（材料學專業(yè)論文）高性能支座灌漿材料的研究與應(yīng)用.pdf

獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及 取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 武漢理工大學或其他教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一 同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說 明并表示了謝意。 簽名：鷹幽日期：蚓 l 學位論文使用授權(quán)書 本人完全了解武漢理工大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即 學校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)武漢理工大學可以將本學位論文的 全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制 手段保存或匯編本學位論文。同時授權(quán)經(jīng)武漢理工大學認可的國家有 關(guān)機構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學位論文，并向社會公眾提供信息 服務(wù)。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 研? 鼽柳馴簽名豸閾一似7 武漢理工大學碩士學位論文 摘要 高速鐵路具有高速、安全、便捷的特點，因此對基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高的要 求。本文針對我國高鐵的建設(shè)情況，尤其是高鐵對特殊材料的要求而研制出一 種具有優(yōu)良的技術(shù)性能、易于施工、低成本、高適應(yīng)性等優(yōu)點的支座灌漿材料。 本課題所研制的高性能支座灌漿材料是以快硬水泥為主要膠凝材料，以優(yōu) 質(zhì)石英砂為細集料，配之以減水劑、緩凝劑、膨脹劑等化學外加劑組合而成的 一種高性能支座砂漿。該產(chǎn)品具有良好的流動性能和早強性能，漿體微膨脹且 性能穩(wěn)定，耐久性好。 本課題的主要研究內(nèi)容有： ( 1 ) 進行支座灌漿材料的初步配合比設(shè)計：通過對實驗所需原材料的選擇以 及各種原料摻量的變化來研究其對砂漿具體性能的影響，包括工作性能、強度 與自由膨脹率等。具體研究路線為：1 ) 對高性能支座灌漿材料的膠凝材料進行 篩選，水泥選用快硬水泥；2 ) 細集料為優(yōu)質(zhì)石英砂，并對不同粒度的石英砂進 行級配得到最佳密堆積效果；3 ) 通過比較萘系、三聚氰胺系、聚羧酸系三種高 效減水劑對砂漿的流動性、強度以及膨脹性能的影響得出三聚氰胺系減水劑對 快硬水泥的適應(yīng)性較好；4 ) 選用與水泥適應(yīng)性最好，緩凝作用最好的無機緩凝 組分h l 作為砂漿的緩凝劑，可以有效延緩砂漿的早期水化；5 ) 膨脹劑選用石 灰系與其他類型膨脹劑復(fù)合，對砂漿的膨脹有明顯的促進作用；6 ) 在砂漿中摻 少量的聚丙烯纖維可以使砂漿的漿體均勻分散，防止泌水以及分層離析，抑制 微裂紋的產(chǎn)生。 ( 2 ) 支座灌漿材料配合比的優(yōu)化：在初步配合比的基礎(chǔ)上加入自研發(fā)優(yōu)化組 分對砂漿性能進行優(yōu)化，并研究水料比和溫度對砂漿各種性能的影響。研究表 明：1 ) 添加自研發(fā)優(yōu)化組分可使砂漿在流動度滿足要求的前提下抗壓強度提前 半個小時達到要求，優(yōu)化組分的摻加對砂漿早期抗壓強度增長明顯，但是也可 以增大砂漿的流動度經(jīng)時損失；2 ) 水料比對砂漿流動度影響最為明顯，水料比 低，砂漿流動度小，隨著水料比的逐漸增大，砂漿流動度也相應(yīng)增加。隨著水 料比的逐漸增大，砂漿2h 抗壓強度逐漸降低。3 ) 溫度對砂漿早期強度起著至 關(guān)重要的作用，溫度過低會抑制砂漿的早期水化，使得砂漿早期強度過低。隨 著溫度的升高，快硬水泥水化反應(yīng)加快，砂漿2h 抗壓強度有明顯提高。 武漢理工大學碩士學位論文 ( 3 ) 支座灌漿材料的施工細則與工程應(yīng)用：討論如何應(yīng)對環(huán)境因素對材料性 能的影響以及在施工中應(yīng)注意的問題。提出了各季節(jié)施工的注意事項，研究了 施工中經(jīng)常出現(xiàn)的問題以及解決方法。本文研制的支座砂漿經(jīng)過實驗室試驗和 工程檢驗，已經(jīng)推廣應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：支座砂漿，減水劑，緩凝劑，強度，流動度 武漢理工大學碩士學位論文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , f o rt h ec o n s t r u c t i o no fh i g h - s p e e dr a i l ，e s p e c i a l l yh i g h - s p e e dr a i l o nt h er e q u e s to fs p e c i a lm a t e r i a l s ，d e v e