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    玄武岩纤维透水混凝土路用性能试验土木工程研究

    来源: www.workforlgbt.org 发布时间:2020-03-23 论文字数:32244字
    论文编号: sb2020031923074930021 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
    本文是一篇土木工程论文,本试验在目标孔隙率 15%、硅灰掺量 5%、减水剂掺量 0.5%的基础上,制备掺加玄武岩纤维的透水混凝土。首先利用体积法确定了玄武岩纤维透水混凝土的主要组成材料的
    本文是一篇土木工程论文,本试验在目标孔隙率 15%、硅灰掺量 5%、减水剂掺量 0.5%的基础上,制备掺加玄武岩纤维的透水混凝土。首先利用体积法确定了玄武岩纤维透水混凝土的主要组成材料的用量,然后制备掺加不同玄武岩纤维的透水混凝土试件,分析玄武岩纤维不同直径、不同长度、不同掺量、不同搅拌方式分别对试件的抗压强度、劈裂抗拉强度、孔隙率、透水系数、抗冻融性能的影响及规律。接着通过正交设计试验确定九组不同玄武岩纤维的透水混凝土试件,应用极差分析法分析玄武岩纤维各变量对透水混凝土试件的抗压强度、透水系数影响的主次顺序,并分析其对孔隙率和抗冻融性能的影响,最后进行综合分析,得出各组分的最优掺入指标。主要结论如下:(1)玄武岩纤维单因素对透水混凝土性能指标的影响①对于玄武岩纤维的直径,随着直径的增大,透水混凝土的抗压强度减小、劈裂抗拉强度先显著降低然后有略微的提高、孔隙率略有增大、透水系数增大、冻融后质量损失率和抗压强度损失率都增大。因为随着直径的增大,纤维对骨料与水泥之间粘结性的影响增大,水分更容易通过纤维渗出混凝土。②对于玄武岩纤维的长度,随着长度的增加,透水混凝土的抗压强度增大、劈裂抗拉强度先略有降低然后有明显的升高、孔隙率增大、透水系数增大、冻融后质量损失率增大、抗压强度损失率减小。因为随着长度的增加,透水混凝土试件在破坏时,纤维能承担更大的拉应力,抑制混凝土的破坏,较长的纤维更容易在透水混凝土中形成网状结构,水分更容易通过纤维渗出混凝土。

    第1章   绪论

    1.1   研究背景及意义
    近年来,我国经济水平平稳增长,人民生活质量提升,城镇的整体建设水平也日益加快,城市间修建了越来越多的建筑物,并且在建筑物之间已经建造了越来越多的由阻水材料(水泥混凝土和沥青混合料等)铺设的道路。便捷的交通带给人们极大的便利。同时,由于不透水,由阻水材料制成的路面对城市的生态环境产生诸多负面影响。近年来,随着海绵城市建设的推进,透水混凝土路面已成为“海绵城市”建设的重要组成部分,透水路面的建设有利于降水的渗透,并回灌地下,防止雨后交通堵塞和地面污染物扩散,降低城市热岛效应等。
    在海绵城市的建设中,透水混凝土广泛用于道路路面。例如公园、人行道、园林道路和广场等。透水混凝土,也称为多孔混凝土或无砂混凝土,是由骨料、水泥、增强剂和水制成的。由于其制作过程中不使用细骨料,其表面由水泥包裹粗骨料后相互粘结形成,结构为具有均匀分布的孔隙并呈蜂窝状,特点为透气、透水和重量轻。由于其具有良好的透水性和较大的空隙,因此可用于道路路面的透水工程中。由透水混凝土的结构可以知道,其所受的力主要由骨料之间的接触点来完成,这导致了透水混凝土比普通混凝土的强度低。如果要提高透水混凝土的强度,其孔隙率通常会降低,从而导致透水系数降低;在水胶比相同的情况下,随着孔隙率的增加,其抗冻性变差。也就是说,尽管透水混凝土满足了透水性能,但是其强度和抗冻性常常不足。强度和抗冻性限制了透水混凝土在路面工程中的推广应用。
    针对透水混凝土透水系数-强度及其抗冻融性难以协调的关键问题,本试验提出掺入玄武岩纤维制备生态透水混凝土的技术思路。玄武岩纤维是一种以火山岩为原料制成的连续纤维,在 1450~1500°C 的温度下熔融,然后通过铂铑合金引流板高速拉伸。它是一种新型的环保材料,具有高强度,耐酸碱,抗氧化,抗紫外线,隔音和出色的耐温性。并且与水泥有着良好的亲和性等特点,原料来源广泛,适用于各种环境,近年来,正成为工程界研究热点[1]。将一定量的玄武岩短切纤维掺入透水混凝土中,可以提高透水混凝土的抗压强度、抗冲击、耐腐蚀及抗冻融性能,并可有效抑制混凝土内部裂缝的产生,提高路面耐久性,可为严寒地区透水混凝土路面的应用和研究提供参考,对透水混凝土的持续发展具有重要的指导意义。
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    1.2   国内外研究现状
    1.2.1   透水混凝土研究现状
    (1)国外透水混凝土的研究现状
    1910 年前后,国外开始研究多孔水泥混凝土,生产了许多的预制混凝土构件,并且将其用于房屋建筑。1972 年,美国为了保护水资源,发布了《Clean Water Act》,其中明确规定,美国各地区和主要城市在收集雨水时,必须保证所收集雨水的清洁程度,此后对于透水混凝土的配合比设计方法进行了大量的研究。透水混凝土不仅可以就地渗透,过滤和净化雨水,而且还具有吸声、防滑和防眩光的功能[2]。1979年,美国开发了无砂多孔混凝土。原料为 I 型硅酸盐水泥和粒径为 6~12.5mm 的单粒粗骨料,其 28d 的抗压强度为 26.2MPa,透水系数为 1.6mm/s[3]。1995 年,Nader Ghafoori 描述了透水混凝土的轮廓,研究了其力学性能和抗冻性[4]。2003 年,Benjamin O.  Brottebo 和 Derek  B.  Booth[5]对 1996 年应用透水混凝土铺筑的四个停车场的透水和力学性能进行了研究,发现其没有发生重大破坏且雨水渗透很好。2016 年,Maria A.Hernandez-Saenz、SilviaCaro[6]在前人关于透水混凝土的研究的基础上,经总结得出了路面设计的新方法。
    1970 年,在英国,有许多学者开始研究透水混凝土,并且使用透水混凝土铺筑了路面,此路面长度为 183m,拥有 5cm 厚的表层和 25cm 厚的基层。在第 28 天时,路面强度达到了 13.8MPa。在使用了十年之后,此道路被冻融破坏。日本的地理位置特殊,年降水量很大,但其地下水位却在下降。20 世纪 70 年代后期,许多学者提出将雨水直接排入地下,补充地下水位的政策,以此来解决地下水位下降引起的地基沉降问题。为此学者们专门研究了透水混凝土的三个指标,强度、孔隙率和透水系数之间的关联,并于 1987 年申报了这方面的专利。在该专利中提到,进行试验需选用单一级配的粗骨料和有机高分子材料制成的胶凝材料。自此之后,日本学者玉井元治[7]也进行了透水混凝土的相关试验研究,他选用了水泥作为其主要的胶凝材料。这种透水混凝土的厚度通常在 70 至 200mm 之间,水灰比约为 0.35,由 5 至13mm 的碎石制成。
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    第2章   制备玄武岩纤维透水混凝土所需材料及工艺

