（材料学专业论文）水泥混合材品种和掺量对混凝土抗碳化性能影响的研究.pdf

co n c r e t e ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s 时 f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y j ix i x i a n s u p e r v i s e db vs u d e r v l s e db v p r o f e s s o r 晔ng a n g h u a s c h o o lo fm a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同t 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生躲奎毖逸魄。碰：乏：2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名擞导师签名： 日期：2 竺璺兰! 筮 摘要 摘要 g b l 7 5 - 2 0 0 7 通用硅酸盐水泥与1 9 9 9 标准相比，各品种水泥中的混合材掺量的限定 都有不同程度的放宽，这必然会对水泥下游产业预拌混凝土行业和水泥制品行业的产品 性能产生较大的影响，其中之一就是影响混凝土和水泥制品的碳化耐久性。 为了比较各品牌通用硅酸盐水泥抗碳化性能的差异以及判断水泥中混合材掺量范围，本 文通过在8 个品牌的通用硅酸盐水泥中外掺不同掺量和等级的粉煤灰和矿渣微粉，研究混合 材掺量对水泥密度、水泥胶砂保水率、气体渗透系数以及碳化性能的影响，同时进行了微观 机理分析。结果表明采用相同流动度法确定胶砂试件配合比，进行碳化试验，其混合材掺量 与碳化深度的相关性较好，从而为判断水泥中混合材掺量范围和水泥的抗碳化性能差异提供 初步的试验依据：同时相同流动度法可以比较各种品牌p 0 4 2 5 原状水泥的抗碳化性能的差 异，为混凝土企业选择水泥品牌提供依据。而采用相同水胶比法进行碳化试验，其混合材掺 量与碳化深度的相关性较差；采用密度差异法和保水率差异法，由于实验数据离散性较人， 也无法有效判断水泥中混合材掺量范围和水泥抗碳化性能高低。 微观机理分析表明：当水泥中混合材掺量叟5 时，孔结构的劣化和纽分的改变同时影 响水泥的抗碳化性能，当混合材掺量从2 5 哆扣3 0 时，对于水泥抗碳化性能来说，组分改变 的影响可能大于孔结构改变的影响；对同品种不同品牌的水泥来说，c h 含量和孔结构同时 影响着碳化速率，多数水泥水化的c h 含量越高， 1 0 0 m 的孔体积率越小，水泥的抗碳化 性能好。 抗碳化性能不同的p 0 4 2 5 水泥配制成混凝土后，混凝士的抗碳化性能也存在差异，研 究结果表明：对于c 3 0 混凝土，使用不同抗碳化性能的水泥配制的混凝十抗碳化性能差异 比较明显：对丁c 5 0 混凝士，使用不同抗碳化性能的水泥配制的混凝土抗碳化性能著异较 不明显。 在四点弯曲荷载作用时，在满足强度和耐久性的要求下，对于碳化性能不同的2 个品牌 p 0 4 2 5 水泥配制的c 3 0 和c 5 0 混凝土，抗碳化性能好的水泥配制混凝十所川的掺合料掺量 上限仍较高。该实验结果为商品混凝土企业和水泥制晶企业针对水泥抗碳化性能高低选择混 凝土中掺合料掺量提供了依据。 关键词：水泥；混凝士；混合材；碳化；掺合料上限 a b s t m c t a b s t r a c t c 伽叩a r e d 丽mt h es t a l m a mo fl9 9 9 ，m es t 锄d a r dg b17 5 - 2 0 0 7 l 0 0 0 彳) 都明显增大，碳化深度随之增大，即碳化速度加快。