高强高韧性桥面铺装混凝土制备及其性能研究_李永鹏1.docx

《高强高韧性桥面铺装混凝土制备及其性能研究_李永鹏1.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高强高韧性桥面铺装混凝土制备及其性能研究_李永鹏1.docx（92页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 分类号 :U414 10710-2011131051 高强高韧性桥面铺装混凝土制备及其性能 研究 李永鹏 导师姓名职称 陈 拴 发 教 授 盛 艳 萍 副 教 授 申请学位级别工学硕士 学科专业名称道路材料科学与工程 论文提交日期 2014 年 5 月 17 日论文答辩日期 2014 年 06 月 11 日 学位授予单位 长安大学 A Study on Properties and Preparation of High Strength and High toughness of Bridge Deck Concrete A Dissertation Submitted for the D

2、egree of Master Candidate： Li Yongpeng Supervisor： Prof. Chen Shuanfa Associate Prof. Sheng Yanping Chang an University, Xi an, China 论文独创性声明 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。 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下

3、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） 摘 要 水泥混凝土由于原材料丰富、 强度高、 刚度大和性价比高等优点而成为重要 的桥面铺装材料之一。 但水泥混凝土的抗拉强度低、 脆性大， 易开裂， 因而在交 通荷载、 自然因素与收缩应力等综合作用下， 较易出现裂缝和断裂等病害， 且病 害一旦形成， 修复难度较大， 将严重影响桥梁的安全性和桥面铺装的耐久性。 本 文采用混杂纤维增强技术手段， 综合考虑

4、混凝土工作性、 力学性能和弯曲性能， 从多尺度角度对混凝土进行了增强增韧设计， 制备出了具有变形硬化特征的高强 高韧性水泥混凝土桥面铺装材料，并对其性能进行了深入研究。 论 文 从 单 纤 维 增 强 混 凝 土 入 手 ， 对 聚 乙 烯 纤 维 （ PE) 混 凝 土 和 聚 丙 烯 粗 合 成 纤 维 （ CPP) 混 凝 土 的 力 学 性 能 和 弯 曲 性 能 进 行 了 研 究 。 结 果 表 明 ， 单 纤 维 混 凝 土抗 压强 度 可达 60MPa ， 单 纤维 混凝 土 的变 形性 能 有所 改善 ， 混 凝 土荷 载 - 挠 度曲线由脆性破坏变为变形急速软化， 具有一定

5、的裂后承载能力， 但混凝土的弯 曲韧性仍较差，单纤维增軔方式不能使混凝土获得高靭性。 基于混凝土多相、 多尺度层次的非均质结构特性， 结合单纤维增韧的试验结 果， 本文采用了两种不同性 质和不同尺度的纤维混杂增强增韧体系 聚乙烯纤 维与聚丙烯粗合成纤维混杂体系， 对混凝土内不同结构和性能层次进行了逐级强 化与增軔， 制备出了高强高韧性混杂纤维混凝土， 并通过抗压强度试验、 四点弯 曲 试 验 、 纤 维 / 基 体 界 面 改 性 试 验 和 耐 磨 性 试 验 对 混 杂 纤 维 混 凝 土 性 能 进 行 了 全 面 研 究 。 结 果 表 明 ， 混 凝 土 抗 压 强 度 超 过 60

6、MPa ， 抗 弯 拉 强 度 可 达 8MPa; 混 凝 土 弯 曲 性 能 显 著 提 高 ， 荷 载 - 挠 度 曲 线 饱 满 并 具 备 变 性 硬 化 特 征 ， 裂 后 承 载 保 持 能力较强； 混杂纤维混凝土的韧性指数与残余强度系数明显提高， 均超过理想弹 塑 性 材 料 ， 抗 弯 拉 韧 性 水 平 多 数 为 3, 部 分 可 达 4; CPP 纤 维 / 基 体 界 面 改 性 后 ， 粘结强度提高， 界面区结构更为密实， 界面微结构得以强化， 在宏观上可延缓大 裂缝的扩展与混凝土的破坏， 辅助细观尺度的增韧， 有效提高混凝土的弯曲韧性 ; 材料耐磨性与抗渗性随粗集料

