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低用水量大掺量矿物掺合料高性能混凝土的 制备及性能研究 摘要 低用水量大掺量矿物掺合料高性能混凝土是一种水胶比低、矿物掺合 料掺量大的高性能混凝土，其不但具有高于普通混凝土的工作性能、力学 性能和耐久性，还可以大量利用粉煤灰、矿渣等工业副产品，有利于资源 的综合利用，已成为当今世界混凝土材料发展的方向。 本论文使用广西本地原材料成功制备了水胶比为o 3 3 、单方用水量为 1 3 0 k 、单方胶凝材料用料4 0 0 埏、水泥替代率为3 0 7 0 、坍落度在18 0 衄 以上、具有良好工作性能、力学性能和耐久性的高性能混凝土。在研究中， 分析和探讨了矿物掺合料如不同粉煤灰掺量，磨细矿渣和硅灰复掺混凝土 的工作性、力学性能、孔结构、抗碳化和抗氯离子侵蚀能力及其影响。并 对各矿物掺合料在低用水量大掺量矿物掺合料高性能混凝土中所起的作用 进行了讨论。 结果表明： 1 ) 在混凝土中以粉煤灰、硅灰、磨细矿渣等量替代部分水泥，并与一 定量的高效减水剂搭配，均可配制出具有良好流动性能的低用水量大掺量 矿物掺合料高性能混凝土； 2 ) 在低用水量下，大掺量粉煤灰混凝土的2 8 d 和9 1 d 抗压强度增进率明 显提高，早期水泥水化速度加快。硅灰或硅灰与磨细矿渣复合取代等质量 的粉煤灰，混凝土的早期及9 1 d 抗压强度都明显提高，硅灰或硅灰与磨细矿 渣复合加速了水泥早期水化； 3 ) 混凝土中氢氧化钙含量跟水化龄期和矿物掺合料的种类和掺量有很 大关系，在2 8 天左右，粉煤灰已经能够很好的与水泥水化产生的c o h ) 2 发 生反应，复掺比单掺更能消耗水泥水化产生的c a ( o 均2 生成更多的水化硅酸 钙凝胶； 4 ) 粉煤灰掺量为3 0 、5 0 时，能明显改善混凝土的孔结构，使孔隙 明显细化，小于2 0 姗的无害孑l 明显增多，但是粉煤灰掺量为7 0 时，有害 孔明显增多，这说明水泥基太少时不能提供激发粉煤灰充分反应的碱性物 质，复合掺加比单掺粉煤灰更能改善混凝土的孔结构； 5 ) 粉煤灰替代量有o 增加到5 0 ，混凝土的抗氯离子渗透能力增强、 抗碳化能力下降；与单掺粉煤灰相比，双掺或多掺矿物掺合料，混凝土的 抗氯离子渗透能力、抗碳化能力都有较大的提高； 6 ) 混凝土中c a ( o h ) 2 的明显减少，生成更多的水化硅酸钙凝胶和孔结构 的改善是低用水量大掺量矿物掺合料混凝土后期强度增长率提高的主要原 因。 关键词：低用水量矿物掺合料高性能混凝土工作性能力学性 能耐久性 p r e p a r a tio na n dp e r f o r m a n c e0 f hit hp e r f o r m a n c ec o n c r e t ewit hl o ww a t e ra m o u n t a n dl a r g ea m o u n t s0 fmin e r a la d mix t u r e a b s t r a c t i nt h i sp a p e lh i g hp e i f o 眦a n c ec o n c r e t e ( h p c ) w i t hl o ww a t e rb i n d e rr a t i oa n d i a r g ea m o u n t so fm i n e r a la d m i x t l l nt h a to w n sb e t t e rw o r i a b m 锄m e c h a n i c a lp r o p e r 哆 a n dd u 腿b m 够t h a nn o m a lc o n c r e t e ( n c ) a 心p 托p a r e ds u c c 懿s f u u y t h ep n p a 髓e d c o n d i t i o n sw e r es e l e c t e da sf b o wt h a tw a t e rt ob i n d e rr a t i ow a s0 3 3c e m e n t 聆p l a c e m e n tb ym i n e n ia d m i x t i l 聆w e 弛a tt h e 随n g eo f3 0 t o7 0 ，蚰ds l u m po ff h s h c o n c 心t ew 懿o v e r1 8 0 m m m 昀n w h n e ，t h ew o r k a b m 妣m e c h a n i c a ip m p e r 毗p o 心 s t n l c t u r e ，t h ec a p a b i l i 锣 o fa n t i - c h l o r i d ei o n sa n da n t i - c a i b o n a t i o no fc o n c l t eo f d i 疗b 他n tm i xp m p o r t i o no fm i n e 随la d m i x t l l 弛w e 他t o o ki n t oc o n s i d e n t i o n ；m e a n w h n e ， m a n yf a c t o 璐，w h i c hi n c l u d et h ew o r k a b i l i 劬m 钾h a n i c a lp m p e r t y t h e 饮p a b i l i 够o f a n t i - c h l o r i d ei o n sa n da n t i - c a i 。