季冻区高性能路面水泥混凝土路用性能研究

论文摘要

水泥混凝土路面作为一种主要的路面结构类型在我国占有相当大的比例,从全国来看,目前水泥路面（等级公路）约占总里程的50%,吉林省约占60%。然而,在原材料、施工控制和环境等影响因素的共同作用下,水泥路面发生了多种病害,尤其在季冻区混凝土耐久性劣化现象十分突出,给后期维修养护带来极大的困难,为解决路面混凝土出现的问题,充分体现水泥路面强度高、抗车辙、使用年限长的优点,结合季冻区的特点,开展高性能路面水泥混凝土的研究具有十分重要的意义。本论文依托吉林省重点工程科研课题,首次系统性地提出了掺入矿质超细粉和高效引气减水剂实现路面混凝土高性能化系统的技术方法,对配制的高性能路面混凝土（简称HPPC）各项路用性能进行了全面地研究。论文首先分析了吉林省水泥混凝土路面病害机理特征,针对问题开展了本地区活性掺合料的物理化学性能试验,并通过5种超细粉的活性对比和超细粉与水泥品种和外加剂的配伍性试验研究,提出了适合季冻区HPPC的材料组成和技术指标要求。开展了基于耐久性的高性能路面混凝土配合比研究,采用“最大紧方密度试验方法”选择粗集料级配和最优砂率,通过正交设计试验优化了混凝土配合比,找出显著性影响因素,提出了以耐久性为主要考核目标（抗冻性、抗渗性和强度）、适合季冻区高性能路面混凝土的配合比设计方法。通过力学性能研究（抗压、抗折强度,弯拉弹性模量）,比选确定了HPPC中矿质超细粉的最佳掺量、双掺的比例和胶凝材料的总量,并对各指标的影响因素进行分析研究。论文全面系统地对HPPC耐磨性、抗渗性、抗冻性、收缩性以及抗疲劳性等耐久性能进行了分析研究,针对季冻区气候特点,自行设计了盐冻耦合加速冻融破坏试验方法,试验表明HPPC抗盐冻能力、抗渗水性能大幅超过基准普通混凝土;同时也指出掺入沸石粉和粉煤灰要慎重,不合适的掺入量和配合比会降低混凝土的耐磨性和收缩性能。本研究还通过扫描电镜（SEM）、压汞测孔法和X-射线衍射（XRDA）、差热（DTA）分析试验,全面、深入地分析了HPPC的强度和耐久性形成的微观机理和结构特征。研究结果显示:HPPC中C-S-H的含量远高于基准混凝土,其孔隙率明显降低,孔结构、孔级配得到了很好地改善,混凝土中胶凝孔（<10nm）占总孔比例的70%以上,因此其抗冻、抗渗性能更好。本研究还修筑了HPPC的试验路,试验证明HPPC具有施工控制技术可行,工作性易于控制,路面平整度好、裂缝较少等优点,后期取芯试验表明HPPC的抗弯拉强度、抗氯离子渗透能力,内部气泡形态、数量等特性均优于对比路段。最后,通过对HPPC的综合性能及性价比的评价分析得出,HPPC在抗冻性、抗渗性、力学性能、疲劳寿命这四个主要指标上均较基准混凝土有明显的提高,其综合性能是基准混凝土的1.65倍,其性价比是基准混凝土的1.6倍,证明了HPPC不仅具有优良的路用性能,而且还具有较好的经济和社会效益。由此可见,本研究成果对提高季冻区水泥混凝土路面的建设质量,充分利用地产资源,改进本地区水泥路面混凝土的设计和施工技术,推动水泥路面在季冻区的发展具有积极的意义!

