维织物的效果比较好 9 0 g d m 结构层 即粗开级配沥青碎石混合料结构层 该层可以作为沥青面 层的下面层 在美国 沥青碎石层约为9 0 m 厚 1 0 0 为碎石材料 且混合料中 含有2 5 至3 5 的连通孔隙 正是由于空隙率大 使得发生在基层的接缝或裂缝 处的竖向相对位移通过该层时不能很快传递到最上面的沥 毒层 从而减少反射裂 缝产生的可能性或减缓反射裂缝的发展速度 设置该结构层时 应设置完善的路 面排水系统 1 1 4 存在问题 尽管国内外对水泥稳定集料的研究得出了一定的研究成果 然而在下述几方 面的研究方面还没有或者比较少的进行过系统的研究 1 骨架密实级配的评价体系 尽管许多人己经提出了骨架密实的级配 但是每一种级配并不相同 如何评 价及检验是否为骨架结构还有待于进一步的研究 2 水泥稳定集料的设计方法 现行规范设计方法并没有一套系统的设计方法 主要是通过调整水泥剂量的 方法制备试件 通过强度 模量等力学指标来评价材料性能 指标单一 忽视材 料综合路用性能和长期性能 因而有待于形成一套比较完善的考虑综合路用性能 和长期寿命的设计方法 3 外加剂的应用 由于外加剂 纤维造价比较高 难以推广应用 预锯缝 土工布 土工格室 栅 等措施不尽如人意 所以有待于开发一种更经济 施工更方便 而且能够 显著改善水泥稳定粒料类基层路用性能缺陷的 复合 外加剂 目前国内 与水 泥稳定级配碎石具有相似性的掺加各种复合外加剂的混凝土作为一种优质建筑 材料早已得到广泛应用 而我国对掺加外加剂的水稳基层的研究和应用尚处于探 索阶段 对其路用性能 技术特性 作用机理方面的研究尚不多见 交通部部署 一些高等院校和科研单位及生产部门对此也进行了大量的研究 目前水泥粉煤灰 和水泥粉煤灰石灰基层的研究比较成熟 1 1 5 水稳基层外加剂研究现状 近年来国外主要研究成果如下 1 在美国 最初由r l h a l l d y 等人在往水泥土中掺加化学试剂的研究中发现 浸入氢氧化钠溶液的水泥土试件 其强度增长了1 5 他们同时发现 在拌合水 中加入氢氧化钠也能够增加水泥土强度 2 澳大利亚r e 洛林研究水泥稳定粒料土的干缩特性时 将一种膨胀活性剂 d e i l l ac s a 加入硅酸盐水泥中 常用比例为1 1 0 可减少混凝土的干缩 3 1 8 3 w i e 鲥1 1 k 等人用圆环试验研究了掺加硅灰的高强混凝土抗干燥开裂性能 近年来国内主要研究成果如下 1 长沙交通学院进行了在半刚性基层材料中掺入短纤维以改善其组成和性 质的研究 2 重庆建筑大学的严吴南教授等沿用了英国g e s s n e r 的方法研究了不同品种 水泥及不同硅灰取代量的水泥净浆的化学减缩 3 重庆交通学院蒙井玉 梁乃兴等进行了羧基丁苯聚合物水泥基材料的改性 机理分析 主要从微观上分析了改性机理和聚合物水泥基材料的力学强度提高和 耐久性能改善的原因 4 长安大学蒋应军研究结论 在同样材料组成下 用粉煤灰代替一定量的水泥不但可以改善水泥稳定碎石 材料的路用性能 如强度 抗冻性能 抗疲劳性能等 而且还可以节约水泥用 量 降低工程造价 5 长安大学戴经梁 杨宏辉等人通过研究证明水泥稳定粒料材料里面掺加一 定的外掺剂能够有效的改善水泥稳定材料的路用性能 减少和抑制干缩 温缩裂 缝的产生 掺膨胀剂水泥稳定碎石最佳配合比 水泥剂量5 膨胀剂剂量3 为内 掺 