b o n a t i o no fc o n c r e t eo fd i 仃e r e n tm i xp r o p o n i o no f m i n e 随la d m i x t l l r e w e nt a k 蛐i n t oc o n s i d e 仡t i o n ；f i n a l 耽f u n c t i o 璐o fm i n e m l a d m i x t l i i ni i p cw e d i s c u s s e d s om ee f f e c to fd i f f e 聆n tm i ip m p o r t i o no fm i n e 随l a d m i x t i i no nh p c 住nb eo b t a i n e ds u c c 髂s f u u y j b a s e do nt h e s u l t so b t a i n e d ，t h ef o 佣r i n gc o n c l u s i o n s 住nb ed 憎w n ： 1 ) b yu s _ i n gt h el a r g ea m o u n t so fm i e 腿la d m i x t i l 聆t on p l a c ec e m e n t w h 姐et a k 吼 h i g he 佑c i e n c yw a t e ra g e n t nb ep 托p a n d t h eh p cw h i c hh a v ei o ww a t e rb i i l d e r 豫咖 a n dw i t hg o o dn u i d i 舭 2 ) l i ym i x i i i gw i t hl a r g ea m o u n t so fl 妙鼬h ，t h ee a r 妙h y d r a t i o no fc e m e n t 戗nb e a c c e l e r a t e da tl o ww a t e rb i n d e ba n di ti so b v i o u s l yq u i c k e n e du pa t2 8 da n d9 1 d ； 3 ) t h er a l t i o n s h i po fl 【i n d sa n dq u 舳t i 锣o fa d m i x t i i 懈b e 仰e 钮t h e n t e n to f c a ( o 丑【) 2a n dt h eh y d r a t i o np e n o di so b v i s e l y ：t h ef l ya s hc a nr e d u c et h ec o t e n to f i c a ( o h ) 2 。淞ar 懿u km o r ec s - hw e r ep r o d u c e di nh p c ，w h i c hb e c o m el 懿sw h n e m i x i n gw i t hs m c a f u m ea n db l a s tf u m a c es l a g 4 m i x e da d m i x _ 饥r 懿o f 毋a s h ，s m 蚀l l l m ea n db l a s tf u m a c es i a gc 蛆p e r f o 珊 b e t t e rt h a no n eo ft h e mo ni m p r o v i n gt h ep o 心s t r u c t i l 弛o ft h ec o n c r e t e ，w i t ht h ec o n t e n t o ff 眵a s hi s3 0 o r5 0 ，t h ep o r ec 钮b eap r o p e rd i a m e t e rw h i c hb e l o w2 0 m m ； 5 ) w h e nt h ec o n t e n to f 埘a s hi n c 他a s e df 如m0 t o5 0 ，t h ec a p a b n 姆o f 粗俘e h l o d ei o n sw 弱i n c r e a s e dw h n et h ec a p a b i h 锣o f 叠n 昏c a r b o n a t i o nh a df a n ， h o w e v e bt h ec a p a b m 够o fa n t i c h l o n d ei o n sa n da n t i - c a r b o n a t i o nc a nb ei n c 弛a