矿物掺合料改良混凝土微观结构机理研究

第３７卷第１６期　２　０　１　１年６月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖ０ｌ＿３７　Ｎｏ．１６　Ｊｕｎ．２０１１　・１３３・　文章编号：１００９—６８２５（２０１　１）１６—０１３３－０３　矿物掺合料改良混凝土微观结构机理研究　金理强　张俊民摘徐锦平　要：运用显微硬度仪和压汞法研究了不同矿物掺合料对混凝土微观结构的影响，结果表明：矿物掺合料能有效改善　混凝土的界面过渡区和孔结构，与“单掺”“不掺”矿物掺合料相比，“双掺”矿物掺合料使混凝土的总空隙率和临界孔径　都大大降低，界面过渡区宽度变窄，混凝土微观结构得到明显改善。　关键词：矿物掺合料，微观结构，界面过渡区，孔结构　中图分类号：ＴＵ５２８　文献标识码：Ａ　０　引言　１　试验　　原材料　混凝土是一种复杂的、多组分、多孔隙的复合材料。为提高　１．１水泥：内蒙某水泥厂生产的Ｐ．０３２．５级普通硅酸盐水泥，各　混凝土的耐久性，越来越多的矿物掺合料和化学外加剂被引入到　　混凝土中。掺合料和外加剂的加入改变了传统混凝土的组分，也　项物理性能指标见表１。改变了其相应的特性。然而，试验中往往过多的从宏观角度研究　其特性的变化，忽视了混凝土宏观行为与微观结构问的内在联　系。已有文献［１］［２］指出，要想深入理解混凝土渗透性等特性，　表１水泥物理力学性能　检测　比轰面积　烧失　碱含　项目　ｍ２／ｋｇ　量／％　量／％　指标　≤３５０　≤５．凝结时间　抗折强　度／ＭＰａ　抗压强　度／ＭＰａ　要求　≥４５　ｒａｉｎ　ｌ≤１０　ｈ　３５必须从宏观到微观，对其微观结构特征进行研究，如混凝土的空　　ｌ　６．５　１６．０Ｉ　４２　５　隙率、最可几孔径和混凝土界面过渡区。本文通过显微硬度测定　检测结果　３４０　３．９　Ｏ．５８　２　ｈ　４８　ｍｉｎｌ３　ｈ　４０　ａｒｉｎ　６．２　ｌ　８．９　３１．５ｌ　４９．１　．０　≤０．６０　初凝　Ｉ　终凝　３　ｄ　Ｉ２８　ｄ　３　ｄ　ｌ　２８　ｄ　仪和压汞试验，研究了不同矿物掺合料混凝土界面过渡区的特　砂：普通河砂，细度模数为２．６～３．１，其他各项性能指标均满　足相应规范要求。　征，以及其水泥浆体孔结构的分布形状。　管径基础上再加１倍管径宽度。基础顶应在涵管纵向预留０．３％～　３．３　回填　０．６％的预拱度，基础层的压实度不应小于９５％，并检验基地承载　回填料采用１０％石灰土，涵管两侧回填对称施工，分层回填，　力满足设计要求。　每层厚度为２０　ｃｍ。涵管上方当回填土厚度超过３０　ｃｍ后，采用　３．２涵洞就位安装　在涵洞基础处理完成后，对运至现场涵洞进行就位安装工作。　１）检查涵管底部基础平整度、水平、标高；核对土建基准，确　轧路机静压；填土厚度超过６０　ｃｍ后，采用轧路机振压，压实度同　路基相应层位压实标准。　波纹管涵施工现场照片如图３所示。　定涵洞位置、中心轴线、中点。２）连接安装波纹管：根据涵洞实际　４结语　情况，排放涵管。３）管壁内外涂沥青，沥青可采用乳化沥青或热　津港高速公路工程中外环河涵洞采用金属波纹管涵新型道　沥青两遍，一般沥青涂层的厚度要达到０．５　Ｉｎｎ］。４）用千斤顶校　路建材，相对钢筋混凝土管涵节约工期约１个月，工程造价节省　正整道涵管，使其中心在所规定的中心线上。　约３０万元。从通车两年来使用情况来看，效果较好。因此，金属　波纹涵管涵在滨海软土地基中应用，充分发挥抗变形能力较强特　点，大大提高了道路行车的舒适度与安全性，避免了道路中桥涵　构造物的“跳台错车”现象。　，　参考文献：　［１］公路桥涵设计手册——涵洞［Ｓ］．　［２］ＪＴＧ　Ｄ６０—２００４，公路桥涵设计通用规范『Ｓ１．　图３波纹管涵施工现场照片　［３］ＪＧＪ　７９—２００２，建筑地基处理技术规范『Ｓ１．　Ｏｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＹＴＨＧ　ｉｎ　ｓｏｆｔ．