掺纤维水泥稳定碎石混合料最佳配合比 水泥剂量5 纤维长度5 c m 纤 维剂量o 5 为内掺 6 长安大学蔡飞研究结论 掺引气剂水泥稳定砂砾最佳配合比 水泥掺量3 最佳掺加引气剂溶液浓度 为2 水泥掺量5 最佳掺加引气剂溶液浓度为3 7 也有向半刚性基层材料中加n a 2 s 0 4 c a s 0 4 m g s 0 4 各种膨胀剂 膨胀 水泥 或减缩剂 在水泥稳定粒料基层中 膨胀剂作为一种缓解水泥基层收缩开 裂现象的外加剂 在国内外应用得很少 在我国安徽等省份正逐步得到应用 就我国的工程应用要求和现代施工技术水平的现状而言 应大力开发主要以 抗裂性能 耐久性为控制指标和经济适用型的复合外加剂水泥稳定粒料类基层 它能更好更快的代替当前实际工程中使用广泛的水泥稳定粒料类基层 努力尽早 普及其应用范围 从而改变以往水泥稳定粒料类基层病害十分严重的问题 1 2 课题的提出和研究意义 上文中所提到的外加剂措施作为新近出现的一个研究方向具有很大的发展 前景 作为路面基层的水泥稳定粒料材料应具有一定的强度 较好的抗裂性能和 耐久性 其中抗裂性能是最优先考虑的因素 而复合外加剂则能以较小的经济代 价大幅提高这些性能 因此也实现了水泥稳定粒料基层的高性能化 即前期 路用性能优良 后期有一定的承载力 因此有必要对复合外加剂进行系统研究 材料的宏观性能取决于微观结构 通过复合外加剂的微观机理分析 并结合综合 路用性能的研究 分析复合外加剂与各种路用性能之间的关系 从而得出合理的 复合外加剂掺量 通过添加复合外加剂的措施来改善水泥稳定粒料基层的路用性 能 提高其抗裂性 还可以减少结构的维修与翻新 节约材料与人工费 节约资 6 源等 也是防止我国高等级公路沥青路面发生早期破坏 使其达到设计年限的重 要研究项目之一 1 3 本文的研究内容 针对目前我国对于水泥稳定粒料类基层材料的使用中所出现的问题以及在 研究中急需解决的问题 本课题确立了以下的研究内容 本文的研究立足于提高水泥稳定粒料类基层材料的路用性能 提出了使用水 泥和矿物外加剂作为结合料掺加化学外加剂的高性能综合稳定碎石基层的设计 思想 本文着重对掺加不同外加剂的混合料类型进行了研究 深入分析了不同外 加剂对于混合料路用性能的影响 提出了经济又高效的高性能水泥稳定基层外加 剂 具体内容如下 1 3 1 搜集并分析国内外相关资料 确定研究方案和试验方法 1 3 2 原材料性质的测定和分析 1 3 3 改良现有外加剂配比 开发新的综合型外加剂 宏观和微观相结合进行外 加剂研究 1 3 4 常规水泥稳定碎石基层材料与高性能水泥稳定碎石基层材料的综合路用性 能研究及对比 选用抗裂性能较好的配比混合料作为基准材料 通过添加不同性 能的外加剂 重点进行水泥稳定碎石基层材料抗裂性能研究 第二章水稳类基层外加剂理论基础 2 1 水稳类基层外加剂的定义及简介 水稳类基层外加剂是指 能提高抗裂强度 能满足水泥稳定类基层材料长期 的路用性能 从而提高了水泥稳定类基层材料的耐久性的外加剂 水泥稳定类基 层材料的高耐久性与单一指标强度比较 是个非常复杂的问题 它涉及的内容与 影响因素很多 但不管是由何种原因引起耐久性不合格而产生的破坏 其最终均 表现为出现裂缝 因此 有效提高水泥稳定类基层材料的抗裂性无疑对提高水泥 稳定类基层材料的耐久性有重要的意义 由此也实现了水泥稳定类基层材料的高 性能化 水稳类基层外加剂有两种 