（材料学专业论文）矿渣微粉颗粒群特征图像分析方法及其特性神经网络模型.pdf

摘要实验研究和工程经验业已表明：矿物外加剂是配制高强、高性能混凝土不可缺失的第六组分，也是配制高性能混凝土成套技术的关键环节，应用矿物外加剂具有较高的社会效益和经济效益。开发矿物外加剂应从原料的选择、粉体的研磨和其激发剂的开发等技术方面来解决问题。本课题从矿物外加剂的研磨角度，运用先进的图像分析仪研究粉体颗粒群特征，并建立矿渣微粉颗粒群特征与其宏观物理性能之间映射关系的模型，同时为其它矿物外加剂的研究创立一套较完整地分析方法和建模思路。本课题的三大关键是磨细粉体颗粒群特征的测试方法、特征参数的选取和模型的建立。本课题主要工作是采用图像分析方法对粉体颗粒群特征表征方法进行分析研究；然后运用灰色关联分析方法对矿渣微粉颗粒群特征与其宏观特性进行关联分析，同时对矿渣微粉颗粒群特征参数作出优选；在前面的研究结果基础上，建立矿渣微粉颗粒群特征与其宏观特性关系的人工神经元网络模型。通过本课题的研究，论证了图像分析方法可对粉体颗粒群特征进行分析的可靠性和可行性，并对此制订了一套操作规程；灰色关联分析方法也被证明是一种较好地分析系统因子( 矿渣微粉宏观特性) 和其影响因素( 矿渣微粉颗粒群特征) 关系的分析方法，通过灰色关联分析优选出的矿渣微粉颗粒群特征参数来建立与其宏观特性关系的人工神经网络模型。该模型的输出特性值与实测值有很小的相对误差，因此通过该模型可以对矿渣微粉颗粒群的宏观特性值进行预测。整套分析方法和手段具有普适性，可以用于除矿渣微粉以外的其它矿物外加剂。关键词：矿渣微粉、颗粒群特征参数、图像分析法、灰色关联分析法、人工神经网络模型i i ia b s t r a c tr e s e a r c h e si nl a ba n de x p e r i e n c e sf r o mp r a c t i c e sh a v ei n d i c a t e d ：m i n e r a la d m i x t u r eh a sc o m et ob et h ee s s e n t i a ls i x t hi n g r e d i e n to fh i g hs t r e n g t hc o n c r e t eo a s c ) a n dh i 曲p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ( h p c ) ，a n di th a sa l s ob e e nt h ek e yp o 妇t oc o m p l e t et e c h n i q u e so fm i x i n gh p c t h ea p p l i c a t i o no fm i n e r a la d m i x t u r eh a sa c h i e v e dh i g hs o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i 坞t od e v e l o pm i n e r a la d m i x t u r en e e ds o l v et h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ：t h ec h o i c eo fr a wm a t e r i a l s ，g r i n d i n go fp o w d e rb o d ya n dt h ed e v e l o p m e n to fe x c i t a n ta g e n t s i nt h i st h e s i s ，c h a r a c t e r i s t i co fp a r t i c l eg r o u p so fp o w d e rb o d yi ss t u d i e db ym e a 1 so ft h ea d v a n c e di m a g ea n a l y z e rf r o mt h ev i e w p o i n to ft h eg r i n d i n go fm i n e r a la d m i x t u r e ，a n dam o d e lo ft h em a p p i n gr e l a t i o nb e t w e e nc h a r a c t e r i s t i co fp a r t i c l eg r o u p sa n dm a c r o s c o p i cp e r f o r m a n c eo