矿渣基地质聚合物路面修补材料的研究

发布时间：2020-08-23 12:03

【摘要】：随着我国道路交通量的迅速增长,许多道路因不堪重负而损坏,出现裂缝、拱起、破损、断裂等病害。传统的水泥路面修补材料存在耐久性差、造价高、碳排放量大,施工工艺复杂等缺陷。针对国内外现有路面修补材料存在的不足及国内重载交通路面的使用现状,寻求一种优质、高效、廉价、环保、凝结硬化快、强度高、耐久性能优异的路面修补材料是亟需解决的问题。论文基于地质聚合物修补材料的基材特性,通过矿渣基地质聚合物早期水化特性的动力学特性研究,建立快凝、高早期强度的地质聚合物体系三维结构发展模型,揭示早龄期地质聚合物体系的微观结构经时发展特征,以此为理论基础,优化配合比设计,探究地质聚合物修补材料力学性能发展规律,最后通过地质聚合物混凝土修补材料的结构表征与耐久性能测试,深入剖析地质聚合物修补材料的微观结构特性,综合论证了材料组成和结构对耐久性能的影响。论文设计制备的矿渣基地质聚合物路面修补材料,早期强度高、凝结硬化快、新旧材料界面粘结强度高、耐久性能优异,对快速修补、提前开放交通的特重交通路面具有一定实践指导意义。该研究一方面有望解决当前重交通荷载地区路面修补的技术难题,另一方面将为国内外多元固废的综合利用提供新途径。论文研究工作的主要结论有:1.通过配合比的调节,可以对矿渣基地质聚合物净浆修补材料早期的工作性能进行控制,流动度控制在0~198mm,初凝时间控制在25~191min,终凝时间控制在45~267min,结合矿渣基地聚合物体系早期水化过程超声波波速随时间变化规律、水化放热速率随时间变化规律,对体系早期水化过程进行分析研究,最终将矿渣基地质聚合物净浆体系早期水化过程分为四个阶段:(1)初始水化期;(2)水化诱导期;(3)水化加速期;(4)水化稳定期。2.利用HYMOSTRUC系统模拟研究了矿渣基地质聚合物净浆水化过程的三维结构,模拟表明:体系随着反应时间的增加,原材料颗粒逐渐溶解,反应产物不断增多并填充在原来的孔隙中,产物相互交织形成网络结构,地质聚合物浆体逐步致密化。偏高岭土、稻壳灰和硅灰的引入只是在水化早期发生明显作用,促进强度发展,对于较长时间的水化影响并没有明显的差异,且促进效果的排序为:偏高岭土、稻壳灰、硅灰。偏高岭土和石灰石粉的引入同样在水化早期发生明显作用,促进快速凝结、高强度发展,且偏高岭土和石灰石粉复合引入促进效果最优。3.矿渣基地质聚合物净浆的力学性能随配合比的不同而变化,3d抗压强度在8.37~53.48MPa,7d抗压强度在14.13~58.76MPa,28d抗压强度在32.19~86.35MPa,考虑修补材料在实际工程中的应用情况,确定水固比为0.32,碱激发剂掺量为014,粉煤灰取代率为0.4,水玻璃模数为0.12的配合比最优,该配合比制备的矿渣基地质聚合物净浆流动度为186mm,初凝时间为60min,终凝时间为80min,3d、7d、28d抗压强度分别为53.48MPa,58.76 MPa,86.35 MPa。与现有水泥基路面修补材料相比,矿渣基地质聚合物路面修补材料3d、7d、28d抗压强度分别比聚合物改性的特种水泥提高了约3MPa,5MPa,11MPa。4.基于矿渣基地质聚合物净浆的水化微结构的模拟及性能优化的预测,掺入稻壳灰、硅灰与偏高岭土对矿渣基地质聚合物净浆进行改性。结果表明,复合掺入10%稻壳灰和10%偏高岭土对矿渣基地质聚合物的改性效果最好,3d、7d、28d抗压强度分别提高了8.48MPa,9.09MPa,11.75MPa。5.基于矿渣基地质聚合物净浆的水化微结构的模拟及性能优化的预测,掺入偏高岭土和石灰石对矿渣基地质聚合物混凝土进行改性,并对不同掺量对矿渣基地质聚合物混凝土耐久性能的影响进行研究,结果表明,当偏高岭土掺量在15%,石灰石粉掺量在5%时性能最好,3d、7d、28d抗压强度分别提高了7.6MPa,6.8MPa,7.4MPa,掺入偏高岭土与石灰石粉提高了矿渣基地质聚合物混凝土的耐久性能,这是由于偏高岭土的高活性与石灰石粉的填充作用增强了混凝土的密实性,优化了界面过渡区,有利于强度发展及耐久性能提升,但由于偏高岭土吸水性较强,引起混凝土的工作性能大幅下降,拌合物均质性不良,出现较多孔隙,导致强度一定程度的下降,偏高岭土掺量不宜超过15%。6.实验结果与三维结构模拟结果一致,验证了三维模拟的可靠性及组成设计的合理性。充分体现了偏高岭土、石灰石粉、硅灰、稻壳灰改性的优势,主要基于偏高岭土的高活性与细小颗粒的微集料密实填充作用。论文的创新点为:(1)对地质聚合物早期水化性能及其动力学进行研究,并利用HYMOSTRUC模型,深入分析了矿渣基地质聚合物早期性能形成机理,揭示地质聚合物水化微观结构发展的三维演变过程,探索矿物掺和料的调控规律。(2)通过配合比的调节对矿渣基地质聚合物修补材料早期的工作性能进行控制,矿物掺合料的改性提高了矿渣基地质聚合物的力学性能及耐久性能,制备得到了性能优于水泥基路面修补材料的矿渣基地质聚合物路面修补材料。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U414;TQ317
【图文】：

