高韧性聚合物改性水泥混凝土路面材料的研究

高韧性聚合物改性水泥混凝土路面材料的研究 分类号 学校代码 呈垒 . ‘. 学 骨? ? ?’ ? 武多凄理歹大署 学 位 论 文 题 目 高韧性鐾金物改丝丞遑湿趟?路面挝料数硒塞 英 文 箜曼煎 卫 塑曼 丛亟鱼曼亟曼堡曼煎 塾曼堡鲤 题 目 型星塑曼垒丛煎垒堕丛吐坠坠地曼墨墨 、 ‘研究生姓名 塞 龌 学位 姓名. 班宜虽 擅? 周明凯一职称 指导老师单位名称 邮编 挝料型堂皇王猩堂院 申请学位级别 王堂亟?一学科专业名称建篁挝料皇王程 论文提交日期 生堇目 论文答辩日期 生目 学位授予单位 武这理王太堂 学位授予日期 答辩委员会主席 评阅人 年月 独创性声明 ‘、 , ’: 本人声明,所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 .,., ? 究成果。据我所知,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 人已经发或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 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 已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名: 学位论文使用授权书 弋 撕 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 签名: 导师签名: ?武汉理工大学硕上学位论文 ; 摘要 ’ ? 本文针对高等级公路路面出现的一些问题,结合路面材料韧性高、弹性模量 低、弯拉强度高、变形能力好、动载冲击性能好等要求,研究设计了一种高 韧性、 高弯拉强度的聚合物改性水泥混凝土路面材料。 对国内外混凝土弯曲韧性的试验方法和评价指标进行了,并针对 弯曲韧性的特点,提出用荷载.挠度曲线上拟合直线的斜率、曲线所包围的 面积弯曲韧性、跨中极限挠度等指标来对弯曲韧性进行评价: 通过聚合物改性砂浆对几种聚合物的改性效果进行了研究, 利用聚合物乳液的减水率、的力学性能和弯曲韧性为评价指标,优选出丁 苯乳液作为改性用聚合物,并对的流动性、成型方式、抗湿热性能进 行研究和探索,结果表明,的最佳流动度在左右,并且不同流动度 的需要施以不同的成型方式,湿热养护环境促进了韧性的发展; 对的集料级配进行了系统的研究与设计,对不同公称粒径、不同 级配类型的集料进行了评价,优选最佳级配为.和;对的最 佳工作性、成型方式、投料方式进行了探索,结果表明,低塑性是的最佳 ,.? 工作性能,此时最佳成型方式是振动成型,二次搅拌工艺有利于提高的 强 度和韧性; 对水泥、聚合物、纤维对的强度和韧性的影响规律进行系统的研 究,得到结论:的强度主要靠水泥来提供,对确定的集料级配有其最佳的 水泥用量,聚合物乳液对胶凝浆体进行改性,显著提高的弯曲韧性和冲击 韧性,并在一定程度上提高抗折强度和降低抗压强度,这种改性的效果随聚 合物 用量的增加而增加。有机纤维连同聚合物一起对进行复合增韧改性,增强 了聚合物对的改性效果,进一步提高了的力学性能和韧性。 在集料级配为. ,聚合物用量为/的情况下,最佳水泥用 量为/,纤维最佳体积掺量为.%,得到、抗折强度为.、 .,比普通混凝土高出.%和.%,抗压强度为.、.; 跨中极限挠度和弯曲韧度比普通混凝土高出.%和.%,冲击韧性比普通 混凝土高出.倍。 关键词:聚合物改性水泥混凝土;有机纤维;路面材料:力学强度;弯曲韧 ? 性;冲击韧性武汉理工大学硕上学位论文 不 : ? , , ,, . , , , . ,. ,. ,: ? , ; . ; ,.. , ,; .’ :;;, .武汉理工大学硕上学位论文.,鼬盯 ; . ?? ’ /, . %. / . .; .%. .% . .; 黜.%. . .%., : ; ; ; ; ; ? 武汉理工大学硕上学位论文 玉 目 录 ’ 摘要 ?..?............?.?..??.......??...?..?.........?.... 第章绪论 .研究背景及意义 .国内外研究现状??。 ..聚合物改性水泥基材料的研究与应用现状? ..路面材料韧性的研究现状.混凝土韧性试验的方法??。 .研究目标与内容??.. ..研究目标与内容 ..技术路线 第章原材料与实验方法 .主要原材料? ..水泥? ..集料? ..聚合物乳液?一 ..有机纤维??一 ..减水剂一 .试验方法..成型与养护?。 ..力学性能测试。 ..弯曲韧性测试一 ..抗冲击试验?.. .. 微观测试? 第章聚合物乳液的评价与优选 .聚合物的减水率与的容重. 的力学性能??. . 的弯曲韧性. 的抗湿热性能? . 的流动性与成型方式?.武汉理工大学硕上学位论文 .本章小结??。 第章集料级配对性能的影响研究. 帚 .集料级配设计理论?. ..级配理论??。 、 ..级配类型与组成??。 .集料级配设计 ..振动紧装密度级配设计??一 ..泰波曲线的线性拟合设计?。 .. 级配、级配的线性拟合设计 .集料级配的验证与优选..级配类型的比较??一 ..公称粒径的影响??一 ..级配、粒径和路面厚度之间的关系。 .本章小结第章胶凝浆体对性能的影响研究?.. . 