矿用喷浆材料研究现状论文

材料专业毕业论文开题报告

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论文题目： 高聚物对水泥抗蚀性能的影响

1、国内外研究现状、水平及存在的问题：

随着建筑科技的进步与发展，一种新型化学建材正悄悄的却又以飞快的速度在中国建筑界得到应用和发展，这就是聚合物水泥基复合材料。聚合物水泥基复合材料通常按其化学构成大致分为两类，一类是以聚合物为基、水泥作为填充料组合成的，最常见的如目前大量应用于工程防水的“聚合物水泥防水涂料”;另一类是以水泥为基，以聚合物单体或数种聚合物对水泥进行改性而组合成的材料，如各种聚合物水泥混凝土及各种聚合物水泥砂浆等[1]。原则上讲，聚合物水泥是聚合物改性水泥，它保持了水泥水化物的一系列优点，并用聚合物的优点弥补了水泥制品的不足。因此，聚合物水泥显示出了较大的抗压、抗冲击、抗穿刺能力及耐磨性，优良的抗渗性、抗腐蚀性及抗老化性，适当的弹性模量，而不需要刻意追求高的断裂延伸率[2]。

1923 年克莱森(Cresson)首次申请了有关聚合物硬化水泥体系的专利。他把天然橡胶乳液作为填料加入道路路面建筑材料中。1924年，Lefebure申请了用天然橡胶乳液使水泥砂浆及水泥混凝土改性的专利，第一次提出了用聚合物对水泥砂浆及混凝土进行改性的概念。从此，拉开了混凝土中添加聚合物的历史性序幕。1932年，Band第一个提出了利用人造橡胶改性水泥砂浆及水泥混凝土，也获得了专利。20世纪40 年代，人们先后尝试了用合成聚合物乳胶改性，以及把聚乙烯乙酸酯也用于改性的方法。50年代，这一领域的研究与尝试开始受到各国材料界专家学者的重视，并获得了很多项研究成果，许多成果在工程上也都得到了广泛的应用。60-70年代， 人们开始研究用液态和固态的聚合物，诸如聚合物单体、树脂、聚合物乳胶粉等对水泥砂浆及水泥混凝土进行改性。80年代，各国都投入了大量的人力、物力、财力，对混凝土改性进行了研究，随着科研成果的不断出现，这一领域也得到了极大的推动，研究水平得到了极大的提升。美国是世界上聚合物水泥基复合材料研究开发的先行国家，最早于50年代就开始了对其进行实际应用的尝试。

由于我国在聚合物水泥基复合材料方面的研究起步比较晚，所以，至今还没有出台相关方面的行业标准与测试方法。多数学者认为聚合物水泥基材料的增强机理主要是由于剔除了粗骨料，降低了细集料的粒径，从而提高匀质性，使集料所得集配曲线为非连续性的;另外聚合物在水泥浆内部聚结成网络结构，起到了很好的阻裂增韧作用。近年来，人们逐渐开始从微观结构方面对聚合物改性水泥基材料进行研究，认为聚合物颗粒的分散和聚合物薄膜的形成是聚合物水泥改性的主要原因。研究认为聚合物从两方面影响了改性水泥浆的结构: (1)混合后一部分聚合物粒子吸附在水泥颗粒表面，形成薄膜;(2)另一部分聚合物分散在孔中的液相中，当自由水完全被水化和蒸发消耗掉后，聚合物在孔中形成薄膜[3]。此外，关于聚合物在改性水泥砂浆中的分布，目前还存在一些异议。 按照著名的Ohama[4] 模型，聚合物均匀分散在水相中，随着水泥水化，水分减少，聚合物逐渐凝聚成膜，因而聚合物主要存在于改性砂浆的孔隙中。 Su[5] 等对新拌改性水泥浆水相成分的分析表明，在拌合开始就有相当多的聚合物被吸附在水泥颗粒表面，他们还发现，拌合初期被吸附在水泥颗粒表面的聚合物的量与聚合物乳液种类和乳液掺量有关。 通过含氯聚合物改性砂浆的EDAX 分析表明，在聚合物改性砂浆中，水泥浆体与骨料之间的界面上聚合物的含量较高。 Ollit rault-Fichet 等的研究也说明，聚合物颗粒最初会被水泥颗粒吸附，并最终被包埋在水化水泥的颗粒之中[6]。