s e d t o g e t h e rw h 钮a d d e d 铆o o rm o 聆k n d so fa d m i x t l l r e si nt h ec o n c r e t e 6 ) t h ea d v a n c e m e n to fi n c 心秘er a t eo fu p p e rs t 聆n g t ho fh p c d u et ot h ed e c 他鼬e o fc a ( o h ) 2 淞ar 懿u hm o mc s i hw e 聆p r o d u c e di nh p c 粕dt h ei m p r o v e m e n to fp o 聆 s t r m c t l i 心o fc o n c 弛t ep 咖a r 殂y k e yw o r d s ：l o ww a t e r 锄o u 嵋1 1 1 i n e r a l 础n i ) ( t u r e ；m 曲p e r f o m a n c e c o n c r e t e ；w o r k a b i l i 妙；m e c h 撕c a lp r o p e r 秒；d l 玳如i l i 够 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 燃一：叶规 小释6 月岁日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务： 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 留白时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 澎燃：略蹲一年? 低用水量大掺量矿物掺合料高性能混奢匕t 的制j r 及性能研究 1 1 高性能混凝土的由来 第一章绪论 从1 8 2 4 年英国人约瑟夫阿斯普丁( j o s e p h 触p d 缸) 取得波特兰水泥专利至今，混 凝土的发展已经有1 8 0 多年的历史。混凝土实际上已经成为现代社会的基础。在我们日 常生活中，几乎各个方面都直接或间接地涉及到混凝土。可以说近代文明的许多成就的 确取决于混凝土，正如古罗马的许多不朽的早期文明就是由于采用了现代混凝土的前身 材料而获得的一样【l 】。 作为最大宗人造材料，与其它的结构材料相比，混凝土具有以下几方面的优势：价 格低廉，原材料易得，适应性大，能耗低，并且可用于不同的环境【2 】。由于混凝土具有 上述的优良性质，目前，混凝土已经成为用量最大、范围最广的结构工程材料，并且在 可以预见的未来，混凝土还将继续是主要的结构材料。 和任何事物都有两面性一样，混凝土这种材料也不例外，混凝土材料的缺点是脆性 大、易被侵蚀，在其使用过程中会受到内部因素和外部环境的影响，而产生裂纹、局部 损伤和侵蚀等危害，天长日久，这些危害会日益加重，轻者会影响结构的正常使用或者 缩短使用年限，重者会产生重大事故，给国民经济和人民的生命安全带来不可挽回的损 失。正是这些缺点，影响了混凝土的使用寿命，并使得混凝土工程的维护的费用增大， 特别是混凝土结构的耐久性问题日益突出，使得对普通混凝土性能的改善变得日趋重 要，高性能混凝土正是在这种情况下被提了出来。 1 2 高性能混凝土的定义和特点 1 9 9 0 年5 月在马里兰州的q 曲1 e r s b u 晤城，由美国n i s t 和a c i 主办的讨论会上，高性 能混凝土( h i 曲p e r f o m l 锄c ec o n c r e t e 简写h p c ) 被定义为具有所要求的性能和匀质性 的混凝土，这些性能包括：易于浇注，捣实而不离析；超高强、能长期保持力学性能； 早期强度高、韧性高和体积稳定性好；在恶劣的使用条件下寿命长【3 1 。 但是，不同国家、不同学者依照各自的认识、实践、应用范围和目的要求的差异， 对高性能混凝土的看法有所不同，例如： ( 1 ) 美国pkm e h t a 认为：高性能混凝土不仅要求强度高，还应具有耐久性等其它 1 广西大学硕士掌位论文 低用水量大掺量矿物掺咱唪高性能混奢已土的制j r 及性能研究 重要性能，例如高体积稳定性、高抗渗性和高工作性； ( 2 ) 法国y a m a l i e r 认为：高性能混凝土的特点在于良好的工作性、高的强度和 早期强度、构成经济性高和耐久性好，特别是用于桥梁、钢工、核反应堆以及高速公路 等重要的混凝土建筑结构； ( 3 ) 日本的s ls 列提出：高性能混凝土是具有较高的力学性能、高耐久性、 高抗渗性，属于水胶比很低的混凝土家族； ( 4 ) 以冈村为代表的一部份日本学者认为：高流态、免振自密实的混凝土就是高 性能混凝土。