旧水泥混凝土路面超薄水泥基加铺材料配合比优化.pdf
《旧水泥混凝土路面超薄水泥基加铺材料配合比优化.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《旧水泥混凝土路面超薄水泥基加铺材料配合比优化.pdf(12页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第2 9 卷第6 期2023年11月文章编号:10 0 8-5548(2 0 2 3)0 6-0 0 2 7-12旧水泥混凝土路面超薄水泥基加铺材料配合比优化中国粉体技术CHINAPOWDER SCIENCE ANDTECHNOLOGYVol.29 No.6Nov.2023doi:10.13732/j.issn.1008-5548.2023.06.003马士宾,侯立成,刘月钊,张俊飞(河北工业大学土木与交通学院,天津30 0 40 0)摘要:旧水泥路面快速维修是公路养护人员面临的技术难题,而超薄加铺是一种低成本、高效率的维修方案。为了得到超薄水泥基加铺材料的最优配合比,通过对水泥基胶凝材料体系
2、的强度发展规律和早期水化机制进行分析,确定基准配合比。以水胶质量比、辅助胶凝材料替代率和胶砂质量比为自变量,采用三因素11组试验的A最优混合设计法(311-A最优混合设计法)对配合比进行优化设计,分析自变量对设计指标抗折强度、抗压强度以及流动度的影响。通过模拟计算得到3种配合比组合,对3种组合从经济性、技术性和工作性进行综合分析。结果表明:基于311-A最优混合设计法得到的材料最优配合比的水胶质量比为0.32,辅助胶凝材料替代率为15%,胶砂质量比为1.0,力学强度和流动度的预测值与基于室内试验的实测值误差在5%以内。关键词:水泥基材料;超薄加铺;配合比;最优混合设计;水化机制中图分类号:U4
3、14引用格式:马士宾,侯立成,刘月钊,等.旧水泥混凝土路面超薄水泥基加铺材料配合比优化J.中国粉体技术,2 0 2 3,2 96):27-38.MA S B,HOU L C,LIU Y Z,et al.Mix proportion optimization of ultra-thin cement-based paving materials for old cementconcrete pavementJ.China Powder Science and Technology,2023,29(6):27-38.Mix proportion optimization of ultra-thin
4、 cement-based paving materials for文献标志码:Aold cement concrete pavementMA Shibin,HOU Licheng,LIU Yuezhao,ZHANG Junfei(School of Civil and Transportation,Hebei University of Technology,Tianjin 300400,China)Abstract:Rapid repair of old cement pavement was a technical problem faced by highway maintenance
5、 personnel,and ultra-thinpaving was a low-cost and high-efficiency maintenance solution.In order to obtain the optimal mix proportion for ultra-thincement-based paving materials,based on the analysis of the strength development law and early hydration mechanism of cement-based cementitious material
6、system,the reference mix proportion was determined.Then,the water-binder proportion,auxiliarycementitious material replacement rate and cement-sand proportion were taken as independent variables,and A-optimal mixeddesign method of three factors and eleven groups of experiments(311-A optimal mixed de
