文摘

在这项研究中,一种新型cement-lime-fly灰绑定碎石(CLFBM)作为路面基层材料是由硅酸盐水泥、石膏(卡索₄h·2₂O),和地面粒状高炉矿渣(矿渣微粉)到lime-fly灰碎石绑定(LFBM)早期开放交通的目的。多因素正交试验方法被用来评估波特兰水泥的影响,硬石膏、矿渣微粉CLFBM的早期强度。此外,在28天抗压和抗弯强度以及干燥收缩发展56天。进行的综合分析更好的机械性能和最低的干燥收缩,硅酸盐水泥:硬石膏:石灰:粉煤灰:矿渣微粉:砾石= 2:1:6:5.6:8.4:80 CLFBM的最佳混合比例决定。此外,扫描电子显微镜(SEM)的结果证实了大量的钙矾石的形成,C-S-H凝胶,提供强大的支持增强的早期强度和抑制干燥收缩CLFBM。

1。介绍

随着经济的发展,公路交通量快速增长在中国1,2]。为了适应这种趋势,道路半刚性的基础材料,如lime-fly灰绑定碎石(LFBM)已经广泛应用于公路建设因其优异的施工性能和经济效益3- - - - - -6]。LFBM是由石灰、粉煤灰和砾石(5),石灰可以提高粉煤灰的火山灰反应,提高早期和长期的优势(7,8]。然而,由于粉煤灰的火山灰反应性低在早期的年龄,湿养护至少一周需要保证LFBM早期强度满足要求,如果环境温度低于20°C,湿固化所需时间应达到两周以上(9]。这严重限制了早期开放交通。因此,要求提高LFBM的早期强度。

水泥水化反应快,应该有助于提高早期强度的LFBM [7];然而,使用更多的水泥总是显示较高的干燥收缩的胶结材料(10,11]。大量的研究证实,路面基层材料的干缩变形和开裂的罪魁祸首的沥青路面7,12]。显然,干燥收缩LFBM[也是一个重要的指标13),因此,水泥含量应控制和优化。更换水泥胶结材料的使用(scm)已被广泛研究14]。水泥可以部分地取代了粉煤灰、渣、或其他矿物外加剂在水泥基材料,可提高强度和耐久性15]。此外,这也将导致额外的好处而言,节约成本,节约能源,保护不可再生资源等16]。值得注意的是,地面的火山灰活动粒状高炉矿渣(矿渣微粉)优于粉煤灰17,18),因此可以将进一步提高早期强度LFBM当矿渣微粉是用来取代粉煤灰的一部分;化学催化剂的使用方法可以促进粉煤灰的火山灰反应(19,20.),增加LFBM的早期强度,其中碱激活和硫酸活化是最常用的化学激活方法21- - - - - -23]。的基础上满足早期强度和减少LFBM的干燥收缩,用矿渣微粉和硫酸催化剂可能是一个不错的选择,因为主要水化产物硫酸激活钙矾石。钙矾石的形成是伴随着体积膨胀24,25],它可以补偿干燥收缩。

在这部作品中,硬石膏(卡索₄h·2₂O)被选为硫酸催化剂以提高早期强度,降低干燥收缩。水泥添加剂和矿渣微粉替代粉煤灰也被用来提高LFBM的早期强度。硬石膏的影响,水泥,矿渣微粉对早期强度评估统计显著性水平的基于多因素正交试验。指干燥收缩的结果,小说路面基层材料,cement-lime-fly灰绑定碎石(CLFBM)和最佳混合比例,。此外,CLFBM的微观结构特征进行了。

2。实验程序

2.1。材料

P·O 42.5硅酸盐水泥的化学成分、石灰、粉煤灰、地面粒状高炉矿渣(矿渣微粉),和硬石膏(卡索₄h·2₂O,纯度≥99.0%)如表所示1。水泥的物理性质表2。碎石的粒度分布表所示3。在表2沸腾的测试方法被用来测量水泥的安定性根据国家标准”测试方法标准稠度需水量,波特兰水泥的凝结时间和稳定性(GB / T 1346 - 2011)”;布莱恩的方法被用来测量水泥的比表面积根据国家标准“水泥比表面积测试方法(GB / T 8074 - 2008)”;标准水泥砂浆的抗压强度测定的方法测试cements-determination力量(GB / T 17671 - 1999)。在表3的筛选聚合等级测量按照国家标准“卵石、碎石施工(GB / T 14685 - 2011)。”