ｓｏｉｌ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｏａｓｔａｌ　ａｒｅａｓ　ＹＡＮ　Ｘｉ．ｈｕａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ＹＴＨＧ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｃｕｌｖｅｒｔ　ｐｉｐｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓｍａｉｎ１ｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ。　，ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｒａｆｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃａｕｔｉｏｕｓ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＹＴＨＧ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙｓ　ｏｆ　ｓｏｆｔｓｏｉｌ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｔａｋｉｎｇ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉ—　—ｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｊｉｎ—Ｇａｎｇ　ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ，ａｎｄ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＹＴＨＧ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＹＴＨＧ，ｓｏｆｔ—ｓｏｉｌ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｏａｓｔａｌ　ａｒｅａａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　，收稿日期：２０１１．０２—１６　作者简介：金理强（１９７２一），男，硕士　工程师，江西省现代路桥工程总公司，江西上饶张俊民（１９６７一），男，工程师，江西省现代路桥工程总公司，江西上饶３３４０００　３３４０００　徐锦平（１９７７－），男，硕士，工程师，江西省九江市公路设计院。江西九江３３２０００　・１３４・　第３７卷第１６期　２　０　１　１年６月　山　西　建　筑　碎石：普通碎石。粒径范围采用５　ｍｍ～３１．５　ｍｒｔｌ的连续级　布形状及其特征有密切的关系。通过压汞试验测得混凝土孔结　配，其他各项性能指标均满足相应规范要求。　粉煤灰：当地发电厂生产的Ｉ级粉煤灰，各项指标见表２。　表２粉煤灰性能指标　％　指标　Ｉ　ＧＢ１５９６－Ⅱ　９　Ⅲ　元宝山Ｉ级粉煤灰　细度（４５　Ｊ玎筛余）　≤】２　≤２０　≤４５　９．０７　需水量比　≤９５　≤１０５　≤ｌｌ５　９１．６　烧失量　≤５　≤８　≤ｌ５　０．２５　含水量　≤１　≤ｌ　不要求　０．４　三氧化硫　≤３　≤３　≤３　０．４ｌ　２８　ｄ抗压强度比　≥７５　≥６２　９４　矿渣粉：内蒙某水泥厂生产的矿渣粉，各项指标均满足相关　标准。　减水剂：高效减水剂，减水率２０％。　水：地下洁净水。　１．２试验配比与方法　试验共制作了４组混凝土试样构件。构件规格为１５０　ｃｍ　ｘ　１５　ｏｍｘ１５　ｃｍ。每组配合比制作３个构件，共１２个。试验混凝土　配合比是在确定普通混凝土配合比的基础上，采用粉煤灰及磨细　矿渣等量取代水泥，按照“单掺”粉煤灰、矿渣粉以及“双掺”的方　法掺入。