【摘要】：隨著我國(guó)道路交通量的迅速增長(zhǎng),許多道路因不堪重負(fù)而損壞,出現(xiàn)裂縫、拱起、破損、斷裂等病害。傳統(tǒng)的水泥路面修補(bǔ)材料存在耐久性差、造價(jià)高、碳排放量大,施工工藝復(fù)雜等缺陷。針對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有路面修補(bǔ)材料存在的不足及國(guó)內(nèi)重載交通路面的使用現(xiàn)狀,尋求一種優(yōu)質(zhì)、高效、廉價(jià)、環(huán)保、凝結(jié)硬化快、強(qiáng)度高、耐久性能優(yōu)異的路面修補(bǔ)材料是亟需解決的問題。論文基于地質(zhì)聚合物修補(bǔ)材料的基材特性,通過(guò)礦渣基地質(zhì)聚合物早期水化特性的動(dòng)力學(xué)特性研究,建立快凝、高早期強(qiáng)度的地質(zhì)聚合物體系三維結(jié)構(gòu)發(fā)展模型,揭示早齡期地質(zhì)聚合物體系的微觀結(jié)構(gòu)經(jīng)時(shí)發(fā)展特征,以此為理論基礎(chǔ),優(yōu)化配合比設(shè)計(jì),探究地質(zhì)聚合物修補(bǔ)材料力學(xué)性能發(fā)展規(guī)律,最后通過(guò)地質(zhì)聚合物混凝土修補(bǔ)材料的結(jié)構(gòu)表征與耐久性能測(cè)試,深入剖析地質(zhì)聚合物修補(bǔ)材料的微觀結(jié)構(gòu)特性,綜合論證了材料組成和結(jié)構(gòu)對(duì)耐久性能的影響。論文設(shè)計(jì)制備的礦渣基地質(zhì)聚合物路面修補(bǔ)材料,早期強(qiáng)度高、凝結(jié)硬化快、新舊材料界面粘結(jié)強(qiáng)度高、耐久性能優(yōu)異,對(duì)快速修補(bǔ)、提前開放交通的特重交通路面具有一定實(shí)踐指導(dǎo)意義。該研究一方面有望解決當(dāng)前重交通荷載地區(qū)路面修補(bǔ)的技術(shù)難題,另一方面將為國(guó)內(nèi)外多元固廢的綜合利用提供新途徑。論文研究工作的主要結(jié)論有:1.通過(guò)配合比的調(diào)節(jié),可以對(duì)礦渣基地質(zhì)聚合物凈漿修補(bǔ)材料早期的工作性能進(jìn)行控制,流動(dòng)度控制在0~198mm,初凝時(shí)間控制在25~191min,終凝時(shí)間控制在45~267min,結(jié)合礦渣基地聚合物體系早期水化過(guò)程超聲波波速隨時(shí)間變化規(guī)律、水化放熱速率隨時(shí)間變化規(guī)律,對(duì)體系早期水化過(guò)程進(jìn)行分析研究,最終將礦渣基地質(zhì)聚合物凈漿體系早期水化過(guò)程分為四個(gè)階段:(1)初始水化期;(2)水化誘導(dǎo)期;(3)水化加速期;(4)水化穩(wěn)定期。2.利用HYMOSTRUC系統(tǒng)模擬研究了礦渣基地質(zhì)聚合物凈漿水化過(guò)程的三維結(jié)構(gòu),模擬表明:體系隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,原材料顆粒逐漸溶解,反應(yīng)產(chǎn)物不斷增多并填充在原來(lái)的孔隙中,產(chǎn)物相互交織形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),地質(zhì)聚合物漿體逐步致密化。偏高嶺土、稻殼灰和硅灰的引入只是在水化早期發(fā)生明顯作用,促進(jìn)強(qiáng)度發(fā)展,對(duì)于較長(zhǎng)時(shí)間的水化影響并沒有明顯的差異,且促進(jìn)效果的排序?yàn)?偏高嶺土、稻殼灰、硅灰。偏高嶺土和石灰石粉的引入同樣在水化早期發(fā)生明顯作用,促進(jìn)快速凝結(jié)、高強(qiáng)度發(fā)展,且偏高嶺土和石灰石粉復(fù)合引入促進(jìn)效果最優(yōu)。3.礦渣基地質(zhì)聚合物凈漿的力學(xué)性能隨配合比的不同而變化,3d抗壓強(qiáng)度在8.37~53.48MPa,7d抗壓強(qiáng)度在14.13~58.76MPa,28d抗壓強(qiáng)度在32.19~86.35MPa,考慮修補(bǔ)材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況,確定水固比為0.32,堿激發(fā)劑摻量為014,粉煤灰取代率為0.4,水玻璃模數(shù)為0.12的配合比最優(yōu),該配合比制備的礦渣基地質(zhì)聚合物凈漿流動(dòng)度為186mm,初凝時(shí)間為60min,終凝時(shí)間為80min,3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度分別為53.48MPa,58.76 MPa,86.35 MPa。與現(xiàn)有水泥基路面修補(bǔ)材料相比,礦渣基地質(zhì)聚合物路面修補(bǔ)材料3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度分別比聚合物改性的特種水泥提高了約3MPa,5MPa,11MPa。4.基于礦渣基地質(zhì)聚合物凈漿的水化微結(jié)構(gòu)的模擬及性能優(yōu)化的預(yù)測(cè),摻入稻殼灰、硅灰與偏高嶺土對(duì)礦渣基地質(zhì)聚合物凈漿進(jìn)行改性。結(jié)果表明,復(fù)合摻入10%稻殼灰和10%偏高嶺土對(duì)礦渣基地質(zhì)聚合物的改性效果最好,3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度分別提高了8.48MPa,9.09MPa,11.75MPa。5.基于礦渣基地質(zhì)聚合物凈漿的水化微結(jié)構(gòu)的模擬及性能優(yōu)化的預(yù)測(cè),摻入偏高嶺土和石灰石對(duì)礦渣基地質(zhì)聚合物混凝土進(jìn)行改性,并對(duì)不同摻量對(duì)礦渣基地質(zhì)聚合物混凝土耐久性能的影響進(jìn)行研究,結(jié)果表明,當(dāng)偏高嶺土摻量在15%,石灰石粉摻量在5%時(shí)性能最好,3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度分別提高了7.6MPa,6.8MPa,7.4MPa,摻入偏高嶺土與石灰石粉提高了礦渣基地質(zhì)聚合物混凝土的耐久性能,這是由于偏高嶺土的高活性與石灰石粉的填充作用增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)性,優(yōu)化了界面過(guò)渡區(qū),有利于強(qiáng)度發(fā)展及耐久性能提升,但由于偏高嶺土吸水性較強(qiáng),引起混凝土的工作性能大幅下降,拌合物均質(zhì)性不良,出現(xiàn)較多孔隙,導(dǎo)致強(qiáng)度一定程度的下降,偏高嶺土摻量不宜超過(guò)15%。6.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與三維結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果一致,驗(yàn)證了三維模擬的可靠性及組成設(shè)計(jì)的合理性。充分體現(xiàn)了偏高嶺土、石灰石粉、硅灰、稻殼灰改性的優(yōu)勢(shì),主要基于偏高嶺土的高活性與細(xì)小顆粒的微集料密實(shí)填充作用。論文的創(chuàng)新點(diǎn)為:(1)對(duì)地質(zhì)聚合物早期水化性能及其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究,并利用HYMOSTRUC模型,深入分析了礦渣基地質(zhì)聚合物早期性能形成機(jī)理,揭示地質(zhì)聚合物水化微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的三維演變過(guò)程,探索礦物摻和料的調(diào)控規(guī)律。(2)通過(guò)配合比的調(diào)節(jié)對(duì)礦渣基地質(zhì)聚合物修補(bǔ)材料早期的工作性能進(jìn)行控制,礦物摻合料的改性提高了礦渣基地質(zhì)聚合物的力學(xué)性能及耐久性能,制備得到了性能優(yōu)于水泥基路面修補(bǔ)材料的礦渣基地質(zhì)聚合物路面修補(bǔ)材料。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U414;TQ317
【圖文】：