矿物外加剂和化学外加剂 2 1 1 矿物外加剂 矿物外加剂是指在混凝土搅拌过程中加入的 具有一定细度和活性的用于 改善混凝土耐久性的某些矿物类产品 常用的主要有硅灰 高炉矿渣 粉煤灰 f 矿粉 钙矾石类混合材等 矿物外加剂不仅可以降低水泥用量节约水泥 降低混凝土的水化热 而且各 种矿物外加剂与水泥凝胶发生反应 使混凝土比不掺矿物外加剂有更好的性能 同时 由于矿物外加剂很多都是工业废渣和废料 利用这些废渣和废料替换水泥 既可以减少生产水泥造成的污染 又可以将这些废渣和废料利用 减小它们对环 境的污染 然而 由于矿物外加剂自身性能不稳 品种多样 作用机理和产生的 效果各不相同 致使目前对矿物外加剂的选择还建立在方便和经济基础之上 没 有根据所需性能对矿物外加剂进行优选 矿物外加剂掺量常常超过水泥的3 0 5 0 今后还会越来越多 矿物外加剂 也将成为主要胶结材料 2 1 2 化学外加剂 化学外加剂在现代混凝土材料和技术中起着重要的作用 据预测 今后混凝 土工艺性能的改善以及混凝土施工技术的突破 将依靠优质的化学外加剂来实 现 混凝土外加剂种类繁多 按其主要作用可分为以下四类 1 改善拌和物流变性能的外加剂 包括各种减水剂 引气剂及泵送剂 2 调节混凝土凝结硬化性能的外加剂 包括缓凝剂 早强剂及速凝剂等 3 改善混凝土耐久性的外加剂 包括引气剂 防水剂 阻锈剂等 4 改善混凝土其它特殊性能的外加剂 包括加气剂 膨胀剂 粘结剂 着色 剂 防冻剂等 混凝土外加剂按不同化学成分划分为无机化合物外加剂和有机化合物外加 剂 化学外加剂造价高昂 水稳基层中很少用到 但近年来化学外加剂的研究朝 着高效 低掺的方向发展 取得了一定的成果 在水泥稳定材料基层中逐渐使用 较多 2 2 外加剂复合技术的简介 复合化是材料进化研究工作的主要的途径之一 单纯的掺入化学外加剂 不 能改善水泥浆体硬化后水化产物的组成 不能提高水化胶凝物质的质量 而掺入 矿物外加剂 既可达到这一目标 又可进一步提高混凝土的强度 外加剂复合是 一种新材料技术 它利用各种材料在拌和物中的形态效应 活性效应和微骨料填 充效应 取长补短形成了超叠加效应 克服了单掺外加剂存在的缺陷和负面效应 故通过不同材料组分性能的超叠加效应 即1 2 3 来使复合材料达到十分优良 的性能 从而配制出高性能的水泥稳定碎石基层材料 基于此种认识 例如 建 筑中对于h p c 高性能混凝土 因其性能是多组分共同作用的结果 所以在 h p c 中 各组分之间的超叠加效应也十分明显 胶结材料中多种矿物外加剂的 复合 多种矿物外加剂和化学外加剂的复合 将通过大量的创新 使水泥稳定粒 料类基层材料性能更好 更经济 更有利于扩大应用 根据所查得的资料 目前对于外加剂的超叠加效应的研究主要还仅限于单 掺 双掺 仅有极少部分组织研究了三掺技术 因为掺入外加剂种类越多 试 验时会造成考虑的因素和水平同时增加 进而导致试验量的大大增加 花费财物 人力和时间也会成倍增加 所以影响的这一方面的研究工作 而且一些复合外加 剂的掺量大 有些也未能实现某些外加剂的叠加效果 国外的复合外加剂产品很 多 但掺量普遍比我们低 这方面还要加强研究 故而 有志解决这一方面难题 的科研人员将会取得前所未有的实质性研究成果 为外加剂的复合发展研究做出 基础性的贡献 9 第三章研究方案与试验方法 本课题研究主要是提出经济 合理 