l o p e da r le x c e l l e n tt e c h n i c a lp e r f o r m a n c e ， e a s yc o n s t r u c t i o n , l o wc o s t , h i g ha d a p t a b i l i t y , t h ea d v a n t a g e so fb e a r i n gg r o u t i n g m a t e r i a l t h eh i g h - p e r f o r m a n c eb e a r i n g sg r o u t i n gm a t e r i a ld e v e l o p e db yt h i sp a p e ru s e r a p i dh a r d e n i n gc e m e n ta st h em a i nc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l ，t h eh i g h - q u a l i t yq u a r t z s a n da sf i n ea g g r e g a t e ，c o m b i n e d 嘶t l lc h e m i c a la d m i x t u r e ss u c ha sw a t e rr e d u c e r , r e t a r d e r , e x p a n d i n ga g e n t ，e t c t h ep r o d u c th a sg o o df l o wp r o p e r t i e sa n de a r l y s t r e n g t h p r o p e r t i e s ，t h es l u r r y h a sm i c r o - e x p a n s i o np r o p e r t i e s ，s t a b l ep e r f o r m a n c ea n d d u r a b i l i t y t h em a i nr e s e a r c ho ft h et o p i c sa r c ： ( 1 ) t h ei n i t i a lm i xo ft h eb e a r i n gg r o u td e s i g n ：s t u d yt h es p e c i f i cp r o p e r t i e so f m o r t a rb yt h eo p t i o n so fe x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa n dav a r i e t yo fm a t e r i a l st o c h a n g e si nm a t e r i a l sc o n t e n t ，i n c l u d i n gt h ep e r f o r m a n c e ，s t r e n g t ha n df r e ee x p a n s i o n r a t e t h es p e c i f i cr e s e a r c hl i n e sa r e ：1 ) u s et h er a p i dh a r d e n i n gc e m e n ta st h em a i n c e m e n t i t i o u sm a t e r i a l 2 ) u s eh i g h q u a l i t yq u a r t zs a n da st h ef m e a g g r e g a t e ，a n dr a t i o t h eq u a r t zs a n do fd i f f e r e n tp a r t i c l es i z et og e tt h eb e s te f f e c to fc l o s ep a c k i n g 3 ) c o m p a r i s o no fn a p h t h a l e n e ，m e l a m i n ea n dp o l y c a r b o x y l a t es u p e r p l a s t i c i z e ro nt h e f l u i d i t y , s t r e n g t ha n de x p a n s i o np r o p e r t i e s ，o b m i n e dm e l a m i n es u p e r p l a s t i c i z e ra n d r a p i dh a r d e n i n gc e m e n th a sg o o da d a p t a b i l i t y 4 ) s e l e c ti n o r g a n i cr e t a r d e rh 1a st h e m o r t a rr e t a r d e r , h 1c a ns l o wd o w nt h em o r t a ro ft h ee a r l yh y d r a t i o n 5 ) s e l e c t e x p a n s i v ea g e n tc o m b i n e dw i t ht h ed e p a r a n e n t