他们主要强调的是新拌混凝土的性质，其理由是：混凝土技术熟练工人越 来越少，自密实混凝土不用熟练工人一样可以保证混凝土的质量并且还可以保证施工速 度；可以有效的降低混凝土施工时的环境噪音； ( 5 ) 我国的冯乃谦教授认为：高性能混凝土必须是高强度的，高强混凝土属于高 性能混凝土范畴；高性能混凝土必须是流动性能好的、可泵性好的混凝土，以保证施工 的密实性；高性能混凝土一般需要控制坍落度损失，以保证施工要求；耐久性是高性能 混凝土的最重要的指标，但混凝土达到高强度后，就自然具有高性能，也即具有高耐久 性【3 】； ( 6 ) 我国已故的吴中伟院士认为：高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大 幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为 设计的主要指标。针对不同用途要求，高性能混凝土对下列性能有重点的予以保证：耐 久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性。为此，高性能混凝土在配制上的 特点是低水胶比，选用优质原材料，并除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的矿物 细掺料和高效外加剂。高性能混凝土被认为是2 1 世纪的混凝土，是近期混凝土技术的主 要发展方向【4 】。 尽管各学者对高性能混凝土的定义各有不同，但在高性能混凝土必须具备良好的耐 久性这一点上还是取得了共识。 1 3 低用水量大掺量矿物掺合料高性能混凝土( l l m h p c ) 波特兰水泥混凝土是当今以及可预见的未来的最重要的结构材料。与其他工业一 样，混凝土的工艺进展必须要考虑节省自然资源、环境保护以及合理利用能源等广泛的 要求。以具有潜在活性的工业副产品替代部分水泥充当胶凝材料应用在混凝土中被证明 2 低用水量大掺广物掺合料高性能混嵩已土的制鲁及性能研究 是一种切实可行的方法。 2 0 世纪3 0 年代到6 0 年代，普通减水剂研制成功并广泛应用于混凝土中，降低了混凝 土的用水量，中等强度混凝土的配制变得可能。上世纪6 0 年代到8 0 年代初，高效减水剂 研制成功并在许多国家的混凝土工程中得到广泛的应用，水灰比w c ( 咖t 0c e m e n t 嘶o ) 进一步降低，高强混凝土的配制与使用成为当时的热点( 通常将强度等级等于和 超过c 5 0 的混凝土称为高强混凝土) 【5 】。然而高强混凝需要较多的水泥用量，由于早 强的要求，所生产的水泥颗粒越来越细，反应时产生的水化热多，使混凝土早期裂缝出 现；混凝土收缩量大，裂缝进一步扩展，加上外界有害物质的渗透与侵蚀，混凝土劣化 严重，因此上世纪8 0 年代前后，混凝土耐久性问题越来越尖锐，出现混凝土建筑物破坏 失效甚至崩塌事故。上世纪8 0 年代中后期及9 0 年代，为了改善混凝土的耐久性，人们在 混凝土配合比中引入一些矿物掺合料( 如硅粉、粉煤灰、矿碴等) ，水泥与矿物掺合料 统称为胶凝材料，水灰比的概念被水胶比w 倍( 嘞t o b i i l d e r 蒯o ) 所取代。在混凝土 的基本组分( 砂、石、水泥和水) 中掺入外加剂和矿物掺料的技术被称为“双掺”技术； 用于配制各种各样高性能混凝土( 强度、工作性、长期力学性能、早强性能、韧性、体 积稳定性、抗冻融、抗除冰盐、抗磨损、抗氯离子渗透、收缩和徐变的一项或几项指标 特别突出) ：商品混凝土、粉煤灰混凝土、免振捣混凝土和纤维混凝土等。商品混凝土 对骨料的粒径有限制，水泥用量在3 0 0 5 5 0 k g 之间。当采用引气型外加剂时，其含气量 不超过4 。当采用粉煤灰时，一般采用超量取代法，且其胶凝材料的总量不超过5 5 0 蚝。 高掺量粉煤灰混凝土是指粉煤灰的掺量达总胶凝材料4 0 以上的混凝土，它具有巨大的 经济效益和环保效益；然而，由于这种混凝土早期强度低，抑制了其推广应用。王成启 网采用激发剂提高粉煤灰的活性，促进二次水化反应，这是提高大掺量粉煤灰混凝土早 期强度的尝试。低品质粉煤灰混凝土的研究也是目前研究的热点之一。 粉煤灰这一工业副产品在2 0 世纪3 0 年代开始应用在混凝土中，美国的d a v i s 等在这 一领域进行了开创性的工作。在美国，粉煤灰最初只是应用在大体积混凝土结构中，到 了2 0 世纪4 0 年代开始应用在建筑工程中，到了5 0 年代开始尝试将粉煤灰混凝土应用于高 强度的结构物如建筑、高速公路等。6 0 年代是粉煤灰混凝土应用的分界线，6 0 年代前粉 煤灰在混凝土中的应用大多是取代混凝土的细集料，用于改善混凝土的和易性，当然从 某种程度上，也从环境的角度减少了粉煤灰的处理费用。6 0 年代后随着粉煤灰产量的增 加和质量的稳定，再加上人们对粉煤灰混凝土的认识，特别是粉煤灰混凝土具有独特的 技术优势，粉煤灰在混凝土中的应用作为一种新的混凝土技术开始被人们广泛接受。2 0 3 低用水，量大掺臼广物掺合料高性能混葶已匕的制薯r 反性能研究 世纪七八十年代后，人们认识到粉煤灰混凝土不仅可以用于普通混凝土领域，而且还可 以用于很多普通混凝土难以适应的场所。目前美国预拌混凝土中粉煤灰掺量已达3 7 ； 英国己将粉煤灰掺量6 0 8 0 的混凝土用于水坝、路面、机场等工程：日本新建世界最 长的悬索跨海大桥明石大桥的缆索锚固基础，其矿渣和粉煤灰掺量达6 0 ，主桥墩 混凝土掺和料用量8 0 【7 】。 与世界上其他国家相比，我国对粉煤灰等矿物掺合料的基础理论的研究比较落后， 但粉煤灰在混凝土中的实际应用还是比较早的。