适用的水泥稳定类基层的有效的改善措 施 从理论上分析路用性能的改善机理 这对进一步更好的应用这一路面结构形 式 有效的防止裂缝出现和路面破坏有重要的实用价值 其成果对完善半刚性路 面也有重要的理论意义 本课题具有巨大的社会经济效益 3 1 研究方案 3 1 1 试验所用原材料的选取及性质分析 1 材料的选取 本文以水泥稳定碎石基层为研究对象 采用骨架密实结构级配 考察外加剂 对水泥稳定碎石强度 刚度 抗冻性和抗裂等性能的影响 2 原材料的采集 试验所采用的碎石为甘肃料场常见的碎石 石料均现场取自建筑工地料场 水泥为陕西耀县3 2 5 m p a 级普通硅酸盐水泥 外加剂分为矿物外加剂和化学外加 剂 3 原材料性质分析 本次试验按照 公路工程集料试验规程 j t j 0 5 8 2 0 0 0 中有关规定进行 试验内容如下 1 集料的物理 力学性质 2 水泥的物理 化学性质 3 1 2 试验用外加剂的剂量与水泥剂量的确定 水泥剂量一定 矿物外加剂剂量一定 成型不同剂量化学外加剂与水泥结合 料试件 通过以下试验来初步确定最佳剂量 1 5 5 小试件7 d 1 4 d 抗压强度 2 5 t 5 小试件7 d 1 4 d 劈裂强度 3 5 5 4 2 4 小梁7 d 1 4 d 抗弯拉强度 4 5 t 5 4 2 4 小梁1 4 d 抗拉应变 3 1 3 路用性能的研究 为了便于外加剂的研究及使得其成果具有广泛性和可推广性 拟采用规范推 荐水稳类材料骨架密实级配中值 应用研究得出的外加剂最佳剂量 成型掺有外 加剂的试件进行混合料路用性能试验 1 力学性能试验 水泥稳定碎石的强度及刚度试验 主要为不同龄期的无侧限抗压强度及其回 弹模量 劈裂强度 抗弯拉强度 2 抗裂性能试验及抗裂机理 1 水泥稳定碎石材料干缩机理及7 d 龄期的干缩试验分析 2 水泥稳定碎石材料温缩机理及2 8 d 龄期的温缩试验分析 3 1 4 微观试验项目 本文采用s e m d t a 来综合研究胶凝材料的水化过程和水化产物 对结合料在不同龄期下水化产物的类型 数量及其演变规律进行研究并从理论上 指导外加剂类型及其最优配比的确定 3 2 试验方法 3 2 1 半刚性基层材料物理力学指标测试 1 材料性质分析 本次试验按照 公路工程无机结合料稳定材料试验规程 j t j 0 5 7 9 4 和 公 路工程集料试验规程 j t j 0 5 8 2 0 0 0 中有关规定进行 采用重型击实标准确定 混合料的最大干密度和最佳含水量 2 力学性质试验 试件均按最佳含水量拌和 最大干密度控制 采用静力压实法制备 在养生 室养生 养生温度2 0 2 养生湿度9 0 结合料试件的无侧限抗压强度试验 劈裂强度试验均采用由5 c m h 5 c m 试件 抗弯拉强度 拉应变试验采用5 c m 5 c m 2 4 c m 的梁式试件 水稳基层混合料的无侧限抗压强度试验 劈裂强度试验 抗压回弹模量试验均采用巾1 5 c m h 1 5 c m 试件 收缩试验 抗弯拉强度试验采用 1 0 c m 1 0 c m 4 0 c m 的梁式试件 1 无侧限抗压强度试验 将饱水2 4 h 后的试件放到路面材料强度试验仪的升降台上 使试件的形变以 约1 哪 i i l i n 的等速率增加进行抗压强度试验 资料在整理分析时 抗压强度r 按下式计算 r p a m p a 3 1 式中 p 