    2.1   试验所需材料
    2.1.1   粗骨料
    在透水混凝土中,起主要受力作用的为其中的粗骨料,其力学性能、透水性能和抗冻融性能主要受其限制,制作透水混凝土时通常需选用较小粒径、单一级配的骨料,这是因为需要透水混凝土保持一定的透水性。透水混凝土骨料粒径应选择2.4~13.2mm 之间的骨料,粒径太小试件成型后透水性不好,粒径太大试件成型后强度不够,因此本次试验选用骨料粒径为 5~10mm。这样既可以保证透水混凝土拥有足够的透水性,又不用担心透水混凝土的强度太低,达不到要求。材料来源于本地采石场。具体性能指标见表 2-1。
    表 2-1   骨料的性能指标
    2.1.2   水泥
    透水混凝土中不使用细骨料,在其中主要靠水泥将骨料粘结在一起,因此水泥的强度就决定了成品的强度和性能。本文试验中使用的水泥为鼎鹿牌 P.O42.5 级普通硅酸盐水泥,其具体性能指标如表 2-2 所示。
    表 2-2   水泥性能指标
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    2.2   制备工艺
    2.2.1   配合比设计
    配合比设计通过体积法计算,从实测单位体积的粗骨料的紧密堆积密度可以得到单位体积的粗骨料的用量,然后根据设计的孔隙率和粗集料紧密堆积孔隙率计算水泥浆的体积。最后,依照试验设计的水胶比和所用的硅灰与水泥之间的的比例,
    将单位体积的水泥用量、单位体积的用水量、单位体积的硅灰用量和减水剂的量依次算出。
    搅拌透水混凝土后,混合物的状态直接影响成型后透水混凝土的力学性能,因此搅拌过程是透水混凝土的重要组成部分。加料方式和搅拌程度就显得尤为重要。透水混凝土在拌合后其表面有金属光泽且被水泥包裹后仍呈现出颗粒状,如图 2-3。骨料与骨料之间由水泥浆体粘聚成型,随着龄期水化硬化产生强度,骨料与骨料之间保持一定的孔隙,成型后成为一个硬化的整体的多孔结构。本文试验选用 HJW-60 型强制式单卧轴混凝土搅拌机进行搅拌。
    透水混凝土在搅拌过程中通常会出现三种搅拌不良的情况:第一种情况是由于水胶比太低,导致部分水泥未形成水泥浆包裹骨料,骨料表面水泥浆过少,影响玄武岩纤维透水混凝土的力学性能;第二种情况是水泥浆未拌匀,导致透水混凝土骨料间的部分孔隙被水泥堵塞,影响了玄武岩纤维透水混凝土的透水性能;第三种情况是混凝土在搅拌后水泥浆流动度过大或试件在成型过程中由于振捣时间过长导致透水混凝土底面被水泥浆封底,影响透水混凝土的透水性能。
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    第 3 章  单因素变量对透水混凝土路用性能影响研究 ................................. 16
    3.1   玄武岩纤维单因素变量对透水混凝土力学性能的影响研究 ........................ 16
    3.1.1   力学性能测试方法 ............................. 16
    3.1.2   玄武岩纤维单因素变量对透水混凝土抗压强度的影响研究 .............. 18
    第 4 章  复合因素变量对透水混凝土路用性能影响研究 ........................ 34
    4.1   正交试验设计 ............................ 34
    4.1.1   正交试验法 ........................................ 34
    4.1.2   正交试验数据分析方法 ................................................ 34
    第 5 章  结论与展望 ................................. 49
    5.1   结论 ......................................... 49
    5.2   展望 ....................................... 50