o fl i m ea n dt h e o t h e rt y p e so f e x p a n s i v ea g e n t ，t h i se x p a n s i v ea g e n th a ss i g n i f i c a n tr o l e i np r o m o t i n gt ot h e e x p a n s i o no fm o r t a r 6 ) i nt h em o r t a rm i x e dw i t hs m a l la m o u n t so fp o l y p r o p y l e n e f i b e r sc a nm a k et h em o r t a rp a s t et ob ed i s p e r s e d ，t op r e v e n tb l e e d i n ga n d s e g r e g a t i o n ， i n h i b i t i o no fm i c r o - c r a c k s ( 2 ) t h eo p t i m i z a t i o no fb e a r i n gg r o u t i n gm a t e r i a l sm i x ：a c c o r d i n gt ot h ei n i t i a l m i xr e s e a r c h ，a d dt h e o p t i m i z i n gd e v e l o p m e n tc o m p o n e n t st oo p t i m i z e t h e p e r f o r m a n c eo ft h em o r t a r , a n dt os t u d yt h er a t i oo fw a t e ra n dt e m p e r a t u r eo nv a r i o u s 武漢理工大學碩士學位論文 p r o p e r t i e so fm o r t a r t h er e s u l t ss h o wt h a t ：1 ) o p t i m i z a t i o no fc o m p o n e n t si nt h e f l u i d i t yo fm o r t a rc a nm a k et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ht om e e tt h er e q u i r e m e n t sf o r h a l fa nh o u ri na d v a n c eu n d e rt h er e q u i r e m e n t so ff l u i d i t y , o p t i m i z a t i o nc o m p o n e n t s c a ns i g n i f i c a n t l yp r o m o t et h eg r o w t ho fe a r l yc o m p r e s s i v es t r e n g t hm o r t a r , i tc a na l s o i n c r e a s et h ef l u i d i t yo fm o r t a rt h r o u g ht i m e 2 ) r a t i oo fw a t e rt ot h em o r t a rf l u i d i t yi s o b v i o u s ，w h e nw a t e rr a t i oi sl o w , m o r t a rf l o wi ss m a l l ，w i t ht h er a t i oo fw a t e r g r a d u a l l yi n c r e a s e s ，t h ef l u i d i t yo fm o r t a ri n c r e a s e st o o a st h er a t i oo fw a t e r g r a d u a l l yi n c r e a s e s ，c o m p r e s s i v es t r e n g t hw i t ht w oh o u r so fm o r t a rd e c r e a s e s 3 ) t e m p e r a t u r ep l a y sav i t a lr o l ei nt h ee a r l ys t r e n g t ho fm o r t a r , w h e nt e m p e r a t u r ei st o o l o w , i tw i l li n h i b i tt h ee a r l yh y d r a t i o no fm o r t a r , m a k i n gt h el o we a r l ys t r e n g t ho f m o r t a r w i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，t h eh y d r a t i o no fr a p i dh a r d e n i n gc e m e n tw i l l a c c e l e r a t ea n ds