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          玄武巖纖維透水混凝土路用性能試驗土木工程研究

          來源: www.lov2go.com 發布時間:2020-03-23 論文字數:32244字
          論文編號: sb2020031923074930021 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
          本文是一篇土木工程論文,本試驗在目標孔隙率 15%、硅灰摻量 5%、減水劑摻量 0.5%的基礎上,制備摻加玄武巖纖維的透水混凝土。首先利用體積法確定了玄武巖纖維透水混凝土的主要組成材料的
          本文是一篇土木工程論文,本試驗在目標孔隙率 15%、硅灰摻量 5%、減水劑摻量 0.5%的基礎上,制備摻加玄武巖纖維的透水混凝土。首先利用體積法確定了玄武巖纖維透水混凝土的主要組成材料的用量,然后制備摻加不同玄武巖纖維的透水混凝土試件,分析玄武巖纖維不同直徑、不同長度、不同摻量、不同攪拌方式分別對試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度、孔隙率、透水系數、抗凍融性能的影響及規律。接著通過正交設計試驗確定九組不同玄武巖纖維的透水混凝土試件,應用極差分析法分析玄武巖纖維各變量對透水混凝土試件的抗壓強度、透水系數影響的主次順序,并分析其對孔隙率和抗凍融性能的影響,最后進行綜合分析,得出各組分的最優摻入指標。主要結論如下:(1)玄武巖纖維單因素對透水混凝土性能指標的影響①對于玄武巖纖維的直徑,隨著直徑的增大,透水混凝土的抗壓強度減小、劈裂抗拉強度先顯著降低然后有略微的提高、孔隙率略有增大、透水系數增大、凍融后質量損失率和抗壓強度損失率都增大。因為隨著直徑的增大,纖維對骨料與水泥之間粘結性的影響增大,水分更容易通過纖維滲出混凝土。②對于玄武巖纖維的長度,隨著長度的增加,透水混凝土的抗壓強度增大、劈裂抗拉強度先略有降低然后有明顯的升高、孔隙率增大、透水系數增大、凍融后質量損失率增大、抗壓強度損失率減小。因為隨著長度的增加,透水混凝土試件在破壞時,纖維能承擔更大的拉應力,抑制混凝土的破壞,較長的纖維更容易在透水混凝土中形成網狀結構,水分更容易通過纖維滲出混凝土。