一试件破坏时的最大压力 k n a 一试件的截面积 a d 2 4 d 为试件的直径 c m 2 劈裂强度试验 将养生至规定龄期且饱水2 4 h 后的试件放到路面材料强度试验仪升降台上 使试件的形变以1 砌 m i n 的等速率增加进行劈裂试验 劈裂强度r 按下式计算 r 2 p hd h 3 2 式中 口 试件破坏时的最大压力 k n h 浸水后试件高度 m 3 抗压回弹模量试验 本试验按照 公路工程无机结合料稳定材料试验规程 j t j 0 5 7 9 4 中有关 顶面法规定进行试件抗压回弹模量测试 4 冻融试验 半刚性基层材料的冻融循环试验目前还没有统一的实验规程 材料的抗冻能 力可以用经受冻融循环的次数和经受一定次数冻融作用的强度损失来表征 但是 这些指标与冻融方法有关 将养生至规定龄期的试件饱水一昼夜后 在一2 0 冰箱内冻1 6 h 取出放在2 0 水中融化8 h 此为一循环 经5 次冻融循环后的饱水抗压强度与未经冻融循 环的试件饱水抗压强度的比值称为抗冻系数 即 抗冻系数 蓑篝 篓蒺誓磊要景蓑燃c s s 5 抗弯拉强度试验 试验在m t s 8 5 0 材料试验机上进行 结合料5 5 2 4 小粱采用中央一点加载 按下式计算抗弯拉强度r w r w 3 d l 2 b h 2 3 4 水稳基层混合料采用三分点加载测试 按下式计算抗弯拉强度r w r w p l b h 2 3 5 3 4 3 5 式中 p 一试件破坏时最大压力 n 卜试件长度 舢 厅一试件宽度 咖 3 2 2 水泥稳定碎石抗裂性能指标测试 1 温度收缩系数测定 电阻应变计常应用于测试材料的收缩应变 其精度较高 能达到1 0 一m 试件由静压法在最大干密度和最佳含水量条件下制成l o l o 4 0 m 中梁 在 2 0 2 养生湿度9 0 条件下养生 将到达养生龄期的试件提前一天取出后 用与混合料中所用结合料一致的比 例来跳配水泥浆 并用其仔细的涂抹在试件准备粘贴应变片的位置 水泥层的厚 度应在保证局部消除麻面的前提下尽可能的薄 处理完之后 放入养生室养生一 天 取出试件 在摸有水泥浆的地方用细砂纸轻轻打磨 直至露出试件表面材料 为止 然后用毛巾把表面擦拭干净 并称量试件重量 在电阻应变计上涂上 哥 俩好 家庭便利胶 并迅速平铺在磨光的光滑面上 带上塑料手套 轻轻抹平应 变计 待粘合剂把应变计粘合以后 为防护应变片及防止测试零漂 用防潮剂 机 油 松香和石蜡按照l 2 2 比例调配 均匀涂在应变片表面和应变片外部分 待防潮剂表面初凝以后 用塑料薄膜密封试件 然后接线 用电阻表进行电阻调 试 每个试件粘贴两个应变计 调试初值稳定后 再将试件放入高低温试验箱中 接着 按预定开始温度一3 0 恒温4 h 后 测试各个应变片的应变 待完成后即 以温差 t 5 升温 待升至t t t 后 恒温后开始采集数据 依次类推 直到测试温度t 3 0 为此 试验开始跟结束以后都应该称量试件的质量 以 测定试件的含水量变化幅度 为了保证每个温度区间内有足够的变化时间 每次 升温后 恒温过程为2 h 计算单位温度变化所产生的应变值 即若每一温度区 间 例如从t 到t 测定的材料温度收缩应变相应为e 和e 则该温度区间 内平均温缩系数a 2 糟协等州 伊 式中 t 一温差 e 一 t 内应变差 b 一标准材料的温度收缩系数 ue 本文的标准材料经西安电磁研 究所技术标定 