fp u l v e r i z e ds l a gi sb u i l t b a s e do nt h e s e ，ac o m p l e t ea n a l y t i c a lm e t h o da n dm o d e l i n gi d e a li sg i v e nf o rt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fo t h e rm i n e r a la d m i x t u r e s t h e r ea r et h r e ek e yp r o b l e m si nt h i st h e s i s ：m e a s u r e m e n tm e t h o d sf o rc h a r a c t e r i s t i co fp a r t i c l eg r o u p so fp u l v e r i z e dp o w d e rb o d y ，t h ec h o i c eo fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，a n dt h ee s t a b l i s h m e n to fm o d e l t h em a i nw o r k so ft h i st h e s i si n c l u d e ：a n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h ec h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o do fc h a r a c t e r i s t i co fp a r t i c l eg r o u p so fp o w d e rb o d yb ym e a n so ft h ei m a g ea n a l y s i sa p p r o a c h , t h ec o r r e l a t i o na n a l y s i sb e t w e e nc h a r a c t e r i s t i co fp a r t i c l eg r o u p sa n dm a c r o - m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fp u l v e r i z e ds l a gb ym e a l l so ft h eg r e ys y s t e mm e t h o d ，c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no fp a r t i c l eg r o u p so fp u l v e r i z e ds l a g ，a n de s t a b l i s h i n ga na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( 籼m o d e lt oi n d i c a t et h em a p p i n gr e l a t i o no fc h a r a c t e r i s t i co fp a r t i c l eg r o u p sa n dm a c r o s c o p i cp e r f o r m a n c eo fp u l v e r i z e ds l a g t l l i ss t u d yp r o v e st h er e l i a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h ei m a g ea n a l y s i sm e t h o df o rc h a r a c t e r i s t i co fp a r t i c l eg r o u p s t h e nac o m p l e t eo p e r a t i n gi n s t r u c t i o ni sm a d ef o rt h i s g r e ys y s t e mm e t h o di sa l s op r o v e dag o o da n a l y s i sm e t h o df o rt h er e l a t i o nb e t w e e ns y s t e mf a c t o r( m a c r o s