7、体积水平提高而降低，因此粗集料水平不宜过高。 关键词 ： 水泥混凝土；高韧性；混杂纤维；弯曲性能；微细观性能 Cement concrete has been one of the important bridge deck paving materials owing to abundant raw materials, high strength, large rigidity and economy. However, tensile strength of concrete was low ,brittleness was high. Under combined effects of

8、 traffic loads, natural factors and shrinkage stress, concrete is prone to crack ,and itis difficult to repair once the disease is formed. It would seriously affect the safety and durability of bridge deck pavement. In this paper, high strength and high toughness cement concrete was prepared by hybr

9、id fiber reinforced technology and its properties were studied. Paper launched from single-fiber reinforcing and toughening. Mechanical properties and flexural properties of polyethylene fibers (PE fiber) concrete and coarse synthetic polypropylene (CPP fiber) concrete was studied. The results showe

10、d that compressive strength of single-fiber concrete was up to 60MPa, deformation properties of single-fiber concrete was improved, load-deflection by rapid deformation hardening curve becomes brittle failure , concrete has a certain carrying capacity after cracking, but the flexural toughness of co

11、ncrete still was poor, the single-fiber reinforced concrete could not receive high toughness. Based on structural features of concrete of muti- phase,two different fiber was used to reinforce concrete, combined with the results of single-fiber toughening , The different levels of structure and prope

12、rties of concrete was progressively strengthened and toughened. Hybrid fiber reinforced concrete with high strength and high toughness was prepared. Its properties was studied through the strength test , the four-point bending test , the fiber/matrix interfacial modification trials and abrasion and

13、wear resistance properties test. The results showed that the compressive strength of concrete was over 60MPa, flexural strength was up to 8MPa; bending performance of concrete significantly improved, load-deflection curves was plumper and had interface modified, bond strength was improved, interfaci

14、al zone structure was more dense, interfacial microstructure was strengthened, expansion of large cracks and destruction of concrete was delayed at macroscope, the meso-scale toughening was assisted, the flexural toughness of concrete was effectively improved; with the coarse aggregate volume levels

15、 improve, wear resistance and impermeability of concrete reduced, so coarse aggregate level should not be too high. Keywords: cement concrete; high toughness; hybrid fiber; bending performance; micro-meso-performance 目 录 m-s 谢仑 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 刚性桥面铺装层应用研究现状 . 1 1.2.1 刚性桥面铺装层材料 . 1 1.2.2 刚性桥面铺装层

16、破坏类型及原因 . 5 1.2.3 刚性桥面铺装层材料要求及存在的问题 . 7 1.3 主要研究内容 . 9 第二章原材料性质与试验方法 . 11 2.1 原材料 . 11 2.1.1 胶凝材料 . 11 2.1.2 . 12 2.1.3 外加剂 . 12 2.1.4 纤维 . 13 2.2 试验方法 . 14 2.2.1 抗压强度试验 . 14 2.2.2 弯曲性能试验 . 14 2.2.3 耐磨性与抗渗性试验 . 18 2.2.4 微细观性能试验 . 18 第三章单纤维混凝土性能研究 . 21 3.1 单纤维混凝土配合比设计 . 21 3.2 单纤维混凝土工作性 . 21 3.3 单纤维混