的工作性与投料方式?. .. 的工作性能与成型方式? .. 的投料方式 .低水泥用量的探索??“ ..低水泥用量的探索??一 ..低水泥用量的探索??。 .水泥与聚合物对性能的影响研究.有机纤维对性能的影响研究?. ..纤维掺量的优选??.. ..纤维对不同聚合物掺量的影响.. .本章小结第章结论与展望.结论?. .展望?. 参考文献?.. 致 谢........................??.............?...................?....... .??..?................武汉理工大学硕上学位论文 小 第章绪论 .研究背景及意义 近年来,我国公路交通建设事业迎来了一个高速发展时期。由于高等级公路 的迅速发展,公路技术等级和路面等级不断提高,而路面承受着行车荷载和自然 环境因素的作用,因而对路面结构和路面材料的要求也越来越高。 目前,高级路面面层结构一般采用水泥混凝土和沥青混凝土两种材料形式。 水泥混凝土路面具有原料丰富、价格低廉、生产工艺简单、强度高、耐久性特别 是水稳性优良、养护费用低等优点,在高等级公路和城市主干道路中占有很大的 比例。但由于水泥混凝土路面板存在刚性过大、变形能力差、弯拉强度低、动载 冲击与疲劳性能差等缺点,导致行车舒适性差、使用寿命衰减迅速,影响了水泥 混凝土在高等级公路中的使用,尤其是在路面面层中的使用。另一方面,我国 能 用于高等级公路的优质沥青很少,国产沥青由于含蜡量高等原因并不能适应高等 级公路的要求,出现了进口沥青独霸我国高等级公路路面材料市场的局面。我国 是水泥大国,水泥年产量稳居世界第一位,因此,如何充分利用国有资源、改进 水泥材料的性能、减缓水泥混凝土路面各种病害的产生、改善行车性能等以适应 我国修建高等级公路的需求,是当前我国公路工程材料研究的主要论题之一。 混凝土路面早期破坏的原因是众多不利因素综合作用的结果,混凝土自身韧 性不足是其中的原因之一。近年来,为提高路用水泥混凝土使用功能与使用寿命, 水泥混凝土设计抗弯拉疲劳强度逐年增大,水泥标号和水泥的比表面积也逐步变 大,路面设计抗弯拉强度达到以上,而且认为强度越高,混凝土性能就越 好,质量就越有保证。然而这种做法尽管提高了混凝土的抗折强度,但同时也产 生了不利影响。首先,水泥混凝土路面抗弯拉强度增大会导致混凝土抗弯拉弹性 模量增大,依据水泥混凝土路面中荷载疲劳应力和温度疲劳应力计 算公 式可得,抗弯拉弹性模量增大,混凝土路面荷载应力和温度应力也会相应的增加; 其次,混凝土弹性模量和水泥比表面积的增大将会导致混凝土脆性变大和抗冲击 韧性的降低。由此可见,混凝土的强度只是路面材料设计的一个方面,而混凝土 的韧性好坏更是至关重要的一环,如何认识混凝土路面的韧性,掌握影响混凝土 路面韧性指标的各种因素,并在此基础上提高混凝土路面的韧性,是混凝土路面 未来发展必须解决的重要问题。 研究表明捌,通过在普通水泥混凝土中加入适量的高分子聚合物而形成的武汉理工大学硕上学位论文 聚合物改性水泥混凝土具有韧性高、弹性模量低、弯拉强度高、抗冲击 性好、表面功能优越等一系列优点。因此,将用做路面材料,可以使路面 具有较高的韧性和良好的变形性能,而且可以减少面层因温度应力和荷载应力产 生的开裂,延长路面使用寿命,同时可以提高行车舒适性和改善行车环境。 作为一种新型路面材料,国内外对其研究的并不深入,对韧性的 研究更是鲜有涉及,加上材料本身与普通水泥混凝土有着较大的区别,因 此有必要对材料的组成设计、性能的影响因素及规律、结构参数、施工工 艺等进行系统的研究,探求增强韧性、提高其弯拉变形能力、降低其抗弯 弹性模量、改善其抗冲击性能的途径,最终设计出一个施工可行、成本可控、 基 于功能要求的高韧性材料,满足对高等级公路路面的功能和性能的双重要 求,提高高等级公路的使用寿命,使其更好的服务于社会。 .国内外研究现状 ..聚合物改性水泥基材料的研究与应用现状 ...聚合物改性水泥基材料的研究历史与现状 聚合物改性水泥基材料的研究早在世纪年代就已经开始了,】 于年第一个获得这方面的专利,这个专利是关于水泥填充天然橡胶胶乳用 作铺路材料的。年,获得的专利介绍了利用配合比方法来生产天 然橡胶胶乳改性水泥基材料的方法。世纪年代以来,先后有人获得了用合 成聚合物胶乳进行改性的专利,并尝试将聚乙烯乙酸酯用于水泥基材料的改 性, 并获得了实际应用。年代,人们开始研究用液态和固态的聚合物,诸如聚 合物单体、树脂、聚合物乳胶粉等对水泥基材料进行改性。 年代以后,各国对聚合物改性水泥基材料进行了大量的研究,随着科研 成果的不断出现,这一领域得到了极大的推动。等的研究结果表明,水 灰比为.的丁苯改性水泥砂浆的强度随聚合物掺量的增加而提高,当丁苯掺 量为.%时达到最大。等的研究表明,在固定水灰比的情况下,大于% 丁苯乳液的加入使砂浆抗折强度提高,抗压强度降低。李芳【】等研究发现 羧基丁 苯乳液对水泥砂浆的粘结有显著的增强作用,并可大幅度提高折压比。王茹【町 等研究发现丁苯乳液对水泥砂浆有良好的减水作用,可显著提高其抗折强度和粘 结抗拉强度,提高折弹比,明显改善砂浆的抗碳化和干缩性能,同时发现丁苯乳 ? 液的加入对高温下水泥浆体的微观力学性能有改善作用。】