c o p i cp e r f o r m a n c eo fp u l v e r i z e ds l a g ) a n di t si n f l u e n c ef a c t o r s ( c h a r a c t e r i s t i co fp a r t i c l eg r o u p so fp u l v e r i z e ds l a g ) 1 1 1 eo p t i m i z e dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fp a r t i c l eg r o u p so fp u l v e r i z e ds l a gb yg r e ys y s t e mm e t h o dc a l lb eu s e dt oe s t a b l i s ht h ea n nm o d e lo ft h em a p p i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h e s ep a r a m e t e r sa n dm a c r o s c o p i cp e r f o r m a n c e n l er e l a t i v ee r r o rb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c eo u t p u tv a l u eo ft h ea n nm o d e la n dm e a s u r e dv a l u ei sq u i t el i t t l e ，s ot h em o d e lc a l ib eu s e dt op r e d i c tt h em a c r o s c o p i cp e r f o r m a n c eo fp a r t i c l eg r o u p so fp u l v e r i z e ds l a gw h e nt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa r eg i v e n n 圮c o m p l e t ea n a l y s i sm e t h o d sa n dm e a n sa r eu n i v e r s a l ，w h i c hm a k e si tf e a s i b l ef o ro t h e rm i n e r a la d m i x t u r e s k e y w o r d ：s l a g , c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fp a r t i c l eg r o u p s ，i m a g ea n a l y s i sm e t l l o d ，g r e ys y s t e mm e t h o d ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e li v第一章绪论1 1 有关矿物外加剂( m i n e r a l a d m i x t u r e ，简写m a ) 的定义高强高性能混凝土( 口c ) 用矿物外加剂是指i ，在混凝土搅拌过程中加入的、具有一定细度和活性的用于改善新拌和硬化混凝土性能( 特别是混凝土耐久性) 的某些矿物类产品。当前广泛使用的矿物外加剂有磨细矿渣( s ) 、磨细粉煤灰( f ) 、磨细天然沸石( z ) 、硅灰( s f ) 及其复合物。粒化高炉矿渣是炼铁高炉捧出的熔渣，经水淬而成的粒状矿渣：磨细矿渣是粒状高炉矿渣经干燥、粉磨等工艺达到规定细度的产品。粉磨时可添加适量的石膏和水泥粉磨用工艺外加剂；粉煤灰是用燃煤炉发电的电厂排放出的烟道灰；磨细粉煤灰是干燥的粉煤灰经粉磨达到规定细度的产品。粉磨时也可添加适量的水泥粉磨用工艺外加剂；天然沸石岩是指火山喷发形成的玻璃体在长期的碱溶液条件下二次成矿所形成的以沸石类矿物为主的岩石；磨细天然沸石是以一定品位纯度的天然沸石为原料，经粉磨至规定细度的产品。粉磨时可添加适量的水泥粉磨用工艺外加剂：硅灰是在冶炼硅铁合金或工业硅时，通过烟道排出的硅蒸气氧化后，经收尘器收集得到的以无定形二氧化硅为主要成分的产品；复合矿物外加剂是由两种或两种以上矿物外加剂复合而成的产品。现针对这几种矿物掺加剂的研究状况及性能进行具体的介绍。