水泥乳化沥青混凝土浆体—集料界面区结构与性能研究

摘要

水泥乳化沥青混凝土是在普通乳化沥青混凝土中用水泥代替部分矿粉经冷拌、冷铺、碾压后形成的一种路面材料；吸收了沥青混凝土柔性好和水泥混凝土强度高的优点，克服了沥青混凝土高温变软、施工污染环境和水泥混凝土接缝设置复杂等缺点；对于降低能耗，实现环保施工，非常有利。然而，与水泥混凝土或沥青混凝土相比，水泥乳化沥青混凝土的胶凝材料为无机物的水泥和有机物的乳化沥青，在混凝土内部的作用形式及对浆体-集料界面结构与性能影响较前两者存在较大区别，界面区结构与性能对混凝土性能影响规律也存在差异。 利用扫描电镜(SEM)、X衍射(XRD)、红外光谱(IR)、电子探针(EPMA)、能谱分析(EDAX)及显微硬度仪等微观试验设备，结合自行设计的浆体-集料界面粘附性能测定方法，围绕水泥乳化沥青复合浆体在混凝土浆体-集料界面区内的存在形式、两种胶凝材料与集料界面的粘附性能、界面区结构与性能的影响因素及机理、界面区结构与性能对混凝土整体性能的影响以及其改善方法和机理等问题进行研究，具有如下创新点：①提出水泥乳化沥青浆体结构特征和界面区结构特征；②提出浆体-集料界面粘附特征；③提出浆体-集料界面区显微硬度特征；④分析水泥乳化沥青混凝土路用性能和界面区结构与性能关联性，验证通过改善界面区结构来改善混凝土性能的可行性。取得了一些重要结论。 水泥乳化沥青浆体内部存在孔隙，浆体表面凹凸不平；浆体由沥青包裹的矿粉与未水化水泥组成的粒状颗粒和纤维状水泥水化产物C-S-H凝胶、CH等构成；粒状颗粒、C-S-H凝胶和自由沥青相互交织，构成一种空间结构；浆体中的水泥、矿粉等无机填料没有与乳化沥青破乳产生的沥青发生反应，生成新物质，但水泥和矿粉所含矿物比例减小。 在混凝土表面，浆体结构疏松，与集料表面距离较大，存在明显的浆体-集料界面，界面状况较差；在混凝土内部，集料表面浆体光滑，自由沥青较多，结构亦相对疏松，然后是相对致密的浆体结构，存在短小的纤维状C-S-H凝胶，自由沥青数量相对较少，浆体表面起伏较大；水泥发生水化，产物主要有C-S-H、CH等；从基体到界面区，再到集料表面，浆体中所含Si等元素原子比和质量比在基体内相对最高，在界面区次之，在集料表面最小，水泥对浆体和界面区结构改善作用较大。 浆体与集料界面粘附依靠浆体本身性能和集料岩性及表面状况，界面以物理粘附为主。石灰岩集料和较小接触角的表面能够增加浆体与集料的粘附；粉胶比存在最佳值，太大或太小都不利于粘附性能的提高；在一定范围内，相同条件下，水泥用量增加和等级提高利于粘附性能的改善；矿粉细度增加利于界面粘附，但过细的矿粉反而不利；石灰岩矿粉较花岗岩矿粉利于界面粘附；界面处浆体内存在未水化水泥颗粒，影响界面粘附。 在混凝土中，集料硬度最大，靠近集料界面处硬度最小，然后向基体发展，硬度逐渐增加，呈梯度变化；界面区显微硬度与浆体和集料在界面粘附性能相关，粘附性能越好，显微硬度越高，可以采用提高粘附性能的措施提高界面区显微硬度。 水泥用量增加，浆体强度提高；最佳粉胶比时，浆体一集料粘附性能最强，界面区显微硬度最高，混凝土力学性能、高温稳定性和水稳性能提高；粉胶比过大，界面区结构变疏，粘附性能和显微硬度下降，混凝土路用性能降低。该规律与不同粉胶比混凝土路用性能变化规律一致。改善浆体结构和界面区结构与性能可以提高混凝土稳定度、静压强度、高温性能和水稳性能，低温性能不服从该规律。说明可以用水泥乳化沥青浆体结构特征、粘附特征和显微硬度特征预测不同粉胶比混凝土路用性能，但低温性能除外。 在一定范围内，填料细度增加和水泥强度等级的提高及石灰岩集料的采用会改善界面区结构，提高界面区粘附和显微硬度，混凝土路用性能提高。这与不同填料混凝土路用性能规律一致。所以，采用界面区结构特征、粘附特征和显微硬度特征预测不同原材料性能条件下混凝土的路用性能亦是可行的。 掺加到混凝土中的矿渣粉与石灰复合物和硅烷偶联剂能够改善其浆体一集料界面结构；混凝土路用性能表明，通过对界面区结构的改善来改善混凝土路用性能是可行的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1问题提出及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1水泥乳化沥青路面混凝土