17、凝土抗压强度 . 22 3.4 单纤维混凝土弯曲性能 . 23 3.4.1 荷载 -挠度曲线 . 23 3.4.2 弯曲韧性评价 . 29 3.5 本章小结 . 31 第四章高强高韧性混杂纤维混凝土宏观性能研究 . 32 4.1 混杂纤维混凝土配合比设计 . 32 4.1.1 配合比设计特点 . 32 4.1.2 配合比设计要点 . 32 4.1.3 配合比设计方案 . 32 4.2 混杂纤维混凝土工作性 . 34 4.2.1 纤维掺量对工作性的影响 . 34 4.2.2 砂胶比对工作性的影响 . 34 4.3 混杂纤维混凝土抗压强度 . 35 4.3.1 纤维掺量对抗压强度的影响 . 35

18、4.3.2 砂胶比对抗压强度的影响 . 37 4.4 混杂纤维混凝土弯曲性能 . 38 4.4.1 纤维掺量对弯曲性能的影响 . 38 4.4.2 砂胶比对弯曲性能的影响 . 48 4.4.3 材料参数对弯曲性能影响差异分析 . 51 4.4.4 增韧机理分析 . 58 4.5 混杂纤维混凝土耐磨性与抗渗性 . 60 4.6 本章小结 . 61 第五章高强高韧性混杂纤维混凝土微细观性能研究 . 63 5.1 纤维 /基体界面微结构 . 63 5.2 纤维 /基体界面区强化分析 . 64 5.2.1 单纤维拔出试验 . 64 5.2.2 X 射线衍射分析 . 65 5.2.3 显微硬度测试 .

19、66 5.2.4 SEM 微观分析 . 67 5.3 改性混杂纤维混凝土弯曲性能 . 69 5.3.1 荷载 -挠度曲线 . 69 5.3.2 弯曲性能评价 . 70 5.4 本章小结 . 71 第 六 章 结 论 与 建 议 . 7 3 6.1 73 6.2 建议 . 73 参考文献 . 75 攻读学位期间取得的研究成果 . 79 SC tt . 81 第 一 章 绪 论 1. 1 研究背景 桥面铺装通常指铺筑在桥面板上的沥青（ 或水泥） 混凝土、 聚合物等材料而 构成的保护层， 可起到保护桥面板结构和分散车辆集中荷载的作用。 桥面铺装材 料的性能将直接影响桥梁的安全性， 其使用性能又往往影

20、响着行车安全舒适性、 桥梁的寿命及其投资效益和社会效益。 由于桥面铺装层直接铺设在水泥混凝土桥 面或正交各向异性板， 在交通荷载， 风荷载和温度变化的影响， 地震和其他因素 的影响， 应力和变形比普通路面复杂得多。 桥面铺装材料应该具有较好的抵抗变 形和开裂能力， 以及良好的抗疲劳、 耐久性能， 并保持与桥面良好的粘结性及变 形适应性 1 4。 近年来， 我国交通事业发展迅猛， 越来越多的地方需要修建桥梁， 尤其在高 等级公路上， 大跨径、 超大跨径桥梁和新型结构桥梁不断增多， 桥梁工程对结构 材料的要求越来越高。水泥混凝土由于原材料丰富、强度高、刚度大、耐久性好， 而成为理想的刚性桥面铺装材

21、料。 然而长期的研究和工程应用表明水泥混凝土作 为不可或缺的主要结构材料，也有很多不足，主要表现为：抗拉强度低、韧性差、 易开裂， 行车舒适性相对较差， 且病害一旦形成， 难以修复， 严重影响桥梁的运 营安全和桥面铺装的使用耐久性。 目前， 传统水泥混凝土的低弯拉强度和高脆性特征， 已成为制约其更广泛应 用的关键因素。 如何提尚混凝土变形能力， 减少病害发生， 延长使用寿命， 使桥 面铺装结构进一步适应其苛刻的使用环境， 已成为当前亟待解决的技术难题。 本 文利用纤维增强技术， 对刚性桥面铺装混凝土进行优化设计， 以期大幅提高桥面 铺装混凝土的韧性、变形适应性及耐久性，确保公路桥梁的安全行车和

