水泥乳化沥青混凝土的配合比设计试验研究.pdf

2 0 1 2年 第 8期 (总 第 2 7 4期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 2 ( T o 1 No 2 7 4 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL D ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 8 0 2 0 水泥乳化沥青混凝土的配合比设计试验研究 闰小虎 ，杨华全，石妍，李明霞 ( 长江科学院 国家大坝安全工程技术研究中心 水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要： 通过正交设计方法， 研究水泥乳化沥青混凝土的配合比， 并进行水泥乳化沥青混凝土的性能试验。 试验结果表明： 黏土掺量是 影响水泥乳化沥青混凝土抗压强度的主要因素， 其次是青胶比， 再次是水胶比； 随着龄期增长， 水泥乳化沥青混凝土强度及变形性能逐渐 增加； 早期抗压强度较低， 后期强度增长较快， 2 8 d 抗压强度明显高于传统塑性混凝土； 弹性模量较低， 模强比低于 5 0 0 。 期望促进水泥乳 化沥青混凝土的理论研究和工程实践。 关键词： 水泥乳化沥青混凝土；正交试验；配合比；抗压强度；弹性模量 中图分类号 ： T U5 2 8 0 6 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 6 6 0 2 Ex pe r i me nt a l r e s e ar c h or l mi x t ur e r a t i o of c e m e n t e m u l s i f i ed a s pha R c onc r e t e Y AN Xi a o - hu ， YANG Hu a q u a n， S HIYa h， L I M i n g- x i a ( Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i tu t e ， Re s e a r c h C e n t e r o f Na t i o n a l Da m S a f e t y E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y， R e s e a r c hCe n t e r o f Wa t e r E n g i n e e r i n g S a f e t y a n dDi s a s t e r P r e v e n t i o n o f Mi n i s t r y o f Wa t e r R e s o u r c e s ， Wu h a n4 3 0 0 1 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： By t h e o r t h o g o nd e s i g n mh o d， the mix pr o p o r t i o n o fthe e mu l s i fi e d a s p h a l t c o n c r e t e h a s b e e n o p t i mi z e d a n d t h e p e r f o r ma n c e t e s t o f t h e e mu l s i fie d a s p h a l t c o n c r e t e h a s b e e n c o nd u c t e d Re s u l t s s h o w a s f o l l o ws ： a f f e c t the e mu l s i fi e d a s p h a l t c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s We n g t h o f t h e ma i n f a c t s i s the c l a y c o n t e n t f o l l o we d b y a s ph a l t - b i n d e r r a t i o a nd wa t e r - b i n d e r r a t i o； a s a g e i nc r e a s e d， s e n g t h an d d e f o r ma t i o n p r o p e rti e s o f t h e e mu l s i fi e d a s p h a l t c o nc r e t e inc r e a s e d g r a d u a l l y； t h e e l a s t i c mo d u l e i s r e l a t i v e l y l o we r ， mo d u l u s s t r e n g t h r a t i o i s l e s s t h a n 5 0 0I t i s e x p e c d t h a t th e t h e o r e t i c a l r e s e a r c h an d t h e e n g i n e e r i ng p r a c t i c e o f t he e mul s i fie d a s p ha l t c o n c r e wi l l b e p r o mo t e d Ke yw or ds ： c e me n t e mu l s i fie da s ph a l t c o n c r e t e ； o r t h o g o n a l t e s t ； mi xp r o p o r t i o n； c o mp r e s s i v ep r o gre s s ； e l a s t i cmo d ul e 0 引 言 防渗体系在水利水电工程中占有重要位置。 