          第1章   緒論

          1.1   研究背景及意義
          近年來,我國經濟水平平穩增長,人民生活質量提升,城鎮的整體建設水平也日益加快,城市間修建了越來越多的建筑物,并且在建筑物之間已經建造了越來越多的由阻水材料(水泥混凝土和瀝青混合料等)鋪設的道路。便捷的交通帶給人們極大的便利。同時,由于不透水,由阻水材料制成的路面對城市的生態環境產生諸多負面影響。近年來,隨著海綿城市建設的推進,透水混凝土路面已成為“海綿城市”建設的重要組成部分,透水路面的建設有利于降水的滲透,并回灌地下,防止雨后交通堵塞和地面污染物擴散,降低城市熱島效應等。
          在海綿城市的建設中,透水混凝土廣泛用于道路路面。例如公園、人行道、園林道路和廣場等。透水混凝土,也稱為多孔混凝土或無砂混凝土,是由骨料、水泥、增強劑和水制成的。由于其制作過程中不使用細骨料,其表面由水泥包裹粗骨料后相互粘結形成,結構為具有均勻分布的孔隙并呈蜂窩狀,特點為透氣、透水和重量輕。由于其具有良好的透水性和較大的空隙,因此可用于道路路面的透水工程中。由透水混凝土的結構可以知道,其所受的力主要由骨料之間的接觸點來完成,這導致了透水混凝土比普通混凝土的強度低。如果要提高透水混凝土的強度,其孔隙率通常會降低,從而導致透水系數降低;在水膠比相同的情況下,隨著孔隙率的增加,其抗凍性變差。也就是說,盡管透水混凝土滿足了透水性能,但是其強度和抗凍性常常不足。強度和抗凍性限制了透水混凝土在路面工程中的推廣應用。
          針對透水混凝土透水系數-強度及其抗凍融性難以協調的關鍵問題,本試驗提出摻入玄武巖纖維制備生態透水混凝土的技術思路。玄武巖纖維是一種以火山巖為原料制成的連續纖維,在 1450~1500°C 的溫度下熔融,然后通過鉑銠合金引流板高速拉伸。它是一種新型的環保材料,具有高強度,耐酸堿,抗氧化,抗紫外線,隔音和出色的耐溫性。并且與水泥有著良好的親和性等特點,原料來源廣泛,適用于各種環境,近年來,正成為工程界研究熱點[1]。將一定量的玄武巖短切纖維摻入透水混凝土中,可以提高透水混凝土的抗壓強度、抗沖擊、耐腐蝕及抗凍融性能,并可有效抑制混凝土內部裂縫的產生,提高路面耐久性,可為嚴寒地區透水混凝土路面的應用和研究提供參考,對透水混凝土的持續發展具有重要的指導意義。
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          1.2   國內外研究現狀
          1.2.1   透水混凝土研究現狀
          (1)國外透水混凝土的研究現狀
          1910 年前后,國外開始研究多孔水泥混凝土,生產了許多的預制混凝土構件,并且將其用于房屋建筑。1972 年,美國為了保護水資源,發布了《Clean Water Act》,其中明確規定,美國各地區和主要城市在收集雨水時,必須保證所收集雨水的清潔程度,此后對于透水混凝土的配合比設計方法進行了大量的研究。透水混凝土不僅可以就地滲透,過濾和凈化雨水,而且還具有吸聲、防滑和防眩光的功能[2]。1979年,美國開發了無砂多孔混凝土。原料為 I 型硅酸鹽水泥和粒徑為 6~12.5mm 的單粒粗骨料,其 28d 的抗壓強度為 26.2MPa,透水系數為 1.6mm/s[3]。1995 年,Nader Ghafoori 描述了透水混凝土的輪廓,研究了其力學性能和抗凍性[4]。2003 年,Benjamin O.  Brottebo 和 Derek  B.  Booth[5]對 1996 年應用透水混凝土鋪筑的四個停車場的透水和力學性能進行了研究,發現其沒有發生重大破壞且雨水滲透很好。2016 年,Maria A.Hernandez-Saenz、SilviaCaro[6]在前人關于透水混凝土的研究的基礎上,經總結得出了路面設計的新方法。
          1970 年,在英國,有許多學者開始研究透水混凝土,并且使用透水混凝土鋪筑了路面,此路面長度為 183m,擁有 5cm 厚的表層和 25cm 厚的基層。在第 28 天時,路面強度達到了 13.8MPa。在使用了十年之后,此道路被凍融破壞。日本的地理位置特殊,年降水量很大,但其地下水位卻在下降。20 世紀 70 年代后期,許多學者提出將雨水直接排入地下,補充地下水位的政策,以此來解決地下水位下降引起的地基沉降問題。為此學者們專門研究了透水混凝土的三個指標,強度、孔隙率和透水系數之間的關聯,并于 1987 年申報了這方面的專利。在該專利中提到,進行試驗需選用單一級配的粗骨料和有機高分子材料制成的膠凝材料。自此之后,日本學者玉井元治[7]也進行了透水混凝土的相關試驗研究,他選用了水泥作為其主要的膠凝材料。這種透水混凝土的厚度通常在 70 至 200mm 之間,水灰比約為 0.35,由 5 至13mm 的碎石制成。
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          第2章   制備玄武巖纖維透水混凝土所需材料及工藝