早在1 9 5 9 年，三门峡水电站工程就在混 凝土中掺加了粉煤灰。2 0 世纪六七十年代，我国水泥比较短缺，由于粉煤灰、硅灰、磨 细矿渣用于水泥掺合料可以增加水泥的产量，用于混凝土可以取代部分水泥而得到较大 的发展。在那个时期，掺合料的品质一般不高，其掺量一般也不会超过2 0 ，不过人们 在习惯上还是很难接受粉煤灰混凝土。2 0 世纪8 0 年代后，我国进入了高速发展时期，巨 大的混凝土用量使得我国不仅在粉煤灰利用方面处于国际领先之列，而且对粉煤灰混凝 土的应用研究也有很大发展。在水工、大型建筑物的基础等一些大体积混凝土中掺入掺 合料可以降低混凝土的水化放热，减少温度裂缝，而在一些建筑工程中，由于混凝土泵 送技术的发展，在混凝土中掺入掺合料则可以提高新拌混凝土的可泵性。在这个时期， 掺合料掺量提高不多，但品质有所提高。9 0 年代以后，人们对掺合料的认识有了很大的 转变，掺合料被认为是混凝土中必不可少的改性材料，掺合料的品质有了很大提高。目 前，一级粉煤灰已可大量供应，超细矿粉已大量投放市场。掺合料的掺量也有较大幅度 的提高。在三峡水电站工程的大坝内部混凝土中就掺用了4 5 的i 级粉煤灰，很多情况 下，粉煤灰已成为混凝土不可缺少的组分之一【8 】。 加拿大学者v m m a m o 订a 和美国学者p k m e h t a 在2 0 0 2 年出版的 竺 s i e v ed i 卸恬t e r 曲 图2 1 碎石的筛余曲线 f i g 2 11 1 1 es i e v ec 1 愀o f 锄曲蜘e s i c v e d i 锄嗽m m 图2 2 砂子的筛余曲线 f i g 2 2m s i e v ec u n ，eo f s 锄d 1 0 广西大学硕士学位论文低用水量大掺量矿物掺合料高性能混期已匕的制畚及性能研究 2 1 4 高效减水剂的准备 高效减水剂是表面活性剂，它的主要特点是：高的减水性、适当的引气性与控制坍 落度。混凝土中掺入适量的减水剂可以使混凝土拌合物中水泥颗粒分散度增大，水化程 度提高，显著改善混凝土的工作性：大幅度降低单位用水量，改善水泥石的孔结构，提 高混凝土强度和耐久性；降低水灰比，减少单位水泥用量，有效地节约水泥。所以本试 验选用目前性能较好的聚羧酸系高效减水剂，其固含量为l o 。 2 1 5 磨细矿渣( 劬u n dg 姐n u l 砷耐b l a s ts l a g ，g g b s ) 的准备 磨细矿渣亦是大掺量矿物掺合料高性能混凝土的重要组成成份，本实验的所取的磨 细矿渣基本性能和化学组成如表2 3 、2 - 4 所示。 2 1 6 硅灰( s i l i c af u i n e ，s f ) 的准备 硅灰同样是大掺量矿物掺合料高性能混凝土的重要组成成份，它在提高混凝土早期 强度方面性能优异。本实验的所取的硅灰的基本性能如表2 3 、2 _ 4 所示。 2 1 7 粉煤灰( f l y 础，f a ) 的准备 粉煤灰是大掺量矿物掺合料高性能混凝土的重要组成成份，本实验所取的粉煤灰为 三级粉煤灰，粉煤灰的分级标准见表2 5 ，而为了保证实验试块的力学性能和减少实验 误差，拟采用细度较细的粉煤灰。使用磨机对三级粉煤灰进行粉磨，粉磨过后的粉煤灰 按照g b l 7 6 水泥化学分析方法进行参数测定，经测定达到一级粉煤灰标准，其平均 筛余量为0 0 8 ，密度为2 3 3 0k g m 3 ，实验步骤如下： ( 1 ) 用磨机对三级粉煤灰进行粉磨； ( 2 ) 对其进行0 0 4 5 m m 方孔筛筛余量、需水量比、烧失量与含水量等参数的测定。 如参数未达到一级粉煤灰标准，则重新进行步骤( 1 ) ； ( 3 ) 用水泥比重瓶测定其比重； 本实验的所取的粉煤灰的基本性能如表2 3 、2 4 、2 5 所示。 其中粉煤灰、矿粉的比表面积采用勃氏比表面积法测试，硅灰采用b e t 法测试。 广酉大掌硕士学位论文 低用水量大掺量矿物掺舌稗离性能混奢匕匕的制囊r 及性能研究 表2 3 矿物掺合料的物理性能 t a b l e2 3t h ep h y s i c a lp r o p e r i ) ro f 仕怆m i n e m la d m i ) c t l l i i e s 表2 4 矿物掺合料的化学成分 t a b l e2 - 41 1 1 ec h e m i 跚c o m p o s i t i o no f 也em i n e r a la d m i x t u r e s 表2 5 粉煤灰参数对应表 t a b l e 2 5 t h e 即恻斌o f f l y a s h ( f a ) 根据以上实验和准备，各个原材料及其参数见表2 6 ： 2 2 配合比设计 混凝土的配合比设计，是由两个相关的步骤组成的过程：( 1 ) 选择混凝土的合适的 组分( 水泥、集料、水、外加剂) ；( 2 ) 确定它们的相对数量以生产具有适当工作性、 强度、耐久性的尽可能低成本的混凝土【3 7 1 。