研究认为聚合 物改性水泥砂浆的性能受水灰比和水泥用量的影响,抗压强度随水灰比的增加而 降低,但与水泥用量的关系则不大;实验室环境养护的聚合物改性水泥砂浆的抗 武汉理工大学硕上学位论文 折强度在龄期超过后才随水灰比的增加略有降低,而在水养情况下,水灰比 的影响则相对较大。李振东【 】等研究了氯丁胶乳对水泥砂浆的改性,认为通过 干湿养护的方法可以提高材料的抗折强度约/.%,乳液的掺入可以改善材 料的抗渗性,降低吸水率,增加粘结强度。 姜洪义【】等研究发现固定流动度时丁苯改性水泥砂浆的抗折、抗压强度都随 其掺量的增加先增大后减小,并且发现聚醋酸乙烯酯使混凝土抗折强度上升,抗 压强度下降。梁乃兴【】等对用丁苯乳液改性混凝土的路用性能进行了深入系统 的分析,结果表明,丁苯乳液的掺入使混凝土的抗折强度明显提高,弹性模量降 低,柔性增加,性价比得到显著的提高。申爱琴【 等的研究表明丁苯乳液的加 入增加了混凝土的柔性,减小了其孔隙率并使孔径分布向微孔径方向移动。 等研究了丁苯对混凝土耐久性的影响,认为丁苯改善了传统水泥混 凝土的耐久性,有效地提高了混凝土的抗渗性和抗硫酸盐侵蚀性。 ...聚合物改性水泥基材料的应用现状 从年第一届混凝土与聚合物国际会议召开以来,国际上已举行了多次 聚合物应用于混凝土的国际会议,大大地推动了聚合物水泥基材料的研究与发展。 美国是聚合物混凝土开发应用的先行国家,材料主要采用丁苯胶乳进行改 性,并多用于修补材料、新老混凝土的粘结、抗渗防水和预防钢筋锈蚀等方面。 在德国,聚合物水泥基材料己广泛用于工业、修补、装饰等方面。日本对聚合物 混凝土进行了积极的研究开发,由于其强度高、防水性良好、粘结性和耐久性好 等原因,已广泛用于建筑材料。 我国从年代初开始研究应用聚合物水泥基材料,但由于聚合物生产成本 较高,产品质量不能完全满足要求,研究应用处于低谷时期。随着我国化工产业 的不断发展,从年代开始,对这一领域的研究逐渐增多,特别是对丙烯酸酯 共聚乳液水泥基材料进行了系统的研究,作为一种新型修补、防渗材料,被成功 的应用到许多工程中,填补了国内的空白,并取得巨大的技术经济效益。长安大 学申爱琴【】等将用作路面材料,并在广东惠州铺筑了试验路段,使用效果 良好。重庆交通大学易志坚 】等研究开发了聚合物多孔水泥混凝土道路罩面材 料,并将其应用到重庆市政建设和湖北沪蓉西高速公路中,路面使用功能显著提 高,获得了较大的成功。 ...聚合物改性水泥基材料的微观研究及改性机理 ? 目前,人们对聚合物改性水泥基材料的研究不仅是在工程应用上,而且对其 改性机理、聚合物与水泥、水泥水化产物间的作用机理等,也进行了深入的研究 分析。】等通过的研究认为聚合物颗粒分布在水泥水化产物中间和 武汉理工大学硕上学位论文 未水化水泥颗粒表面。【叫利用和研究了聚合物改性水泥胶浆与骨料 界面的微观结构,认为聚合物颗粒在搅拌初期吸附在水泥颗粒表面的数量与 聚合 物乳液的种类和掺量以及水灰比有关。王涛【 】等通过对环氧改性水泥净浆的水 化程度和砂浆的孔结构进行了研究,认为聚合物改善了硬化浆体的毛细孔结构, 另一部分聚合物在硬化浆体中形成了不连续的薄膜,聚合物改性是上述两方面的 综合作用。 关于聚合物的改性机理,由于所用的聚合物种类、用量以及研究方法的差异, 得出的结论也有所不同,所以至今都没有非常统一的说法。现阶段国内外对聚合 物乳液的改性机理比较一致的看法是,改善作用是通过聚合物在水泥浆体与集料 间形成较强粘结力的薄膜,并填充基体材料内的空隙来实现的。在混合料搅拌均 匀后,聚合物乳液颗粒会均匀地分散在基体材料内部,随着水泥的水化,混合料 体系的水分不断被水泥水化所结合,聚合物颗粒会相互连接融合在一起,随着基 体内部水分的不断减少,聚合物逐渐在水泥基材料内部形成连续的网络结构。国 内外学者对聚合物乳液改性水泥基材料形态结构的形成提出过很多模型,其 中最 著名的是提出的模型,此外还有模型以及与 模型。模型认为聚合物失去水分后成膜,在水泥基材料中形成空间网 结构,水泥水化产物包裹在聚合物网中间,互不连接;而模型【】贝认 为聚合物在水泥基材料中形成空间连续的网状结构,并且水泥水化产物也在聚合 物网孔中形成连续结构,两种网结构互相交织形成互穿网络结构:与 田贝提出了另外一种不同的观点,他们认为聚合物在水泥基材料中有自 由水的情况下仍然能够形成薄膜,因为聚合物颗粒粘附在未水化的水泥颗粒表面, 在水泥颗粒表面形成一个紧密堆积的薄层,进而凝结成聚合物薄膜,这一点与前 面两个模型中提出的聚合物薄膜在水泥水化以后才形成的观点有着很大的不同。 ..路面材料韧性的研究现状 针对水泥混凝土路面材料弯拉强度低、韧性和变形能力差的缺点,人们进行 了大量的研究与改进工作。对普通混凝土的韧性的研究并不多,更多的是通过抗 弯拉强度、折压比、抗弯拉弹性模量等来表征普通混凝土的韧性好坏,长安大学 的张超副等研究了普通混凝土的脆性系数压折比、断裂韧性、弯拉弹性模量 等,并研究了水泥细度、水泥用量、水灰比、砂率等对这三个指标的影响规 律。 采用纤维来增强混凝土是降低混凝土脆性、提高其延性的有效途径,吴中伟 ? 院士也提出复合化是水泥基材料高性能化的主要途径,纤维增强是其核心的 观点。国内外学者对钢纤维混凝土的韧性进行了大量的研究,不胜枚举,这里不 再敖述。近年来,人们通过合理的设计,将钢纤维、碳纤维等高弹模纤维与其它 武汉理工大学硕上学位论文 低弹模有机纤维,如聚丙烯、聚丙烯腈、维尼纶纤维等混杂,相互取长补短,在 不同层次和受荷阶段发挥“正混杂效应”来增强增韧混凝上,明显地改善了混凝 土的各项性能,极具发展前景口。