黄士元【3 、山东省建筑科学研究院收集 和分析了国内外人量现场实测和实验室快速试验的数据，分别建立了根据水灰比预测碳化深度 的数学模型。日本学者【3 3 】也有建立水灰比预测碳化深度的数学模型，该模型曾作为日本建筑学 会制定钢筋混凝十结构设计计算规范中保护层厚度设计依据之一。 混凝土抗压强度是混凝士最基本的性能指标，也是衡量混凝士品质的综合参数，它与混凝土 的水灰比有非常密切的关系，并在一定程度上反映了水泥品种、水泥用量与水泥强度、骨料品 种、外加剂、施：r 质量与养护方法等对混凝士品质的影响，据有关研究资料表明，混凝士强度高， 抗碳化能力强【3 4 1 。牛狄涛等利用近几年对旧建筑物检测积累的资料和国内外的有关资料，建 立了根据混凝士立方体抗压强度预测碳化深度的数学模型，碳化深度与抗压强度平方根的倒数 成止比。 ( 4 ) 荷载对混凝十碳化性能的影响 结构混凝土是在一定荷载下运行的，随服役时间的推移，混凝土构件的抗弯强度将逐渐下 降，因此荷载对混凝十的耐久性有很大的影响。宋晓翠【3 6 】等研究了荷载作用对混凝十碳化性能 6 将面 冈 从而 其碳化速率，比较水泥抗碳化性能对混凝土抗碳化性能的影响程度。 本项目的研究方案如下： ( 1 ) 选择南京地区常用的水泥( p 0 4 2 5 ) 成型胶砂试件，测试其碳化速率，找出这些水泥 中混合材品种和掺量对碳化速率的影响规律。 ( 2 ) 在上述水泥中适当加大混合材掺量，或复合某些不同矿物混合材( 南京地区常用的粉 煤灰和矿粉) ，测试其碳化规律。 ( 3 ) 使用不同抗碳化性能的水泥配制相同强度等级( c 3 0 和c 5 0 ) 的混凝十，测定水泥抗 碳化性能对混凝十碳化速率的影响。 ( 4 ) 选择抗碳化能力好和差的两种水泥，增大掺合料的掺量，配制相同强度等级( c 3 0 和c 5 0 ) 的混凝十，测定其碳化速率的差异并且根据掺合料掺量的增加对碳化速率的影响，在 达到1 ：作性能和强度以及碳化耐久性的要求下确定混凝土适宜的单掺和复掺上限。 7 东南大学硕士学位论文 第二章原材料和试验方法 2 1 试验原材料 2 1 1 水泥 p i i5 2 5 r 硅酸盐水泥1 个品牌，p 0 4 2 5 水泥7 个品牌；水泥中混合材掺量以及生产厂家 见表2 1 ，水泥物理力学性能以及c a o 含量、碱含量见表2 2 。 表2 1水泥中的混合材晶种、掺量以及生产厂家 表2 2p i i5 2 5 以及p 0 4 2 5 水泥物理力学性能 水泥种类 p i i5 2 5h l ph pp pt ps p w pz p 比表面积 3 9 93 4 93 5 23 5 13 7 33 8 0 3 6 93 7 7 ( m 2 l 唱) 凝结时间 初凝1 2 71 3 0 1 4 8 ( m i n ) 终凝 1 7 91 9 02 0 4 1 5 6 2 0 6 1 6 0 2 2 5 1 5 2 2 3 2 1 4 9 2 1 2 1 4 9 2 5 4 标准稠度 2 6 62 6 6 2 6 92 6 42 7 62 7 82 6 ，72 7 9 需水量( ) 安定性合格 合格合格合格合格合格合格合格 3 天强度抗折 6 65 55 75 35 45 25 45 - 3 ( m p a ) 抗压 3 4 7 2 6 42 7 22 5 72 6 82 7 o2 6 l2 3 8 2 8 天强度抗折 9 58 48 68 48 2 8 3 8 2 8 1 ( m p a ) 抗压 6 0 85 0 35 2 14 9 94 9 55 0 15 0 o4 8 2 c a o 含量( ) 6 3 4 35 8 4 5 5 4 6 l5 6 7 05 5 1 l5 7 1 65 7 2 75 5 0 9 碱含量( ) 0 5 40 6 4o 8 0o 7 0 o 5 9o 5 30 8 70 6 2 2 1 2 粉煤灰和矿渣微粉 ( 1 ) 粉煤灰：a 、i 级粉煤灰，南京华润板桥电厂提供，c a o 含量为2 o l ，碱含量为1 3 2 ； b 、i i 级粉煤灰，华能金陵电厂提供，c a o 含量为1 7 6 ，碱含量为1 2 8 ；两种粉煤灰技术指标 如表2 3 所示，各项指标均符合用于水泥和混凝士中的粉煤灰( g b 厂r1 5 9 6 2 0 0 5 ) 标准要求。 