具体配合比见表３。构件成型后，暴露于自然环境下一　年后取样进行界面过渡区试验和压汞试验。　表３混凝土配合比　编号　ｗ／ｃ　水泥　粉煤灰　矿渣粉　减水荆　础　石　水　ｋｇ／ｍ３　ｋｓ／ｍ３　ｋｓ／ｍ３　％　ｋｓ／ｍ　ｋｓ／ｉｎ３　ｋｓ／ｍ　１号　０．４５　４００　０　Ｏ　Ｏ．７　６３７　１　１６２　１８８．８　２号　０．４５　４０Ｏ　４６．８　０　０．７　６３７　１　１６２　１８０　３号　０．４５　３ｌ２　０　７８　Ｏ．７　６３７　ｌ　１６２　１７５．５　４号　０．４５　２７３　４６．８　７８　Ｏ．７　６３４　１　１６２　１７９．０１　２结果讨论与分析　２．１　混凝土界面过渡区试验结果及分析　混凝土中最薄弱的环节是水泥浆与集料之间的界面，此界面　不是局限于“面”，而是水泥石与集料之间存在一过渡区。界面过　渡区粘结力的好坏不仅影响混凝土强度，还揭示了混凝土内部结　构的紧密程度。本试验采用ＨＸＳ一１０００Ａ型显微硬度测定仪进行　测定。每个试样共测试ｌ２个点。试验结果见图１，图２。由图１　可知，复合掺入１５％粉煤灰、２５％矿渣粉的４号混凝土显微硬度　平均值为３０．２　ＭＰａ，明显高于其他各组掺合料混凝土。“单掺”　粉煤灰、矿渣粉的２号，３号混凝土显微硬度值大致相同，但高于　１号不掺矿物掺合料的普通混凝土。从图２界面过渡区分布宽度　来看４号混凝土界面过渡区分布宽度最短，为７０　Ｉｘｍ。其界面过　渡区分布宽度的变窄将延长有害物质进入混凝土通道的时间，这　对其渗透性能的提高是有利的。　量Ｊ萎ｖ　Ｉ－＊－ｌ痧　挂１硝０Ｉ－　ｏＬ０　３０　—　５０　—７０——１９０—１　１０　构特征参数见表４。　呈１２０　詈８０　菩４＇鲁　０　０　１号　２号　３号４号　混凝土编号　图２混凝土界面过渡区分布宽度　表４混凝土孔结构特征参数　编号　１号　２号　３号　４号　总空隙率／％　１３．９８　ｌ５．６２　ｌ１．３１　９．３８　总孔体积／ｍＬ・ｇ一　０．０４８　８　０．０８３　０．Ｏ４２　８　０．Ｏ４５　４　最＊－ｊ＇）ＬｑＬ／￣ｍ　０．０７２　２　０．Ｑ５４ｌ　０．Ｏ１８　０．０ｏ８　６　临界孔径／　ｍ　０．１０８　３　０．Ｏ７２ｌ　０．０４３　３　０．０３６　孔隙率表示的是孔的体积占样品体积的百分比。由表４可　以看出，混凝土各组分的不同，其孔结构参数呈现不同的特征，并　且具有一定的变化趋势。将４号和１号，２号，３号试样对比发现，　４号试样总空隙率最低，为９．３８％，比２号不掺矿物掺合料混凝土　的空隙率低３２．９％。这是由于粉煤灰、矿渣粉微粒能均匀分布于　水泥浆体基相之中，就像微细的集料一样，能够很大程度上改善　水泥浆体的孔结构。从表４中可知矿物掺合料的复合掺入可以　大大有效降低混凝土中的空隙率。　描述孔结构形态时，常用临界孔径和最可几孔径参数。临界　孔径是指能将较大的孔隙连通起来的各孔的最大孔级，反映了混　凝土中孔隙的连通性和渗透路径的曲折性。临界孔径对混凝土　的渗透性影响最为重要。临界孔径为累积孔体积图上开始大量　增加孔体积处所对应的孔径。最可几孔径是指在孔径分布微分　曲线图中，其曲线峰值所对应的孔径，物理意义为：混凝土中小于　该孔径则不能形成连通的孔道，也为出现几率最大的孔径。累积　孔体积分布、孔径分布微分曲线分别见图３，图４。由表４，图３，图４　可以看出４号比１号的临界孔径大幅减小，为０．０３６　ｍ，减小幅　度达３倍之多；最可几孔体积减小了８８％，为０．００８　６　ｐ，ｍ，表明在　混凝土中复合掺人１５％的粉煤灰和２５％的矿渣粉能明显使混凝　土浆体中的孔结构连通性变差。以临界孔径评价混凝土的渗透　性能，可以预测，在掺有１５％粉煤灰和２５％矿渣粉的“双掺”混凝　土中，其抗渗性能最好。　肇ｏ００４１．卜暗＋ｌ０６１　量　．　幕００２１．｝　颦　０　．００　。　距／Ｉｚｍ　图３累积孔体积分布图　３结语　１）矿物掺合料的加入能显著改善混凝土的界面过渡区。与　不掺矿物掺合料的普通混凝土相比，“双掺”混凝土界面过渡区的　显微硬度值增大了１．