    第4章   复合因素变量对透水混凝土路用性能影响研究

    4.1   正交试验设计
    4.1.1   正交试验法
    定义:一个有 m 个因素和 n 次试验的设计,若它对任意两个因素构成完全等重复的试验,则认为是正交的。 满足条件
    (1)每一因素的不同水平在试验中出现的次数相同。
    (2)任意两个因素的不同水平组合在试验中出现的次数相同。
    优点:在显著减少试验次数的同时又能取得良好的试验效果,是研究和处理多因素试验的一种科学有效的方法,在工程中应用广泛。因素和水平数越多,进行全面试验就越多越复杂,而与正交试验的对比就越明显。
    正交试验中各因素的水平的改变对试验的影响程度是不同的,通过极差分析可以得出各因素对正交试验影响程度的大小。极差越大,表示该极差所对应的因素水平变化对正交试验的影响程度越大;极差越小,表示该极差所对应的因素水平变化对正交试验的影响程度越小。
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    第5章   结论与展望

    5.1   结论
    近年来,随着海绵城市建设的推进,透水混凝土路面已成为“海绵城市”建设的重要组成部分,修建透水路面有利于降水渗透,回灌地下,防止雨后交通堵塞及地面污染物扩散,减轻城市热岛效应,减少扬尘等。将玄武岩短切纤维按照一定比例掺入透水混凝土,可有效提高透水混凝土抗压强度和抗冲击、耐腐蚀及抗冻融性能,并可有效抑制混凝土内部裂缝的产生,提高路面耐久性。本试验在目标孔隙率 15%、硅灰掺量 5%、减水剂掺量 0.5%的基础上,制备掺加玄武岩纤维的透水混凝土。首先利用体积法确定了玄武岩纤维透水混凝土的主要组成材料的用量,然后制备掺加不同玄武岩纤维的透水混凝土试件,分析玄武岩纤维不同直径、不同长度、不同掺量、不同搅拌方式分别对试件的抗压强度、劈裂抗拉强度、孔隙率、透水系数、抗冻融性能的影响及规律。接着通过正交设计试验确定九组不同玄武岩纤维的透水混凝土试件,应用极差分析法分析玄武岩纤维各变量对透水混凝土试件的抗压强度、透水系数影响的主次顺序,并分析其对孔隙率和抗冻融性能的影响,最后进行综合分析,得出各组分的最优掺入指标。主要结论如下:
    (1)玄武岩纤维单因素对透水混凝土性能指标的影响
    ①对于玄武岩纤维的直径,随着直径的增大,透水混凝土的抗压强度减小、劈裂抗拉强度先显著降低然后有略微的提高、孔隙率略有增大、透水系数增大、冻融后质量损失率和抗压强度损失率都增大。因为随着直径的增大,纤维对骨料与水泥之间粘结性的影响增大,水分更容易通过纤维渗出混凝土。
    ②对于玄武岩纤维的长度,随着长度的增加,透水混凝土的抗压强度增大、劈裂抗拉强度先略有降低然后有明显的升高、孔隙率增大、透水系数增大、冻融后质量损失率增大、抗压强度损失率减小。因为随着长度的增加,透水混凝土试件在破坏时,纤维能承担更大的拉应力,抑制混凝土的破坏,较长的纤维更容易在透水混凝土中形成网状结构,水分更容易通过纤维渗出混凝土。
    ③对于玄武岩纤维的掺量,随着其掺量的增长,透水混凝土的抗压强度降低、劈裂抗拉强度增大、孔隙率降低、透水系数降低、冻融后质量损失率和抗压强度损失率都减小。因为随着掺量的增加,当纤维掺量过多时,纤维在混凝土内部不能很好地分散,会产生结团、堆积的情况,不仅使水泥不能完全的包裹纤维,而且也会影响水泥与骨料之间的粘结性,使混凝土拌合物流动性变差,胶凝材料不能充分均匀的包裹着骨料。
    参考文献(略)

    原文地址:http://www.workforlgbt.org/civil/30021.html,如有转载请标明出处,谢谢。

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