圖 1.1 地質(zhì)聚合物各聚合單體的結(jié)構(gòu)圖[98]Fig1.1 Structure of geopolymer monomers 1.2 Provis 和 Van Deventer 提出的地質(zhì)聚合物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模inetic model of the geopolymer reaction proposed by Provis anM:偏高嶺土或粉煤灰S:硅酸鹽單體 A:鋁酸鹽單體O:鋁硅酸鹽低聚體D:聚合硅酸鹽P:鋁硅酸鹽聚合物（無(wú)定形）N:鋁硅酸鹽“核”（半結(jié)晶或納米晶體）G:鋁硅酸鹽膠（無(wú)定形） Z:沸石相（晶體）

圖 1.1 地質(zhì)聚合物各聚合單體的結(jié)構(gòu)圖[98]Fig1.1 Structure of geopolymer monomers 1.2 Provis 和 Van Deventer 提出的地質(zhì)聚合物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型圖inetic model of the geopolymer reaction proposed by Provis and VanM:偏高嶺土或粉煤灰S:硅酸鹽單體 A:鋁酸鹽單體O:鋁硅酸鹽低聚體D:聚合硅酸鹽P:鋁硅酸鹽聚合物（無(wú)定形）N:鋁硅酸鹽“核”（半結(jié)晶或納米晶體）G:鋁硅酸鹽膠（無(wú)定形） Z:沸石相（晶體）

(a)礦渣微粉顆粒分級(jí)粒徑分布 (b) 礦渣微粉顆粒累積粒徑分布圖 2.1 礦渣粒度分布Fig 2.1 Particle size distribution of the slag powders2. 粉煤灰作為地質(zhì)聚合物的化學(xué)激發(fā)原材料，粉煤灰中的活性氧化硅和氧化鋁的含量及燒失量決定著地質(zhì)聚合反應(yīng)的程度和產(chǎn)物的強(qiáng)度等性能。選取陽(yáng)邏電廠獲得的粉煤灰進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其化學(xué)組成見表 2.1，物理性能見表 2.2，物相分析如圖 2.3 所示

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本文編號(hào)：2801503