在实际工程中，硅酸盐水泥易在酸和酸盐溶液中遭受侵蚀是因为：(1)硅酸盐水泥中含有大量的氢氧化钙及高碱性的水化C-S-H 凝胶、水化铝酸钙等水化产物，酸溶液中的H+与Ca(OH)2发生中和反应，使水泥石碱度急剧降低，进而造成高碱性水化硅酸钙和水化硫铝酸钙等水化产物分解，转变成低碱性水化产物，最后变成无胶结能力的SiO2·nH2O 及Al(OH)3等;(2)硫酸盐溶液中的硫酸根能和水泥石中的Ca(OH)2及水化铝酸钙等[7]发生化学反应，生成有膨胀性的石膏和钙矾石晶体，当这些结晶体在水泥石毛细孔隙中逐渐积累和长大，产生孔内应力，当应力大于临界破坏应力时，造成水泥试样破坏。由于水泥石本身也不密实，有很多毛细孔通道，使砂浆产生渗透性，使得水泥的使用性能下降。同时，侵蚀性介质容易进入其内部，以致由其配制的砂浆易受到腐蚀，导致水泥材料的耐久性下降。普通水泥砂浆不饱满、不密实，不能有效地形成具有防水抗渗作用的整体不透水层。它也存在抗压强度低、耐腐蚀能力不高等缺陷，其使用范围也受到了很大的局限。

而聚合物改性水泥由于聚合物及活性成分的掺入，改善了聚合物水泥砂浆的物理、力学及耐久性能，扩大了其应用范围。对水泥性能的改善主要体现在如下几个方面：

(1) 活性作用 聚合物乳液中有表面活性剂，能够起减水作用。同时对水泥颗粒有分散作用，改善砂浆和易性，降低用水量，从而减少了水泥的毛细孔等有害孔，提高砂浆的密实度和抗渗透能力。

(2) 桥键作用 聚合物分子中的活性基因与水泥水化中游离的Ca2+、Al3 + 、Fe2 + 等离子进行交换， 形成特殊的桥键，在水泥颗粒周围发生物理、化学吸附，成连续相，具有高度均一性，降低了整体的弹性模量，改善了水泥浆物理的组织结构及内部应力状态，使得承受变形能力增加，产生微隙的可能性大大减少。即使产生微裂隙，由于聚合物的桥键作用，也可限制裂缝的发展。

(3) 充填作用 聚合物乳液迅速凝结，形成坚韧、致密的薄膜，填充于水泥颗粒之间，与水泥水化产物形成连续相填充了孔隙，隔断了与外界联系的通道[8]。从而阻止了腐蚀性介质进入水泥石内部，提高了抗腐蚀和抗渗能力。

孙炎[9]曾研究冷混合沥青混凝土，用于道路工程;聚合物改性砂浆用于钢筋混凝土结构的永久模板，结果证明它们都可以更好地防止氯离子渗透和更好地抗碳化作用，从而提高钢筋混凝土结构的耐久性，掺加有硬沥青的钢桥面也具有更高的抗腐蚀性能[10]。鉴于此我们可以通过在水泥中掺杂沥青和石腊，来改善水泥的内部结构并填充其内部孔隙，从而提高水泥的抗蚀性，解决水泥抗蚀性较差的问题。

2、选题的目的、意义：

在我国，尤其是西部地区的盐碱地、盐湖区以及地下水中普遍存在着硫酸盐对水泥混凝土的侵蚀。在某些特种工业设施中，还存在有硫酸和硫酸盐的混合腐蚀以及H2S、CO2腐蚀等。从一些实例中我们可以看出，破坏水泥混凝土的主要原因一般都不是机械应力， 而是多种腐蚀或者是自身内部发生化学反应。这就引起了人们对水泥混凝土的耐久性能的讨论。因此，研究水泥的抗腐蚀性能不仅对建筑材料具有至关重要的作用，而且会对提高各种工程建筑的耐久性能有重大的经济价值和使用价值。关于聚合物对水泥砂浆改性的主要途径是在其中加入能起到改性作用的聚合物。从前人的研究中可看到，聚合物水泥基复合材料都显著高于普通混凝土的`力学性能，比如抗折强度、抗压强度、粘结强度等都得到了极大的提高。与普通硅酸盐材料相比，聚合物水泥基复合材料有着自身的优势见表1。

