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原文传递寒区路用负温养护碱激发材料力学性能研究

论文题名：	寒区路用负温养护碱激发材料力学性能研究
关键词：	碱激发材料;早强;负温养护;预养时间;快速修补;粉煤灰
摘要：	随着我国道路桥梁基础建设的迅速发展，关于道路材料的研究受到广泛关注，应运而生了多种适用于不同工况的道路材料。我国地域广阔，跨越多个纬度，在寒冷地区冬期施工期间，传统道路材料的应用面临安全性和施工质量问题，在负温养护条件下传统硅酸盐水泥基材料会出现水化速率下降和冻结问题。尽管早强剂和防冻剂的添加可以缓解负温受冻的风险，但也增加了施工的复杂性。碱激发材料的激发剂是碱性物质，可以有效降低整个体系的液相冰点，在负温条件下使用与传统硅酸盐水泥基材料相比优势明显。因此，研究负温条件下路用碱激发材料的早期强度提升，具有重要的科学意义和工程价值。　　石灰粉煤灰（二灰）稳定碎石(lime-flyashboundmacadam，LFBM)路面基层材料具有后期强度高、收缩系数小和价格便宜的优点，已经广泛应用于我国的道路建设工程中。但LFBM路面基层材料也展现出早期强度低和硬化速率慢等劣势，严重延缓了施工进度。为了解决这一不利情况，利用普通硅酸盐水泥(OPC)、二水石膏(CaSO4·2H2O)和粒化高炉矿渣(GroundGranulatedBlast-furnaceSlag，GGBS)对二灰稳定碎石的早期强度进行提升，研究了上述三种改性剂对二灰稳定碎石干燥收缩和内部微观结构的影响，通过对早期强度和干燥收缩试验结果的综合考量，确定了改性二灰稳定碎石(cement-lime-flyashboundmacadam，CLFBM)在负温养护条件下的最佳配制比例，并揭示了二灰稳定碎石的改性机理。　　为了使碱矿渣(alkali-activatedslag，AAS)砂浆在负温环境下快速硬化，从而实现对寒冷地区道路路面的快速修补，探究了碱激发剂硅酸钾和硅酸钠在负温养护条件下对AAS砂浆的力学性能、水化特性、水化产物和微观结构的作用差异，并进行了机理分析。研究结果发现，与硅酸钠相比，硅酸钾作为激发剂制备的AAS砂浆具有更高的强度和水化放热量，生成产物中C(-A)-S-H凝胶数量也更多，表明硅酸钾作为碱激发剂制备的AAS砂浆应用在冬期施工中优势明显。　　为了进一步提升AAS砂浆负温条件下的早期强度，研究了生石灰(CaO)和OPC对AAS砂浆流动性、凝结时间、力学性能、水化特性、水化产物和微观结构的影响规律。结果表明，CaO和OPC的添加可以使AAS砂浆的凝结时间缩短，水化放热率和放热总量提升，生成物中的C(-A)-S-H凝胶含量增加，孔隙率降低，进而提高了AAS砂浆的早期强度。但是，CaO和OPC的添加会使AAS砂浆的流动性下降，而且OPC的添加还会导致AAS砂浆后期强度的下降。CaO和OPC的添加可以提高AAS砂浆体系中的放热量，提升聚合反应所需的离子浓度，进而加速了AAS砂浆在负温条件下的反应进程。　　当养护时间过短、养护温度过低时，AAS砂浆就会发生冻结破坏从而不满足路面修补材料的早期强度要求，适当延长预养时间可以提升负温养护AAS砂浆的反应速率和早期强度。本文研究了预养时间对AAS砂浆、添加CaO和OPC的AAS砂浆的负温强度及经历负温转正温强度的影响，发现改性AAS砂浆达到路面修补要求强度所需预养时间更少。常温预养不仅对AAS砂浆早期强度具有促进作用，也有利于后期强度的增长。利用常温预养不仅可以使负温养护AAS砂浆的强度满足修补要求，而且对AAS砂浆的负温冻结破坏也有抑制作用。　　利用有限元模拟对负温养护条件下的AAS砂浆试件温度场和早期抗压强度进行计算，计算结果和试验测得结果偏差较小，趋势一致，证明了利用有限元模拟预测负温条件下的AAS砂浆早期抗压强度是可行的。通过参数分析，研究了负温条件下的AAS砂浆试件温度场和早期抗压强度的影响因素及影响程度，获得了冬期施工中需重点控制的保温养护参数。
作者：	鞠成
专业：	土木工程
导师：	杨英姿
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021