７倍，界面过渡区分布宽度减小了３２．９％；　与“单掺”粉煤灰和“单掺”矿渣粉混凝土相比显微硬度值分别增大　了０．５倍和０．６倍，界面过渡区分布宽度减小了３０％和２２．２％。　２）矿物掺合料的掺入对混凝土孔结构的总空隙率和孔径分　布影响较大。与不掺矿物掺合料的混凝土相比，复合掺入２０％粉　煤灰和２５％矿渣粉的混凝土的总空隙率减少了３２．９％，临界孔径　减少了３００％；与“单掺”粉煤灰和“单掺”矿渣粉混凝土相比总空　第３７卷第１６期　２　０　１　１年６月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．１６　Ｊｕｎ．　２０１１　・１３５・　文章编号：１００９—６８２５（２０１　１）１６—０１３５—０２　最佳沥青用量确定方法的探讨　杨红毅　摘要：主要通过洋勉高速公路上面层沥青混合料最佳沥青用量的确定，讲述了最佳沥青用量的确定方法及应该注意的　问题，并进行了试验研究与分析，以使所确定的沥青用量更加合理。　关键词：沥青，最佳用量，确定　中图分类号：ＴＵ５２８．４２　文献标识码：Ａ　１　概述　公路作为国家重要的基础设施之一，其建设和通车促进了我　国经济社会的全面发展。随着公路事业的发展，公路里程在不断　应的沥青用量。　一般情况下，技术人员将所得的试验结果在图纸上画出来，　并把各点连成光滑曲线，然后在图中求取确定最佳沥青用量时所　　迅速增长，沥青路面由于其自身的抗滑性、舒适性和易修复性等　需的各沥青用量。下面结合洋勉高速路沥青混合料最佳沥青用量的确定，阐述　优点在路面中占有相当大的比例。　沥青混合料最佳沥青用量的确定方法。　沥青路面的主要材料是沥青混合料，沥青混合料中沥青的用　洋勉高速公路沥青路面上面层采用ＡＣ一１３型细粒式沥青混　量对沥青路面的使用性能有着非常重大的影响。当沥青用量过　经过马歇尔试验，试验结果及分析汇总表如表１所示。　少时，集料表面沥青膜过薄，混合料呈干枯状而缺乏足够的粘结　凝土，力，不能形成高的强度，稳定度不高，耐久性差，如水破坏、沥青老　化等。　１）确定最佳沥青用量的初始值ＯＡＣ　。　如图１所示，求取马歇尔稳定度和密度最大值相对应的沥青　用量ａ，：５．２％和ａ　＝５．２％，目标空隙率的中值对应的沥青用量　ａ　＝４．６％，以及饱和度范围的中值ａ　＝４．５％，最佳沥青用量的　ＯＡＣ１＝（ａＩ＋０２＋０３＋　）／４。　随着沥青用量的增加，混合料粘结力逐渐增强，稳定度随之　提高。然而随着沥青用量的进一步增加，集料表面沥青薄膜增　在荷载作用下容易产生滑动位移，从而降低稳定度，产生泛油、壅　包和车辙现象，影响行车安全和美观，并对路面产生一定程度的　破坏。　　厚，自由沥青增多，自由沥青就如集料颗粒之间的润滑剂，使颗粒　初始值为ＯＡＣ　。如果在所选择的沥青用量范围未能包括沥青饱和度的要求　范围，则：　ＯＡＣｌ＝（ａｊ＋Ｕ２＋ａ　）／３。　如何准确确定沥青最佳用量是每一位试验检测人员应尽的　责任，因此，寻找一种合理的沥青用量确定方法，使得所确定的沥　青用量适中（即最佳沥青用量）就显得尤为关键。　４．９％。　于是有初始值ＯＡＣ　＝（５．２％＋５．２％＋４．６％＋４．５％）／４＝　２）确定最佳沥青用量的中值ＯＡＣ：。　以各项指标均符合技术标准（不包括矿料间隙ＶＭＡ）的沥青　用量ＯＡＣ…～ＯＡＣ　的中值作为　ｃ２。　ＯＡＣ２＝（ＯＡＣ…＋ＯＡＣ　）／２。　２沥青最佳用量的确定方法　沥青最佳用量的确定采用马歇尔法进行。马歇尔试验分　３个程序：确定混合料视密度、测定混合料的马歇尔稳定度和流　值、分析试件的空隙率。为掌握每组试件中各单个试件的特性，　需要把马歇尔试验结果在图纸上绘制成特性曲线。为了确定最　佳沥青用量ＯＡＣ　和ＯＡＣ　，需要在特性曲线上分析求出一系列相　首先检查在沥青用量为初始值ＯＡＣ　＝４．９％，沥青混合料的　各项指标是否满足设计要求，同时检验矿料间隙ＶＭＡ是否符合要　隙率分别减少了３９．９％和１７％，临界孔径分别减少了４９．４％和　［２］　吴中伟，廉慧珍．高性能混凝土［Ｍ］．