在t o 8 0 0 内 o 3 o 3 4 1 0 1 1 2 干燥收缩系数测定 试件由静压法在最大干密度和最佳含水量条件下制成1 0 1 0 4 0 m m 中梁 在 2 0 2 养生湿度9 0 条件下养生 待试件成型以后 不需要养生 直接安装 千分表 安装方法是在较平的地上放一干净的托盘 把试件放在托盘上 使试件 中轴线垂直于地面 在试件旁边安装千分表支架 支架固定后 安装千分表 调 整并记录千分表的初始读数 如果因为某种因素 致使安装千分表这段时间间隔 过长 须用塑料薄膜包裹试件 以免水分过量散失 相同配合比的3 个试件为一 组 其中两个安装千分表 第三个用来称量试件失水的重量 以反映试件含水量 的变化 称量试件时应轻取轻放 以防试件掉渣 影响试验精度 这一测试方法 有一个假设的理论前提 即近似认为相同配比 相同水泥剂量的3 个试件的饱水 含水量和含水量的散发速率是完全相同的 准备工作完成后 开始测量试件的初始干燥收缩及相应含水量 测试的安排如下 从开始测试算起 每1 2 小时内测一次应变值和相应含水量 直至连续三次含水量恒定为止 本试验称重时尽可能采用精度较高的台秤 同温缩测试相同 为了使实际测量时各方面不可避免的因素引起的随机误差 对相同龄期不同配合比的二灰碎石同一批试件的测试精度的影响 即方差盯2 基本一致 尽量将相同龄期的一批试件一次性地进行测试 这样测量数据才更具 有可比性 干燥收缩系数ad 指每单位含水量变化时的应变值 故取每两次测定的含水量 w w 及计算得出的应变 i i 1 进行计算可得di 口 鱼二生 3 7 w 一 将ad i 近似认为是在含水量w i 和w i l 之间的干燥收缩系数 即用平均值代替真 值 3 2 3 微观测试分析手段 将胶凝材料成型中5 5 c m 小试件在标准条件下养护 龄期1 4 d 1 x 射线衍射分析 x r d 1 4 在标准条件下 将试样成型 然后养护至测试龄期 去除表皮将试块破碎成 5 唧以下的小块 立即浸泡在无水乙醇中中止水化 在6 0 下烘干 测试时小块 试样放在玛瑙研钵内磨细至全部1 0um 以下 2 扫描电镜s e m 图像 扫描电镜是继直射电镜之后发展起来的一种电镜 它的成像原理不同于光电 显微镜和直射电镜 它无成像透镜 是以类似于电视摄影显像的方式 用细聚焦 的电子束在样品的表面扫描 激发产生的某些物理信号调制成像 放大倍数为2 0 0 0 3 0 0 0 倍 试样制备方法为 在标准条件下 将试样成型 然后养护至测试龄期 将试块破碎成小块 从破型后的试件中部取出2 5 m m 5 m m 粒状样品 立即浸泡在无水乙醇中中止水化 在真空干燥器中干燥 用导 电胶将样品粘贴在铜质样品座上 真空镀金后在扫描电镜中观察试样断面微观形 貌并照相 3 差热分析d t a 试样制备同 d t a 是分析材料在受热过程中发生的化学反应 利用反应 过程中的吸热或放热来研究被分析物化学组成和各化学成分的热特性 根据d t a 曲线中的热峰值和失重量大小 可以计算水化产物的化学结合水量 和c a o h 2 含量 从而定量推断水化反应程度 第四章水稳类外加剂最佳剂量的研究 4 1 主要原材料的选用 在进行试验之前 需对原材料的物理 化学性质进行了试验分析 以便了解 并掌握原材料的基本性能 为下一步试验结果的理论分析提供依据 4 1 1 水泥 