武汉理工大学卢哲安】等研究了“层布式 钢纤维水泥混凝土路面”的韧性改善情况,并取得良好的工程应用成果;袁海庆 ? 印等研究了层布式钢纤维.聚丙烯腈纤维混凝土的弯曲韧性,结果表明,两种纤 维的复合作用显著改善了混凝土的延性和弯曲韧性。 大量实验表明,由于纤维与基体间的粘接性差,普通混凝土加入纤维后的破 坏特征是大量的纤维在断裂面被拔出,而没有被拉断,这说明纤维对混凝土 的改 善作用并没有得到真正的体现。有关研究表】,利用聚合物对纤维水泥基材 料进行改性,能够显著增强纤维与水泥浆体之间的界面结合情况,从而大大的提 高了水泥基材料的韧性和耐久性。吴国强在钢纤维混凝土中掺入聚合物,用 以改性混凝土基体以及增加钢纤维和基体界面之间的粘结力,充分发挥了钢纤维 的强度,混凝土的抗弯拉强度、变形能力及韧性都得到了显著的提高。武汉理工 大学的王发洲【等进一步从材料复合的角度,设计了一种新型无机、有机与金 属多相复合的高性能道路水泥混凝土,并对其的力学性能、韧性、路用性能进行 了系统的研究。 将废旧橡胶制成橡胶粉或者橡胶块用于改性混凝土也引起了广泛的关注和 研究的兴趣,经研究发现【?们,将废旧橡胶掺入水泥混凝土中,混凝土的延性 和韧性得到显著的改善,同时橡胶改性混凝土还具有减震、防滑、降噪、透水等 独特优点。包惠明【等研究了橡胶粉改性水泥混凝土的折压比、抗冲击性能及 相关路用性能,试验结果表明,橡胶粉水泥混凝土的力学强度有所降低,抗冲 击 性能改善显著。 橡胶是有机高分子材料,而集料和水泥浆体都是无机材料,两者之间表面能 相差较大,粘结力较差,导致结合面脆弱,这也是混凝土的薄弱环节,要改善橡 胶混凝土的整体性能,必须改善橡胶与浆体之间粘结的问题,这样聚合物改性橡 胶混凝土就应运而生。武汉理工大学的沈卫国【等研究开发了橡胶集料聚合物 改性混凝土道路罩面材料,结果表明这种柔性材料的弹性模量得到了显著降低, 极限应力和极限应变都有很大的提高,韧性得到了明显改善。姜洪义】等研发 了聚合物、有机纤维、橡胶粉复合改性的路用柔性水泥基材料,结果表明复合改 性后的水泥基材料具有优良的韧性和体积稳定性。袁海庆【等对橡胶颗粒和聚 合物乳液共同改性的普通轻集料混凝土进行了研究,发现用橡胶和聚合物改性后 混凝土的弹性模量有大幅度下降,抗压强度也有一定程度的降低,并在沪蓉高速 ? 公路西段的一段隧道路面得到了应用。 柔性水泥基材料具有良好的柔韧性和较低的弹性模量,但是对于一般的柔性 武汉理工大学硕上学位论文 水泥基材料低弹性模量和高强度是相互矛盾的,柔韧性和弹模的降低势必会带来 强度的降低,因此现阶段研究的一些柔性水泥基材料抗压强度普遍偏低,将其应 用在路面工程中还存在着一些技术难关。 .混凝土韧性试验的方法 韧性表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力,是材料延性和强度 的综合体现。韧性高的材料一般具有较高的强度和延性,韧性越好,则发生脆性 断裂的可能性越小。具体来讲,韧性主要包括弯曲韧性、断裂韧性、冲击韧性。 弯曲韧性是衡量塑性变形性能的重要指标,一般从宏观角度可以定义为材料 或结构在荷载作用下到失效为止吸收能量的能力,通常用与应力一应变曲线或荷 载.挠度曲线下所围面积有关的参数表示,也可用材料破坏时,单位体积做的功 或吸收的能量来表示。广义的弯曲韧性包括抗折初裂强度、抗折极限强度、抗折 初裂强度和抗折极限强度的差值、抗折弹性模量以及弯曲韧性。 断裂韧性指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量,也是材料抵抗脆性破坏 的韧性参数,常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。材料 的断 裂能和断裂韧性是衡量材料断裂性能的重要指标。 冲击韧性是反映材料对外来冲击负荷的抵抗能力,一般由冲击韧性值和冲击 功表示。冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。 韧性指标是全面反映混凝土内在品质的重要指标。对而言,韧性 指标比强度指标更能全面反映聚合物和纤维对混凝土的增韧作用,其中弯曲 韧性 是反映韧性最为重要参数。现阶段弯曲韧性的试验方法都是适用于钢纤维 或者其他高强纤维混凝土的?,最早在欧、美、日、德等发达国家形成自己的 ,规范了纤维混凝土弯曲韧性的试验标准、计算方法及评定指标。我国 工程 建设标准化协会在参照美国材料协会标准 的基础上编写了钢纤 维混凝土试验方法 :,提出了弯曲韧性的试验与计算方法,我国建 筑工业行业钢纤维混凝土标准/.内容与 :也基本相同。 ?美国材料与试验协会标准刑 美国材料与试验协会利用理想弹塑性材料的韧性评价方法作为参考,制定了 标准。该标准的试件推荐尺寸为,跨度为 ,用三分点加载进行试验,控制速率为位移控制:../,并采 用个指标来评价纤维混凝土韧性:初始裂缝出现时的跨中挠度,韧性指标 和残余强度指标。用和可衡量纤维混凝土的韧性和能量吸收能力,韧性指 标根据试件初始裂缝出现时的挠度及其相对应的能量即荷载.挠度曲线上 , 所包围的面积来确定,韧性指标有个:,,,分别为. 武汉理工大学硕上学位论文 . 和. 或. 处曲线所包围的面积与处曲线所包围的面积之比。 残余强度指标两个。