7、sign method)was used to optimize themix design.The influence of independent variables on flexural strength,compressive strength and fluidity of design indexes weresystematically analyzed.Three mix proportion combinations were obtained through simulation calculation,and a comprehensiveanalysis was co
8、nducted on the economic,technical,and workability aspects.The results show that the optimal mix proportion ofmaterial mass percentage obtained by 311-A optimal mixed design method is water-binder proportion of 0.32,auxiliary cementitiousmaterial replacement rate of 15%and cement-sand proportion of 1
9、.0.The error of mechanical strength and fluidity between thepredicted value and the measured value based on the indoor verification test is within 5%.Keywords:cement-based material;ultra-thin paving;mix proportion optimization;optimal mixed design;hydration mechanism收稿日期:2 0 2 3-0 5-17,修回日期:2 0 2 3-
10、0 6-14。基金项目:国家自然科学基金项目,编号:52 2 0 8 2 40;天津市交通运输科技发展项目计划,编号:2 0 2 2-0 1。第一作者简介:马士宾(197 3一),男,教授,博士,教授,硕士生导师,研究方向为路基路面材料以及桥梁施工。E-mail;。28对旧水泥路面及时采取科学的养护措施可以有效延长路面的使用寿命,在旧水泥路面上直接进行超薄加铺是一种成本花费低、施工速度快的养护方案。水泥混凝土超薄加铺需要满足路面板薄和早期开放交通的技术要求,这对超薄加铺混凝土的早期强度要求较高。混凝土早期强度很大程度受水泥基胶凝材料影响,因此对水泥基胶凝材料的研究至关重要。已有的研究1-3表明
11、,早强型水泥基胶凝材料的早期强度基本可以满足预期目标,为了充分发挥利用早强型水泥基胶凝材料的性能,对水泥基胶凝材料体系的配比进行优化设计是很有必要的。目前用于材料配合比设计的主要方法有基于强度的试算设计、利用数学工具的预测设计以及运用新算法的训练设计等。例如 Tian 等4提出了一种基于抗压强度的高性能地质聚合物砂浆配合比设计方法;王巍等5在正交试验的基础上,采用最优化理论对半柔性路面用灌注式水泥胶浆进行了配合比优化;姚仲泳6 结合控制变量法和正交试验设计对工程水泥基复合材料配合比进行研究;Merendas等7 和张兰芳等8 采用了响应面法对碱激发水泥砂浆的配合比进行优化;马士宾等9分别采用了
12、响应面法和反向传播神经网络结合遗传算法对磷酸镁水泥砂浆的配合比进行研究。其中,基于强度的配比设计简单高效,配合比调整起来比较方便,但是无法考虑多个变量的影响,并且配比的调整需要依据主观经验。正交设计法是一种有效的组合设计方法,操作简便,试验数量少,数据方便处理,比较适合因素水平变化范围小,考虑因素相对较少的情况10。响应面法则需要大量的试验数据做支撑。神经网络、遗传算法等前沿算法确实可以充分运用计算机的分析计算能力11,但是算法的精度和可行性都需要反复论证12 最优混合设计是一种新的试验设计方法,优点是参数估计精度高,参数变化区间范围广,数据处理方便,在工业及建筑业方面处理多因素影响设计具有较