普通混凝土弹 性模量较大 ， 往往 比周围土体的变形模量要高出几百倍， 当工 程投入运行时， 墙顶部及侧面受到巨大的压力作用， 致使墙体 产生的应力和变形比设计值高很多， 因而墙体容易出现裂缝 ， 防渗作用降低， 严重时会使防渗遭到破坏 ， 大坝的安全受到威 胁【 IJ 。 传统塑f生混凝土通常采用膨润土或黏土、 粉煤灰等掺合料 取代部分水泥 ， 以提高防渗墙体的抗裂能力口 。 因其弹性模量 低、 极限应变较大， 能较好地适应坝体与坝基的变形， 以及可靠 的防渗效果成为许多重要水电工程的首选方案。 然而， 由于传统 塑性混凝土的强度偏低、 耐久性不足等局限性， 目前基本仅用 于堤防、 副坝或围堰等临时防渗建筑。 本试验采用黏土和乳化沥青作为复合增韧材料， 通过正交 设计的配合比设计方法 ， 配制中等强度、 高韧性、 耐久性优良的 水泥乳化沥青混凝土。 旨在改善传统防渗墙的防渗抗裂效果 ， 并突破传统塑性混凝土的适用范围， 能够用于深覆盖层下永久 性防渗墙或其他高抗裂混凝土， 为理论研究和工程实践提供参考。 1 原材料与试验方 法 试验采用华新 4 2 5级中热硅酸盐水泥， 云南宣威 I 级粉煤 灰和某工程用黏土， 乳化沥青为阳离子型； 骨料为某工程的大 理岩人工砂和砂岩人工碎石， 碎石粒径为 5 2 0 mm， 骨料 的品 质符合 DL T 5 1 4 4 -2 0 0 1 ( 水工混凝土施工规范 的相关技术要 求 ； 外加剂包括江苏博特聚羧酸高效减水剂和江苏博特 GY Q 引气剂。 参照 D L T 5 3 3 0 - - 2 0 0 5 ( 水工混凝土配合比设计规程 的相 关规定 ， 优选水泥乳化沥青混凝土的配合比参数及取值范围， 结合正交设计方法， 拟定三因素两水平的混凝土试验方案。 水泥乳化沥青混凝土的试验均在常温下进行， 成型时控制 坍落度在( 1 8 2 ) c m， 含气量在 3 5 。 成型过程及性能测试 方法参照 D L T 5 l 0 O 一2 0 0 1 水工混凝土试验规程 。 静力抗压 弹性模量的测试中， 针对水泥乳化沥青混凝土中低强度 、 变形 稍大的特点， 试件仍采用 1 5 0 mmx 3 0 0 l T l n l 的圆柱体 ， 但应变 量测装置采用千分表， 全标距测量变形值， 然后绘制应力一 应变 关系曲线， 通过作图法 ， 在曲线上取直线段的斜率作为水泥乳 化沥青混凝土的弹性模量 。 2 试验结果分析 2 1 正交试验结果与分析 正交设计是多因素多水平试验的一种有效的设计方法， 利 用“ 均衡分散性” 与“ 整齐可比性” 两条正交性原理， 从大量的试 收稿 日期 ：2 0 1 2 - -0 2 2 1 基金项目：国家 自 然科学基金重点项目( 5 0 5 3 9 0 1 0 ) ； 中央级公益性科研院所基本科研业务费( C K S F 2 0 1 1 0 1 8 e L ) 66 验点中挑选出适量的具有代表性的试验点， 能大大减少试验次 数。 水泥乳化沥青混凝土正交试验结果见表 l ， 其中定义胶凝材 料为水泥、 粉煤灰和黏土， 水胶比、 青胶比、 黏土掺量分别为水 、 乳化沥青 、 黏土与胶凝材料 的质量 比。 表 1 水泥乳化沥青混凝土正交试验 结果 正交设计通常采用极差及方差对试验结果进行分析。 极差 R能体现一组数据波动的范围， 极差越大离散程度越大 ， 它是 两个参数 、 中大值减去小值的差， 极差越大说明这个影响因 素改变时对试验指标的影响越大， 这个因素是主要影响因素。 而 方差是用来衡量一批数据偏离平均数的大小， 方差越大说明数 据波动越大， 越不稳定。 方差分析结果中 F比越大， 此数据波动 越大。 水泥乳化沥青混凝土正交试验抗压强度极差结果见表 2 ， 正交试验 2 8 、 9 0 d抗压强度与影响因素关系见图 I 、 2 。 对表 1 的试验数据进行方差计算， 并分析方差来源 ， 方差分析结果见 表 3 。 试验结果表明： ( 1 ) 随着水胶比、 青胶比及黏土掺量的增大 ， 2 8 、 9 0 d龄期 的混凝土抗压强度逐渐降低。 ( 2 ) 三个影 响因素 中 ， 黏土掺量 的极差最大 ， 是最主要 的影 响因素 ， 其次是青胶比， 最后是水胶 比， 这与普通混凝土不同。 表 2 水泥乳化沥青混凝土正交试验抗压强度极差( 只) 分析表 垂 6 0 4 5 o 6 0 水胶 比 ( a ) 青胶 比 ( b ) 霎 粪 ： 20 40 黏土掺 量 ( c ) 垂 I O 4 重 I O 4 0 4 5 0 6 0 0 2 0 4 2 0 4 0 水胶比 青胶 比 黏土掺量 ( a ) ( b ) ( c ) 图 2 9 0 d抗压强度与影 响因素 图 表 3 水泥乳化沥青混凝土正交试验抗压强度方差分析结果 普通混凝土的强度服从“ 水灰比定则” ， 即“ 水灰 比” 是决定因 素， 当原材料 、 质量和其他条件不变时， 水灰比的确定， 就决定 了混凝土强度的大小 5 。 分析原因， 黏土作为惰性材料， 掺人后 减少了水泥用量 ， 水泥水化产物减少 ， 消弱了与砂石骨料的胶 结能力， 其网状结构 比普通混凝土单薄， 混凝土强度显著降低。 乳化 沥青可延缓水 泥的水化 ， 一方 面乳化沥青破乳 后 ， 释放水 分参与水泥水化 ， 一方面部分沥青包裹水泥颗粒及水化产物 ， 改变了混凝土结构 ， 降低了混凝土的界面黏结 ， 因此大大降低 混凝土强度， 尤其是早期。 且乳化沥青本身含水率高， 其对水胶 比的变化非常敏感。 ( 3 ) 水泥乳化沥青混凝土 2 8 d抗压强度的三个因素极差 ) 相差不大， 且图 I中线段的斜率均较大， 可见， 三因素对 昆 凝土 的抗压强度影响都显著， 即提高混凝土抗压强度在降低黏土掺 量的同时， 要协调好青胶比和水胶比。 ( 4 ) 方差分析中， 2 8 d龄期时， 黏土掺量及青胶比的F比值 大于 1 ， 显著性明显， 而水胶比的F比值小于 1 ， 显著性较弱； 9 0 d 龄期时， 黏土掺量的 ，比值也最大， 即黏土掺量对混凝土抗压 强度具有显著影响， 这与极差分析所得结果一致。 2 2 优选配合比的混凝土性能试验结果与分析 根据正交配合 比试验结果 ， XQ1配合 比的试验结果最 优， 进一步开展水 泥乳化沥青混凝土的性能试验 ， 试验结果 图 1 2 8 d 抗压强度与影响因素图 见 表 4 。 表 4 水泥乳化沥青混凝土性能试验结果 试验结果表明 ： 随着龄期增长 ， 水泥乳化沥青混凝土强 度及变形性能均逐渐增加； 早期抗压强度较低 后期强度增长 较快， 1 4 、 2 8 、 9 0d增长速率分别为于 6 4 、 1 0 0 、 1 7 5 ； 比较而 言， 传统塑性混凝土的 2 8 d抗压强度一般在 2 - 5 MP a ， 而水泥 乳化沥青混凝土达到 7 2 1 MP a ， 明显高于塑性混凝土。 水泥乳 化沥青混凝土弹性模量较低， 1 4 、 2 8 、 9 0 d增长率分别为 6 7 、 1 0 0 、 1 5 8 ， 与抗压强度增长率差别不大， 模强比低于 5 0 0 。 分析原因， 水泥乳化沥青混凝土中， 水泥作为胶结料 ， 砂石 骨料构建骨架， 形成了强度结构体系。 而乳化沥青的添加 ， 延迟 了混凝土中水泥的水化， 导致水泥乳化沥青混凝土早期抗压强 度发展比较缓慢。 一般情况下， 室内慢裂普通乳化沥青的破乳时 间是 3 0 rai n - 1 h ， 本试验中， 砂岩骨料主要是由石英或长石组成 的酸性岩石， 乳化沥青未破乳时， 酸性石料表面带有负电荷， 此 下转第 7 3页 6 7 0 8 7 6 5 4 鲁苣 鼎出 州 蜉 ( e n g i n e e r e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s ) p r o d u c e d w i t h g r o u n d g r a n u l a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g J C e me n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 7 ( 3 7 ) ： 1 0 9 6 1 1 0 5 1 8 YA N G Y i n g z i ， G AO X i a o - j i a n ， e t a 1 E f f e c t s o f w a t e r b i n d e r r a t i o o n t h e p r o p e r t i e s o f e n g i n e e r e d c e m e n t i t i o u s c o mp o s i t e s J Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Ma t e r ， 2 0 1 0 ， 2 5 ( 2 ) ： 2 9 8 - 3 0 2 【 1 9 Z H AN G J u n ， L E N G B i n g T r a n s i t i o n fr o m m u l t i p l e ma c r o c r a c k i n g t o m u l t i p l e mi c r o c r a c k i n g i n c e me n t i t i o u s c o mp o s i t e s J T s i n g h u a S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， 2 0 0 8 ， 1 3 ( 5 ) ： 6 6 9 - 6 7 3 2 0 杨英姿， 姚燕 高性能P V A纤维增强水泥基材料的制备与性能【 J 中 国材料进展 ， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 9 ) ： 1 9 2 4 2 1 S H A NA G M J ， B F I N C K E R R， H A N Z E N WP u l l o u t b e h a v i o r o f s t e e l fi b e r fr o m c e me n t - b a s e d c o mp o s i t e s 叨C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 6 ) ： 9 2 5 9 3 6 2 2 YA N G E H， Y AN G Y， L I V C U s e o f h i g h v o l u me s o f fl y a s h t o i mp r o v e F RC C m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s a n d ma t e ri a l gre e n n e s s J AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 7 ， 1 0 4 ( 6 ) ： 6 2 0 6 2 8 【 2 3 Z HU Yu ， Y A N G Y i n g - z i ， e t a 1 Me c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f e n g i n e e r e d c e m e n t i t i o u s c o mp o s i t e s w i t h h i