22、使用寿命。 1. 2 刚性桥面铺装层应用研究现状 1.2.1 刚性桥面铺装层材料 常见的刚性桥面铺装层材料主要有： 普通混凝土、 聚合物混凝土、 轻集料混 凝土和钢纤维混凝土等。普通混凝土桥面铺装层因其抗弯拉强度低、脆性大、易 开裂等缺点，在服役期极易发生损坏，目前在多数桥梁铺装层中已经很少应用。 (1) 聚合物水泥混凝土 聚合物水泥混凝土由于其具有高抗弯强度、 良好的变形能力、 防水性能及耐 久性而被广泛用于建筑，桥梁，隧道混凝土结构中 5_6。 聚 合 物 混 凝 土 最 早 出 现 在 1909 年 ， 1924 年 Lefebure 获 得 了 第 一 个 聚 合 物 混 凝土专利，

23、专利采用天然橡胶乳液制造聚合物水泥混凝土 7 。 上世纪 5060 年代， 高分子材料工业发展迅速， 人们开始将大量高分子材料用于配制聚合物水泥混凝 土 ， 其 中 英 国 、 日 本 、 苏 联 、 德 国 等 国 开 始 了 对 其 的 科 学 研 究 。 在 20 世 纪 50 年 代， 美国 开始 将纯 聚 合物 混凝 土 （ PC) 推 向市 场， 主要 用来 生 产人 造大 理石 、 建筑墙面板等 8。 1971 年， 美国 混凝 土协 会设 立聚合 物混 凝土 委员 会， 即 548 委员 会 9 。 美 国 塑料工业协会（ SF*I)亦设立聚合物混凝土委员会 （ Polymer

24、 Concrete Committee), 这 两 个 机 构 有 效 地 促 进 了 聚 合 物 混 凝 土 发 展 1 。 548 委 员 会 每 2 3 年 组 织 一 次 学术研讨会， 会后出版了论文集、 技术说明和使用指南等。 这些国际会议论文收 集了各国有关聚合物混凝土研究新成果， 有效推动了世界道路工程、 桥梁工程、 水利工程等建筑业的发展。 (2) 轻集料混凝土 近几十年来， 随着大跨度桥梁的发展， 桥面铺装层对其材料性能提出了更高 的要求，“ 轻质高强” 已成为桥面铺装混凝土的发展趋势。 轻集料混凝土（ 以下 简 称 LWAC) 最 大 的 优 点 即 自 重 小 ， 较 同

25、 强 度 等 级 的 普 通 混 凝 土 可 降 低 自 重 20%25% ， 还 具 有 抗 冻 抗 震 性 能 好 、 无 碱 集 料 反 应 等 特 点 ， 最 适 合 于 建 造 高 层 、 大跨土木工程等结构 11_12。 最 早 在 1920 年 左 右 ， 人 们 就 开 始在 建 筑 当 中 使 用 人 造轻 集 料 ， S_J 海 德 最 先 采 用 回 转 窑 烧 制 出 了 陶 粒 轻 集 料 13_15 。 1928 年 ， 美 国 已 经 将 轻 集 料 应 用 f 实 体 工程中 ， 而西欧国家则晚的多 ， 直到第二次世界大战后才有了轻集料 。 美国和 前 苏 联

26、由于 本 国天 然 普通 集 料较 少 ， 轻 集 料得 以 大量 生 产和 广 泛应 用 16 。 1972 年 ， 美 国 轻 集 料 年 产 量 近 2000 万 m3, 且 产 量 不 断 增 多 。 1993 年 以 后 ， 美 国 轻 集 料 年 产 量开 始 下降 ， 约 350415 万 m3,其 中 有 80 万 m3 左 右 被用 来 制作 结 构混凝 土 171 。 日 本 由 于 经 济 衰 退 ， 轻 集 料 产 量 在 70 年 代 已 开 始 下 降 ， 1999 年 产 量 已 降 至 277 万 m3 。 当 前 ， 挪 威 在 轻 集 料 混 凝 土 研 究

