新型富水热半导体材料耐久性与稳定性试验研究

摘要

青藏高原高海拔的多年冻土区岩土工程,都面临着高温、高含冰冻土以及全球气候变暖的难题。工程修建带来的人工热扰动必将导致下部多年冻土融化沉降,尤其对于未来黑色路面的高速公路更为严重。这样给维持多年冻土区工程长期安全增加了难度,随之而来的还有病害治理问题。本文在课题组前期相关富水热半导体材料研究成果基础上,新研制一种既可以在新建路基中应用,又可治理既有路基工程的新型高效、施工方便、经济环保热半导体材料。此种新型富水材料基于冰、水相变后的4倍导热系数差异,水化反应形成的网状结构可短时间固结大量自由水,冻融状态下导热系数比在2.9倍以上,并形成较高的强度。
　　本文以室内试验为主,选用硫铝酸盐水泥熟料为基料,天然硬石膏和生石灰为辅料,考虑多种添加剂同时作用的复杂性和搅拌工艺的影响,通过正交优化,最终确定新型富水热半导体材料的制浆工艺为:基料浆液和辅料浆液分别搅拌5min后混合浇筑;各组分配比范围为:以硫铝酸盐水泥熟料为基料,缓凝剂 R1和缓凝剂 R2(0.4％~0.6%,与基料的质量比,下同)、基料膨润土(2%~4%)、天然硬石膏(40%~60%)、生石灰(15%~25%)、氢氧化锂(2%~4%)、促凝剂C(2%~4%)、辅料膨润土(5%~7%)。获得研制的新型热半导体材料性质如下:
　　(1)新型富水材料在水灰比为2.0~3.0条件下,含水率达到140%以上,冻融状态下导热系数比分别为2.9倍以上,养护28d抗压强度大于1.7MPa,并且其冻胀率和渗透系数分别低于3.9%和9.6E-6cm/s。
　　(2)对新型富水材料试样进行25次冻融循环测试,得出水灰比2.0、2.5和3.0试样的保水率和抗压强度分别在97%和1.3MPa以上,水灰比2.0试样的强度高达2.94MPa。在经历多次冻融后,保水率较高,具有良好的热半导体性,抗压强度保持在峰值强度的80%以上,新型富水材料具有良好的抗冻融性。
　　(3)在不改变材料热半导体性的同时,利用其重结晶性质,确定了材料的预压荷载为对应临期峰值强度的80%,将三种水灰比试样养护3d后进行预压处理,其后续强度均有所增大,水灰比3.0试样强度可提高近10%,且水灰比越大预压时间越早,后续强度增长越大。因此,工程应用时合理利用材料的重结晶性,能有效提高材料的抗压强度,加强工程的力学稳定性。
　　综合试验结果,新型富水热半导体材料具有富水、高热半导体性、高强、低冻胀和低渗五大特性,并具有良好的抗冻融循环特性,是一种针对多年冻土区岩土工程理想的热半导体浆液材料。

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变量注释表

1 绪论

1.1问题的提出（Origin of the Paper）

1.2研究目的与意义(Purpose and Significance of the Paper)

1.3国内外研究现状(Actualities of the Study)

1.4研究内容及技术路线(Contents and Approaches)

2 新型富水热半导体材料试验研制

2.1试验原材料(Experimental Raw Materials)

2.2 理论可行性分析(Theoretical Feasibility Analysis)

2.3 基料与辅料的配比设计(Mixing Proportion Design of Basic and Auxiliary Material)

2.4 添加剂优化(Additive Optimizing)

2.5 最优配比设计(Optimal Mixing Proportion Design)

2.6 本章小结(Summary)

3 新型富水热半导体材料基本性能测试及分析

3.1初凝和终凝时间测定(Initial andFinalSettingTimeTesting)

3.2 含水持水特性测试(The Water Feature Testing)

3.3抗压强度测试(Compressive strengthTesting)

3.4 热物理性能测试(Thermal Physical Performance Testing)

3.5 冻胀敏感性测试(Heaving Susceptibility Testing)

3.6渗透性能测试(Permeability Testing)

3.7 本章小结(Summary)

4 新型富水热半导体材料耐久性及稳定性

4.1材料在自然风化条件下的保水率与抗压强度(WaterRetention and CompressiveStrength underthe NaturalWeatheringConditions)

4.2材料在冻融循环后的保水率和抗压强度(WaterRetention and CompressiveStrength afterFreeze-thawCycles)

4.3材料的重结晶性能(RecrystallizationProperties ofMaterials)

4.4材料在土体中的水分迁移(Material in theSoilMoistureMigration)

4.5 本章小结(Summary)

5 结论及研究展望

5.1主要结论(Conclusions ofDissertation)

5.2研究展望(Suggestions onResearch)

参考文献

作者简历

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