结构图,地质聚合物,聚合单体,结构图

图 1.1 地质聚合物各聚合单体的结构图[98]Fig1.1 Structure of geopolymer monomers 1.2 Provis 和 Van Deventer 提出的地质聚合物反应动力学模inetic model of the geopolymer reaction proposed by Provis anM:偏高岭土或粉煤灰S:硅酸盐单体 A:铝酸盐单体O:铝硅酸盐低聚体D:聚合硅酸盐P:铝硅酸盐聚合物（无定形）N:铝硅酸盐“核”（半结晶或纳米晶体）G:铝硅酸盐胶（无定形） Z:沸石相（晶体）

示意图,地质,铝硅酸盐,地质聚合物

图 1.1 地质聚合物各聚合单体的结构图[98]Fig1.1 Structure of geopolymer monomers 1.2 Provis 和 Van Deventer 提出的地质聚合物反应动力学模型图inetic model of the geopolymer reaction proposed by Provis and VanM:偏高岭土或粉煤灰S:硅酸盐单体 A:铝酸盐单体O:铝硅酸盐低聚体D:聚合硅酸盐P:铝硅酸盐聚合物（无定形）N:铝硅酸盐“核”（半结晶或纳米晶体）G:铝硅酸盐胶（无定形） Z:沸石相（晶体）

SEM图,粉煤灰,矿渣微粉,粒径分布

(a)矿渣微粉颗粒分级粒径分布 (b) 矿渣微粉颗粒累积粒径分布图 2.1 矿渣粒度分布Fig 2.1 Particle size distribution of the slag powders2. 粉煤灰作为地质聚合物的化学激发原材料，粉煤灰中的活性氧化硅和氧化铝的含量及烧失量决定着地质聚合反应的程度和产物的强度等性能。选取阳逻电厂获得的粉煤灰进行实验，其化学组成见表 2.1，物理性能见表 2.2，物相分析如图 2.3 所示

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