,’,其中。,。对理 想弹塑性材料来说,,值越小则说明塑性越低,素混凝土的值趋近于 。 标准最大的缺点是所有的韧性指标都是基于初裂挠度值来确 定的,而初裂挠度的确定却有着较大的人为随意性,这样会导致韧性指标的 较大 误差。.方法 ?美国 该标准对实验方法进行了改进,将或更厚的钢板放在纤维混凝土试件 一致。试验时 的底部,试件尺寸、加载方式和挠度测量方式均与 先加载使纤维混凝土试件产生初裂纹,然后卸载,取出钢板。再次对试件进行 加 载,测得荷载.挠度曲线,称为剩余荷载.挠度全曲线,对挠度为.、.、 .、.处的荷载求平均值,根据弹性理论就可以计算剩余强度, 其单位为。 该法的优点是不用确定初裂挠度和荷载,得到的韧性指标为剩余强度,可以 较好的反应纤维对混凝土的阻裂增韧性能。缺点是对试验机的刚度有较高的 要求。 【】 ?德国纤维混凝土标准 德国标准中用等效抗弯强度岛和变形能的概念来表述纤维混凝土 的韧性及其吸收能量的能力,试件推荐尺寸为,跨度为 ,采用两点加载的方式进行,作用点距支座距离为,控制速率为 位移控制:./。 的主要特点是有着较为实用的计算体系,引用了与经典强度理论相似 的计算方法来计算等效抗弯强度岛,通过确定.范围内的载荷最大值,避 免了确定初裂裂缝时所产生的误差。 ?日本混凝土标准. 日本标准推荐的试件尺寸为,采用三分点加载的方 式进行加载,试件跨距为。韧性是挠度为/时荷载.挠度 曲线下的面积,韧性因子韧性系数为加载到挠度为/值时的平均强度 值仃,单位为,其计算式为: 个, 一 盯羔 力% ? 式中,瓦??给定的挠度/,; ,??试件的宽度和高度,; 一曲线包围的面积,。 武汉理工大学硕上学位论文 日本标准不需要确定初裂点的挠度,曲线不稳定段对韧性系数的影响比较 小, 因为不稳定段吸收的能量相对总能量的吸收值而言是很小的。其不足之处是 挠度 鑫 /在一般情况下大于正常使用的挠度;其次,用平均强度的韧性指标, 不能很好反映试件裂前和裂后的差异;第三,用该方法来评价低掺量低弹模 的合 ? 成纤维混凝土的弯曲韧性,误差过大。 ?我国评价韧性标准 钢纤维混凝土试验方法 :和钢纤维混凝土/ .中弯曲 韧性的试验方法是一致的,采用的试件,跨度为, 或者的试件,跨度为。采用三分点加载,初裂前 的加载速率为../,初裂后取每分钟/。定义的三个弯曲韧性指 数:,,与 的,,相同。 对普通混凝土和而言,其内部并没有高强纤维等增强材料,试件初始 裂纹出现后就会迅速断裂,失去承载能力,所以没有出现初始裂纹后的残余 强度 和继续吸收能量的能力。因此,采用美国标准中的韧性指标,,和 我国标准中的韧性指数,,来评价的弯曲韧性并没有可行性。 再者,试验实际测试的结果表明,普通混凝土和的跨中极限挠度通常 在..左右,并没有达到日本标准中挠度为/要求,因此平均强度仃 也无法评价的弯曲韧性。德国标准虽然计算体系实用,但是也涉及到 不可到达的挠度。 结合弯曲韧性的特点,本论文对弯曲韧性的试验采用美国 中介绍的方法,试件尺寸,跨度,三分点加载, 加载速率./。评价韧性的指标采用弯曲韧度荷载.挠度曲线所包围的 面积、跨中极限挠度、荷载.挠度曲线上拟合直线的斜率具体解释见第章 小节.来表征。 抗冲击试验的方法则比较单一,绝大多数路面混凝土的抗冲击试验都是采用 美国混凝土学会推荐的“落重法进行,试验装置也是大同小异,个别为了试验 的方便而对装置进行了小许改进。本论文也是为了减少冲击的次数提高试验 的效 率,同时也是结合路面实际情况更加真实的反映材料的冲击韧性,在仪器底 座加 制一空心圆环,具体细节参数见小节..。 .研究目标与内容 ? ..研究目标与内容 本论文通过大量的试验研究与理论分析,以力学强度和韧性为主要控制指 标, 武汉理工大学硕上学位论文 对的材料组成进行研究设计,对的关键组分聚合物、有机纤维、集料 级配、水泥用量等进行优选和评价,探寻的性能的影响因素及相关规律, 探求增强韧性、提高弯拉变形能力、降低抗弯弹模、改善冲击性能的途径, 最终设计出一个施工可行、成本可控、基于功能要求的高韧性材料,并对 聚合物、纤维对改性增韧的微观机理进行初步的探索,为材料的设计、 制备、应用提供理论依据与实践指导。 主要研究内容如下: 利用聚合物改性砂浆对聚合物的种类进行评价和优选,并对 聚合物砂浆的相关性能进行研究和探索,为的组成设计和研究提供思路; 对集料级配进行系统的研究与设计,对不同公称粒径,不同级配 类型的集料进行了评价和优选; 对的最佳工作性、成型方式、投料方式进行初步的探索; 对低水泥用量的和进行初步的探索; 对水泥、聚合物、纤维对的力学性能、弯曲韧性、冲击韧性的影 响规律进行系统的研究;探寻各组分之间相互影响的规律。 对聚合物、纤维对的改性增韧机理进行初步的研究。 ..技术路线 论文的技术路线如图.所示。 ? 武汉理工大学硕上学位论文 第章原材料与实验方法 、? .主要原材料 ..水泥 水泥选用. .普通硅酸盐水泥,其化学成分与物理性能见表.、表.。 表水泥的化学组成 表水泥的物理性能 凝结时间 标准. 安定 抗折强度抗压强度 表观密度 细度 稠度 啪 性 咖, % 终凝初凝 . . . . .合格 . . . . ..集料 采用了两种集料,麻武高速公路某料场的石灰岩和通山某料场的玄武岩,麻 武石灰岩集料的粒径范围为:拌料..、撑料...、撑料.:通 山玄武岩集料的粒径范围为:拌料.~.