表1 聚合物水泥基复合材料与普通混凝土的比较 性能

材料 普通混凝土 PCC

W/C

断裂 1 50~60

冲击 5 80

密度

抗拉强度 2~3

抗折强度 5~7 150~200

抗压强度 40~50 200~300

此外，聚合物水泥基复合材料还具有良好的耐化学腐蚀、抗渗性、低温下的抗裂性等。这就使得聚合物改性水泥基复合材料在一定范围内部分取代了钢铁、高分子材料(像MDF 水泥基复合材料制作的唱片、轮胎都是具体的实例)[11]。它能提高水泥石的抗腐蚀能力主要是因为聚合物的添加提高了提高水泥石的密实度。混凝土结构正常情况下可以存在至少30年，但如果存在源于生物的硫酸腐蚀不过短短几年就会被破坏掉[12]。修复或完全取代这种腐蚀结构越来越有必要，但这种修复代价昂贵一直不能满足社会。然而通过沥青或石蜡对水泥进行改性，可大大提高水泥的抗蚀性，这无疑会节约了资源，减少了不必要的浪费，为社会积累更多的财富。

3、实施方案及主要研究手段：

、实验方案

、原材料的准备;

(1) 沥青粉的研制

制得分别过200目和300目筛的沥青粉，并适量添加矿物掺合料来减小沥青粉的粒度。

(2) 石蜡粉的研制

通过在石蜡中添加矿物掺合料来粉磨石蜡，并制得掺有石蜡的粉末。

、正交实验

(1) 因素水平表

因素水平用量(V%) 粒度(目) 温度(℃)

1 2() 100 100

2 4() 200 120

3 6() 300 150

(2) 根据正交表L9(34)列出以下几组实验：

序号用量(V%)粒度(目) 温度(℃)

指标

腐蚀前 抗压强度

(MPa) 抗Na2SO4腐蚀强度 (MPa) 抗Na2CO3腐蚀强度(MPa)

1 2() 100 100 2

2()

200

120

6

3 2() 300 150 4 4() 100 120 5 4() 200 150 6 4() 300 100 7 6() 100 150 8 6() 200 100 9

6()

300

120

注：括号内为石蜡的用量

、以硅酸盐水泥为基体，按以上正交方案分别掺加沥青、石蜡成型,每种高聚物与水泥的复合分别作空白样，3天强度测试样，腐蚀样。分别测定抗压强度，抗硫酸盐及碳酸盐侵蚀的能力。

、在把水泥块放入腐蚀液中前和从腐蚀液中取出，分别称取其质量，查看其质量损失。

、每一个过程留样分别作物相分析和微观分析，进行腐蚀机理分析。

、通过各组实验试样的对比，确定聚合物在水泥中的最优抗蚀配比。

、研究手段

(1)用扫描电镜观察沥青、石蜡改性水泥的微观形貌，以及硫酸盐、碳酸盐腐蚀后的微观形貌。

(2)用X射线衍射仪分析沥青、石蜡改性水泥的物相组成。

(3)用压汞仪测试水泥试样的孔结构;

(4)利用粒度分析仪测试各添加物的粒径。

4、选题的创新之处：

目前已有许多聚合物乳液(如苯丙乳液、纯丙乳液、乙丙乳液等) 用于水泥砂浆的改性，而采用沥青和石腊这两种聚合物对水泥砂浆进行改性的研究却相对较少。实验利用沥青和石腊高分子的熔胀性，在水泥水化过程中，沥青和石腊受外界刺激产生一定的熔胀从而填充水泥石的内部孔隙，提高水泥的密实度，达到提高水泥抗蚀性的目的。

5、预期研究成果：

沥青、石蜡与水泥混合成型后，一部分沥青、石蜡颗粒填充在水泥孔隙里，另一部分沥青、石蜡颗粒在一定外界条件影响下分散在孔中的液相中，当自由水完全被水化和蒸发消耗掉后形成膜。这两方面共同作用大大提高了水泥的密实度并阻止了腐蚀液与水泥浆体的接触，从而使水泥的抗蚀性能得到改善。

参考文献：

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水泥喷粉深层搅拌桩沉桩问题分析及处理论文

摘要：深层搅拌桩进行地基加固有喷粉和喷浆两种施工方法，设计人员在地基天然含水量大于60％的情况下，从降低地基含水量考虑，常常选用喷粉法。而在天然地基含水量大的情况下采用喷粉法施工，由于流塑状淤泥在喷粉施工时风压气流的作用下，在搅拌过程中因受扰动发生液化，强度来不及形成，造成沉桩。通过施工现场试验，证明改用喷浆法施工的搅拌桩解决沉桩问题是有效的，工程造价变化不大，是可行的。