i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hw i t l lt w oh o u r so f m o r t a r ( 3 ) t h ec o n s t r u c t i o nd e t a i l sa n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h eb e a r i n gg r o u t i n g m a t e r i a l ：d i s c u s sh o wt or e s p o n dt oe n v i r o n m e n t a lf a c t o r s0 1 1t h em a t e r i a lp r o p e r t i e s a n dc o n s t r u c t i o np r o b l e m st h a ts h o u l db en o t e d p r o p o s e dt h ec o n s t r u c t i o na t t e n t i o n o fm o r t a ri nd i f f e r e n ts e a s o n ，s t u d yt h ep r o b l e m st h a to r e na p p e a ri nt h ec o n s t r u c t i o n a n ds o l u t i o n 刀磚b e a r i n gg r o u t i n gm a t e r i a ld e v e l o p e db yt h i sp a p e rh a sb e e nt e s t e d b yl a b o r a t o r ya n de n g i n e e r i n g ，i th a sb e e np o p u l a r i z e d k e y w o r d s ：b e a r i n gm o r t a r , s u p e r p l a s t i c i z e r , r e t a r d e r , s t r e n g t h ，f l u i d i t y i v 武漢理工大學碩士學位論文 目錄 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章緒論1 1 1 研究背景1 1 1 1 世界高速鐵路的發(fā)展史1 1 1 2 中國高速鐵路的發(fā)展史1 1 1 3 高速鐵路對于中國的意義3 1 2 高性能支座灌漿材料的研究背景。3 1 3 支座灌灌漿材料的研究現(xiàn)狀5 1 3 1 支座灌漿材料的主要性能指標5 1 3 2 支座灌漿材料的主要組成部分6 1 3 3 支座灌漿材料配合比設(shè)計的基本要求7 1 3 4 支座灌漿材料配合比設(shè)計中應(yīng)考慮的問題8 1 4 支座灌漿材料目前存在的問題9 1 5 研究內(nèi)容與技術(shù)路線1 0 1 5 1 研究內(nèi)容。10 1 5 2 擬采取的技術(shù)路線。l2 第2 章原材料與試驗方法13 2 1 原材料：1 3 2 1 1 水泥。13 2 1 2 礦物摻合料。13 2 1 3 細集料。1 4 2 1 4 化學外加劑1 4 2 1 5 纖維。1 4 2 2 試驗方法1 4 2 2 1 凝結(jié)時間的測定1 4 2 2 2 流動性的測試1 4 武漢理工大學碩士學位論文 2 2 3 體積穩(wěn)定性測試15 2 2 4 力學性能測試1 5 2 2 5 微觀測試。1 6 第3 章支座灌漿材料初步配合比的設(shè)計1 7 3 1 膠凝材料的選擇1 7 3 1 1 不同膠凝材料的工作與力學性能對比1 7 3 1 2 不同膠凝材料的自由膨脹率的對比1 8 3 2 石英砂的配比對砂漿性能的影響1 9 3 3 減水劑對砂漿性能的影響2 1 3 3 1 減水劑對砂漿流動性的影響2 2 3 3 2 減水劑對砂漿強度的影響2 2 3 3 3 減水劑對砂漿體積穩(wěn)定性的影響2 4 3 4 緩凝劑對砂漿性能的影響2 5 3 4 1 緩凝劑對砂漿流動性的影響2 6 3 4 2 緩凝劑對砂漿強度的影響2 7 3 5 膨脹劑對砂漿性能的影響2 8 3 5 1 膨脹劑對砂漿流動性的影響2 9 3 5 2 膨脹劑對砂漿強度的影響2 9 3 5 3 膨脹劑對砂漿體積穩(wěn)定性的影響3 0 3 6 礦物摻合料對砂漿性能的影響31 3 6 1 硅灰對砂漿流動性的影響3 2 3 6 2 硅灰對砂漿強度的影響3 3 3 7 纖維對砂漿性能的影響3 3 3 7 1 纖維對砂漿流動性的影響3 4 3 7 2 纖維對砂漿強度的影響3 5 3 7 3 纖維對砂漿體積穩(wěn)定性的影響3 5 3 8 支座灌漿材料初步配合比綜合宏觀性能的研究3 6 3 9 支座灌漿材料水化機理的研究3 7 3 1 0 本章小結(jié)3 9 第4 章支座灌漿材料的性能優(yōu)化以及工程應(yīng)用4 2 4 1 支座灌漿材料的性能優(yōu)化4 2 武漢理工大學碩士學位論文 4 1 1 水料比對灌漿料宏觀性能的影響4 2 4 1 2 溫度對灌漿料宏觀性能的影響4 4 4 1 3 在標準的基礎(chǔ)上研制更高性能的支座灌漿材料4 7 4 2 支座灌漿材料的工程應(yīng)用4 8 4 2 1 支座灌漿過程中的注意事項4 9 4 2 2 支座砂漿硬化后出現(xiàn)的問題以及解決辦法。