、群料.~.、撑料.~.、错 料..、群料.;其筛分曲线分别如表.和表,相关物理性能如 表?。 表.麻武集料筛分曲线 筛孔尺寸 累积通过率% 编号 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .每. . ?. . . . . . . . 拌~. . . . . . . 一/ . . . . . . . . . . . 编号?????』型型唑堡塑堂型???一 ..聚合物乳液 聚合物乳液选用的是上海某公司生产的改性羧基丁苯乳液,即苯乙烯和丁二 烯的共聚物所形成的阴离子型水性乳液,其相关性能如表,其红外光谱图如 图.。 表 的相关性能 拿 、一 姗 ,蛊 焖 ? 图 的红外光谱图 武汉理工大学硕上学位论文 图.中吸收峰是苯环.键的伸缩振动,说明苯环的存在, 为单取代苯环的伸缩振动,为苯环单取代的.面外弯曲振动, 为单核芳香烃的的伸缩振动吸收峰,这说明了聚合物中有苯环存 在,且苯环与自由基发生了反应。为双键的反式取代面外振动吸收 .、 峰,.、分别为 .的吸收峰,为.的吸 收峰。从以上吸收谱的分析可以看出,该物质就是丁二烯和苯乙烯的聚合物。 此外还用.“丙烯酸酯乳液;江苏常州市尼高科技有限公司生产的 种苯丙乳液“.”、“.、“.、“、“.”、“.”。 ..有机纤维 选用武汉某公司生产的聚酯纤维,技术参数和物理性能如表.。 表.聚酯纤维的相关性能 ..减水剂 采用武汉某公司生产的.萘系高性能减水剂粉剂。 .试验方法 ..成型与养护 聚合物改性砂浆:采用标准砂成型试块,主要参照《聚 合物水泥防水砂浆》/ .【。用水泥胶砂搅拌机低速搅拌,设计三 种成型方式:?插捣成型,分两次次装入试模用插捣棒从边上向中间插捣次: ?跳动成型,采用水泥胶砂强度检测方法法》】中规定的装有偏心轮 的振实台成型,分两次加料,每次跳动次;?振动成型,采用混凝土试验用 振动台振动成型,分两次加料,每次振动。聚合物砂浆的流动性按照《公路 工程水泥及水泥混凝土试验》 .以下简称《水泥及水泥 混凝土规程》中规定的跳桌法来测定。 聚合物改性混凝土:成型××和×× ? 的两种试块,参照《水泥及水泥混凝土规程》进行,设计两种成型方式:?上 压 下振,试件上配重,然后再振动台上振动:?振动成型,直接在振动 武汉理工大学硕上学位论文 台上振动。聚合物混凝土的流动性按照《水泥及水泥混凝土规程》中规定的 坍落度仪法和改进值法进行。 聚合物砂浆和混凝土均是薄膜覆盖养护,养护温度??,然后再干养 至,养护湿度%,温度??。 ..力学性能测试 试件养护至规定的龄期后,按照水泥及水泥混凝土规程》,采用无锡市锡 仪建材仪器厂的型全自动抗折抗压试验机测试的抗折抗压强度, 最大力值斟:采用意大利公司的./混凝土试样抗折抗 压测试机,最大力值。 ..弯曲韧性测试 利用万能伺服仪测试聚合物砂浆的弯曲韧性,如图.所示。采用 三点弯曲的方式加载,跨度为,加载速率设定为./,记录试 件的荷载和挠度数据。试验结束后用游标卡尺测量断面的尺寸。 图弯曲韧性试验 图. 弯曲韧性试验 ? 利用万能伺服仪测试聚合物混凝土的弯曲韧性,如图所示。 采用三点弯曲的方式加载,跨度为,加载速率设定为./,记 录试件的荷载和挠度数据。武汉理工大学硕上学位论文 ..抗冲击试验 抗冲击试验采用美国混凝土学会委员会推荐的“落重法”进行。 为了更加真实的反映出材料的冲击韧性和提高试验的效率,在底座制作一 个空心的钢制圆环,如图所示。钢制圆环内径为,厚度为。试 件为直径厚度的圆饼,每组测试个试件。 试验的主要结果有: 试块出现第一条裂缝时的冲击次数: 破坏时的冲击次数。; 破坏时的冲击韧性,?: 。 初裂时及破坏时冲击次数的差值 其中,冲击韧性计算公式为: ? 。 为冲击锤质量,.:为重力加速度,./:为冲击锤下落高度, 。 图抗冲击试验 .冲击锤.定位环.冲击架.底座.钢制圆环 .档棍.试块.传力球.保护装置 .. 微观测试 对材料进行扫描电子显微镜的观测试验。扫描电子显微镜型 号:.;生产厂家:日本株式会社;放大倍数:;加速电 压:.~:低真空度:。 ? 武汉理工大学硕上学位论文 第章聚合物乳液的评价与优选 用于水泥基材料改性的聚合物乳液有很多,各种聚合物乳液改性的效果也不 尽相同。论文选用种聚合物乳液,分别对其对砂浆的改性效果进行研究和评价, 并对聚合物砂浆的相关性能进行研究和探索,为的组成设计与研究提供一 些铺垫和思路。 .聚合物的减水率与的容重 聚合物乳液颗粒的滚珠润滑作用、引气作用和聚合物乳液本身所含表面活性 剂的分散作用,有效减小了水泥颗粒周围水分子的表面张力,对水泥砂浆有一定 的减水作用【们,这种减水效果对水泥砂浆用水量的降低和强度发展、减少干缩 是有利的。因此有必要对聚合物乳液的减水率有确定的认识,这对聚合物改性砂 浆水灰比和工作性的控制至关重要。 为了尽量减少砂浆的影响因素,选用标准砂成型标准砂浆试块。每个试模三 个试件水泥用量为,标准砂,乳液,聚合物乳液固含量均为%, 此时的聚灰比为.%,利用减水剂来调整砂浆的流动性。通过测定新拌聚合物 砂浆的跳桌流动度,将其控制在的范围,确定整个试验的水灰 比为.,并将其固定,其中由于在低水灰比下比较难成型,调整为.。 通过测得流动度来计算几种聚合物乳液的减水率;由于聚合物乳液减水率的 不同,达到相同的流动度所需要的减水剂掺量也不同,通过调整减水剂的用量来 保证砂浆的流动度在相同的范围。