27、 和 应 用 方 面 比 较 领 先 ， 其 中 膨 胀 粘 土 轻 集 料 得 到 大 量 应 用 。 到 80 年 代 后 期 ， 前 苏 联 的 轻 集 料 产 量 世 界 第 一 ， 年 产 量 多 达 5000m3, 广 泛 用 于 房 建 工 程 ， 同 时 ， 在 桥 梁 工 程 中 的 应 用 也 日 益 增 多 ， 自 1961 年至 1980 年 间 ，超过 100 座 桥 梁结 构 中使 用 了轻 集 料混 凝 土桥 梁 。 在 20 世纪 60 年代， 我 国桥梁工程即开始 使用轻骨料混凝 土作为结构材料， 到 目 前 已 有 很 多 工 程 实 例 。 1960 年

28、湛 河 大 桥 建 成 ， 成 为 我 国 首 座 轻 集 料 混 凝 土 桥 梁 ； 1968 年 南 京 长 江 大 桥 桥 面 板 使 用 了 等 级 CL30 的 轻 集 料 混 凝 土 ； 1969 年 宁 波 反 帝 桥 和 解 放 桥 同 样 利 用 轻 集 料 混 凝 土 作 为 结 构 材 料 ； 在 1966 以 后 ， 上 海 先 后 建 成 30 多 座 中 、 小 跨 径 的 轻 集 料 混 凝 土 桥 梁 ； 2000 年 天 津 永 定 新 河 大 桥 使 用等 级 CL40 轻集 料混 凝土 现场 浇筑 了长达 1200m 的预 应力 梁， 桥体 最大 跨径可

29、达 35m ， 这 成 为 当 时 我 国 首 次 大 规 模 使 用 轻 集 料 混 凝 土 构 筑 桥 梁 结 构 ； 2002 年 上海卢浦大桥同样使用了等级 CL40 的轻集料混凝土 18。 相对于西方先进国家， 我国桥用轻质混凝土无论在强度、 桥梁跨径方面， 还 是在浇筑工艺、水平方面均有很大不足。在强度方面，轻质混凝土缺乏高强等级， 大 多是 CL40 或 以下 ； 在 桥梁 跨 径 方面 ， 多是 中 、 小跨 径 拱桥 、 简 支梁 桥 或 辅助 结构， 在预应力桥梁中应用较少； 在浇筑工艺方面， 往往是直接浇注成型、 搅拌 站输送， 且泵送工艺仍不成熟。 因此， 这些极大地限

30、制了轻质混凝土在大跨径桥 梁中的应用，距离广泛应用还需作大量研究工作。 (3) 纤维混凝土 裂缝是桥面铺装病害中最常见的破坏形式之一， 因此， 桥面铺装时要着重考 虑水泥混凝土桥面铺装层的防裂问题。 在混凝土中加入纤维可有效提高混凝土抗 裂性能，并延长混凝土服役寿命。 纤维混凝土是一种由混凝土作为基体和纤维作为增强体而组成的复合材料， 其具有良好的抗裂性、 抗变形性和耐久性等特点， 可广泛用于易产生开裂破坏等 病 害 的 路 面 、 桥 面 、 道 面 等 铺 面 工 程 19 。 根 据 纤 维 的 材 性 ， 纤 维 混 凝 土 主 要 包 括： 金属纤维混凝土、 无机纤维混凝土和有机纤维

31、混凝土（ 包括天然纤维混凝土 和合成纤维混凝土）。 金属纤维混凝土主要为钢纤维混凝土 （ Steel Fiber Reinforced Concrent, 简称 SFRC)。 SFRC 是一种由水泥、 集料和随机分布的短钢纤维组合而成的复合材料， 与传统的水泥混凝土材料相比， SFRC 的抗拉强度、 軔性及抗裂性能显著增强 2 。 随 着 我 国 交 通 建 设 的 推 进 ， 以 往 的 普 通 桥 面 铺 装 混 凝 土 已 渐 不 能 满 足 其 发 展 水 平， 路面病害逐年增多， 养护维修工作不断增加， 往往修复后很快出现二次破坏， 严重影响交通服 务水平。 而采用 SFRC 铺筑或