北京：中国铁道出版　１６．９％，“双掺”混凝土微观结构改善最为明显。　参考文献：　社，１９９９．　［３］　付洪波．矿物掺合料对水泥砂浆强度和早期裂缝的影响　［Ｊ］．山西建筑，２０１０，３６（７）：１３５—１３６．　［１］　赵铁军．混凝土渗透性［Ｍ］．北京：科学出版社，２００６．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｐｏｒｔｌａｎｄ　ｃｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｉｎｅｒａｌ　ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ　ＪＩＮ　Ｌｉ—ｑｉａｎｇ　ＺＨＡＮＧ　Ｊｕｎ－ｍｉｎ　ＸＵ　Ｊｉｎ－ｐｉｎｇ　Ａｂｓ￣ａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，Ｍｅｒｃｕｒｙ　Ｉｎｔｒｕｓｉｏｎ　Ｐｏｒｅｓｍｅｔｙ（ＭＩｒＰ）ａｎｄ　ｍｉｃｒｏ—ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｔｅｓｔ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｏｒｄｉｎａ１　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆ－　ｆｅｒｅｎｔ　ｍｉｎｅｒａｌ　ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｍｉｎｅｒａｌ　ａｄｍｉｘｔｕｒｅｇ　ａｒｅ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｏｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ＩＴＺ　ｏｆ　ｏｒｄｌｎａ１　ｃｏｎｃｒｅｔｅ．　Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｓｉｎｇｌｅ—ａｄｄｅｄ　ａｄｄｉｔｉｖｅｓ，ｍｕｌｔｉ—ａｄｄｅｄ　ａｄｄｉｔｉｖｅｓ　ｍａｄｅ　ｔｏｔａｌ　ｐｏｒｅ　ｖｏｌｕｍｅｓ　ａｎｄ　ｐｏｒｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｏｒｄｉｎａｌ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｇｒｅａｔｌｖ　ａｒｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ．　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ＩＴＺ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔＩｌｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｏｒｄｉｎａ１　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｗｅｒｅ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ　ｅｎｈａｎｃｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｄｍｉｘｔｕｒｅ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ＩＴＺ，ｐｏｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　收稿日期：２０１１．０２—１８　作者简介：杨红毅（１９７１－），男，工程师，陕西省公路勘察设计院，陕西西安７１００６８