1 2 国内外有关矿物外加剂的研究状况1 2 1 矿渣矿渣是炼铁过程中排出的工业废料，其主要化学成分是s i 0 2 、a 1 2 0 3 、c a o 、m g o 等，目前符合混凝土和砂浆用粒化高炉矿渣微粉d b 31 t 3 5 规定的矿渣微粉各规格产品的技术要求规定列于表1 1 ：表1 - 1矿渣微粉技术要求经水淬急冷后的矿渣，其中玻璃体含量多，结构处在高能量状态不稳定、潜在活性大、但须磨细才能使潜在活性发挥出来，矿渣水泥生产过程中由于矿渣较硬，细度不够，所以矿渣水泥早期强度偏低。粉磨矿渣是提高其活性极为有效的技术措施，目前对其活性的有效利用基本是通过细磨( 6 0 0 0 8 0 0 0c m 2 g ) 乃至超细磨( 8 0 0 0 - - 1 2 0 0 0c m 2 g ) 获得的。一、矿渣微粉混凝土性畿特征简介混凝土技术进步的重要标志就是要对普通混凝土无论是在新拌状态还是硬化后的性能有较大的改善和提高。矿渣微粉作为混凝土的活性矿物掺合料并等量取代水泥所配制的矿渣微粉混凝土，经过大量地试验研究，反映出它对混凝土性能的改进和提高具有显著的作用。因此，在国际上被认为是新世纪结构材料的高性能混凝土将矿渣微粉作为其主要组分之一。根据笔者所见的一些国内的试验研究资料将有关矿渣微粉混凝土的性能特征简介如下f 3 i ：l 、新拌混凝土性能( 1 ) 矿渣微粉混凝土的初凝与终凝时间比普通混凝土有所延缓，但幅度不大。( 2 ) 在掺用同样的减水剂和同样的混凝土配合比的情况下，矿渣微粉混凝土的坍落度得到明显的提高，且坍落度经时损失也得到有效的缓解。流动性的改善是由于矿渣微粉的存2在延缓了水泥水化初期水化产物的相互搭接。还由于c 小矿物相的含量有所降低而与减水剂有更好的相容性。而且在达到相当细度的矿渣微粉也能具有一定的减水作用。( 3 ) 矿渣微粉混凝土具有良好的粘聚性，因而显著地改善了混凝土的泌水性2 、硬化混凝土性能( 1 ) 强度发展规律在相同的混凝土配合比、强度等级与自然养护的条件下，矿渣微粉混凝土的早期强度比普通混凝土略低，但2 8 d 以及9 0 d 与1 8 0 d 的强度增长显著地高于普通混凝土( 2 ) 耐久性由于矿渣微粉混凝土的浆体结构较致密，且矿渣微粉能吸收水泥水化生成的c a ( o h ) 2晶体而改善了混凝土的界面结构。因此，矿渣微粉混凝土的抗渗性显著地优于不掺矿渣微粉的普通混凝土，对一系列混凝土耐久性带来了有利的影响。由于矿渣微粉混凝土的高抗渗性，而且矿渣微粉还具有较强的吸附c l 的能力，因此能有效地阻止c l 。渗透或扩散进入混凝土，提高混凝土抗c l 渗透能力，使矿渣微粉混凝土比普通混凝土在有c l 。环境中十分显著地提高了护筋性。混凝土的抗硫酸盐侵蚀主要取决于混凝土的抗渗性和水泥胶凝材料中c 弧矿物相含量和碱度，而矿渣微粉混凝土材料中的c 弧矿物相与碱度均较低，且又具有高抗渗性。因此，矿渣微粉混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能显著地得到了提高。试验表明，在浓度为1 0 的n a 2 s 0 4溶液中浸泡3 0 d 后，强度没有丝毫降低。由于矿渣微粉混凝土的密实性提高了，因此，在同样混凝土配合比与强度等级的情况下，矿渣微粉混凝土的抗冻性也优于普通混凝土。矿渣微粉混凝土的抗碳化性能：在矿渣微粉替代水泥的置换量低于5 0 时，其碳化性能不低于普通混凝土。由于矿渣微粉混凝土中的碱含量明显降低了。因此，对预防和抑制混凝土的碱集料反应是十分有利的。3 、混凝土硬化过程中的热学性能对于大体积混凝土而言，要求混凝土的水化热低，并希望推迟水化熟峰值的出现时间，以协调温度应力与混凝土的初始结构强度，不至于出现温差产生的裂缝。矿渣微粉混凝土中的水泥用量比普通混凝降低了，因此，混凝土硬化过程的热学性能得到了显著的改善。二、矿渣微粉作用机理浅析1 3 l3矿渣微粉用作水泥的混合材，或混凝土的掺合料均能改善或提高混凝土的综合性能，其作用机理在于矿渣微粉在混凝土中具有微集料效应和微晶核效应，而且改善了混凝土界面区的结构并减少了水泥初期水化产物的相互搭接。l 、微集料效应混凝土可视为连续级配的颗粒堆积体系，粗集料的间隙由细集料填充，细集料的间隙由水泥颗粒填充，而水泥颗粒之间的间隙则需要更细的颗粒来填充。矿渣微粉的细度比水泥颗粒细，在混凝土中起到了更细颗粒的作用，因而改善了混凝土的孔结构，降低了孔隙率并减小了最可几孔径的尺寸，使混凝土形成了密实充填结构和细观层次的自紧密堆积体系。从而有效地改善并提高了混凝土的综合性能，使混凝土不仅具有较好的物理性能还提高了耐久性的某些性能。2 、微晶核效应虽然矿渣微粉的胶凝性与硅酸盐水泥相比是较弱的，但它能为水泥水化体系起到微晶核效应的作用，能加速水泥水化反应的进程并为水化产物提供了充裕的空间，改善了水泥水化产物分布的均匀性，使水泥石结构比较致密，从而使混凝土具有较好的物理性能。