8 第二章原材料和试验方法 表2 3 粉煤灰的技术指标 蹩堡壅 塑鏖f 堑2缝叁量l 堑!鱼查奎f 堑!煎查量些l 堑! 璺垒l 丝! 适丝塑錾i 丝! i9 62 5 p p h p t p s p w p 。水泥 抗碳化性能不同的简单机理分析见3 7 节对不同p 0 4 2 5 水泥抗碳化性能的分析。不同水泥抗碳 化性能存在差异，主要与熟料质量、混合材品种和掺量等因素有关。 3 5 混合材掺量与碳化深度相关性分析 3 5 1 相同水胶比胶砂试件的混合材掺量与碳化深度的相关性分析 根据表3 3 表3 _ 4 实验结果，对碳化深度与混合材掺量进行线性同归，得到相应的回归方 程和相关系数，计算结果如表3 1 3 所示。从表3 1 3 中以及图3 1 l 可以看出，水胶比为0 5 时， 碳化深度与混合材掺量的相关系数较小，掺f a 和掺s 的相关系数分别为o 3 4 4 9 6 和0 0 6 6 9 2 ， 从而得知两者的相关性较差；水胶比为0 6 5 时，由于水胶比加大，1 4 d 碳化深度都已达2 0 m m ， 冈此对7 d 的碳化深度与混合材掺量进行线性回归，表3 1 3 中以及图3 1 2 显示碳化深度与混合 材掺量的相关系数也比较小，掺f a 和掺s 的相关系数分别为o 2 7 5 7 2 和o 2 9 2 7 2 。因此以上两 5 4 3 2 ， o 一)毯翳皋氍 ( a ) ( b ) 图3 - l l o 5 水胶比的胶砂试件混合材掺量与碳化深度的关系 ( ( a ) ：掺粉煤灰的胶砂试件；( b ) ：掺矿粉的胶砂试件) ( c ) ( d ) 图3 1 2 0 6 5 水胶比的胶砂试件混合材掺量与碳化深度的关系 ( ( c ) ：掺粉煤灰的胶砂试件；( d ) ：掺矿粉的胶砂试件) 鲞：! ：塑望尘鉴些竺望合材掺量与碳化深度关系的线性同门方科和相关系数 忑二二二二= 竺= ! ：三：兰 竺竺 一 h 归方程 相关系数 _ i = = 二二二二一 ：! ! 竺竺 仉5 a ( 掺f a ) y = 1 5 2 3 5 7 l + o 0 5 5 7 l 幸x一丽石一 水胶比 b ( 掺s ) y = 1 5 6 3 2 1 4 + 0 0 0 7 1 4 。x o 0 6 6 9 2 o 6 5 c ( 掺f a ) y = 1 6 6 9 6 4 3 + o 0 3 1 4 34x o 2 7 5 7 2 泛了气磊忑i = 慕烹麓笔= = = = = 三蔓邕挈地墼卫丛一 业2 2 2 3 5 2 相同流动度胶砂试件的混合材掺量与碳化深度丽磊要五历巧- 譬k 根据表3 - 5 实验结果，对p 5 2 5 水泥胶砂的2 8 d 的碳化深度与混合材掺量线性网归出相 应的同门方程和相关系数，计算结果见表3 1 4 和图3 1 3 。从表3 1 4 和图3 1 3 中可以看出，2 8 d 碳化深度与混合材掺量的相关系数比较大，相关系数分别为o 8 6 6 4 4 、0 8 9 7 2 2 ，从这些相关系 数可知两者相关性较好，从而能有效区分不同混合材掺量的水泥抗碳化性能的差异。 由】有2 3 个p 0 4 2 5 水泥胶砂试件在2 8 d 已达到2 0 i l l m 或者更高的碳化深度，因此以各 种水泥1 4 d 的碳化深度与混合材掺量作相关性图，如图3 1 3 图3 - 2 0 所示。