5 1 4 2 3 支座砂漿的具體工程應(yīng)用5 2 4 3 本章小結(jié)5 3 第5 章結(jié)論與展望5 5 5 1 結(jié)論5 5 5 2 展望5 7 參考文獻5 8 附錄6 l 致謝6 2 武漢理工大學碩士學位論文 1 1 研究背景 第1 章緒論 1 1 1 世界高速鐵路的發(fā)展史 2 l 世紀以來，全球的環(huán)境問題的愈來愈受到世界各國的重視。在交通運輸 領(lǐng)域，通過對水陸空各方面的單位運量、能源消耗、資源占用以及運行的安全 方面進行綜合比較分析，鐵路運輸?shù)膬?yōu)勢較為明顯。世界上歐洲日本等發(fā)達國 家在經(jīng)歷了長時間對交通問題的探索實踐之后，重新審視了原有的交通運輸策 略，對其運輸方式都做出了相應(yīng)調(diào)整。把交通運輸?shù)闹攸c重新轉(zhuǎn)移到鐵路方面， 其中比較重要的一項就是對高速鐵路的發(fā)展進行規(guī)劃。 高速鐵路最早在日本應(yīng)用。日本自1 9 5 9 年開始建造高速鐵路，在1 9 6 4 年 開通，全長5 1 5 公里，時速達到2 1 0 公里。 法國自上世紀中葉進行高鐵技術(shù)方面的研究，在1 9 5 5 年研制成功，試運行 時速為3 3 0 公里，創(chuàng)造了當時的世界鐵路的最高記錄。自此人們發(fā)現(xiàn)高速鐵路 的美好前景，對高鐵技術(shù)開始重視。之后法國的高速鐵路技術(shù)通過不斷的改進 和創(chuàng)新，在1 9 8 1 年時速達到了3 8 0 公里。到1 9 9 0 年的法國第二代機車以5 1 5 公里刷新了當時的記錄。 德國的高速鐵路技術(shù)于1 9 7 9 年研制成功，其高速鐵路規(guī)劃于1 9 8 2 年開始 實施。到1 9 8 8 年德國的高速鐵路創(chuàng)造了時速4 0 6 9 公里的記錄。至此高鐵已經(jīng) 成為發(fā)達國家交通運輸中必不可少的組成部分【l 】。 1 1 2 中國高速鐵路的發(fā)展史 我國的鐵路建設(shè)以世界發(fā)達國家的先進水平為目標，運用自身的特殊優(yōu)勢， 根據(jù)先引進后吸收再創(chuàng)新的理念，在幾年時間之內(nèi)使我國成為高鐵技術(shù)達到國 際領(lǐng)先水平，圖1 1 為中國的高鐵機車。到現(xiàn)在我國已成為世界上高速鐵路技術(shù) 完善、在建規(guī)模最大的國家，引領(lǐng)著世界高鐵建設(shè)并可以對外輸出高鐵技術(shù)。 武漢理工大學碩士學位論文 圖1 1 中國高鐵 2 0 0 4 年由國務(wù)院通過的中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中指出，國家計劃到2 0 2 0 年， 高鐵客運專線的運行路程在一萬兩千公里以上，如圖1 2 所示。根據(jù)規(guī)劃， 我國的高速鐵路發(fā)展以“四縱四橫”為重點，形成便捷快速安全的的高速鐵路 客運專線，逐步實現(xiàn)原有鐵路的分流。到現(xiàn)在為止，國家已經(jīng)建好京滬高鐵、 鄭西客專、石武客專、滬杭客專等一系列客運專線，為緩解鐵路交通運輸?shù)膲?力作出巨大貢獻?？梢灶A(yù)計，到2 0 1 4 年，我國鐵路運輸難的問題將得到一定緩 圖1 2 中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃圖 2 武漢理工大學碩士學位論文 1 1 3 高速鐵路對于中國的意義 高速鐵路與高速公路一樣，是現(xiàn)代社會交通運輸必不可少的先進的交通工 具，具有高速和安全可靠等優(yōu)點。高速鐵路之于中國有著不同尋常的意義。高 速鐵路的在中國的大面積開通運營將大大降低交通運輸?shù)纳鐣杀?，從而產(chǎn)生 很大的經(jīng)濟和社會效益。 ( 1 ) 從經(jīng)濟效益方面來講，高速鐵路之所以受到廣泛青睞，因為高鐵可以 減少大城市之間交通時間和成本。第一，高鐵大量節(jié)省了旅客的行車時間，形 成了良好的社會效益；第二，高鐵的建設(shè)對沿線地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展起到了推動作用； 最后，高鐵節(jié)約了傳統(tǒng)能源和減少了環(huán)境污染。高鐵對中國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的 發(fā)展起到了非常重要的促進作用，帶動周邊城市同步發(fā)展。 ( 2 ) 從就業(yè)率的角度講，我國g d p 每年要保持8 或9 這樣一定的增速， 其中是有深刻原因的。在任何國家，就業(yè)率的高低都是社會穩(wěn)定的重要因素， 隨著工業(yè)以及農(nóng)業(yè)科學技術(shù)的發(fā)展，社會的勞動生產(chǎn)效率得到極大提高，社會 勞動力就會相對過剩，而我國是有著1 3 億人口的大國，為了經(jīng)濟的快速發(fā)展與 社會和諧穩(wěn)定，就必須要保證相應(yīng)的就業(yè)率。國家出臺了四萬億的經(jīng)濟刺激計 劃，其中有一半用于高鐵建設(shè)，保證了農(nóng)民工的就業(yè)。 ( 3 ) 從政治角度講，高鐵對維持社會和諧穩(wěn)定，增長國力都有重要作用。 