目前，因为生产混凝土带来日益加重的环境 负担，在混凝土的配合比设计时，越来越多的考虑混凝土对环境的影响，因此，适当增 加矿物掺合料替代水泥的量，可以在不影响混凝土的基本性能的前提下，提高它的环境 1 2 广西大掌硕士掌位论文低用水量大掺h 广物掺合料高性能混毒e 二匕的制畚及性能研究 2 2 1 配合比设计目标 根据国内外的研究结果和本研究的前期试验结果，本研究中的低用水量大掺量高性 能混凝土配合比设计的目标为： ( 1 ) 混凝土单方用水量固定为1 3 0 k g 、单方胶凝材料用量固定为4 0 0 埏； ( 2 ) 矿物掺合料替代水泥的量为3 0 、5 0 、7 0 ； ( 3 ) 制备后的低用水量大掺量高性能混凝土不离析、不泌水、分灰均匀； ( 4 ) 制备后的低用水量大掺量高性能混凝土的坍落度大于1 8 0 衄。 2 2 2 配合比计算 根据配合比的设计目标，确定单方混凝土中水及各种胶凝材料的用量，见表2 7 。 在已知用水量、胶结料用量、掺合料掺量百分比、砂率的情况下，根据体积法直接 计算配合比。 例如e 组配合比的计算过程： 已知：p 榍= 3 0 3 9 c 矗，p 枞获= 2 3 3 9 c 岔，肚灰= 2 1 1 ，p 糟= 2 8 8 ，p 碎石= 2 7 l c o ， 胁于= 2 6 4 9 c m 3 ，p 未- 1 0 0g l m 3 。已知单方混凝土胶凝材料各组分用量水泥= 2 0 0 k g ， 粉煤灰= 1 2 0l 【g ，硅灰= 2 0 k g ，矿渣= 6 0 k g ，水= 1 3 0 l ( g 。 1 3 低用水量大掺量矿物掺合律离性能混攀邑二匕的制备及性能研究 根据绝体积法得： 1 3 0 + 2 0 0 3 0 3 + 1 2 0 2 3 3 + 2 0 2 11 + 6 0 2 8 8 + o 4 0 m 2 6 4 + o 6 0 m 2 7 1 = 1 0 0 0 其中m 为骨料的总重量，o 4 0 m 为砂子的重量，0 6 0 m 为碎石的重量。 由上式求得m = 1 9 3 6 5 8 埏，即得砂子用量m 砂予= o 4 0 m = 7 7 4 6 3 k g ，碎石用量m 碎石 = o 6 0 m = 1 1 6 1 9 1 k g 。单方混凝土的理论配比见表2 - 7 。 表2 7 单方混凝土理论配合比 t a b l e2 - 7n l e o 硎c a lm i ) c t i 鹏舻。聊i o n so fc o n c 舭 2 3 混凝土的制备 实验设计目标要求混凝土坍落度大于1 8 0 n 皿，通过前期的实验，在保证制备的低用 水量大掺量高性能混凝土不离析、不泌水、分灰均匀前提下，添加胶凝材料总量4 的 减水剂，可以保证坍落度大于1 8 0 1 1 1 m 。图2 3 是制备现场，其实验用的搅拌机工作参数 为容量为6 0 l ；搅拌轴转速为4 5 r a d m 砘电动机功率为2 2 k w ，电源电压为3 8 0 v 。 搅拌制度为：参考日本冈村甫教授的高性能混凝土试配搅拌方法【3 s 】，将称量好的混 凝土组分分三次加入强力搅拌机中进行搅拌，其步骤如下： ( 1 ) 将水泥、细骨料和粉煤灰等矿物掺合料加入强力搅拌机，搅拌3 0 s ； ( 2 ) 将称量用水的8 0 加入强力搅拌机，搅拌9 0 s ； ( 3 ) 将称量用水所余的2 0 、减水剂以及粗骨料加入强力搅拌机，搅拌9 0 s ； ( 4 ) 停止搅拌，取出混凝土，待用。 测定坍落度：坍落流动度试验是按标准坍落度测定方法对混凝土流动性进行测定的 一种方法，试验仪器是坍落筒。记录坍落前后混凝土顶部的坍落值，即为此混凝土的坍 落度。如图2 4 所示。 1 4 低用水量大掺量矿物掺合料高性能混囊已t 的制备及性能研究 测定扩展度：与坍落度同时测定，记录坍落后混凝土底部的平均扩展直径，即为坍 落扩展度。如图2 5 所示。 图2 3 混凝土的制备现场 f 嘻2 - 3t h ec o n c l i e t em i ) 【i n gs c e n e 图2 _ 4 混凝土坍落度 f i g 2 - 4s l u m po fc o n c r e t e 图2 5 混凝土坍落扩展度 f i g 2 - 5s l u m pf l o wo fc o n c r e t e 1 5 广西大学硕士掌位论文低用水量大掺广物掺名嗥高佳期岱昆誊已匕的制鲁及性能研究 2 4 混凝土的工作性 在制备混凝土的时候有两条标准必须考虑： ( 1 ) 当混凝土尚处在塑性状态的短期要求，即工作性要求； ( 2 ) 对硬化混凝土的长期要求，例如强度、耐久性和体积稳定性等。 因为本研究中，所有影响混凝土工作性的因素中，只有矿物掺合料的种类与掺量是 变量，所以本章中重点分析在低用水量条件下，矿物掺合料种类与掺量对新拌混凝土的 工作性能的影响，本章所指的新拌混凝土的工作性，是在不泌水、不离析状态下，混凝 土的坍落度和扩展度。 2 4 1 粉煤灰对混凝土工作性的影响 粉煤灰掺量对混凝土工作性能的影响的结果如图2 6 所示。可以看出，在坍落度保 持基本不变的情况下，随着粉煤灰掺量的增加，新拌混凝土的扩展度随之增大，但是， 粉煤灰的掺量增加到7 0 时，与粉煤灰的替代量为5 0 的相比扩展度的增加量并不大。 影响新拌混凝土自身流动性能的条件主要有两个，一是固体颗粒之间的磨擦作用， 二是填充水的数量与固体颗粒空隙率的比值，即有效拌和水比。