关键词：路基工程 深层搅拌桩 沉桩 喷浆法

一、前言：

深层搅拌桩经过近二十年的发展，由于施工技术和施工机械的成熟已经被广泛地用于软土地基加固、边坡支护、基坑及堤坝防渗等方面。深层搅拌桩可以增加软土地基的承载力，减少沉降量，提高边坡的稳定性，以及具有快速、经济、有效等特点，而被应用在公路桥头软土地基上，以加快公路的施工进度，消除或缓解桥头跳车等问题。其施工方法分为喷粉和喷浆两种方法。设计人员在地基天然含水量大于60％的情况下，从降低地基含水量考虑，常常选用喷粉法。由于地质条件千变万化，其中若存在淤泥含水量过大，采用喷粉法则可能出现沉桩问题。以下通过对采用喷粉法出现沉桩工程问题分析及提出处理方法与同行探讨。

二、工程实例

1、工程简况

某高等级公路在K9+753~K10+836桥头186m采用水泥喷粉桩处理，水泥喷粉桩按正三角形布置，桩径采用50cm，桩距，平均桩长10m，水泥掺入比15%，即每延米50kg水泥，标号425#。施工单位在施工配套设备进行标定、试桩方案经过监理单位和业主单位同意的情况下采用喷粉法进行试桩试验，共试59根，其中的21根桩发生沉桩，沉桩深度一般为不等。

2、沉桩原因分析

水泥深层搅拌桩加固机理是通过水泥的水解和水化反应、水泥水化物与土颗粒之间的离子交换和团粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化学反应而成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩体。因此，可从地质、施工工艺两方面来分析沉桩原因。

地质方面，由于各地质层土质的差异而产生水泥加固土的效果不同，一般认为含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好，而含有伊里石、氯化物和水铝英石等矿物的粘性土以及有机质含量高、酸碱度（PH值）较低的粘性土加固效果较差。各地质层的含水量的不同，也是引起水泥和土一系列化学反应而形成强度的速度不同的原因。

施工工艺方面，水泥与土搅拌不均匀，甚至水泥与土无法混合。这与施工机械的各施工参数有关，如钻进速度、钻头转速、提升速度、喷粉压、水泥用量等有关。必须通过试验桩根据不同地质层、不同土质、不同土压力找到合适的施工参数，加以严格控制，使桩体均匀，防止缩颈、断颈等现象。

1）地质方面

在第一次试桩的一排7根桩中，靠路线前进方向右侧有4根桩沉桩。在试桩后第七天对其中两根进行抽芯检测，发现桩体上均有两段水泥明显不凝固。在试桩后第十天对发生沉桩的地质进行补勘，具体地层由上至下为：

①填砂：河砂，层厚为.

②粉质粘土：灰黄、灰褐色，可塑，稍湿～湿，随深度增加渐变为软塑状，层厚为。

③淤泥：深灰、灰黑色，软塑～流塑，饱和，粘性强，滑腻，岩性均一，底部含腐殖物，层厚为。

④淤泥质粘土：灰、青灰色，软塑，饱和，粘性较强，均匀，层厚为。

⑤淤泥夹砂：灰、青灰色，软塑，含较多中粗砂，含量在30%～50%，松散状，层厚为。

⑥砂层：浅灰色，稍密～中密，饱和，以粗砂为主，含粘性土，级配良好，层厚为。

⑦粉质粘土夹砂：灰黄、棕黄色，软塑，湿，含量在20%～50%，岩性不均，层厚为。

⑧砂层：以中粗砂为主，灰白、灰黄色，中密，饱和，含粘性土，级配良好，层厚为。

软土物理力学指标很差，淤泥平均含水量为90%，天然孔隙比，直快剪C=，φ=。

从以上地质补勘分析，主要有以下原因：

（1）由于该段淤泥含水量为90%，而喷粉（50～60kg/m）后水泥在桩体内吸水是有限的，参照相近项目试验结果可知，短期内水泥加固土含水量减少量低于水泥掺入比，也就是该段淤泥经水泥加固土的含水量仍为75%以上，搅拌时的土和水泥还是处于流塑～软塑状，压缩模量小，抗剪强度低；喷50～60kg/m水泥9m后增加4500~5400KN自重力。处于流塑～软塑状水泥加固土压缩模量小，自身自重引起桩压缩量就大；水泥加固土抗剪强度低自身自重引起侧向挤出量大；