          2.1   試驗所需材料
          2.1.1   粗骨料
          在透水混凝土中,起主要受力作用的為其中的粗骨料,其力學性能、透水性能和抗凍融性能主要受其限制,制作透水混凝土時通常需選用較小粒徑、單一級配的骨料,這是因為需要透水混凝土保持一定的透水性。透水混凝土骨料粒徑應選擇2.4~13.2mm 之間的骨料,粒徑太小試件成型后透水性不好,粒徑太大試件成型后強度不夠,因此本次試驗選用骨料粒徑為 5~10mm。這樣既可以保證透水混凝土擁有足夠的透水性,又不用擔心透水混凝土的強度太低,達不到要求。材料來源于本地采石場。具體性能指標見表 2-1。
          表 2-1   骨料的性能指標
          2.1.2   水泥
          透水混凝土中不使用細骨料,在其中主要靠水泥將骨料粘結在一起,因此水泥的強度就決定了成品的強度和性能。本文試驗中使用的水泥為鼎鹿牌 P.O42.5 級普通硅酸鹽水泥,其具體性能指標如表 2-2 所示。
          表 2-2   水泥性能指標
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          2.2   制備工藝
          2.2.1   配合比設計
          配合比設計通過體積法計算,從實測單位體積的粗骨料的緊密堆積密度可以得到單位體積的粗骨料的用量,然后根據設計的孔隙率和粗集料緊密堆積孔隙率計算水泥漿的體積。最后,依照試驗設計的水膠比和所用的硅灰與水泥之間的的比例,
          將單位體積的水泥用量、單位體積的用水量、單位體積的硅灰用量和減水劑的量依次算出。
          攪拌透水混凝土后,混合物的狀態直接影響成型后透水混凝土的力學性能,因此攪拌過程是透水混凝土的重要組成部分。加料方式和攪拌程度就顯得尤為重要。透水混凝土在拌合后其表面有金屬光澤且被水泥包裹后仍呈現出顆粒狀,如圖 2-3。骨料與骨料之間由水泥漿體粘聚成型,隨著齡期水化硬化產生強度,骨料與骨料之間保持一定的孔隙,成型后成為一個硬化的整體的多孔結構。本文試驗選用 HJW-60 型強制式單臥軸混凝土攪拌機進行攪拌。
          透水混凝土在攪拌過程中通常會出現三種攪拌不良的情況:第一種情況是由于水膠比太低,導致部分水泥未形成水泥漿包裹骨料,骨料表面水泥漿過少,影響玄武巖纖維透水混凝土的力學性能;第二種情況是水泥漿未拌勻,導致透水混凝土骨料間的部分孔隙被水泥堵塞,影響了玄武巖纖維透水混凝土的透水性能;第三種情況是混凝土在攪拌后水泥漿流動度過大或試件在成型過程中由于振搗時間過長導致透水混凝土底面被水泥漿封底,影響透水混凝土的透水性能。
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          第 3 章  單因素變量對透水混凝土路用性能影響研究 ................................. 16
          3.1   玄武巖纖維單因素變量對透水混凝土力學性能的影響研究 ........................ 16
          3.1.1   力學性能測試方法 ............................. 16
          3.1.2   玄武巖纖維單因素變量對透水混凝土抗壓強度的影響研究 .............. 18
          第 4 章  復合因素變量對透水混凝土路用性能影響研究 ........................ 34
          4.1   正交試驗設計 ............................ 34
          4.1.1   正交試驗法 ........................................ 34
          4.1.2   正交試驗數據分析方法 ................................................ 34
          第 5 章  結論與展望 ................................. 49
          5.1   結論 ......................................... 49
          5.2   展望 ....................................... 50