从图3 1 3 图3 2 0 也可以看出，随着混合材掺量的增加，同等级不同品种的水泥的碳化深度有明显的规律性，碳 化深度数据波动性比较小，对1 4 d 的碳化深度与混合材掺量线性回归出相应的回归方程和相关 2 4 第三章水泥碳化性能的研究 系数，计算结果见表3 1 4 。从表3 1 4 中可以看出，这七种水泥的碳化深度与混合材掺量的相关 系数都比较大，除了t p 0 4 2 5 水泥( 掺s ) 和h l p 0 4 2 5 水泥( 掺s ) 这两组胶砂试件的碳化深 度与混合材掺量的相关系数分别为0 7 5 2 9 l 和o 7 9 8 0 2 ，其它均大于o 9 3 ，从而说明两者的相关 性较大，能够有效的区分不同混合材掺量的水泥的抗碳化性能的差异。 从表3 1 4 中各回归方程的相关系数可以看出，大多数方程的相关系数都大于o 9 5 ，可知混 合材掺量与碳化深度有显著的线性关系，从而可以证明相同流动度的方法可以有效的区分不同 混合材掺量水泥的抗碳化性能的差异。 1 6 1 5 一 f 型i ， 鞋 藿- ： l i 5l o1 52 02 ，o 混合材掺量( ) ( a )( b ) 图3 1 3p i i5 2 5 水泥胶砂试件混合材掺量与碳化深度的关系( 2 8 d ) ( ( a ) ：掺粉煤灰的胶砂试件；( b ) ：掺矿粉的胶砂试件) l v 型 姥 篁 誓 “坫1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 驾川3 2l 1 6 博2 02 22 2 62 s3 03 2 混合村掺量( )混合村挎鼋( ) ( c ) ( d ) 图3 1 4p p o 4 2 5 水泥胶砂试件混合材掺量与碳化深度的关系 ( ( c ) ：掺粉煤灰的胶砂试件；( d ) ：掺矿粉的胶砂试件) t o1 21 4 1 61 8 2 22 42 6 矗加强 混合村掺量( ) i o1 21 41 6l s2 02 2 “拍勰3 0 ，2 混台材掺量( j ) ( e )( f ) 图3 1 5h p 。0 4 2 5 水泥胶砂试件混合材掺量与碳化深度的关系 ( ( e ) ：掺粉煤灰的胶砂试件；( f ) ：掺矿粉的胶砂试件) 如 柚 ” iu)避班簟崔 图3 - 1 7h l p 0 4 2 5 水泥胶砂试件混合材掺量与碳化深度的关系 ( ( i ) ：掺粉煤灰的胶砂试件；( j ) ：掺矿粉的胶砂试件) 1 2i 坫1 82 02 22 42 62 s 加3 2 混合材掺量( ) ( k ) 1 2 1 4 m1 82 02 22 42 62 83 03 2 混合材掺量( ) 图3 - 1 8w p 0 4 2 5 水泥胶砂试件混合材掺量与碳化深度的关系 ( ( k ) ：掺粉煤灰的胶砂试件；( 1 ) ：掺矿粉的胶砂试件) 第三章水泥碳化性能的研究 i 一 憾 殛 掣 誉 1 2 “1 61 82 02 22 42 62 83 0 褫合材挎量) ( m ) i 、， 憾 殛 宰 崔 2 1 61 82 02 22 42 6 嚣加弛 混合村掺量( ) ( n ) 图3 1 9s p 0 4 2 5 水泥胶砂试件混合材掺量与碳化深度的关系 ( ( m ) ：掺粉煤灰的胶砂试件；( n ) ：掺矿粉的胶砂试件 1 3 5 1 3 o j1 2 5 越 璇1 2 o 舔l l j 2 2 “2 52 62 7 嚣2 9 蛐3 混台材掺量( ) ( o ) l 、一 世 鞋 篁 藿 2 2 2 ”拍”憩嚣3 03 l 混合材掺量( ) 图3 2 0z p 0 4 2 5 水泥胶砂试件混合材掺量与碳化深度的关系 ( ( o ) ：掺粉煤灰的胶砂试件；( p ) ：掺矿粉的胶砂试件) 表3 1 4 各种水泥胶砂试件的混合材掺量与碳化深度关系的线性【亓1 归方程、相关系数 组别 回归方程相关系数 p 1 1 5 2 5 p p 。0 4 2 5 h p 。