2.2。CLFBM的优化设计和制备

根据“路面基础施工技术规范(JTJ 034 - 2000年,中国),合理的组合lime-fly灰与粉煤灰碎石(LFBM),石灰,砾石优化粒度分布决定。LFBM由6 wt %石灰,14 wt %粉煤灰,80 wt %的砾石。为了获得高性能cement-lime-fly灰绑定碎石(CLFBM)较高的早期强度和较低的干燥收缩、硬石膏、水泥和矿渣微粉作为添加剂材料。给出了推荐的水泥含量的相关规定“路面基础施工技术规范”(JTJ 034 - 2000年,中国)。水泥添加到提高早期强度。考虑到经济成本,确定水泥的添加剂数量2∼4 wt %。比矿渣粉煤灰不太活跃。提高早期强度,矿渣粉煤灰用于取代的一部分,替代率是0∼60 wt %。石膏硫酸作为催化剂用于提高早期强度。与此同时,钙矾石形成的反应可以弥补路面基层材料的干缩。 Referring to the relevant research on the strength improvement of the cement-based material with high volume fly ash, the additive amount of gypsum is determined to be 1∼5 wt% [26,27]。正交试验设计的统计产品与服务解决方案软件(SPSS)执行。实验是作为一个组织的L₉(3⁴)正交数组,如表中列出4。具体而言,水泥添加在LFBM 2 wt %, 3 wt %,和4 wt %,按重量LFBM;矿渣微粉是用来取代部分粉煤灰,和更替水平0%,30 wt %,和60 wt %,粉煤灰的重量;添加剂的硬石膏用作催化剂1 wt %, 3 wt %,和5 wt %,总质量的石灰、粉煤灰和矿渣微粉。为期三天的抗压强度和干燥收缩值CLFBM选择评估三个因素的影响包括硬石膏、水泥、矿渣微粉。

样品制备是如下:如表所示5,九组样品用不同的混合比例确定通过L₉(3⁴)正交数组。对于每一个样本,获得的最大的干密度和最佳水比例与捣固t0804测试是符合测试方法- 94规范运输部的中华人民共和国。详细的测量方法如下:重型压实与Φ15.2厘米×17.0厘米大小的仪器应用,并配备了4.5公斤。测试材料的质量33公斤四分法分为6部分的方法,和每个部分的风干的质量约为5.5公斤。六种不同的水比例也设计,与彼此之间的差异的1%。准备的样品质量为1.8千克涌入重型压实仪,然后第一层样本压实与压实98倍。在压实过程中,连续锤应与自由下降45厘米,高度和锤的痕迹在样品表面均匀分布。上述过程反复压实的剩下的两层的样本。压实后,样品被推土机从气缸,和水比例测量样品的中心。样品的干密度与方程(计算压实后1): 在哪里和干密度、湿密度与g / cm的单位吗³分别为,是水比例的单位%。

干密度之间的关系曲线和水比例的干密度为垂直坐标和水比例为横向坐标。峰值坐标点在曲线上确定最大干密度和最佳的水比例值,分别。

依法确定最大干密度和最佳水比例,抗压强度测试标本形成Φ150毫米150毫米钢模具,抗弯强度和干燥收缩试验标本100毫米100毫米400毫米的塑料模具。具体而言,150毫米150毫米缸铁模具充满CLFBM混合物静态压缩成型压机。加载速率是2∼4 MPa / s,最后加载力400 kN。长方体模具的尺寸100毫米100毫米400毫米充满CLFBM混合物放置在振动台上振实。与此同时,20公斤铁块底部100毫米大小400毫米用于紧凑的混合物。

2.3。抗压强度

抗压强度测试是符合无侧限压缩试验方法标准,规定“路面基层的施工技术规范(JTJ 034 - 2000年,中国)。“气缸密封塑料袋中治愈20±2°C,养护期的最后一天,气缸被浸泡到水24小时后测试。三缸Φ150毫米150毫米测试每个混合比例的CLFBM 3天,7天、28天。强度结果的平均结果三个标本。

2.4。抗弯强度

抗弯强度测试是指的三点弯曲试验进行了加载速率的0.05毫米/分钟。梁标本在密不透气的塑料袋在治愈20±2°C,养护期的最后一天,梁标本被淹没在水中24小时前测试。三梁标本的100毫米100毫米400毫米测试每个混合比例的CLFBM 28天。试样弯曲强度可以计算如下: 在哪里是最大的加载力,N;l支持跨长度,mm;b样品的宽度,mm;和d样例深度,毫米。

2.5。干燥收缩测量

100毫米的梁标本100毫米400毫米demolded在48小时内,立即存储在干燥的室内的恒温20°C和50%相对湿度(RH)。三个标本投给每个CLFBM混合比例和干燥收缩试验。长度演进的年龄2,4,6,8、10、12、14、16、18、20、24、28日,42岁,56天测定使用自行设计收缩测量仪器如图1。半圆的千分卡尺固定一端固定框架被用来测量梁试样的长度变化。最后,所有干燥收缩结果描述为干燥收缩应变的标本,通过以下方程: 在哪里是干燥收缩应变(× );Δl代表的长度变化值标本,mm;和l表示样品的总长度,毫米。