          第4章   復合因素變量對透水混凝土路用性能影響研究

          4.1   正交試驗設計
          4.1.1   正交試驗法
          定義:一個有 m 個因素和 n 次試驗的設計,若它對任意兩個因素構成完全等重復的試驗,則認為是正交的。 滿足條件
          (1)每一因素的不同水平在試驗中出現的次數相同。
          (2)任意兩個因素的不同水平組合在試驗中出現的次數相同。
          優點:在顯著減少試驗次數的同時又能取得良好的試驗效果,是研究和處理多因素試驗的一種科學有效的方法,在工程中應用廣泛。因素和水平數越多,進行全面試驗就越多越復雜,而與正交試驗的對比就越明顯。
          正交試驗中各因素的水平的改變對試驗的影響程度是不同的,通過極差分析可以得出各因素對正交試驗影響程度的大小。極差越大,表示該極差所對應的因素水平變化對正交試驗的影響程度越大;極差越小,表示該極差所對應的因素水平變化對正交試驗的影響程度越小。
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          第5章   結論與展望

          5.1   結論
          近年來,隨著海綿城市建設的推進,透水混凝土路面已成為“海綿城市”建設的重要組成部分,修建透水路面有利于降水滲透,回灌地下,防止雨后交通堵塞及地面污染物擴散,減輕城市熱島效應,減少揚塵等。將玄武巖短切纖維按照一定比例摻入透水混凝土,可有效提高透水混凝土抗壓強度和抗沖擊、耐腐蝕及抗凍融性能,并可有效抑制混凝土內部裂縫的產生,提高路面耐久性。本試驗在目標孔隙率 15%、硅灰摻量 5%、減水劑摻量 0.5%的基礎上,制備摻加玄武巖纖維的透水混凝土。首先利用體積法確定了玄武巖纖維透水混凝土的主要組成材料的用量,然后制備摻加不同玄武巖纖維的透水混凝土試件,分析玄武巖纖維不同直徑、不同長度、不同摻量、不同攪拌方式分別對試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度、孔隙率、透水系數、抗凍融性能的影響及規律。接著通過正交設計試驗確定九組不同玄武巖纖維的透水混凝土試件,應用極差分析法分析玄武巖纖維各變量對透水混凝土試件的抗壓強度、透水系數影響的主次順序,并分析其對孔隙率和抗凍融性能的影響,最后進行綜合分析,得出各組分的最優摻入指標。主要結論如下:
          (1)玄武巖纖維單因素對透水混凝土性能指標的影響
          ①對于玄武巖纖維的直徑,隨著直徑的增大,透水混凝土的抗壓強度減小、劈裂抗拉強度先顯著降低然后有略微的提高、孔隙率略有增大、透水系數增大、凍融后質量損失率和抗壓強度損失率都增大。因為隨著直徑的增大,纖維對骨料與水泥之間粘結性的影響增大,水分更容易通過纖維滲出混凝土。
          ②對于玄武巖纖維的長度,隨著長度的增加,透水混凝土的抗壓強度增大、劈裂抗拉強度先略有降低然后有明顯的升高、孔隙率增大、透水系數增大、凍融后質量損失率增大、抗壓強度損失率減小。因為隨著長度的增加,透水混凝土試件在破壞時,纖維能承擔更大的拉應力,抑制混凝土的破壞,較長的纖維更容易在透水混凝土中形成網狀結構,水分更容易通過纖維滲出混凝土。
          ③對于玄武巖纖維的摻量,隨著其摻量的增長,透水混凝土的抗壓強度降低、劈裂抗拉強度增大、孔隙率降低、透水系數降低、凍融后質量損失率和抗壓強度損失率都減小。因為隨著摻量的增加,當纖維摻量過多時,纖維在混凝土內部不能很好地分散,會產生結團、堆積的情況,不僅使水泥不能完全的包裹纖維,而且也會影響水泥與骨料之間的粘結性,使混凝土拌合物流動性變差,膠凝材料不能充分均勻的包裹著骨料。
          參考文獻(略)

          原文地址:http://www.lov2go.com/civil/30021.html,如有轉載請標明出處,謝謝。

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