（2）桩身周围土受扰动土体下沉后，土对桩侧表面产生向下的负摩阻力。当土和水泥还是处于流塑～软塑状、压缩模量小、抗剪强度低时，在负摩阻力的作用下发生沉桩。

（3）该段淤泥的灵敏度大，灵敏度是原状试样的无侧限抗压强度与相同含水量重塑试样的无侧限抗压强度之比。从试桩现场，试桩桩位砂垫层表面挤压出来的`淤泥很稀，表明其重塑后强度很低，灵敏性高。

（4）喷粉在桩体内吸水，引起桩体周围土体孔隙压力消散、产生下沉，短时间增加对桩体的负摩阻力，而此时水泥加固土的强度很低且增长慢。

总的来说，是在喷粉初期，水泥加固土的强度承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力的作用而发生沉桩。

2）施工工艺方面

在施工工艺方面，针对沉桩问题，结合地质情况较差的实际，在施工工艺上找沉桩的原因。试桩时各施工参数（钻进速度、钻头转速、提升速度、喷粉压、水泥用量等）作了有效控制。在第二次试桩52根桩中，采用不同钻进速度、不同钻头转速、不同提升速度、不同喷粉压、不同水泥用量进行严格控制。试桩中虽然采用加大喷粉量至75kg/m,仍未解决沉桩问题。

察看试桩现场，试桩桩位砂垫层表面存在大量淤泥，据分析软塑～流塑状淤泥是在喷粉施工时风压气流的作用下，搅拌过程中因受扰动发生液化，液化的淤泥上涌至地表面，造成桩体范围内淤泥质的减少而沉桩。

增加喷粉量解决不了沉桩问题的原因在于：

（1）增加喷粉量即增加桩体自重力；

（2）增加喷粉量导致喷粉在桩体内吸水量增加，引起桩体周围土体孔隙压力消散加快、产生下沉，短时间对桩体的负摩阻力增大，因增加喷粉量水泥加固土的强度提高不显著，在喷粉初期，水泥加固土的强度仍承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力的作用而发生沉桩。

3、处理方法

通过以上分析，沉桩是由于在喷粉初期，土体受扰动，水泥加固土的强度承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力的作用而发生沉桩。改用在水泥浆液中加入适量的早强剂喷浆法施工可以解决喷粉法施工成桩初期水泥加固土的强度承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力发生沉桩问题。主要原因：

（1）早强剂可以使水泥加固土的强度迅速提高，而早强剂在水泥浆中搅拌可以较均匀；

（2）水泥浆液注入土体发生水泥的水解和水化反应、水泥水化物与土颗粒之间的离子交换和团粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化学反应而成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩体时，浆液本身存在足够水，不需吸收天然地基的水，并未引起桩体周围土体孔隙压力消散、产生对桩体的负摩阻力。

因此，改用喷浆法施工并在水泥浆液中加入适量的早强剂，以解决喷粉法施工成桩初期水泥加固土的强度承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力的作用而发生沉桩的问题。

喷浆施工参数：

成桩直径： 50㎝

钻进速度： 控制在2～3档（30～50cm/min）

电流表读数： 进入持力层I≥60A

桩底持续喷浆搅拌时间： ≥30s

提升喷浆速度： ≤30cm/min

喷浆压力： ～

水泥浆水灰比：

早强剂掺量（水泥掺比）：

水泥浆搅拌时间： ≥30min（每拌）

喷浆搅拌桩施工工艺按中华人民共和国交通部发布《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》JTJ017-96关于加固土桩技术规范进行。全部穿过淤泥进入持力层50㎝。

以上施工参数进行现场试桩，试桩七天后进行桩体抽芯检测，从桩体抽芯结果来看，成桩连续性与完整性均较好，无沉桩问题。由业主组织设计单位、监理单位和施工单位召开软基处理技术专题会议，决定K9+753~K10+836桥头186m原采用喷粉法施工搅拌桩改为喷浆法施工，原合同单价不变。该段在改用喷浆法施工后，无出现沉桩问题，证明采用喷浆法施工的搅拌桩解决沉桩问题是有效的。工程造价变化不大，经济上是可行的。

三、结语

在高含水量软基中采用深层搅拌桩处理，从降低地基含水量考虑，常常选用喷粉法施工。而当采用喷粉法出现沉桩问题时，改用在水泥浆液中加入适量的早强剂喷浆法施工来解决沉桩问题。经实践证明采用喷浆法施工的搅拌桩解决沉桩问题是有效的、经济上是可行的。