路面伸缩缝过渡区混凝土材料性能研究开题报告

1、研究背景：

改革开放初期，我国公路里程短、质量差，公路里程仅89.02万公里，每百平方公里的公路密度只有9.27公里，严重制约了国民经济的发展。改革开放后，国家持续加大公路基础设施建设投资力度，公路总里程迅猛增长，公路运输网络通达度显著提高。到2017年末，全国公路总里程达到477.35万公里，是1978年的5.4倍，年均增长4.4%；公路桥梁约有80万座，特别是在高速公路向山区延伸和向江河跨越时，高速公路桥隧比重越来越大，桥梁伸缩缝的数量也越来越多，很多桥梁都采用沥青混合料进行桥面铺装在桥梁伸缩缝处采用水泥混凝土填补。

桥梁伸缩缝装置是桥梁结构的重要构件之一，及时做好其使用期间的保养、维修及更换工作并保持伸缩缝的整体完好性，对确保桥梁结构稳固、保障行车安全都具有重要意义。但由于公路交通量的增大，车流量的不断增加，由于桥梁伸缩缝直接承受车轮荷载的反复作用，在汽车活载作用下桥面很小的不平整都会使其受到很大的冲击作用出现破坏，且伸缩缝长期裸露在大气中，使用环境较为恶劣，是桥梁结构中最易受到破坏而又较难修补的部位。随着桥梁使用时间的增长，由于环境、气候等自然因素的作用、日益增加的交通量及重车、超重车过桥数量的不断增加和人为事故等因素，也使得伸缩缝发生破坏的概率偏大。

引起桥梁伸缩缝混凝土破损的原因是材料不良、混凝土配合比不合理、施工管理不善和养护不及时、混凝土材料耐候性不良及过载冲击、变形等造成桥梁伸缩缝水泥混凝土不同程度的破坏。常见破坏形式有：

（1）表面塑性开裂

由于混凝土失水干缩、冷缩产生的拉应力超过了混凝土的抗拉强度，从而引起的混凝土开裂，这些属于塑性裂缝。混合料水分的迅速蒸发使混凝土急剧冷却，导致混凝土水化温度较低，发生干缩及塑性收缩，这些因素共同作用下引起裂缝的产生。

（2）横桥向断裂

桥面伸缩缝装置由于设置在梁端构造薄弱的部位，直接承受车辆荷载的反复作用，右多暴露于大自然中，受到各种自然因素的影响，因此常见混凝土在桥梁宽度方向上发生断裂，在沥青混合料及伸缩缝界面发生啃边，形成网状碎裂直至松散，致使伸缩缝局部翘曲。

桥梁伸缩缝混凝土与铺筑路面的沥青混凝土及伸缩缝的钢板方面的接缝位置不恰当或接缝位置损坏易产生横向断裂。由于接缝处不同材料的力学性能差异较大，从而产生沥青混凝土与水泥混凝土的损坏，此外泥、砂、雨水等杂物侵入破损处，也产生伸缩缝混凝土的变形断裂。

（3）局部网裂

局部混凝土振捣不密实、漏振造成连续处混凝土内部产生大量孔洞，极易造成桥面连续处混凝土破损和网裂。使用安定性不良的水泥，浇筑的水泥混凝土就会产生大面积的龟裂。桥梁伸缩缝水泥混凝土自身强度不足，在轮荷载、温度作用下会出现交叉裂缝。

2、研究现状：

早在二十世纪七十年代英国就开始应用SFRC来修复薄层^[9]。然而钢纤维混凝 土也存在很多不足之处需要解决。例如和易性欠佳，公路薄层修复后的耐磨性问题等，给混凝土薄层修补带来了一定的难度。针对这一难题，英国研究人员进行 了大量的科学研究，提出了研制微型钢纤维混凝土和混合钢纤维混凝土的课题， 对钢纤维混凝土在薄层快速修补的应用发展作出了巨大贡献。

哥伦比亚大学的Bathia．NernkUmar等^[10]人研制了掺微纤维混凝土。确定了微纤 维混凝土增强复合混凝土的掺入比例，进行了混凝土底部钢纤维结构的粘结力的发展研究，研究数据表明微纤维很大程度上改善了水泥的断裂性能，对混凝土修 补材料的粘结力具有重要的意义。

瑞典的Reis．JML，Ferrira．A．J．M等人^[11]利用硅烷进行预处理碳纤维和玻璃纤 维共同加强纤维聚合物树脂的粘结能力。碳纤维补强混凝土的断裂能提高3．4倍， 玻璃纤维断裂能提高了1．4倍，但是从样本本身的重量考虑，CFPC比GFPC的断 裂能高许多。研究认为混合物之间的相互作用是影响纤维聚合物混凝土的基本因素。

张继红等^[12]开发的SBR-FX型砂浆薄层路面修复材料，其材料价格便宜，强度很高，且修复工艺简单可行，经修复处理的试验路没有发生破坏、脱落等状况。 此后研发了SBR-BH树脂砂浆，该材料适用路面超薄层快速修复，尤其适合5mm 左右的薄层路面修复，具有柔性砂浆、高强度、粘结力较强、抗干缩与冷缩等诸 多优点。