2.6。微观结构分析

粘结剂的微观结构观测样本收集标本CLFBM在3天内和28天,这是与真空干燥,覆盖着一层黄金。样品的微观结构进行了研究与场发射扫描电子显微镜(FE-SEM,广达200 f,范,荷兰)。

3所示。结果与讨论

3.1。组合优化CLFBM基于早期强度

如表所示4,角色的水泥、石膏、矿渣微粉对提高早期强度一直在讨论细节。通过正交实验安排和结果测试表中列出5。图2显示样品的抗压强度N₁- n₉3、7和28天。从图可以看出2的抗压强度CLFBM是养护期的增加而增加。抗压强度的评价是最直接的参考价值的相关规定要求“路面基础施工技术规范”(JTJ 034 - 2000年,中国)。为了提高路面基层材料的早期强度尽可能明显的抗压强度CLFBM 3天应该是一个主要的考虑因素,因为早期的开放交通的重要性(28]。因此,为期三天的抗压强度提出了表5作为评价指标。

调查三个因素的重要性和提高早期强度的趋势CLFBM每3天抗压强度的基础上,分析正交试验的方差(方差分析)和因子水平趋势进行使用SPSS和这项研究的结果发表在表6和图3,分别。

表6表明的意义三个因素对为期三天的抗压强度的顺序是:矿渣微粉替代>水泥含量≈石膏内容。此外,矿渣微粉、水泥和石膏发挥积极作用在为期3天的抗压强度的提高,如因子水平趋势图(图所示3)。自矿渣微粉替换的值是0.048,低于0.05,矿渣微粉取代粉煤灰对为期3天抗压强度的影响是显著的。的值0.071和0.079的水泥含量和石膏含量大于0.05小于0.1,拥有相对较大的影响CLFBM为期3天的抗压强度。显然,为期3天的抗压强度的影响程度的矿渣微粉CLFBM远高于水泥和石膏。硬石膏的剂量远小于水泥在CLFBM(硬石膏胶凝材料的重量,而水泥的重量LFBM),而硬石膏在为期3天的抗压强度的影响程度几乎是一样的,水泥,这表明硬石膏非常有利于早期强度提高。

然而,在确保为期3天的早期强度的前提下,28天抗压强度和抗弯强度也应该关心。它是观察从图2样品的28天抗压强度N₃N₅N₇和N₉与样品相比要高得多与其他混合比例。此外,这一现象也见于28天抗折强度图所示的结果4。考虑到样品的混合比例,如表所示5,发现样品N₃N₅和N₇矿渣微粉的最大更替水平(60 wt %)。至于样品N₉,因为最大的水泥含量和矿渣微粉替代量,其28天抗压强度较高。此外,CLFBM的所有的样品,样品的28天抗压强度N₁N₆和N₈没有矿渣微粉较低(其早期强度也低,强度发展往往是慢)。

从上面的分析和正交试验结果,不难得出这样一个结论,矿渣微粉替代起主导作用的强度提高CLFBM在不同养护时间。因此,它建议应该有一个最大的矿渣微粉替代水平60 CLFBM wt %。然而,由正交试验结果显示,硬石膏与水泥几乎相同的效果提高CLFBM的早期强度。早期强度,因此,在可以接受的范围之内,硬石膏可以用来取代部分水泥石膏CLFBM由于低成本的。也就是说,建议应该有一个最低水泥含量为2.0 wt %和最大石膏CLFBM 5.0 wt %的内容。总结上面的观点,样品N₃确定为CLFBM路面基层材料最佳的混合比例。通过数学变换,混合比例的样本N₃相当于水泥:硬石膏:石灰:粉煤灰:矿渣微粉:砾石= 2:1:6:5.6:8.4:80。

LFBM的7天抗压强度要求不低于0.8∼1.1 MPa的标准,“路面基层的施工技术规范(JTJ 034 - 2000年,中国)。“CLFBM路面基层材料,样品N的为期3天的抗压强度₃已达到2.23 MPa,显然,符合早期强度的要求。

3.2。干燥收缩的评估CLFBM进一步确定最佳比例

干燥收缩是作为路面的结构破坏的主要原因基础材料(29日- - - - - -31日]。严重的干燥收缩也会导致裂纹生成CLFBM沥青路面铺设的。因此,除了早期强度,干燥收缩是CLFBM的另一个关键性能。图5表明样品的干燥收缩发展N₁- n₉在56养护天。从图可以看出5样品的干燥收缩N₇N₈和N₉14天之前是显而易见的。和三个样品的干燥收缩应变保持持续增长从28天到56天,如图5。特别是对于样品N₈和N₉,干燥收缩应变达到−637.5×10⁻⁶−675×10⁻⁶分别为56天,。显然,水泥的加入主要是负责CLFBM干燥收缩的增加。然而,它可以注意到从图5样品的干燥收缩应变N₃保持最低56天前,往往是不断从28天到56天(−275×10⁻⁶在28天,−312.5×10⁻⁶在56天)。这表明样本N₃可以确定为CLFBM路面基层材料。