第一，高鐵的建成可以使國內(nèi)人員迅速流動，加速了民族融合，間接增強了國 家的凝聚力。第二，中國在建歐亞調(diào)整鐵路，中國和南亞國家直通高速鐵路， 可讓中國陸地上具有明顯優(yōu)勢，減少國家對海洋運輸?shù)囊蕾?。第三，高速鐵路 可以增強國防。因為高速鐵路由于超高速度，可進行遠距離快速運輸，成本低， 機動性強。第四，通過建立大陸直通臺灣的高鐵，加強兩岸的交流來，增強臺 海的凝聚力，對國家統(tǒng)一作重要的戰(zhàn)略輔助。 ( 4 ) 從全球戰(zhàn)略角度看，中國高鐵技術(shù)以及運營里程均創(chuàng)世界第一，有助 于中國建設(shè)“泛中國鐵路圈 ，增強中國對中亞和南亞影響力，有助于中國打破 印度威懾，維護我國的周邊安全。 泛戰(zhàn)略化，就是說國家意義上的大型投資必須是建立在一個大的國際戰(zhàn)略 總體構(gòu)想上面，并應(yīng)該和目前的人民幣戰(zhàn)略聯(lián)系在一起。而高鐵的重要戰(zhàn)略意 義便是極大了擴展了國家的生存空間，使我國更好的使用世界相應(yīng)的資源。 1 2 高性能支座灌漿材料的研究背景 武漢理工大學碩士學位論文 近年來由于新材料的不斷發(fā)展，水泥基灌漿材料從原來的高強度逐漸向高 性能的方向轉(zhuǎn)變【5 】。高速鐵路的特殊性要求其具有高速、安全、便捷的特點， 因此對基礎(chǔ)設(shè)施中的橋梁、軌道等提出了更高的要求。高鐵的施工工藝與一般 鐵路有著較大差異，因此產(chǎn)生了數(shù)量眾多的鐵路工程新材料，如自密實混凝土、 c a 砂漿、支座砂漿等新品種以適應(yīng)高鐵技術(shù)的發(fā)展。 從高鐵的重要戰(zhàn)略意義出發(fā)，針對我國高鐵的建設(shè)情況，尤其是高鐵對特 殊材料的要求而研制的一種具有優(yōu)良的技術(shù)性能、易于施工、低成本、高適應(yīng) 性等優(yōu)點的支座灌漿材料。 球愛支鏖 圖1 3 支座砂漿位置示意圖 本文主要研究鐵路工程新材料的一種，即預(yù)制簡支箱梁盆式橡膠支座重力 灌漿材料，圖1 - 3 為其在高鐵中的灌漿位置示意圖。 本課題所研制的高性能支座灌漿材料是以快硬水泥為主要膠凝材料，以優(yōu) 質(zhì)石英砂為細集料，配之以減水劑、緩凝劑、膨脹劑等化學外加劑組合而成的 一種高性能支座砂漿。這種砂漿在現(xiàn)場只需要根據(jù)實際環(huán)境條件來改變水的摻 量即可以達到工程施工所需的各種性能。本材料可以在保證高鐵基礎(chǔ)設(shè)施質(zhì)量 的前提下縮短施工時間，滿足了高鐵建設(shè)的進度要求，因此該材料在高鐵的施 工建設(shè)中有著重要的作用。 ( 1 ) 支座灌漿材料的高性能為高鐵橋梁的安全性提供了保證 支座灌漿材料具有高早期強度，微膨脹性能，從而保證了填充的密實程度， 后期強度不倒縮又保證了砂漿的耐久性和高鐵橋梁的安全性。 ( 2 ) 支座灌漿材料的良好早期特性為施工的進度提供了保證 4 武漢理工大學碩士學位論文 支座灌漿材料對初始流動度和3 0m i n 流動度有很高的要求，且要求2h 具 有2 0m p a 以上的強度，從圖1 3 可看出高鐵橋梁的架設(shè)進度取決于支座灌漿材 料的早期強度與工作性能，支座灌漿材料良好的早期性能可以在保證工程質(zhì)量 的基礎(chǔ)上提高進度，縮短工程的工期。 1 3 支座灌灌漿材料的研究現(xiàn)狀 高鐵技術(shù)自誕生之日起就被就被少數(shù)發(fā)達國家所壟斷。而如今中國也掌握 了這個技術(shù)，完全吸收并進行優(yōu)化創(chuàng)新，現(xiàn)在已經(jīng)可以對外輸出技術(shù)。中國的 高速鐵路自2 0 0 5 年以來發(fā)展極為迅猛，并取得的顯著成就。近年來，我國高速 鐵路的發(fā)展在在國內(nèi)日新月異，并且在國際上也產(chǎn)生了一定影響。如今我國已 發(fā)展成為世界上高速鐵路技術(shù)完善、開通里程最長的國家。 由于高鐵支座灌漿材料的強度高，水灰比低，受影響的因素很多，因此在 支座灌漿材料的配合比設(shè)計方面，普通砂漿的配合比設(shè)計方法和原則已不適用。 其主要原因是：通常高強度與低水灰比之間不再成反比關(guān)系，因為在較大的水 泥用量中不能水化的部分不容忽視，改變其他外加劑用量可以調(diào)節(jié)流動度，添 加礦物摻和料的品種和數(shù)量也可以直接影響到砂漿的強度和其他性能。 1 3 1 支座灌漿材料的主要性能指標 表1 - 1 高鐵專用支座灌漿材料的性能指標【9 】 性能指標要求值 初始流動度m m 3 0 m i n 流動度m m 2 h 抗壓強度m p a 2 4 h 抗折強度m p a 2 8 d 抗壓強度a 5 6 d 抗壓強度m p a 9 0 d 抗壓強度m p a 2 8 d 彈性模量g p a 2 8 d 膨脹率 3 2 0 2 4 0 控o 1 0 5 0 筮8 d 5 6 d 3 0 0 0 2 o 1 武漢理工大學碩士學位論文 作為鐵路工程新材料的一種，高鐵專用支座砂漿要求其具有早強、高強、 高彈性模量等非常好的力學性能，而且要求其有良好的工作性，以便于工程施 工。上表即是高鐵專用支座砂漿的具體性能指標。 1 3 2 支座灌漿材料的主要組成部分 1 3 2 1 膠凝材料 高速鐵路專用支座灌漿材料的特殊性決定了其膠凝材料的特殊性，如支座 砂漿所必須具有的微膨脹和早強性能必然要體現(xiàn)在膠凝材料上。