水泥采用陕西省耀县水泥厂生产的秦岭牌3 2 5 m p a 普通硅酸盐水泥 其检验 结果见表4 1 表4 1 水泥物理化学性质 细度筛余量 3 天强度 m p a 指标初凝时间终凝时间 8 0 u m 方孔筛 抗压抗折 测定值 8 0 2 时0 1 分2 时3 6 分1 7 4 3 6 4 1 2 矿物外加剂 外掺剂的主要成分为m a 类和钙矾石类混合材等 主要功能为减少半刚性水泥 稳定集料收缩裂缝和降低刚度性能 4 1 3 化学外加剂1 本课题采用三种不同种类化学外加剂1 1 化学外加剂x y 下文中代号为x y 2 化学外加剂t y 下文中代号为t y 3 化学外加剂h y 下文中代号为h y 4 1 4 化学外加剂2 化学外加剂t j 下文中代号为t j 4 2 水稳类外加剂最佳剂量的研究 本文中c 表示纯水泥材料 o 表示水泥中单掺矿物外加剂的材料 x y 表示 0 中掺加化学外加剂x y 的材料 t y 表示o 中掺加化学外加剂t y 的材料 h y 表示0 中掺加化学外加剂h y 的材料 t j 表示o 中掺加化学外加剂t j 的材料 4 2 1 试验方案 本试验沿用张永红对矿物外加剂的研究成果 故本文不对矿物外加剂最佳剂 量进行试验研究 本文的结合料试验主要在水泥中复合掺加矿物外加剂和化学外加剂 故c 0 作为基准试验 根据试验方案 总共采用4 种化学外加剂 1 8 种不同剂量配比 进行试验 化学外加剂剂量如下表4 2 表4 2 化学外加剂的不同剂量 类型 x y t y 代号 x y lx y 2x y 3x y 4x y 5t y lt y 2t y 3t y 4 剂量 0 0 0 50 0 1o 0 5o 10 20 0 0 50 0 10 0 50 1 类型 t j h y 代号t j p t j lt j 2 t j 2t j 4 h y lh y 2 h y 3 h y 4 剂量 3 溶液喷涂 0 511 520 20 4o 6o 8 注 表中化学外加剂的剂量均指化学外加剂质量相对于结合料即水泥和矿物外加剂总质量 4 2 2 结合料击实试验结果 c 为纯水泥的结合料 o 为一定比例的水泥与矿物外加剂的结合料 因x y t y t j h y 是在o 中掺加化学外加剂 故其最大干密度和最佳含水量同o 结合 料击实试验结果见表4 3 表4 3 结合料击实试验结果 类型 co x y t y t j h y t j p 最大干密度 c m 3 1 8 917 9 最佳含水量 1 4 7 4 1 33 5 4 2 3 强度特性 强度特性研究内容包括抗压强度 劈裂强度和抗弯拉强度 1 抗压强度 劈裂强度试验结果如下 表中数据均采用平均值 表4 47 d 1 4 d 抗压强度 劈裂强度 抗压强度劈裂强度抗压强度劈裂强度 o7 1 02 0 l2 5 4 42 3 3 x y l7 9 52 2 52 0 4 9 2 1 4 x y 27 5 61 9 83 0 4 3 2 4 2 x y x y 36 6 5 1 8 72 5 7 82 2 4 x y 4 6 3 31 8 72 3 4 42 1 9 x y 56 2 31 6 72 0 6 72 2 9 t j p 6 9 71 9 9 t j l 6 3 51 9 82 4 9 11 9 2 t j t j 2 8 2 62 0 62 7 3 l2 6 0 t