钱觉时【3 9 1 ，沈旦申m 】 都提到了粉煤灰的形貌效应，即粉煤灰颗粒具有球状特征。由于一级粉煤灰的粒径小， 在混凝土中可以起到分散和润滑的作用【4 l 】；球形颗粒还可起到滚珠作用，减少混凝土中 颗粒间的摩擦力【3 一，成了改善了影响新拌混凝土扩展度的第一个条件。而对于第二个条 件，粉煤灰对混凝土扩展度的影响有两个方面，一方面，粉煤灰的加入可以减少混凝土 中固体颗粒问的空隙，降低固体颗粒空隙率，提高有效拌和水比；但另一方面，由于所 使用的一级粉煤灰颗粒较水泥颗粒要细，所以比表面积的增大又会使混凝土中更多的拌 和水被固体颗粒表面所吸附，减少填充水，降低拌和水比。在本小节的实验中，在粉煤 灰的掺量为5 0 时，掺入粉煤灰对降低固体颗粒空隙率的效果比减少填充水的效果明 显，再加上其减少了混凝土中固体颗粒间的摩擦力，所以混凝土的工作性能有明显的提 高；而当粉煤灰的掺量为7 0 时，掺入粉煤灰对减少填充水的效果比降低固体颗粒空隙 率的效果明显，所以混凝土的工作性能没有进一步的明显的改善，这一结论与实验结果 是完全相符的。 1 6 广西大掌硕士掌位论文低用水量大掺量矿物掺名悻事高性能混掌巳二匕的制名r 及性能研究 暑 喜 昌 拿 最 拿 磊 c e m e n tr e p l a c e m e n tb yf l ya s h 图2 _ 6 粉煤灰掺量对新拌混凝土工作性的影响 f i g 2 - 6r e l 撕。璐h i pk 帆e 也ew d r l 汕i 1 姆o f 舶s hc o n c l e t e 锄d 玎ya s hc o m e i i l 2 4 2 不同矿物掺合料对混凝土工作性的影响 不同掺合料及其复合对混凝土工作性能的影响如图2 7 所示。 从图2 7 中比较c 组、d 组可以看出，在坍落度保持不变的情况下，以5 的硅灰代替 等质量粉煤灰后，新拌混凝土的扩展度增大；说明适当掺量的硅灰在高效减水剂共同作 用下，可以起到部分改善新拌混凝土工作性的作用。 硅灰的比表面积通常是水泥的1 0 2 0 倍，如此大的比表面积使得表面积需水量显著 地增加，这一作用超过了它的填充作用和润滑作用，最终结果使需水量增加，但这并不 意味着它没有了填充作用和润滑作用。而在掺加了高效减水剂后，表面作用得到改善， 使其表面作用与填充作用和润滑作用相当，当再提高高效减水剂的掺量，可以使硅灰的 表面作用得到进一步的改善，使得硅灰的填充作用和润滑作用远远超过表面作用。 从图2 7 中比较d 组、e 组可以看出，在坍落度保持不变的情况下，以1 5 的磨细矿 渣等质量代替粉煤灰后，新拌混凝土的坍落扩展度有所降低：比较e 组、f 组可以看出， 在坍落度保持不变的情况下，继续增加磨细矿渣的掺量，新拌混凝土的坍落扩展度继续 下降。这说明与粉煤灰和硅灰相比磨细矿渣对新拌混凝土的流动性贡献不大。分析原因 认为是，与粉煤灰特别是硅灰相比，磨细矿渣的颗粒较粗，所以磨细矿渣的保水性较差， 掺入磨细矿渣后较容易泌水，因水从浆体中泌出，另外，矿渣与所使用的减水剂相容性 不好，易消耗更多的减水剂，所以，浆体的稠增大度、流动性降低。从图2 5 中比较c 组、 1 7 广西大学硕士学位论文宜乙帛水量大掺量矿物掺合料离性能混凝土的制鲁及性能研究 d 组、e 组、f 组可以看出，在坍落度保持不变的情况下，矿物掺合料的取代水泥的总量 为5 0 7 0 时，新拌混凝土的坍落扩展度总体相差不大，说明c 组、d 组、e 组、f 组这 四个配比的新拌混凝土都能达到较好的工作性。 图2 7 矿物掺合料取代量对与坍落度、扩展度之间的影响 f i g 2 - 7l 沁l 撕嘶k 呐n 雠w o r 】螨脚o f 触s hc o n c 舭锄d m 证e r a la d m i 嫩u r ec o m e n t 2 5 小结 根据上述试验研究结果，可以得出以下结论： ( 1 ) 在混凝土中以粉煤灰、硅灰、磨细矿渣等量替代部分水泥，并与一定量的高 效减水剂双掺，均可配制出具有良好流动性能的低用水量大掺量矿物掺合料混凝土。 ( 2 ) 在坍落度保持基本不变的情况下，随着粉煤灰掺量的增加，新拌混凝土的扩 展度随之增大，粉煤灰的掺量增加到7 0 时，与粉煤灰的替代量为5 0 的相比扩展度的 增加量并不大。 ( 3 ) 掺加矿物掺合料的混凝土的工作性能明显优于不掺加矿物掺合料的普通混凝 土。 1 8 暑、口岳a仁=一a二j一 低用水量大掺量矿物掺台啼禾龠佳能混期匕匕的制备及性能研究 第三章l l m h p c 的力学性能 力学性能是混凝土应用于工程时最被关注的一点，混凝土的力学性能的优劣直接影 响着工程的质量。本章对低用水量大掺量矿物掺合料高性能混凝土抗压强度进行了测试 分析，在本章中以混凝土的抗压强度来表征力学性能。 3 1 试验仪器 在本章的工作中用到下列四种主要的仪器： ( 1 ) 压力试验机。如图3 1 所示，功能：测定混凝土不同龄期的抗压强度，主要指 标：主机升降速率为：5 m m m h 电机功率为3 7 0 w ，电源：3 8 0 v 、5 0 h z 。 ( 2 ) 压汞仪。