本文使用快硬 水泥作為支座灌漿材料的主要膠凝材料。 快硬水泥具有凝結(jié)硬化快、早期強度高、微膨脹性、低溫性能好，并 且具有較好的耐腐蝕性?？煊菜喟ü杷猁}水泥、氟鋁酸鹽水泥、高鋁 水泥、硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥等。 快硬水泥早期水化產(chǎn)物中的大部分為鈣礬石，鈣礬石的生成使水泥漿 體具有微膨脹功能，而且鈣礬石也是砂漿漿體早期強度發(fā)揮的主要因素。 本文研究支座灌漿材料就需要砂漿具有不收縮微膨脹性能。 1 3 2 2 細骨料 本文選用的支座砂漿細骨料由不同目數(shù)的優(yōu)質(zhì)石英砂級配而成。 1 3 2 3 減水劑 高性能減水劑是現(xiàn)代建筑工程中必不可少的外加劑，它可以顯著減少 膠凝材料的用水量，增大水泥漿體的強度以及其他各種性能【1 0 。1 4 1 。本文選 用的三種類型的高效減水劑進行比較，分別是萘系高效減水劑、三聚氰胺 系高效減水劑和聚羧酸系高效減水劑。 高效減水劑的減水主要是通過減水劑分子在水泥漿體中的水泥顆粒表 面形成親水性的保護膜，阻止水泥顆粒間的接觸從而實現(xiàn)減水劑對水泥顆 粒的分散作用 1 5 - 2 3 】。水泥加水攪拌之后，在其水化的初期會產(chǎn)生一定量水 泥顆粒的絮狀物，這些絮狀結(jié)構(gòu)中包含有大量的拌合水，在水量一定的情 況下使水泥漿體的流動性降低。如果要保持較高的和易性能，則須加大用 水量，這樣對水泥石強度會有很大影響。高效減水劑的加入可以使這種絮 狀物結(jié)構(gòu)解體，把其中包含的拌合水釋放出來，如此砂漿所用水量就可以 大幅度減少。同時在砂漿中加入減水劑后，在漿體中解離出大單體陰離子。 6 武漢理工大學碩士學位論文 表面活性高的陰離子吸附在水泥顆粒表面，使水泥顆粒表面帶相同的負電 荷，這樣就可以使水泥顆粒間相互排斥從而使顆粒分散。一般來說，高效 減水劑不僅具有減水功能，同時附帶有一定的緩凝作用。 1 3 2 4 緩凝劑 在砂漿中摻加一定量的緩凝劑可以延緩水泥初期的水化，提高砂漿初 期的和易性能。一般來說緩凝劑組分不同，其緩凝的機理也不盡相同。在 緩凝劑機理的研究領(lǐng)域有沉淀、絡(luò)鹽等假說。在絡(luò)鹽假說中，無機鹽緩凝 劑在水泥漿體中解離后與c a 2 + 反應(yīng)形成絡(luò)鹽，抑制了凝膠的結(jié)晶析出，從 而影響到漿體的凝結(jié)速率【2 4 1 。這種緩凝劑與c a 2 + 在水化早期形成了不穩(wěn)定 的絡(luò)合物，在水泥顆粒表面形成一層阻隔，減少了漿體中鈣離子的濃度， 延緩了水泥的水化，從而對漿體產(chǎn)生緩凝作用。但是這種不穩(wěn)定的絡(luò)合物 到水泥水化后期會自動分解，所以并不影響水泥的后期水化。 緩凝劑可降低水泥水化的放熱速率以及延緩砂漿的初凝和終凝時間。 在砂漿中摻加適量的緩凝劑可以改善砂漿的流動性，滿足支座灌漿材料的 特殊施工要求。 1 3 2 5 膨脹劑 配制微膨脹型的支座砂漿，一種是利用膨脹性水泥，另一種就是摻加 膨脹劑。膨脹劑是一種可以使砂漿產(chǎn)生一定體積膨脹的外加劑【2 4 。2 引。砂漿 在灌漿以及硬化的過程中，會出現(xiàn)相應(yīng)的收縮，包括干燥收縮、化學收縮、 溫度收縮、碳化收縮等。不同原因引起的體積收縮可能會使砂漿產(chǎn)生裂紋， 降低砂漿的強度、抗?jié)B等一系列性能，故需要引入膨脹劑來抑制砂漿的體 積收縮?，F(xiàn)有的膨脹劑有硫鋁酸鹽類、氧化鈣類、氧化鎂類、氧化鐵類等 多種類型。 1 3 3 支座灌漿材料配合比設(shè)計的基本要求 支座灌漿材料配合比設(shè)計的任務(wù)，是要根據(jù)原材料的技術(shù)性能和施工要求 科學合理地選擇原材料，通過實驗和計算確定可以滿足工程要求的技術(shù)指標的 各項原材料的用量【2 1 1 。根據(jù)工程建筑對砂漿的要求，高性能支座灌漿材料的 配合比設(shè)計有大致以下幾方面要求： ( 1 ) 高耐久性 7 武漢理工大學碩士學位論文 與普通的砂漿不同，支座砂漿專用于高鐵橋梁錨固支座上，高鐵設(shè)計壽命 長，相應(yīng)材料要求與一般砂漿有很大不同，首先就要保證具有良好的耐久性。 因此支座灌漿材料設(shè)計配比時要考慮到抗?jié)B性、抗凍性、抗化學侵蝕以及抗干 燥收縮的體積穩(wěn)定性等。這些性能與水灰比有一定關(guān)系，水灰比低，相應(yīng)砂漿 硬化后密實度就比較高，體積穩(wěn)定性也較強，因此高鐵專用支座灌漿材料設(shè)計 水灰比不得大于0 3 4 。 ( 2 ) 高強度 大量建筑試驗表明，砂漿要具有高耐久性，必須具有較高的強度。而且支 座砂漿最重要的性能就是要其具有很高的抗壓強度，故高強度是支座砂漿的基 本特征。 ( 3 ) 良好的工作性能 高速鐵路施工工期短，施工進度要相應(yīng)加快并保證安全質(zhì)量問題就必需使 支座灌漿料具有良好的工作性能，這就需要支座砂漿在拌和灌漿以及成型中易 施工，不分離。 流動度是表征支座灌漿料流動性的重要指標，流動度越大，砂漿流動性越 高，工作性能相應(yīng)也越好。般情況下，支座砂漿的初始流動度應(yīng)大于3 2 0i t i i t i ， 半小時流動度不應(yīng)小于2 4 0m m ，這樣既可以使其具有良好的工作性，又不容易 使砂漿產(chǎn)生離析，造成勻質(zhì)性變差。 ( 4 ) 經(jīng)濟性 中國高速鐵路鋪設(shè)范圍廣，覆蓋面大，其基礎(chǔ)材料中的支座灌漿料用量也 比較大，因此支座砂漿的經(jīng)濟性是高鐵建設(shè)中必須考慮的一個問題。在高速鐵 路專用支座砂漿中，水泥和高性能減水劑價格最高，用量也大，因此在對支座 砂漿滿足要求的情況下，單位體積支座砂漿中水泥用量越少經(jīng)濟性越高。且支 座砂漿較普通砂漿一個明顯的區(qū)別就是其所用的主要膠凝材料為快硬水泥，水 化熱較高，容易在高溫下水化容易產(chǎn)生裂縫，因此水泥用量不僅是經(jīng)濟問題， 也是安全問題。 1 3 4 支座灌漿材料配合比設(shè)計中應(yīng)考慮的問題 ( 1 ) 膠凝材料與骨料的比例 對于高速鐵路專用支座灌漿材料來說，膠凝材料占比一般為3 0 6 0 ，在 此范圍內(nèi)尋找最佳配比。 8 武漢理工大學碩士學位論文 ( 2 ) 強度等級 高強度不是支座砂漿的唯一指標，但是當支座砂漿達到一定強度時，其密 實性、抗?jié)B透能力以及耐久性也會相應(yīng)提高【2 9 】。通過高鐵工程實踐，計算橋梁 受力情況，得出支座砂漿應(yīng)滿足的標準載荷。一般情況下，支座砂漿的2 小時 抗壓強度應(yīng)大于2 0m p a ，2 8 天抗壓強度應(yīng)大于5 0m p a ，且后期強度不降低， 2 4 小時的抗折強度應(yīng)大于10m p a ，2 8 天彈性模量應(yīng)大于3 0g p a 。 ( 3 ) 細集料中各種粒度骨料的比例 高鐵專用支座砂漿所選骨料為優(yōu)質(zhì)石英砂，通過不同目數(shù)的石英砂配比使 骨料具有良好的級配，并使砂漿具有良好的工作性能與強度。 ( 4 ) 用水量 經(jīng)驗表明，一般情況下，砂漿用水量與砂漿的抗壓強度成反比關(guān)系，因此 必需嚴格控制砂漿用水量?？瓦\專線支座砂漿材料的用水量標準為水料比不得 大于0 1 7 ( 5 ) 減水劑的種類與用量 普通減水劑達不到高鐵專用支座砂漿材料的性能標準，因此必須用高效減 水劑。常用的高效減水劑主要有萘系、三聚氰胺系和聚羧酸系減水劑。在配制 支座砂漿時應(yīng)根據(jù)砂漿的組成材料選用合適的減水劑類型。一般情況下減水劑 的固體用量為水泥用量的0 5 2 ，為達到良好的效果，應(yīng)多次試驗來確定其 最佳用量。 ( 6 ) 礦物摻和料的種類與用量 礦物摻和料的種類，簡單可以分為不摻任何礦物摻和料、摻加單一或多種礦 物摻和料。 第一種情況即單獨使用水泥，不摻加任何礦物摻和料。這種情況較少，因為 不摻加礦物摻和料將使砂漿的一些重要性能不可能達到，如降低水化熱，提高 強度工作性能。 第二種情況為摻加一種或多種礦物摻和料以取代砂漿中的部分水泥。如摻粉 煤灰可改善砂漿工作性能，還可以降低水化熱。摻硅灰可以使砂漿硬化產(chǎn)物更 加密實，提高抗?jié)B性和耐久性。本文研究摻入一種或多種礦物摻和料來改善支 座砂漿的各種性能，以便適應(yīng)工程需要。 1 4 支座灌漿材料目前存在的問題 9 武漢理工大學碩士學位論文 盡管國內(nèi)的一些廠家已經(jīng)研究出了支座灌漿材料，但是在施工使用過程中 還存在一些問題： ( 1 ) 支座灌漿材料使用安全性上有一定的問題。 根據(jù)的工作經(jīng)驗和實際調(diào)查，目前大部分支座灌漿材料在早期強度和早期 的工作性能上都沒有能找到一個很好的平衡點，或者是有良好的早期強度，但 是早期的工作性能就會比較差，不能保證施工的順利進行。支座灌漿材料凝結(jié) 時間過早造成廢料在攪拌機上的堆積，給清理工作造成了很大的影響。另外， 凝結(jié)時間過早還會造成在重力灌漿的時候堵管，一旦堵管，施工就不能繼續(xù)進 行。 有些支座灌漿材料后期性能不穩(wěn)定，如無膨脹性或有一定的收縮造成灌漿 料不能有效填充錨固支座，或者后期強度倒縮，這些都將影響高速鐵路的安全 性。 ( 2 ) 支座灌漿材料系統(tǒng)價格偏高，加大了高速鐵路的投資 市面上的支座灌漿材料的價格在3 0 0 0 到5 0 0 0 元不等，價格高的灌漿材料 大大增加了高速鐵路建設(shè)的成本，價格低的支座灌漿材料往往性能上有一定的 問題，因此有必要尋找一種性能優(yōu)良、價格適中的支座灌漿材料。 1 5 研究內(nèi)容與技術(shù)路線 1 5 i 研究內(nèi)容 研究外加劑對膠凝材料的水化歷程的影響以及水化產(chǎn)物和漿體結(jié)構(gòu)的發(fā)展 變化規(guī)律，研究膠凝材料、骨料與外加劑不同配比對支座灌漿材料整體性能的 影響，探討外加劑對膠凝材料水化的調(diào)控機理，并實現(xiàn)在實際工程中的應(yīng)用。 具體內(nèi)容包括： ( 1 ) 骨料級配和外加劑對支座灌漿材料工作性能和力學性能的影響 通過不同粒度不同摻量的骨料的配比以及不同種類不同摻量的外加劑來研 究其對支座灌漿材料的流動性能和強度的影響。 ( 2 ) 外加劑和骨料對支座灌漿材料體積穩(wěn)定性的影響 研究外加劑作用下的膠凝材料的干燥收縮和化學收縮以及骨料密堆積對灌 漿料體積的影響的規(guī)律。 ( 3 ) 外加劑對膠凝材料的水化機理 1 0 武漢理工大學碩士學位論文 通過宏觀數(shù)據(jù)，再結(jié)合x r d 、s e m 等微觀手段探討不同種類外加劑對膠凝 材料水化歷程的影響。 ( 4 ) 支座灌漿材料配