同时为了了解的密实程度,测量其容重。 得到的结果如表.和图.。 表. 的减水率与容重 从减水率方面来看,的最高,达到了.%,的最低,只有.%, 此外,.、.、.也有较高的减水率,均在%以上,由此可见,聚合物乳 ? 液的减少效果非常明显,最直接的作用就是减少用水量,的水灰比降到. 就可见一斑。从容重方面来看,和的最大,达到了./,其次 武汉理工大学硕上学位论文 是一、一、一,都在./左右,一和最小,分别只有./, 和./,,聚合物乳液在一定程度上降低了的容重。 仉? 埔 弘 饕 ? “篮 ? 猫毫 侣 埒撼餐.蠡 瑚嚣 ? 乏 ? ? 聊 ??? 眄 聚合物种类 图. 的减水率与容重 从图.中可以看出,的容重和聚合物乳液的减水率基本呈现反相关 的规律,这说明聚合物的润滑、引气作用将一定数量的空气引入到中,并 在内部形成微小气泡,正是这些微小气泡滚珠作用和表面活性剂的分散作 用共同提供了聚合物乳液较高的减水率。减水率越高就表明引入的微小气泡 越多, 的容重降低越明显。 . 的力学性能 几种聚合物改性砂浆采用标准养护后的力学性能如表所示。 表不同聚合物种类的的力学强度 ? 武汉理工大学硕上学位论文 从表中的数据可以看出,组砂浆的抗折抗压强度的相对高低在每个龄期的 规律基本相同,为简便起见,只作图?来对比砂浆天的强度。抗折强度最 高的是和.,分别为.和.;其次是、.,均在 左右,最小的是.,只有.。相比,聚合物砂浆、.、分 别要高出.%、.%、.%,.降低最为明显达到了.%。从抗压强度 来看,最高,达到.,要远远高于其他几种聚合物砂浆;最小的. 和.,只有左右,相比降低了%左右:其次是、等, 都在至之间,相比降低了%左右。最后来看折压比,最 小的是的.,聚合物砂浆都要比高出不少,最大的是的., 相比提高了%,其次是,比要高出%左右。综合上面的分 析,聚合物改性砂浆的柔韧性排在前五的依次为:..。 ? 一?薯 , 薯 皂斟震螺。蛩豸 盂譬雨坦嚣嚣 ? ? ? 蕾 ?咖??? 删?哪 ??? 聚合物砂浆种类 鼍合物砂蓑种类 蚺 嘣 营哪 辗 器蛹 岫 ? 耐 ??? ? ? 囊台物砂浆种类 图不同聚合物种类的的力学强度 的力学强度说明聚合物乳液对砂浆的改性作用不尽相同,总的来看, 聚合物的加入都较大幅度的提高了的折压比,即提高了的柔性;对 抗折强度的影响则有提高的也有降低的,抗压强度则都呈现降低的趋势。抗折强 ? 度提高主要归因于聚合物本身较高的抗拉强度和水泥水化产物与骨料之间粘结 的改善。抗压强度的下降是因为聚合物的弹性模量比水化产物要低,当试件受压 时起不到刚性支撑作用。 武汉理工大学硕上学位论文 再来看一下三个龄期折压比的变化情况,如图.所示。从图中可以 看到,折压比基本呈现随着龄期的增加而呈现降低的趋势,其中图中未 画出、、.基本稳定在一个水平上,没有太大的变化:变化最大的是, 折压比由的.下降为的.,下降了.%,折压比则进一步下 降为.,相比、分别下降了.%、.%。这说明随着龄期的增加, 聚合物砂浆的柔性有小幅的降低,但仍维持在较高的水平,后期聚合物成膜已基 本完全,而水泥的水化则会继续进行,表现出一定的刚性。 穹 舯 舶 娜 . 盟 丑幽:蜂 ? 蕊 抽 “ 捌 龄期 图.不同聚合物种类的折压比变化趋势 . 的弯曲韧性 聚合物加入到水泥基材料中,很重要的一个改性的效果就是提高水泥基材料 的柔韧性,为了比较各种聚合物的改性效果,将湿养天干养天后的试样进 行弯曲韧性的测试,每组测试个试样,然后计算平均值,结果整理如表.和 图.。绘制荷载.挠度曲线如图.所示。 从极限抗弯强度来看,最高的.,达到.,相比要高出.%, 其次是.、.、、,都在.左右,比要高出%以上:从最 大跨中挠度来看,最大,有.,比的.要高出.%, 其而只有.只比高.%,远不如增加的幅度大;从弯 曲韧度来看,最高的是.和,相比要高出.%,接近%了;从 ? 拟合直线的斜率来看,最小的是的.,其次是.和一,最大的是, 达到.。综合上面对几个弯曲韧性指标的对比分析,可以得出,几种的 弯曲韧性排在前列的依次为:、.、.、.。 武汉理工大学硕上学位论文 表.不同聚合物种类的弯曲韧性试验 ??????。一’‘。。。。????????? 极限压力 极限强度 最大挠度 弯曲韧度 直线斜率 抗弯拉弹模 ? . . . . . . . . . .. . . . .. . . . . 一 . . . . . 一 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 删 州 童 咖 嚣 蓑一 ? 善 尊叫 基 瞄 嘲 聊????.?? ???????? 台物种类 曩合物种类 ? ? ? ? 越 口 暑“ 竹 鼙嚣鼍葛墨一 ? ? 啊?螂???? 聚台物种类 曩合物种类 图.不同聚合物种类的的弯曲韧性 我们来看下《水泥及水泥混凝土规程》中的水泥混凝土抗弯拉弹性模量试验 方法,其实质也是记录的荷载.挠度曲线,区别是抗弯拉弹性模量的测定有一 个 ? 循环加载的过程,所加的力值在一个范围内,加载速率较快;而弯曲韧性的测 定 则一次加载至试件断裂,加载速率缓慢。再者,抗弯拉弹性模量的公式: 武汉理工大学硕上学位论文 己,????二当乙?? . 协 ’ ’ ?。。一?。 型%等 其中:毋??抗弯拉弹性模量; 磊.、届??终荷载及初荷载; ??