32、修复加固 的桥梁可以很好的克服以 上缺点， 这是因为掺入钢纤维后， 钢纤维可以延缓混凝土内部缺陷发展， 提高水 泥混凝土力学性能，从而使其抗裂性、抗冲击疲劳性、韧性及耐磨性等明显提高， 行 车 舒 适 平 稳 ， 使 用 年 限 显 著 增 长 21 。 1960 年 左 右 ， 出 现 并 被 用 于 工 程 中 ， 随 着 钢 纤 维 生 产 技 术 和 SFRC 制 造 水 平 的 不 断 提 高 ， 到 80 年 代 ， SFRC 在 世 界 各 国 得 到 大 量 推 广 应 用 。 我 国 对 钢 钎 维 混 凝 土 研 究 相 对 较 晚 ， 1970 年 以 后 钢 纤 维 才

33、进入工业生产阶段， 不过由于当时纤维品种较少， 产能低下， 限制了钢纤维混 凝 土 的 发 展 ， SFRC 在 工 程 应 用 更 是 屈 指 可 数 。 1991 年 10 月 ， 我 国 成 立 了 中 国 土木工程学会混凝土及预应力混凝土学会纤维混凝土委员会， 并制定了行业标准 钢纤维混凝土， 经过近 20 年的不断努力， 我国关子 SFRC 的研究和应用如雨 后春笋般迅速发展，深入研究了 SFRC 的各项性能， SFRC 施工技术也逐渐成熟， 广泛应用于路面 、 桥面等工程建设 22 。 但随着对 SFRC 的深入研究和推 广应用， 其缺点亦不容忽视。 钢纤维掺量增加， 拌合物粘聚性

34、增强， 分散阻力变大， 机械 磨损率增加， 还会造成施工困难， 且随着混凝土使用年限的延长， 钢纤维腐蚀还 会严重威胁混凝土耐久性。 合 成 纤 维 混 凝 土 的 工 程 应 用 最 早 出 现 在 英 国 23_24 。 早 在 40 年 前 ， 英 国 就 把 剁碎的聚丙烯掺到混凝土中而应用于西部海岸防浪堤。 随后， 聚丙烯纤维混凝土 (Polypropylene Fiber Reinforced Concrete, 简 称 PPFRC) 由 于 优 异 的 抗 裂 性 能 而 被 世 界 上 很 多 国 家 重 视 起 来 并 推 进 了 其 在 工 程 中 的 应 用 。 1985

35、年 ， 美 国 陆 军 工 程兵团将聚丙烯纤维网掺入到混凝土中， 利用纤维网的桥联增强作用来提高混凝 土抗爆性。 1985 年， 美国在宾西法尼亚州 322 号高速公路上做了 15km 的对比试 验。 由于聚丙烯纤维优异的抗裂性能，因此世界各国在桥梁也开始大量使用， 如： 加拿大萨门河上的 104 高速公路桥为提高桥面板的抗裂性而掺入少量聚丙烯纤 维， 使用结果表明纤维起到了良好的防裂作用； 江苏润杨长江公路大桥桥墩采用 了 PPFRC ， 武汉长江二桥的桥面铺装层和桥墩在维修加固时同样采用的 PPFRC, 桥梁投入使用后很长时间没有出现开裂病害，表明聚丙烯纤维增强作用得到良好 发挥。 除 聚 丙 烯 纤 维 被 应 用 于 混 凝 土 外 ， 聚 乙 烯 醇 （ PVA) 纤 维 由 于 其 优 异 的 性 能 也 被 开 始 应 用 于 增