1.2.2混凝土浆体—集料界面区结构

1.2.3混凝土浆体—集料界面区性能

1.2.4混凝土浆体—集料界面区性能研究手段

1.2.5混凝土浆体—集料界面区结构与性能对混凝土性能影响

1.2.6混凝土浆体—集料界面区结构改善

1.3研究目标、研究内容、技术路线及试验方案

1.3.1研究目标

1.3.2研究内容

1.3.3技术路线

1.3.4试验方案

第二章原材料性能试验分析

2.1原材料

2.2粒度分布

2.2.1试验原理

2.2.2控制参数

2.2.3试验结果及分析

2.3比表面积

2.3.1试验原理

2.3.2试验结果及分析

2.4亲水系数

2.4.1测定方法

2.4.2试验结果及分析

2.5表面电荷

2.5.1分析原理

2.5.2试验结果及分析

2.6扫描电镜

2.6.1工作原理

2.6.2试验结果及分析

2.7 X衍射

2.7.1试验原理

2.7.2试验结果及分析

2.8红外光谱

2.8.1分析原理

2.8.2试验结果及分析

2.9本章小结

第三章水泥乳化沥青混凝土浆体—集料界面区结构特征

3.1水泥乳化沥青混凝土浆体—集料界面区形成机理

3.1.1边壁效应

3.1.2颗粒干扰效应

3.1.3乳化沥青破乳造水效应

3.1.4微区泌水效应

3.1.5沥青迁移效应

3.1.6浆体与集料的非全粘合效应

3.2混凝土浆体—集料界面区结构理论及研究手段

3.2.1浆体—集料界面区理论

3.2.2乳化沥青在集料表面的粘附理论

3.2.3浆体—集料界面区结构模型

3.2.4浆体—集料界面区结构研究手段

3.3水泥乳化沥青浆体结构特征

3.3.1水泥乳化沥青浆体结构

3.3.2水泥乳化沥青浆体红外光谱分析

3.3.3水泥乳化沥青浆体X衍射分析

3.3.4水泥乳化沥青浆体结构特征

3.4水泥乳化沥青混凝土浆体—集料界面区结构特征

3.4.1混凝土表面浆体—集料界面区结构

3.4.2混凝土内部浆体—集料界面区结构

3.4.3浆体—集料界面区能谱分析

3.4.4浆体—集料界面区电子探针分析

3.4.5浆体—集料界面区结构特征

3.5本章小结

第四章水泥乳化沥青浆体—集料界面粘附性能

4.1浆体—集料界面粘附本质

4.2浆体—集料界面粘附性能

4.2.1试验方法

4.2.2试验结果

4.2.3结果分析

4.3润湿中的粘附

4.3.1润湿热力学原理

4.3.2浆体—集料界面及集料表面接触角测定

4.3.3结果分析

4.4浆体—集料界面微观结构与组成

4.4.1不同浆体微观结构

4.4.2不同浆体X衍射分析

4.4.3不同浆体红外光谱

4.5浆体—集料界面粘附特征

4.6本章小结

第五章水泥乳化沥青混凝土浆体—集料界面区显微硬度

5.1显微硬度测量原理

5.2水泥乳化沥青浆体—集料界面区显微硬度

5.2.1试验结果

5.2.2结果分析

5.3水泥乳化沥青混凝土浆体—集料界面区显微硬度

5.3.1试验结果

5.3.2结果分析

5.4不同显微硬度浆体—集料界面区结构与组成

5.4.1浆体—集料界面区结构

5.4.2浆体—集料界面区能谱分析

5.4.3浆体—集料界面区电子探针分析

5.5水泥乳化沥青混凝土浆体—集料界面区显微硬度特征

5.6本章小结

第六章水泥乳化沥青混凝土路用性能和浆体-集料界面区结构与性能关联性

6.1水泥乳化沥青混凝土路用性能

6.1.1试验方案

6.1.2不同粉胶比混凝土路用性能

6.1.3不同填料混凝土路用性能

6.2不同路用性能混凝土界面区结构与性能

6.2.1不同粉胶比混凝土界面区结构

6.2.2不同填料混凝土界面区性能

6.2.3水泥对混凝土界面区结构与性能作用

6.3混凝土路用性能和界面区结构与性能关联性分析

6.3.1不同粉胶比混凝土路用性能和界面区结构与性能

6.3.2不同填料混凝土路用性能和界面区结构与性能

6.4本章小结

第七章水泥乳化沥青混凝土浆体—集料界面区结构改善

7.1矿渣粉对浆体—集料界面区结构改善

7.1.1矿渣粉胶凝效应机理

7.1.2矿渣粉与乳化沥青浆体X衍射分析

7.1.3矿渣粉与乳化沥青浆体及界面区结构

7.1.4矿渣粉与乳化沥青浆体能谱分析

7.2硅烷偶联剂对浆体—集料界面区结构改善

7.2.1硅烷偶联剂偶联效应机理

7.2.2硅烷偶联剂改性花岗岩矿粉红外光谱分析

7.2.3硅烷偶联剂改性浆体及界面区结构

7.3水泥乳化沥青混凝土路用性能改善

7.3.1矿渣粉对混凝土路用性能改善

7.3.1硅烷偶联剂对混凝土路用性能改善

7.4本章小结

第八章结论与展望

8.1主要结论

8.2主要创新点

8.3存在不足及进一步研究建议

8.3.1存在不足

8.3.2进一步研究建议

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