g h v o l u m e fl y a s h J Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o t g y Ma t e r ， 2 0 0 9 ( 2 4 ) ： 1 6 6 1 7 0 2 4 KO NG H J E l e c t r o s t e ri c s t a b i l i z a t i o n o f h e t e r o fl o c c u l a t i n g s u s p e n s i o n s a n d i t s a p p l i c a t i o n t o t h e p r o c e s s i n g o f s e l f c o mp a c t i n g e n gin e e r e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s D Mi c h i g a n ： U n i v e r s i t y 0 f Mi c h i g a n 2 0 0 1 2 5 K O NG H J ， B I K E S G， L I V C C o n s t i t u t i v e r h e o l o g i c a l c o n t r o l t o d e v e l o p a s e l f - - c o n s o l i d a t i n g e n g i n e e r e d c e me n t i t i o u s c o mp o s i t e r e i n f o r c e d wi t h h y d r o p h i l i c p o l y ( v i n y l a l c o h o 1 ) fi b e r s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 3 ( 2 5 ) ： 3 3 3 3 4 1 【 2 6 L I VC ， L E U N GCKY S t e a d y s t a t e a n dm u l t i p l e c r a c k i n g o f s h o r t r a n d o m fi b e r c o mp o s i t e s J E n g i n e e ri n g Me c h a n i c s ， 1 9 9 2 ， 1 8 8 ( 1 1 ) ： 2 2 4 6 - 2 2 6 4 上接第 6 7页 时与阳离子乳化沥青的黏附力强。 乳化沥青破乳后 ， 将选择性的 黏附骨料， 沥青一般带有负离子与表面带有阳离子的碱性骨料 黏附力较强 ， 而与酸性砂岩骨料黏附力较差 ， 从而影响混凝土 的早期力学强度 。 随着 龄期增长 ， 水泥 吸收乳化 沥青 中的水 分， 水泥水化产物增多， 混凝土强度逐渐增加。 弹性模量体现了混凝土应力与应变之间的关系， 可反映混 凝土适应周围环境变形能力的一个重要指标， 而模强比也是衡 量混凝土韧性的重要指标。 强度等级相当时， 普通水工混凝土的 弹性模量高， 模强比一般在 1 0 0 0左右， 而水泥乳化沥青混凝土 模强比低于 5 0 0 ， 变形能力好， 能够提高混凝土的韧性。 3结 语 通过正交设计方法 ，优化水泥乳化沥青混凝土的配合比， 并进行水泥乳化沥青混凝土的性能试验。 旨在配制中等强度、 高韧性、 耐久性优 良的水泥乳化沥青混凝土， 改善传统防渗墙 的防渗抗裂效果， 能够用于深覆盖层下永久性防渗墙或其他高 抗裂混凝土。 试验结果表明， 黏土掺量是影响水泥乳化沥青混凝土抗压 强度的主要因素， 其次是青胶比， 再次是水胶 比； 随着水胶 比、 青胶比及黏土掺量的增加， 混凝土的抗压强度逐渐降低。 随着龄 期增长， 水泥乳化沥青混凝土强度及变形性能逐渐增加； 早期 抗压强度较低， 后期强度增长较快 。 比较传统塑性混凝土， 水泥 乳化沥青混凝土的抗压强度明显提高， 但模强比仍低于 5 0 0 ， 因 2 7 WA N G S ， L I V C T a i l o r i n g o f p r e - e x i s t i n g fl a w s i n F R C C ma t ri x f o r s a t u r a t e d s t r a i n h ard e n i n g I n ： P r o c e e d i n g s o f F RAM C OS 一 5 ， 2 0 0 4： 1 0 0 5 1 01 2 2 8 Y A O Y a h ， Z HU Y u ， Y AN G Y i n g - z i J n c o r p o r a t i o n s u p e r a b s o r b e n t p o l y m e r ( S A P )p a r t i c l e s a s c o n t r o l l i n g p r e - e x i s t i n g fl a w s t o i m p r o v e t h e p e r f o - i T a a n c e o f e n g i n e e r e d c e me n t i t i o u s c o mp o s it e s ( E C C) 【 J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 1 2 ( 2 8 ) ： 1 3 9 1 4 5 【 2 9 MI H AS H I H， e t a 1 C o n t r o l l i n g f r a c t u r e t o u g h n e s s o f m a t r i x w i t h m i c a fl a k e i n c l u