杨学忠等人^[13]采用MG聚合物乳液R-24外加剂等对混凝土进行改性处理， MG聚合物乳液掺入混凝土中的掺入量为20％，改性处理的混凝土3d抗折强度可 达5MPa左右，且使用该材料的修复工程3d可实现通车。陈栓发等^[14]所研发的HW型超早强修复剂能够实现6h通车的目标，且使修复 后的混凝土强度持续稳定增长、后期强度稳定性好、在新旧混凝土界面处粘结强 度较高，收缩性能优于普通混凝土，经市场证明具有良好的市场发展潜力。

目前市场上现有的快速修复材料有主要是应用于水泥混凝土路面薄层，且此类快速修复材料的研究已经较为成熟，但是此类材料在特殊部位的修补还是存在很大的局限性。桥梁伸缩缝过渡区混凝土的修补属于特殊部位修补，施工难度较大。结合前 面调查发现，部分快速修复材料初凝时间过短，这样不能满足桥梁伸缩缝过渡区大面积范围内的修补作业。由于桥梁伸缩缝过渡区混凝土连接的结构比较特殊， 它一面接触的是桥梁伸缩缝装置，属于刚性材料，另一面与沥青混凝土相连，属 于柔性材料：这两种不同的材料属于不同的性质，在进行维修该部位时，所采用的材料不但需要具有早强快硬的特点，而且还要与这些界面具有很好的粘结能力。

3、研究意义：

伸缩缝发生早期破坏的情况非常突出。道路桥梁伸缩缝过渡区是整个道路体系的薄弱区，其中混凝土材料经常出现破坏，需要频繁维修，易对正常通行造成不利影响伸缩缝混凝土修复技术的难度在于时间的限制，封闭交通的时间越短，技术难度就越大其次就是修复材料与旧混凝土的粘结性和相容性问题。

选择具有生态绿色碱激发胶凝材料作为修补材料，由于磨细矿渣微粉颗粒细小，作为无机非材料具有良好的耐久性和微膨胀性，加之我国矿渣资源丰富且利用率低的现状，因此选择矿渣作为基质材料。通过材料组成的优化设计，进一步提升材料早期力学性能和耐久性；通过优选混凝土其它组成材料和混凝土配合比的优化设计，开发出工作性良好、施工时间可调、长期体积稳定性良好、具有高强度、高抗渗、高耐蚀、高护筋性的快硬早强混凝土材料。本项目不仅可以满足社会需求，保护生态环境，创造社会、经济效益，同时可以拓宽胶凝材料科学研究领域，完善胶凝材料科学基础理论，推动材料科学的发展，具有重要的科学价值。

1、原材料

（1） 矿粉S95矿粉

（2） 水玻璃 市售模数为2.3的水玻璃

（3） 砂采用河砂经过24h烘干后经过孔径2.36mm筛后

（4） 外加剂采用苏博特生产聚羧酸减水剂

（5） 水采用洁净自来水

2、实验方案

2.1碱激发水泥砂浆早期强度测定

参考水泥胶砂实验 ，配合比为矿粉450g,砂1350g,水玻璃160g,水110g测得流动度为180mm标准养护后,测定其早期力学性能（10h以内）

2.2减水剂对碱激发胶凝材料性能的影响

通过阅读文献发现第一代第二代减水剂的木钙糖蜜萘系减水剂对碱激发胶凝材料性能的影响十分微小，聚羧酸系减水剂对碱激发胶凝材料的影响未在文献中看到，本次采用减水剂为第三代聚羧酸减水剂。根据基准配合比，在保证流动度统一情况下根据GB 8076-2008选定减水剂掺量暂定减水剂用量为胶凝材料的1.0%，1.2%。测定聚羧酸减水剂对流动度的影响，养护后测定4h，8h,1d,3d,7d,14d,28d的力学性能，比较分析聚羧酸减水剂对碱激发胶凝材料性能的影响

2.3水泥与水玻璃双激发对碱激发胶凝材料性能的影响

根据基准配合比，确定流动度情况下，内掺5%，10%，15%的42.5的普通硅酸盐水泥，配制胶砂经标准养护后测定4h,8h,1d,3d,7d,14d,28d的力学性能，比较分析水泥内掺对碱激发胶凝材料性能的影响如对流动度和对凝结时间的影响。

2.4各因素综合分析

综合分析减水剂、水泥掺量各因素对胶砂性能的影响，确定各因素的合理值进行胶砂实验测定4h,8h,1d,3d,7d,14d,28d力学性能和收缩，以此为基准进行碱激发胶凝材料混凝土实验， 分别考察碱激发混凝土的工作性能和力学性能。

（1）工作性能

观察混凝土的黏聚性和离析泌水情况，考虑到施工性能合理调节水胶比、和砂率将混凝土的坍落度调整至70mm-140mm。

（2）力学性能

为保证修补混凝土与旧基体混凝土有更好的协同作用，两者应具有相近的弹性模量。修补材料路面开放的主要技术指标为抗折强度，国内开放同行需达到抗折强度3.0Mpa-3.8Mpa，混凝土28d抗折强度不低于4.0Mpa.合理调整各研究因素的变量满足相关指标。