13、好的效果13。本文综合考虑水泥基胶凝材料体系的工作性和强度性能,采用三因素11组试验的A最优混合设计法(311-A最优混合设计法)进行配合比优化,研究水胶比、辅助胶凝材料替代率、胶砂比三因素对水泥基胶凝材料体系性能的影响。1试验1.1原材料与仪器设备普通硅酸盐水泥的标号为P.042.5,细度(8 0 m筛余质量分数)为2.1%。42.5级快硬硫铝酸盐水泥(RSAC,山东潍坊九七建材有限公司)的技术指标如表1所示。硅灰选用高活性微硅粉(河南郑州恒诺滤材有限公司),技术指标如表2 所示,化学成分如表3所示。矿渣选用S95级粒化高炉矿渣粉,技术指标如表4所示,化学成分如表5所示。减水剂选用减水率为2
14、 0%的聚羧酸高效减水剂(上海臣启化工科技有限公司)。细集料为中砂(天津中兴裕隆建材销售有限公司),细度模数为2.7 2。仪器设备:NLD-3型水泥胶砂流动度测定仪(世佳试验仪器厂);NLY-2000D型万能试验机(上海三思纵横机械有限公司);SmartLabSE型X射线衍射仪(日本理学株式会社)。试验仪器设备如图1所示。Tab.1 Chemical composition of 42.5 rapid-hardening-sulphoaluminate cement凝结时间/min检测项目安定性规范要求合格检测结果合格Tab.2 Technical indexes of 42.5 rapid-
15、hardening-sulphoaluminate cement mass fractionCaoFe20345.3018.60中国粉体技术表142.5级快硬硫铝酸盐水泥技术指标抗压强度/MPa初凝终凝2518045150表2 42.5级快硬硫铝酸盐水泥化学成分质量分数Al203Si0212.507.23第2 9卷抗折强度/MPa比表面积/1d3d30.042.537.245.1SO31d6.06.03d6.56.74.30(m.kg*)350410%第6 期Si02质量分数/%96.65密度/(gcm-3)2.84Si0234.11马士宾,等:旧水泥混凝土路面超薄水泥基加铺材料配合比优化表3
16、硅灰技术指标Tab.3Technical indexes of silica fume烧失量/%平均粒径/um2.100.1表4S95级矿渣粉技术指标Tab.4Technical indexes of S95 slag流动度比/%烧失量/%960.4表5S95级矿渣粉化学成分质量分数Tab.5 Technical indexes mass fractio of S95 slagAl,0315.3129比表面积/(mg)密度/(gcm3)201.8氯离子质量分数/%比表面积/(m.kgl)0.02472CaoMgo37.258.49%Fe203Ti020.731.94图1试验用主要仪器设备Fig
17、.1Main instruments and equipment for testing1.2试件制备、养护及性能测试本试验中胶砂试件制备采用长度、宽度、高度分别为40 mm、40 m m、16 0 m m 的三联模,试件置于温度为(2 0 2)、相对湿度为95%以上的标准养护室进行养护。需水量试验按规范水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法(GB/T1346一2 0 11)测试。流动度采用跳桌测定,砂浆自由流动时间为(30 1)s。抗折强度和抗压强度采用万能试验机测定,抗压强度试验机加载速率为2 40 0 N/s,抗折强度试验机加载速率为50 N/s。X射线衍射测试(XRD)将胶砂试件
18、劈裂取样,剔除砂子并采用无水乙醇浸泡,浸泡后研磨成粉进行分析。1.3配合比设计方案1.3.1超薄水泥基加铺材料基准配合比设计方案基于早强混凝土的特点,为了探讨复掺多辅助胶凝复合材料下的超薄水泥基加铺材料配合比设计,确定基准配合比,为进一步配合比优化设计做铺垫。本试验参照公路水泥混凝土路面施工技术细则(JT G/T F30 2 0 14),采用水灰质量比为0.32,用水量为149kg/m,水泥用量为46 6 kg/m,减水剂用量为胶凝材料总量的0.7%,以实际情况用量微调整。试验采用等质量替代法,以质量分数为5%、7%、10%的RSAC等质量替代P042.5水泥进行强度对比试验和XRD分析,在确
19、定RSAC的掺量基础上,分别在矿渣与硅灰质量比(简称矿硅比)为0%、2 5%、50%、7 5%、10 0%条件下以矿渣加硅灰等质量替代质量分数为10%的P?042.5水泥,进行强度对比试验和标准稠度用水量试验,结合XRD分析确定基准配合比。301.3.2基于最优混合设计的配合比优化设计方案在基准配合比的基础上,本试验采用311-A最优混合设计进行配合比优化,选取水胶质量比(X,)、辅助胶凝材料替代率(X,)、胶砂质量比(X,)为3个变量,以三因素七水平进行试验设计,以3d龄期抗折强度作为主要设计指标,同时考虑对抗压强度和流动度的影响。各因素上下水平编码及变化间距如表6 所示。根据311-A最优