0 4 2 5 t p 0 4 2 5 h l p 0 4 2 5 、v p 。0 4 2 5 s p 。0 4 2 5 a ( 掺f a ) b ( 掺s ) c ( 掺f a ) d ( 掺s ) e ( 掺f a ) f ( 掺s ) 譬( 掺f a ) h ( 掺s ) i ( 掺f a ) j ( 掺s ) k ( 掺f a ) i ( 掺s ) m ( 掺f a ) n ( 掺s ) y = l o 0 5 + 0 1 5 x y = l o 0 2 1 4 3 + o 1 6 1 4 3x y = 1 1 0 7 9 0 l + 0 1 3 4 9 9 $ x y = l o 9 3 3 8 6 + o 1 4 3 5 7 x y = 1 2 4 9 3 0 7 + o 0 9 8 0 2 x y = 1 1 8 3 2 8 i + o 1 3 1 8 2 x y = 8 9 3 卜o 2 8 24 x y = 1 1 1 2 + o 0 8 8o x y = 1 2 5 4 5 7 l + o 0 7 3 1 4 x y = 1 2 5 5 1 4 3 + 0 0 4 2 2 9 x y = 1 4 6 3 0 7 + o 0 4 7 4 7ox y = 1 4 6 8 l o l + o 0 4 1 7 7 x y = 6 7 5 6 3 l + o 4 6 0 3 9 0x y = 7 9 5 3 l l + o 3 8 1 8 84x o 8 6 6 4 4 o 8 9 7 2 2 o 9 8 2 6 4 o 9 5 5 5 5 0 9 6 3 9 7 o 9 7 3 6 5 o 9 3 3 4 9 o 7 9 8 0 2 o 9 7 9 4 1 o 7 5 2 9 l o 9 8 4 2 5 o 9 5 8 6 4 0 9 3 2 0 7 o 9 9 6 5 2 z p 0 4 2 5o ( 掺r )y = 3 7 6 6 6 7 + o 3 2 6 9 2 。xo 9 8 1 1 5 pl 趁苎2 y 三z ：2 垒丝z q ：1 2 堑：蚤垒2 21 墨z 3 6 水泥胶砂气体渗透性的研究 水泥的水化产物对c 0 2 有吸收和缓冲能力，在该能力丧失之前，碳化反应不断进行：缓冲 序( z p h l p s p p p h p t p w p ) 相同，除了h p 水泥。从而可知，气体渗透系数越人，c 0 2 气体在胶砂中的渗透能力越快，碳化速率越火，水泥的抗碳化性能比较差。 表3 - 1 5 不同混合材掺量的p i l 5 2 5 水泥胶砂以及7 种p o 4 2 5 水泥胶砂试件的气体渗透系数 组别 气体渗透系数lo - 1 6m 2组别 气体渗透系数，l o 舶m 2 图3 - 2 l混合材掺量与气体渗透性的 图3 2 27 种p 0 4 2 5 水泥胶砂的气体渗透系数 关系曲线图 2 8 胛乃硒吡朋慨硼一 眦e；四阡耶什肿一 o 7 o 8 o 7 o 一 5 5 5 8 8 _ 8 2 2 o 5 3 3 一 t z z i i i 王一 b啪瞵啪渤泌吾|一 u h u h u h 一 s 6 4 2 o s 6 4 2 譬=o一)赫；呈蝌霉簟圹 第三章水泥碳化性能的研究 3 7 微观机理分析 影响碳化性能的两个主要因素是c h 含量以及密实度( 孔结构) ，冈此利用胶砂未碳化前 c h 含量分析和孔结构分析对不同混合材掺量的水泥胶砂以及同品种不同品牌水泥胶砂碳化前 的c h 含量以及孔径分布进行分析来说明其抗碳化性能的差异。 3 7 1混合材掺量对水泥胶砂碳化速率的影响机理 3 7 1 1 胶砂未碳化前c h 含量分析 通过前面的试验研究可知随着混合材掺量的增加，碳化深度增加：同品种不同品牌的水泥 碳化深度也不同。以下是对不同混合材掺量的p i i5 2 5 水泥胶砂和7 种