为了研究三个因素的影响(水泥含量、石膏含量和矿渣微粉替代)和干燥收缩变形的趋势样本为每个因素,因子水平趋势的分析使用SPSS进行了正交试验,结果如图所示6。它可以注意到从图6的干燥收缩应变CLFBM增加178.3×10⁻⁶当水泥含量从2.0 wt %增加到4.0 wt %。此外,正如石膏含量从1.0 wt %增加到5.0 wt %,干燥收缩应变CLFBM已经下降了约22.5×10⁻⁶。此外,干燥收缩应变减少从−574.2×10⁻⁶−538.3×10⁻⁶和−442.5×10⁻⁶矿渣微粉的更替水平从0增加到30和60 wt %。考虑的结果显示在图6、石膏含量和矿渣微粉替代抑制CLFBM的干燥收缩变形的关键。CLFBM,石灰的主要组成部分,曹首先与水反应(H₂O)屈服Ca(哦)₂。在碱性条件下,SiO₂和艾尔₂O₃在矿渣微粉和粉煤灰玻璃体溶解并与Ca做出反应^{2 +}创建硅酸钙水合物和水化铝酸钙32]。此外,与硬石膏(卡索的存在条件₄h·2₂O),钙矾石的形成(尾部)也(尾部的量正比于硬石膏内容)(33]。受益于船尾的可扩展性24,34),CLFBM干燥收缩的补偿。矿渣微粉与粉煤灰火山灰活性高于[35]。因此,矿渣微粉的掺入可以促进上述反应包括尾部的形成。因为存在高含量的硬石膏、矿渣微粉样品N₃最低的干燥收缩。

3.3。FE-SEM分析

图7说明了FE-SEM图像和EDS CLFBM样品的光谱。要做一块更好的比较与样品N₃N,样例₁,其中包含硬石膏的最低水平(1.0 wt %)和同等数量的水泥矿渣微粉,也选择了扫描电镜分析。从数据7(一)和7(b),明显的针状的产品。提出了图7(e),标志着地区的EDS谱在图17(一个)显示,该地区1中的主要元素包括艾尔,年代,Ca,表明钙矾石针状的产品(尾)36]。显然,船尾有更多样本N₃比样品N₁在3天。这是归因于更硬石膏、矿渣微粉的使用示例N₃。尾部不仅可以补偿收缩,而且可以提高强度。因此,示例N₃具有较高的早期强度和较低的干燥收缩,部分显示3.1和3.2。

从数据7(c)和7(d),发现有大量的C-S-H凝胶产生样品N₁和N₃在28天,C-S-H凝胶可以由EDS光谱(Ca / Si比率显著地区2 1.48)(36]。然而,对于样本N₃(图7(d)),更多的C-S-H凝胶形成的贴,和空间网络结构由C-S-H凝胶和船尾的密度与样品相比N₁(图7(c))。这可以归因于这样一个事实:矿渣微粉的活性高于粉煤灰有利于更迅速和大量的火山灰反应。此外,值得注意的是,样本N₃保持一个相对大量的尾后28天,确认其干燥收缩缓慢发展。

4所示。结论

在这部作品中,cement-lime-fly灰绑定碎石(CLFBM)小说准备的路面基层材料的水泥、石膏、矿渣微粉。的过程中进一步讨论CLFBM的表演,可以解决以下结论:(1)使用的水泥、石膏、矿渣微粉为早期强度提高CLFBM作出多少贡献,矿渣微粉替代的主导,影响硬石膏的水泥早期强度几乎是一样的。(2)低水泥含量和高水平的硬石膏内容和矿渣微粉替代视为减少干燥收缩的主要原因。(3)SEM结果表明,有一个快速和大量火山灰反应矿渣微粉和石灰之间,和硬石膏的参与会导致大量的尾部的形成。(4)优化的混合比例的CLFBM是水泥:硬石膏:石灰:粉煤灰:矿渣微粉:砾石= 2:1:6:5.6:8.4:80。它可以是一个有前途的路面基层材料的早期强度高和相对较低的干燥收缩。

在未来的工作中,我们将关注环境评估,循环行为,耐久性,和施工程序的修改cement-lime-fly灰碎石混合物,这将提供一个重要的基础应用研究路面的基础材料。

数据可用性

原始数据用来支持本研究的发现可以从相应的作者。

信息披露

程榉和侑士刘co-first作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

来自中国国家重点研发项目的金融支持(没有。2017 yfb0309901,省级资助GX18A025)和中国国家自然科学基金(没有。51578193)为当前的研究。