20、混合设计的要求,拟定出11个试验处理组合见表7。因素1水胶质量比(X)0.02辅助胶凝材料替代率5(X2)/%胶砂质量比(X3)处理号(水胶质量比)(辅助胶凝材料替代率)10(0.32)20(0.32)3-1.414(0.29)41.414(0.35)5-1.414(0.29)61.414(0.35)72(0.36)82(0.28)90(0.32)100(0.32)110(0.32)中国粉体技术表6 各因素上下水平编码及变化间距Tab.61Horizontal and varying spacing of each factor变化间距-20.2800.200.40表7 矿物掺和料配合比试验设
21、计方案Tab.7Design Scheme for Mix Proportion Test of Mineral Admixture编码值(采用值)XIX20(10)0(10)-1.414(3)-1.414(3)1.414(17)1.414(17)0(10)0(10)2(20)-2(0)0(10)第2 9卷水平-1.414-10.290.30350.500.60X3普通硅酸盐水泥)(胶砂质量比)2(1.2)-2(0.4)1(1.0)1(1.0)1(1.0)1(1.0)-1(0.6)-1(0.6)-1(0.6)-1(0.6)0(0.8)00.32100.80快硬硫铝酸盐矿渣水砂子减水剂水泥386
22、33386334713737729398373182933628454383403343333386331.4140.340.3515171.001.10质量/kg47471613897141559301494714920.36201.201493883.261491 1643.261525243.671474192.931525243.671474192.931466752.841539113.821497763.267763.265823.262结果与分析2.1超薄水泥基加铺材料基准配合比设计结果分析2.1.1RSAC掺量的确定硫铝酸盐水泥具有水化反应快、早期强度高、微膨胀的特性14,水化
23、产物钙矾石(AFt)是早期强度的主要来源。图2 为不同RSAC掺量下胶砂各龄期强度对比图。通过图2 可以看出,随着RSAC质量分数的增加,各龄期强度基本都有所提高,且均高于10 0%P042.5水泥胶砂试件。通过曲线斜率发现,RSAC的质量分数在7%10%之间对应的强度增长效果不及5%7%质量分数,且RSAC质量分数为7%和10%对应的2 8 d龄期强度相差不多。图3为不同RSAC质量分数下3d龄期的XRD分析图谱。通过对图3分析可知,主要特征峰没有明显变化且衍射图谱变化基本保持一致,主要水化产物为水化硅酸钙(C-S-H)和氢氧化钙(Ca(O H)2,CH)。3d 龄期时衍射图谱中显示有未水化
24、完全的硅酸三钙(C,S),同时存在部分碳化成分CaCO3,这第6 期是由于空气中的CO,渗透到内部的毛细管中并溶于液相,与水泥水化过程中水化产物相互作用而形成。掺加RSAC后的水化产物主要有AFt、低硫型水化硫铝酸钙(AFm)及铝胶(Al,O33H,O),首先熟料中的铝酸三钙(CsA)与石膏发生水化反应生成AFt,随着石膏和水含量的消耗,水泥中未水化的C,A继续与AFt或铁铝酸四钙(C4AF)反应生成AFm和CH,后期AFt逐渐脱硫转为更稳定的单硫型AFt,释放出CaSO4和水,以保证一定量的液相,供硅酸二钙(C,S)、铝相和铁相的水化15。当RSAC质量分数为0 时,衍射图谱上出现了AFt的
25、特征峰,含量相对较低,普通硅酸盐水泥熟料为CsA提供足够的石膏,随着RSAC掺量的增加,游离的SO减少,AFt的含量增加,同时伴随着铝硅酸盐矿物的出现并不断增长,因此考虑到强度提高的稳定性和掺量经济性的原则,选取RSAC的质量分数为7%。60养护龄期3 d养护龄期7 d50养护龄期2 8 d403020100马士宾,等:旧水泥混凝土路面超薄水泥基加铺材料配合比优化2养护龄期3d养护龄期7 d8养护龄期2 8 d642057快硬硫铝酸盐水泥质量分数/%(a)图2 不同硫铝酸盐水泥质量分数的胶砂强度Fig.2 Strength of mortar with different RSAC cemen
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 水泥 混凝土 路面 超薄 基加铺 材料 配合 优化
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。