对应.,及气的千分表读数; 三??试件跨距: .,??试件断面转动惯量,等? 对同一组试件和厂为定值,则式可以化简为:‘ 毋彳等 式中彳为常数,定值;为荷载差值,;为挠度,。即: 巧%等 酬在弯曲韧性试验中正好是荷载.挠度曲线上的拟合直线的斜率,所以 得到: 。 % 善 誓 缸 且憎哺 ? 哪.且 哺. 哺 哪 巍度 ? 图几种荷载.挠度曲线 因此可以在保持荷载一挠度曲线坐标轴一致的情况下,线性拟合荷载.挠度曲武汉理工大学硕上学位论文 线得到的直线斜率来表征试件的抗弯弹性模量。拟合的直线方程如图.所示。 几种聚合物改性砂浆的弯曲韧性都要比空白样要高出不少,一些指标甚至高 出%以上,这说明聚合物的加入对砂浆的刚性改善比较明显,分析其原因主 要是聚合物乳液在水泥砂浆内部脱水成膜后,一方面由于聚合物薄膜的胶结作用, 改善了砂浆的界面过渡区的结合情况,有效的减小应力集中,提高了砂浆的极限 抗弯强度;另一方面成膜后的聚合物薄膜填充了一些微小的空隙,减少了水泥水 化硬化产生的微裂纹,同时由于聚合物薄膜的柔韧性和较高的相对强度,使砂浆 在受到荷载时能够吸收很大一部分能量,能有效的提高砂浆的挠度和弯曲韧度。 综合几种聚合物改性砂浆的力学性能和弯曲韧性,以及其与空白样的对比情 况,最终确定聚合物乳液和.是改性效果最好的两种。 . 的抗湿热性能 塑料、橡胶、纤维等聚合物材料,在高温高湿的环境下,会出现老化的现象。 聚合物材料老化的最终结果是使用功能的衰退和寿命缩短,影响了聚合物材 料使 用的经济性和环保性。用有机聚合物对水泥基材料进行增强改性的过程中, 由于 有机聚合物本身的一些缺点,将增强改性的水泥基材料应用在实际工程中, 将很 有可能会因为有机聚合物的老化而出现一些病害,影响材料的使用性能。 仿照《:建筑结构加固工程施工质量验收规范》【 .中附录 中结构用粘结材料包含有聚合物砂浆材料湿热老化性能现场快速复验方法 及评定标准中的实验方法,将养护后进行恒温水浴,温度控制为 ??。将其与标准养护进行力学性能的对比,得到的数据如表。 表 的抗湿热性能试验 ? 武汉理工大学硕上学位论文 鹏 舯 ? 茄 舯 嚣 丑幽鞲 舶 ? 加 吖 暑 聚合物种类 图湿热环境下折压比变化 从表中的数据可以看出,湿热养护对的抗折抗压强度均有一定的 影响,其中抗折强度由.下降为.,降幅达到.%,抗压强度有 .上升为.,增长幅度为.%,折压比则下降得更加明显,达到 ’了.%,湿热环境使普通水泥砂浆的刚性得到了增强。湿热环境对的抗 折强度均有一定的增强作用,增幅最为明显的.,达到了.%,其他的几种 除了有小幅降低外,其余的增幅都在%%之间;湿热环境对抗压强度 的影响则相对较小,几乎可以忽略。两种养护方式对的折压比的影响见图 ,除了有较大幅度的降低外,其他几种砂浆都有所增长,.的增长最 大,为.%,其他的增幅都在%%之间,这说明湿热环境对聚合物改性 砂浆的韧性发展有一定的促进作用,并没有产生不利的影响。 . 的流动性与成型方式 前面在测定乳液减水率和聚合物砂浆力学性能时,都谈到了要控制砂浆的流 动度,本论文经过大量的实验意识到砂浆流动性对其性能的重要性,因此在 这里 选取几组聚合物对的流动性和成型方式进行系统的探讨。 配合比依然采用和前面相同的配比:水泥用量为,标准砂,乳液 ,水灰比.。选用三种不同减水率的乳液进行试验,减水率最高的、 减水率最低的和减水率适中的.;分别选取三种成型方式,插捣、跳动、 ? 振动,具体成型方式介绍见小节..:选定两个不同的跳桌流动度和 ,由于减水率的不同,在此配比下不加任何减水剂时的跳桌流动度就 超过了,所以只成型流动度为的试件,则只成型的武汉理工大学硕上学位论 文 试件,.则两个流动度都成型。得到容重和力学性能如表.所示。 从表中我们可以看出,容重和强度基本呈现正相关的关系,即容重较高的强 度也高,容重较低的强度也低。在流动度为时,和.插捣成型的 抗折强度要比其他两种成型方式低%左右,抗压强度则要低‰%:在流动 度为时,.跳动与振动两种成型方式的抗折抗压强度要比插捣成型分 别低.%和.%,则分别要低.%和.%。对.来说,流动度在 下成型方式对砂浆性能的影响要比在下成型方式的对砂浆性能的影响要 高出很多,说明流动度在时砂浆的流动性和和易性都在较适合的状体时, 过多的成型密实步骤反而会对砂浆产生不利的影响。 表. 的流动性与成型方式对力学性能的影响 在流动度较小的情况下,砂浆较干,因此用插捣的方式成型时,砂浆各组分 颗粒无法充分的相对运动和密实,砂浆内部宏观缺陷较多。而用跳台或者振 动成 型的方式成型,则能为各组分颗粒之间相对运动提供足够的能量,使颗粒充分混 合、渗透,使砂浆能够同时达到宏观和微观上的匀质性,使聚合物的改性效果得 到充分的体现。而在流动度较大的情况下,砂浆工作性较好,但由于聚合物乳液 具有一定的引气作用和乳液本身所含表面活性剂的分散作用,在振和跳两种成型 方式下,砂浆颗粒间的相对运动过大会引入更多的有害气泡,导致硬化砂浆孔隙 过多,密实度反而没有插捣成型的好。 ? 由上分析可知,对于不同流动度的聚合物砂浆需要施以不同的成型方式,在 保证密实的同时,尽可能少的引入气泡,这样才能达到最佳的改性效果。这也为 后面聚合物混凝土的施工工艺提供了一定的实验支撑。 武汉理工大学硕上学位论文 .本章小结 研究了八种聚合物乳液的减水率,得到乳液的减水率最高,达到 .%,同时研究了普通砂浆和聚合物改