3 、改善了混凝土中水泥浆体与集料间的界面结构，混凝土中水泥浆体与集料间的界面区由于富集了c o h h 晶体而成为混凝土性能的薄弱环节。矿渣微粉掺入混凝土中能吸收部分c a ( o h h 产生二次水化反应，从而改善了界面区c o h h 的取向度，降低了c a ( o h h 的含量，还减小了c a ( o h ) 2 晶体的尺寸。不仅有利于混凝物理性能的提高，对某些耐久性也能得到改善。4 、减少了水泥初期水化产物的相互搭接在水泥水化初期，矿渣微粉分布并包裹在水泥颗粒的表面，起到了延缓和减少水泥初期水化产物相互搭接的隔离作用。因此也具有一些减水作用而增大混凝土的坍落度，并且使坍落度经时损失也有所改善。矿渣微粉还具有定的保水性，能改善混凝土的粘聚性和泌水性。因此，矿渣微粉混凝土具有良好的和易性。三、矿渣微粉在混凝土制品的生产的应用现状与发展水泥工业是消耗能源大而且对环境污染严重的工业。因此，如何在混凝土工程和混凝土制品生产中，在保证、改善、提高混凝土的质量和性能的前提下，减少水泥用量是混凝土科技工作者当前的一个重要任务。高炉矿渣是钢铁工业生产中的一项废渣，经过磨细到适当细度作为混凝土的掺合料等量取代水泥能配制出性能良好、质量稳定的混凝土，国内已有研究、生产与应用的实践经验，不仅具有良好的技术效果，而且也取得了良好的经济效益。目前市4场供应的商品矿渣微粉的价格已大幅度低于水泥的价格。生产矿渣微粉的企业仅上海就有数家，年产矿渣微粉己达数十万吨。近年来，我国一些大城市的建筑工程应用矿渣微粉混凝土已在逐步展开，而且还在不断扩大，发展前景十分良好。但是，在混凝土制品的生产上却还处于待开发的状态。其实，矿渣微粉作为混凝土掺合料在混凝土制品上的应用可能是更为适当的。因为混凝土制品在生产中一般都有蒸汽养护工艺过程。众所周知，在我国生产的水泥品种中，都认为矿渣硅酸盐水泥对蒸汽养护有更好的适应性，不仅促进了混凝土的早期强度，还提高了混凝土的后期强度。矿渣微粉掺入混凝土中，经过蒸汽养护后的效果应该比矿渣硅酸盐水泥更好。目前所见到的有关矿渣微粉混凝土的技术资料，因其用途是建筑工程，所以都局限在自然养护的条件。希望在蒸汽养护条件下对矿渣微粉混凝土开展系统、全面的试验研究工作，取得在混凝土制品生产应用中所需要的性能资料，使矿渣微粉混凝土能在混凝土制品生产中得到开发应用，从而取得良好的社会、经济、技术效益。1 2 2 粉煤灰一、粉煤灰简介粉煤灰的主要化学成分是s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、f e o 等，它们主要占8 0 以上。其它成分有c a o 、m g o 、s 0 2 、n a 2 0 、k ：o 等。按照c a o 含量的高低，把粉煤灰分为高钙灰和低钙灰两种，低钙灰中c a o 的含量一般在1 0 以下，我国的粉煤灰多数属低钙灰。在上述化学成分中，s i 0 2 、a 1 2 0 3 对粉煤灰的活性影响最大，它们的含量越高，粉煤灰活性越好。烧失量是影响粉煤灰活性的另一个重要因素。烧失量大，粉煤灰活性差，因为炭多、颗粒大、需水量多且易在空气中氧化，制品耐久性差。粉煤灰的活性取决于矿物组成，一般说来，玻璃体含量高，化学活性越好。因为粉煤灰所含铝硅玻璃体具有潜在的活性，而在高温下慢冷的结晶矿物是惰性的，在常温下不活泼。粉煤灰的颗粒形貌对其物理和化学性质影响很大。粉煤灰中的颗粒常有球状、海棉渣状、钝角租大状、碎屑、粘聚体等。密实的球状颗粒越多，粉煤灰的玻璃体含量高，需水量小，物理指标好，化学活性高。二、粉煤灰的资源化应用机理探讨n 甜。n 叼一般认为粉煤灰能产生三种基本效应：( 1 ) 形态效应粉煤灰的主要矿物组成是铝硅酸盐玻璃微珠，表面光滑，颗粒细，质地致密，内比表面积小，对水的吸附力小，流动性好，在浆体中起到了“滚珠轴承”作用。5( 2 ) 活性效应粉煤灰的活性效应也称为火山灰效应。粉煤灰的火山灰反应滞后于水泥熟料的水化。其滞后反应的二次产物填充于水泥水化韧的孔隙中，大大降低了水泥粉煤灰浆体的孔隙率，导致孔径微细化和粒径细小化，显著地改善了硬化体的的孔结构和界面特性。( 3 ) 微集料填充效应粉煤灰中的微细颗粒均匀分布于水泥浆体的基相之中，阻止了水泥颗粒的相互粘聚，起到了类似减水剂的分散润滑作用，使水泥浆的絮凝结构被打破，有助于新拌浆体和硬化体均匀性的改善，有利于混合物的水化反应。同时细小的粉煤灰填充于浆体的毛纫孔隙中，一方面使孔隙率降低，结构密实；另一方面使自由水增多，浆体的可塑性提高。当前，粉煤灰的利用引起世界各国的关注。