j 3 7 3 91 8 92 5 8 62 3 8 t j 4 6 8 11 8 62 0 8 4 1 5 3 t y l6 6 61 9 62 5 5 0 2 1 l t y 29 7 11 9 9 2 4 8 02 3 2 t y t y 36 9 42 0 9 2 6 5 22 4 5 t y 46 5 02 0 6 2 2 1 92 3 8 h y l8 5 6 2 0 02 4 8 92 2 3 h y 2 7 4 02 1 02 8 8 22 6 7 h y h y 37 1 52 2 62 7 1 22 6 0 h y 46 5 62 2 22 3 4 12 1 6 抗压强度 劈裂强度试验结论 选取外加剂最佳剂量以抗裂作为主要评价指标 即此最佳剂量使试件有合适 抗压强度时劈裂强度有明显提高 其次为经济性 l 0 与不同剂量x y 的试验结果如下 图4 1x y 与07 d 1 4 d 抗压 劈裂强度图 1 相同龄期的抗压强度和劈裂强度在不同剂量时都遵循同样的变化规律 9 且随着龄期的增长强度也随之增长 2 从图4 1 不难看出 外加剂x y 有一个最佳剂量 对7 d 和1 4 d 强度影 响趋势是不太一致的 对1 4 d 强度的影响更为明显一些 1 4 d 时其强度有一个先 减少后增大的过程 在刚加入外加剂时 强度急剧下降 直至 个最小值 随着 外加剂含量的增加 强度也逐渐提高 在最佳剂量时 强度也达到最高值 基本 上和未加外加剂时略高一点 再随着外加剂含量的不断增大 强度平缓下降 此 时下降的幅度要小于前面下降的幅度 我们选取最佳剂量时以其性能和经济性为 主 故以峰值时外加剂剂量为最佳剂量 3 7 d 时 x y l 即外加剂剂量为0 0 0 5 时 抗压强度和劈裂强度都有明 显提高 而1 4 d 时 x y 2 即外加剂剂量为o 0 1 时 抗压强度和劈裂强度都有明 显提高 选取剂量0 0 1 成型5 丰碑2 4 小梁 在m t s 上做7 d 1 4 d 抗弯拉强度和 拉应变值 2 o 与不同剂量t y 的试验结果如下 图4 2t y 与07 d 1 4 d 抗压 劈裂强度图 1 相同龄期的抗压强度和劈裂强度在不同剂量时都基本上遵循同样的变化 规律 且随着龄期的增长强度也随之增长 2 从图4 2 不难看出 外加剂有一个最佳剂量 对7 d 和1 4 d 强度影响趋 势是基本上一致的 7 d 1 4 d 时其强度都有一个先减少后增大再减少的过程 在 刚加入外加剂时 强度急剧下降 直至一个最小值 随着外加剂含量的增加 强 度也逐渐提高 在最佳剂量时 强度也达到最高值 基本上和未加外加剂时略高 一点 再随着外加剂含量的不断增大 强度平缓下降 3 最佳剂量的选取 t y 3 即外加剂剂量为o 0 5 时 抗压强度和基准o 相 比基本相当 但劈裂强度有明显提高 4 选取最佳剂量o 0 5 成型5 5 术2 4 小梁 在m t s 上做7 d 2 8 d 抗弯拉强度 和拉应变值 3 o 与不同剂量h y 的试验结果如下 图4 3h y 与07 d 1 4 d 抗压 劈裂强度图 1 相同龄期的抗压强度和劈裂强度在不同剂量时都基本上遵循同样的变化 规律 且随着龄期的增长强度也随之增长 2 7 d 的抗压强度和劈裂强度在不同剂量时变化规律相反 h y 3 即外加剂 剂量为o 6 时 抗压强度和基准o 相比基本相当