如图3 2 所示，功能：测定混凝土的孔结构，主要指标：型号a u t o p o r e 9 5 0 0 ，测试压力最高为2 2 8 m p a ，测定孔隙范围为为5 6 0 0 0 0 0 1 1 m 。 ( 3 ) 热分析仪。差示扫描量热仪如图3 3 所示，功能：测定混凝土的c a ( o h ) 2 含量， 主要指标：法国s e t a r a m 公司产。热分析仪坩埚类型为氧化铝池，载气为高纯氮气( 纯 度9 9 9 9 9 ) ，吹扫气流量为5 0 m i 。m h 保护气流量为2 5 删l n l i n 。 3 2 试验方法 抗压强度测试：制备的混凝土试件，在j 3 0 3 7 1 9 9 6 标准养护室( 室温2 0 、相 对湿度9 9 ) 内养护。试件尺寸为1 5 0 衄x 1 5 0 衄1 5 0 她的混凝土的各龄期强度测试 按普通混凝土力学性能试验方法( g b j 8 l 一8 5 ) 的规定进行，分别测试7 d 、2 8 d 、9 1 d 的抗压强度。 混凝土孔结构分析：在到达龄期的试件上取水泥砂浆块，剪成5 m m 左右的小块，立 即用丙酮洗涤并浸泡2 4 h ，取出等丙酮充分挥发后，放入真空干燥箱中4 5 干燥7 d 。采 用a u t o p o r e 9 5 0 0 压汞仪对样品进行测试，对同一龄期试件分别测定3 次，取平均值 【4 2 】 o 氢氧化钙分析：按混凝土孔结构分析的方法准备样品，把样品磨细后，进行t g d s c 分析，测试温度为室温2 5 至1 0 0 0 ，在3 0 嘶0 0 温度范围内升温速率为5 m i n ，其 余升温速率为1 0 m i n 。 1 9 广西大掌硕士掌位论文低用水量大掺量矿物掺合料高性能混凝土的制备及性能研究 图3 1 压力机图3 2a u t o p o r e 9 5 0 0 压汞仪 f i g 3 1c o m p r e s s i v et e s t 啦m a c h i n e f i g 3 2a u t o p o r e 9 5 0 0m e r c u r y 幻s t n u n e n tp r e s s u r e 图3 3 差示扫描量热仪 f i g 3 3t g - d s c 2 0 翟乙帛水量大掺量矿物掺舌阿斗高性能混净邑二匕的制薯r 及性能研究 3 3 矿物掺合料对混凝土的力学性能的影响 3 3 1 粉煤灰对混凝土的力学性能的影响 粉煤灰掺量对混凝土抗压强度的影响见图3 4 。结果表明，混凝土的抗压强度随粉 煤灰掺量的增加而降低，特别是早期( 7 d ) 强度降低比较明显，纯水泥混凝土的抗压强 度在早期增长较快，其7 d 的抗压强度是2 8 d 抗压强度的8 5 9 。粉煤灰混凝土的早期增长 相对于纯水泥混凝土的来讲要慢，在粉煤灰掺量为3 0 ，5 0 和7 0 时，其7 d 抗压强度 分别为2 8 d 抗压强度的7 5 3 ，6 0 和6 0 。但是，纯水泥混凝土的抗压强度在后期( 2 8 d 以后) 的增长速率明显低于粉煤灰混凝土，其2 8 d 至9 l d 抗压强度增长速率为4 2 。粉煤 灰掺量为3 0 、5 0 、7 0 时，混凝土的9 1 d 抗压强度相对于2 8 d 抗压强度增长率为4 9 、 2 6 5 、7 8 2 ，另外，对于9 1 d 来说，掺加3 0 和5 0 粉煤灰的混凝土强度差别不大， 其后期强度的发展主要是因为粉煤灰中的活性成分与水泥水化生成的氢氧化钙反应，生 成水化硅酸钙和水化铝酸钙，不断填充混凝土的孔隙，使混凝土的强度进一步提高，这 与文献【4 3 j 的结果是一致的。 r 印l a m e mo f n y l 蝴 图3 _ 4 粉煤灰掺量与混凝土的抗压强度的关系 f i g 3 - 4r e l a t i o 邯h i pb e 帆n 啪p r 豁s i v es 呦g t ho fc c r 勖e 锄d m e n tr 印l a c e m e n tb yf i ya s h 3 3 2 复合矿物掺合料对混凝土的力学性能的影响 复合矿物掺合料对混凝土的力学性能的影响见图3 5 。比较c 组、d 组，可以看出以 2 1 厶-1甚叠p口衍o一曲2agou 啊u 嗣水量大掺量矿物掺名斗高性能混凄已t 的制畚及性能研究 5 的硅灰置换等质量的粉煤灰后，不论是混凝土的早期强度还是9 1 d 强度都明显的增 强，其7 d 、2 8 d 、9 1 d 的抗压强度增幅分别为1 6 2 2 、2 7 0 2 、1 3 8 8 ，可以看出硅灰和 粉煤灰这两种材料复合在早期( 7 d ) 即在混凝土中起到增进作用，从7 d 龄期开始到2 8 d 这段时间内，两种材料的增强作用开始得到较充分发挥，从2 8 d 龄期开始到9 1 d 这段时间， 尽管增幅较前一阶段有所下降，但相对于纯水泥混凝土的9 1 d 抗压强度较2 8 d 抗压强度的 增长率4 2 l 来说，仍保持着一个较高增长的态势，这种后期增强效应对混凝土的长期 性能十分有利，可以保证混凝土长期内维持较高的强度和耐久性，对于混凝土结构的安 全有重要意义。 比较c 组、d 组、e 组、f 组混凝土，可以看出e 组不论是早期强度还是9 1 d 强度比单 掺粉煤灰和粉煤灰和硅灰复掺