一些发达国家都把粉煤灰的再利用放在重要地位，成立了专门研究机构，如美国的全美利用粉煤灰协会、英国的国家工业废渣综合利用协会等。这些国家都将粉煤灰列为一种新的资源进行重点开发，因而其利用率大大提高，用途从过去的筑路、填方等低级用途发展为生产新型建材等高级用途。我国利用粉煤灰目前已经十分普遍，主要仍在筑路、填方、粉煤灰墙体材料、水泥混凝土混合材等方面。但总的来说粉煤灰利用率偏低，粉煤灰产品质量较差，主要因为我国的粉煤灰含碳量偏高、成分波动大、质量不稳定等方面。因而充分地利用粉煤灰资源，提高粉煤灰产品质量，必需对粉煤灰进行深入地研究和开发。针对前面粉煤灰的组成特点、物理化学性质与作用，依据材料设计原理，通过增钙、增硅、碱激发、磨细等手段对粉煤灰进行改性处理，能改善其化学成分搭配、优化颗粒级配、激发潜在活性，从而提高它的形态效应、活性效应与微集料填充效应三大作用，进而在商品混凝土中得到大掺量应用，生产出工作性能优异、强度满足要求、耐久性极大提高的优质商品混凝土。1 2 3 硅灰一、硅灰简介硅灰颜色在浅灰色与深灰色之间，密度2 2p d c m 3 左右，比水泥( 3 1g f c m 3 ) 要轻，与粉煤灰相似，堆积密度一般在2 0 0 - - - 3 5 0t , g c m 3 。硅灰颗粒非常微小，大多数颗粒的粒径小于1p1 1 1 ，平均粒径0 1um 左右，仅是水泥颗粒直径的1 1 0 0 。硅灰比表面积介于1 5 0 0 0 2 5 0 0 0m 2 l 唱( 采用氯吸附法即b e t 法测定) 。硅灰物理性质，决定了硅灰的微小颗粒具有高度的分散性，可以充分地填充在水化水泥颗粒之间，提高浆体硬化后的密实度。6硅灰的主要化学成分为非晶态的无定型氧化硅( s i 0 2 ) ，般占9 0 以上。高细度的无定型s i 0 2 具有较高的火山灰活性，即在水泥水化产物氢氧化钙( c h ) 的碱性激发下能迅速与c h反应，生成水化硅酸钙凝胶( c s h ) ，提高混凝土强度改善混凝土性能。二、硅灰对h p c 强度的作用机理n 町l 、填充效应混凝土在拌制合物时，为了获得施工要求的流动性，常需要多加一些水( 超过水泥水化所需水量) ，这些多加的水不仅使水泥浆变稀，胶结力减弱，而且多余的水分残留在混凝土中形成水泡或水道，随混凝土硬化而蒸发后便留下孔隙。从而减少混凝土实际受力面积而且在混凝土受力时，易在孔隙周围产生应力集中。在混凝土中，内部泌水受骨料颗粒的阻挡而聚集在骨料下面形成多孔界面。在骨料界面过滤区形成的氢氧化钙( c h ) 要多于其它区域。c h 晶体生长较大并有平行于骨料表面的较强取向性。平行于骨料表面的大c h 晶体较易开裂，比水化硅酸钙凝胶( c s h ) 薄弱。水泥浆与骨料之间的界面过滤区由于多孔和有许多定向排列的大c h 晶体，而成为混凝土内部的强度薄弱区。h p c 中由于掺入一定量的硅灰，其强度与普通混凝土相比，有明显改善。有学者曾计算：以1 5 的硅灰取代水泥，则在水泥颗粒数量与硅灰颗粒数量的比例为1 ：2 0 0 0 0 0 0 ，g p - - 百万个硅灰对一个水泥颗粒，因此硅灰对h p c 强度有很大影响。在h p c 中小于水泥颗粒直径1 0 0 倍的硅灰，填充于水泥浆体的孔隙间，填充于水泥颗粒的空隙间，其效果如同水泥颗粒填充在骨料空隙之间和细骨料填充在粗骨料空隙之间一样，从微观尺度上增加f i p c 的密实度，提高了h p c 的强度，这就是硅灰的“填充效应”。在h p c 中，填充于水泥浆体中的硅灰使水泥浆体孔的数量明显减少，匀质性提高，而总空隙率基本保持不变。水泥浆与骨料界面过渡区的硅灰，降低了h p c 的泌水，防止水分在骨料下面聚集，使骨料界面过渡区与水泥净浆的显微结构相似，从而提高了界面过滤区的密实度和有效减小界面过渡区的厚度。微小硅灰颗粒成为c h 的“品种”，使c h 晶体的尺寸更小，取向更随机。因此，硅灰的掺入提高了i - p c 中水泥净浆与骨料的粘结强度，消除了混凝土中不同复合组分的“弱连接”问题，使h p c 具有复合材料的特性。骨料颗粒在h p c 中起着增强作用，而不仅仅是惰性的填充物。硅灰对水泥净浆( 无骨料) 的强度提高影响不是很大。但却能使相同水胶比的混凝土的强度明显高于其基体( 净浆) 的强度。72 、火山灰效应在硅酸盐水泥水化过程中，水泥水化反应生成水化硅钙凝胶( c s h ) 、氢氧化钙( c h )和钙矾石等水化产物。其中c h 对强度有不利影响。硅灰高度分散的s i 0 2 组分能与c h 反应生成c s h 凝胶即所谓火山灰效应：c a ( o h ) 2 十s i 0 2 十h 2 0 _ c - s h许多研究表明：在有硅灰存在的情况下，水泥水化早期的水化产物中有大量c h ，随着龄期的延长，c h 的量越来越少，甚至完全测不到。