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外高性能混凝土研究应用现状分析
• 1.2.2 我国高性能混凝土研究应用现状分析
• 1.2.3 本研究提出的高性能混凝土路用性能目标
• 1.3 吉林省水泥路面主要病害现状分析
• 1.3.1 省内已建水泥混凝土路面调查分析
• 1.3.2 存在问题与分析
• 1.4 主要研究内容
• 1.5 技术路线和试验研究方法
• 1.5.1 本文研究技术路线
• 1.5.2 试验研究方法及设备
• 第二章 高性能路面水泥混凝土组成材料及技术指标
• 2.1 季冻区路面水泥混凝土路用性能要求
• 2.2 路面水泥混凝土高性能化的技术途径
• 2.3 路面高性能水泥混凝土的组成材料及技术指标
• 2.3.1 水泥
• 2.3.2 矿质超细粉（矿渣粉、粉煤灰、沸石粉）
• 2.3.3 粗集料
• 2.3.4 细集料
• 2.3.5 外加剂
• 2.4 矿质超细粉的活性对比试验
• 2.4.1 单掺磨细矿渣、粉煤灰等超细粉活性对比试验分析
• 2.4.2 双掺矿质超细粉活性对比试验分析
• 2.5 季冻区高性能路面水泥混凝土高效引气减水剂的试验优选
• 2.5.1 单掺矿渣粉混凝土的外加剂比选
• 2.5.2 双掺矿质超细粉混凝土的外加剂比选
• 2.6 小结
• 第三章 季冻区高性能路面混凝土配合比研究
• 3.1 普通混凝土配合比设计方法
• 3.2 基于耐久性的高性能混凝土配合比研究
• 3.2.1 粗集料级配的确定
• 3.2.2 最佳砂率的确定
• 3.2.3 高性能混凝土配合比设计计算方法
• 3.3 掺矿质超细粉高性能路面混凝土配合比设计优化
• 3.3.1 单掺矿渣正交试验
• 3.3.2 单掺Ｉ级粉煤灰正交试验
• 3.3.3 双掺超细粉混凝土正交试验
• 3.4 小结
• 第四章 季冻区高性能路面混凝土工作性及力学性能研究
• 4.1 新拌混凝土工作性
• 4.1.1 掺磨细矿渣的路面混凝土
• 4.1.2 掺Ｉ级粉煤灰的路面混凝土
• 4.1.3 复合双掺矿渣+沸石粉（K+Z）路面混凝土
• 4.1.4 复合双掺矿渣+粉煤灰（K+F）路面混凝土工作性
• 4.2 力学强度性能试验分析
• 4.2.1 掺合料总量、复合比例对混凝土强度的影响
• 4.2.2 胶凝材料总量混凝土强度的影响
• 4.2.3 掺矿质超细粉路面混凝土长龄期强度
• 4.3 弯拉弹性模量分析
• 4.3.1 弯拉弹性模量
• 4.3.2 动弹性模量
• 4.4 高性能路面混凝土压折比分析
• 4.4.1 单掺矿质超细粉混凝土压折比分析
• 4.4.2 双掺矿质超细粉混凝土压折比分析
• 4.5 小结
• 第五章 季冻区高性能路面混凝土耐久性能研究
• 5.1 抗冻融性能
• 5.1.1 掺加磨细矿渣的混凝土抗冻性
• 5.1.2 掺Ｉ级粉煤灰混凝土抗冻性
• 5.1.3 复合超细粉混凝土抗冻性
• 5.2 抗渗透性能
• 5.2.1 单掺矿质超细粉混凝土的抗渗性
• 5.2.2 双掺矿质超细粉混凝土的抗渗性
• 5.3 耐磨耗性能
• 5.3.1 单掺矿质超细粉混凝土耐磨性试验
• 5.3.2 双掺矿质超细粉混凝土耐磨性试验
• 5.4 收缩性能（温缩、干缩性能）
• 5.4.1 单掺矿质超细粉混凝土的收缩性能
• 5.4.2 复合双掺矿质超细粉混凝土的收缩性能
• 5.5 抗腐蚀性能
• 5.6 抑制碱集料反应能力
• 5.6.1 碱集料反应的危害
• 5.6.2 抑制碱集料反应试验
• 5.6.3 试验结果分析
• 5.6.4 超细粉抑制碱集料反应能力分析
• 5.7 小结
• 第六章 高性能路面混凝土疲劳性能研究
• 6.1 混凝土疲劳特性分析
• 6.2 疲劳试验参数确定
• 6.2.1 加载模式
• 6.2.2 加载波形
• 6.2.3 加载频率
• 6.2.4 应力水平
• 6.3 高性能路面混凝土疲劳试验结果及分析
• 6.3.1 单掺矿质超细粉混凝土的疲劳试验结果及分析
• 6.3.2 复合双掺矿质超细粉混凝土的疲劳试验结果及分析
• 6.4 高性能路面混凝土与普通混凝土疲劳特性对比分析
• 6.4.1 普通混凝土疲劳方程
• 6.4.2 疲劳特性对比分析
• 6.5 小结
• 第七章 高性能路面混凝土微观结构及改性机理研究
• 7.1 微观形貌（SEM）分析
• 7.1.1 掺磨细矿渣的混凝土
• 7.1.2 掺粉煤灰的混凝土
• 7.1.3 复合掺矿质超细粉的混凝土
• 7.2 孔结构分析
• 7.2.1 单掺磨细矿渣的混凝土
• 7.2.2 单掺粉煤灰的混凝土
• 7.2.3 复合双掺矿质超细粉的混凝土
• 7.3 水化组分分析
• 7.3.1 X－射线衍射分析（XRDA）
• 7.3.2 差热分析（DTA/TG）
• 7.4 矿质超细粉混凝土改性机理分析
• 7.4.1 超细粉改善水泥浆体微观结构的机理
• 7.4.2 超细粉对高性能混凝土强度的作用机理
• 7.4.3 超细粉对高性能混凝土耐久性的影响
• 7.5 小结
• 第八章 试验路验证及经济性分析
• 8.1 试验路段概况及实验路方案
• 8.2 施工关键技术
• 8.3 后期观测分析
• 8.3.1 裂缝等表面性能观测分析
• 8.3.2 路面结构取芯评价、劈裂强度试验
• 8.3.3 氯离子渗透性试验分析
• 8.3.4 取芯件含气量气泡间距系数试验
• 8.4 性能价格综合分析
• 8.4.1 混凝土材料造价对比分析
• 8.4.2 性价比综合分析
• 8.5 小结
• 第九章 研究结论与创新点
• 9.1 研究结论
• 9.2 创新点
• 9.3 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