s i o n s t o d e s i g n p s e u d o -d u c t i l e fib r e r e i n f o r c e d c e me n t i t i o us c o mp o s i t e s J E n g i n e e ri n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 2 0 0 7 ( 7 4 ) ： 2 1 0 2 2 2 3 0 K A WAMA T A A， MI H A S H I H， e t a 1 C o n t r o l l i n g fr a c t u r e t o u g h n e s s o f ma t ri x f o r d u c t i l e fi b e r r e i n f o r c e d e e me n t i t i o u s c o mp o s i t e s 咖E n g i n e e rin g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 2 0 0 2 ( 6 9 ) ： 2 4 9 2 6 5 3 1 Y A NG E H， S A HMA R A N M， e t a 1 R h e o l o gi c a l c o n t r o l i n t h e p r o d u c t i o n o f e n g i n e e r e d c e m e n t i t i o u s c o mp o s i t e s 册AC I Ma t e r ， 2 0 0 9 ， 1 0 6 ( 4 ) ： 3 5 7 - 3 6 6 【 3 2 Z HO U J i a n ， Q 1 A N S h u n - z h i ， e t a 1 I mp r o v e d fi b e r d i s t ri b u t i o n a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f e n g i n e e r e d c e m e n t i t i o u s c o mp o s i t e s b y a d j u s t i n g t h e mi x i n g s e q u e n c e J C e m e n t C o n c r e t e C o mp ， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 3 4 2 3 4 8 3 3 T AK A S HI MA H， MI Y AG A I K， e t a 1 A d e s i g n a p p r o a c h f o r t h e me c h a n i e a l p r o p e rt i e s o f p o l y p r o p y l e n e di s c o n t i n u o u s fib e r r e i n f o r c e d c e me n - t i t i o u s c o mp o s i t e s b y e x t r u s i o n m o l d i n g J E n gin e e r i n g F r a c t u r e Me c h ani c s ， 2 0 0 3 ( 7 O ) 8 5 3 8 7 0 作者简介： 牛恒茂( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 博士研究生， 研究方向： 纤维增强复合 材 料的研究 。 联系地址： 内蒙古呼和浩特新城区阳光诺卡 2 O号楼 1 单元 4 0 2内 蒙古工业大学理学院( 0 1 0 0 5 1 ) 联 系电话 ： 1 3 3 2 7 1 1 1 3 4 3 此水泥乳化沥青混凝土的韧性较好。 本研究是初步试验成果 ， 其他性能试验研究及深入的机理分析有待于进一步完善。 参考文献 ： 【 1 】 李文林 塑性混凝土防渗墙技术综述【 J 水利水电工程设计， 1 9 9 5 ( 3 ) ： 5 4- 5 9 2 】 代国忠， 殷琨 水利工程防渗墙柔性墙体材料的性能与应用研究 J 长江科学院院报， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 3 ) ： 4 6 5 0 【 3 】 张涛， 潘家锋， 等 膨润土改善塑性混凝土性能的作用机理【 J 】 人民黄 河 ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 1 1 ) ： 7 8 8 0 4 J 李家正， 王迪友， 杨华全塑性混凝土配合比设计及试验方法探讨 长江科学院院报， 2 0 0 2 ， 1 9 ( 4 ) ： 5 8 6 1 5 杨华全， 李文伟 水工混凝土研究与应用 M 】 E 京 ： 中国水利水电出 版社 ， 2 0 0 5 【 6 】尹以厅， 代发晶苏家河口面板堆石坝坡面乳化沥青隔离层施工 J 人民长江， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 1 0 ) ： 3 6 3 8 7 岳跃真， 郝巨涛， 等 水工沥青混凝土防渗技术【 M 】 北京： 化学工业出 版社 ， 2 0 0 7 作者简介： 闫小虎( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 硕士研究生， 助理工程师。 联系地址： 武汉市黄； 南 大街2 6 9 号 长江科学院材料所3 2 6 室( 4 3 0 0 1 o ) 联 系电话 ： 1 5 0 7 2 3 8 7 6 9 8 73