g r u t z e c k 等人对硅灰的火山灰效应提出解释：硅灰接触拌合水后首先形成富硅的凝胶，并吸收水分，凝胶在未水化水泥颗粒之间聚集，逐渐包裹水泥颗粒；c h 与该富硅凝胶的表面反应产生c s h 凝胶，这些来源于硅灰和c h 的c s h 凝胶多生成于水泥水化的c s - h凝胶孔隙之中，大大提高了结构密实度。也就是说：硅灰的火山灰效应能将对强度不利的氢氧化钙转化成c - s h 凝胶，并填充在水泥水化产物之间，有力地促进了h p c 强度的增长同时，硅灰与c h 反应，c h 不断被消耗会加快水泥的水化速率，提高h p c 的早期强度。3 、孔隙溶液化学效应在水泥硅灰水化体系中，硅灰与水泥的比率增加则水化产物的c a - s i 比降低。c a - s i低，相应的c s - h 凝胶就会结合较多的其它离子，如铝( a 1 ) 、碱金属( k ，n a ) 离子等。这样就会使孔隙溶液的碱金属离子浓度大幅度降低。这就所谓孔隙溶液化学效应。增加硅灰取代水泥的比率，则孔隙溶液的p h 值降低。这是由于碱金属离子和c h 与硅灰反应而消耗引起的。对于含有碱活性骨料的h p c ，硅灰这种降低孔隙k + 、n + 离子浓度的作用非常重要，因为能够有效地削弱甚至消除发生碱硅酸反应( a s r ) 的危害。硅灰还可提高h p c 的电阻率和大幅度降低c 1 的渗透速率，防止钢筋锈蚀。提高h p c的强度和耐久性。三、硅灰的国内外研究和应用状况世界上最早开始在混凝土中应用硅灰的试验研究工作的国家是挪威，并在1 9 5 2 年一个隧道工程的混凝施工中掺入了硅灰。1 9 7 6 年挪威国家标准n s 3 4 7 4 颁布，允许在混凝土生产中使用硅灰。英国于1 9 8 5 年开始在混凝土工程中使用硅灰，目的是为了满足较高的强度或抵抗化学侵蚀等的要求。目前在英国，硅灰的使用主要是为了改善混凝土的质量，也就是说。硅灰更多地是作为一种矿物添加剂而不是水泥替代材料来使用的。而国内山东科技大学林跃忠等人在硅灰对砌块的影响研究中指出：硅灰的掺加可以改变砂浆的性能，减少砂浆的8泌水性能，同时消除砂浆与砌块间的氢氧化钙过渡层，普通砂浆氢氧化钙易析出，阻止了砂浆与砌块的接触，而硅灰掺加后二氧化硅与氢氧化钙发生二次水化反应，减小了氢氧化钙的含量，加强了砌块与砂浆的结合，提高了其粘结力，同时由于硅灰的掺入加大了砂浆与砌块之间的啮合力。硅灰在轻集料混凝土中的应用方面，西南科技大学蒋明等人做了大量研究，他们认为：硅灰对轻集料混凝土的增强作用时明显的。掺硅灰的混凝土在2 8 d 试块抗压强度试验时，混凝土的裂纹穿过了集料，而未掺硅灰时，裂纹大部分出现在集料颗粒的四周。可见硅灰对改善界面区和集料间的胶结很有效。但是，当硅灰掺量大于1 5 以后轻集料混凝土的强度变化不大。1 2 4 沸石一、沸石粉理化性质天然沸石岩为含碱金属和碱土金属的架状结构的硅酸盐矿物，由氧化硅、氧化铝、水和减土金属构成，氧化硅和氧化铝占沸石矿物总量的8 0 。沸石晶体由硅氧四面体和替代的铝氧四面体的基本单元构成，硅氧四面体和铅氧四面体再逐级组成单元环、双元环和结晶多面体，从而构成为三维空间的架状沸石晶体。沸石晶体内部存在大量排列规律、大小均匀、o彼此贯通并与外界相连的孔穴和通道，通道直径一般为3 1 4a ，当沸石粉粒径小于1 5 微米时，在碱性介质中，硅氧四面体和铝氧四面体中部分a 1 0 4 和s i 0 4 可脱离石格架，进入溶液与c a o 生成c a o 、s i 0 2 a q 和c a o a 1 ：0 3 a q ：因而沸石粉具有较高的活性。由于沸石有大量孔穴通道，当沸石粉粒径小于1 5 微米时，活性氧化硅、氧化铝可通过通道进入溶液。二、沸石粉混凝土的特点沸石粉混凝土流动性好、和易性好，不泌水、易浇筑。混凝土容易振捣密实拆模后，混凝土表面平整光滑无气孔。二次接茬好，进行表面装修很容易结合。混凝土表面“泛碱现象”少，也有利于浇筑清水混凝土。沸石粉也是泵送混凝土的理想掺合料。由于掺用沸石粉的混凝土具有良好的粘聚性与保水性，能克服混凝土的分层离析现象。在泵送压力下，能形成连续不断的混凝土流。另外，由于粗骨料裹浆量的增加，骨料与泵送管道内壁的磨擦阻力减小，使混凝土具有怠好的可泵性，可避免泵送时混凝土堵管、离析现象。9经磨细的沸石粉具有很大的内外表面积，内部充满了大小不一的空腔与管道，在拌入混凝土中以后，沸石粉立即表现出亲水作用，其内部的孔道与空腔为水分于所占据，降低了泌水量，避免了硬化后水泥石微裂缝的出现。在混凝土硬化的过程中，沸石粉所吸附的水份逐浙被排放出来，促进了水泥水化的进一步发生，使水泥石成为更紧密的整休。由此可见，沸石粉对提高混凝土结构抗渗性能的效果是非常显著的。三、使用沸石粉配制高强、高性能混凝土的增强机理沸石粉是天然的沸石岩经磨细后的粉状物质。沸石岩在其形成过程中已经过天然高温锻烧。沸石粉本身没有活性，但在渗入水泥混凝土中以后，在水泥活性的激发下，沸石粉本身所含的活性二氧化硅、活性三氧化二铝以及含水氧化硅与含水氧化铝能与水泥水化时析出的氢氧化钙作用，生成含水的硅酸钙凝胶与含水铝酸钙凝胶，提高了水泥水化程度，减少了孔隙率，使水泥石结构更致密，从而提高了混凝土的抗压强度，混凝土的其它各项物理性能也相应得到了提高。其增强机理归纳如下：l 、沸石粉与水泥水化时析出的氢氧化钙反应，形成硅酸钙水化物，一方面促进水泥的进一步水化，同时新生成的硅酸钙水化物可使混凝土更加致密；2 、沸石粉是一种多孔结构的矿物，其巨大的内外比表面积有利于其反应的进行：3 、由于渗入了沸石粉，降低了混凝土的泌水量，混凝土的结构粘度提高，粗骨科裹浆量提高，从而改善了粗骨料与水泥的界面，使混凝土的宏观物理性能也得到提高；4 、沸石粉混凝土在自硬化过程中，沸石粉局部形成“自真空”状态，使沸石粉微粒与水泥凝胶之问通过化学作用与物理作用更加紧密地连接成一个整体，从宏观物理性能上提高抗压作用与抗拉作用；5 、在低水灰比的水泥混凝上中，掺入群石粉能提高水泥石的密实度。1 3 本课题研究目的、意义及其内容一、本课题研究目的和意义随着建筑物向高层化、土木结构工程向大跨度重型化方向发展，为缩小结构断面降低结构自重，对当今主要结构工程材料一混凝土提出了高强化的要求；又因各种工程空间向海洋、极地及寒冷地域等恶劣环境延伸。对混凝土要求具有较大的工作度。因此，近十年来提出了高性能混凝土概念，即要求混凝土同时具备高强度、高耐久性和高工作性。由于高效减水剂l o和矿物外加剂的开发应用，使高性能混凝土配制技术相当成熟并已在国内外广泛应用。美国西雅图p a c i f i cf i r s tc e n t e r 大厦工程中混凝土施工实际强度达1 4 0 m p a ，国内一些大城市也在许多高层、超高层建筑或土木工程中成功地应用了c 6 0 - - 一c 7 0 泵送混凝土和c 8 0 混凝土制品。与国内先进水平相比较，我国存在相当差距，迫切需要加快推广高强度混凝土新技术应用。在配制高强混凝土和高性能混凝土过程中只靠增加水泥用量已无法达到使混凝土增强的效果；相反，其耐久性还会降低，并且其拌合物稠粘使工作性差。实验研究和工程经验业已表明：矿物外加剂是配制高强混凝土和高性能混凝土不可缺失的第六组分，也是配制高性能混凝土成套技术的关键环节。应用矿物外加剂具有较高的社会经济效益。在混凝土中使用矿物外加剂最初目的是为了处理并充分利用工业废料和天然资源并节约水泥、降低成本。随着对矿物外加剂在混凝土中作用机理的深入研究，人们逐渐认识到矿物外加剂也是配制优质混凝土不可缺少的原材料。矿物外加剂可等量替代部分水泥形成的复合胶凝效应能显著提高混凝土强度和耐久性。除硅灰以外其它矿物外加剂生产成本均低于水泥。所以配制混凝土用矿物外加剂在技术性能和经济效益有明显优势，这也是当今国际上混凝土技术发展趋势之一。我国建筑技术的迅猛发展对高强、高性能混凝土的需求正在日益增长，矿物外加剂的研究开发方兴未艾。矿物外加剂的市场需求也随之不断扩大。国内沿海地区常年从东南亚等地进口大量矿物外加剂以满足建筑土木工程所需，其到岸价格约3 5 美元吨。作为混凝土主要原料的水泥实是一种不可持续发展的产品，生产水泥的企业排放大量粉尘、有害气体和主要温室效应气体c 0 2 导致地球生态环境极大危害。随着人类对生存环境的日益重视。水泥工业的发展必将受限制，高强、高性能混凝土用大量矿物外加剂代替水泥熟料将是一条解决混凝土发展与环境保护矛盾的出路。目前提出“绿色”高性能混凝土，其中是磨细矿物外加剂而不是熟料水泥将成为最大的胶凝组分。无论是开发工业废料还是天然岩石矿物资源用作高强、高性能混凝土矿物外加剂都应解决以下三方面的技术问题：l l j( 1 ) 选择原料选择矿物外加剂原料首要考虑其火山灰活性强弱大小，优先选用活性强者；其次，原料质量稳定和数量较多是保证矿物外加剂普及推广应用的前提。若用天然岩石矿物为原料应尽量选择储量大、玻璃质比例大且具多孔结构、化学成分s i 0 2 + a 1 2 0 3 含量高的火山岩。( 2 ) 研磨粉体大部分矿物外加剂原料都须经过加工研磨成超细粉体才能充分地发挥其火山灰活性而l l成为优质矿物外加剂。从理论上讲，颗粒越细。其活性越强对混凝土增强效果越大，但从工业生产经济效益考虑，研磨过细能耗大、成本高，为此应较合理地研磨粉体。( 3 ) 研究开发矿物外加剂之激发剂众所周知矿物外加剂必须在一定激发环境中方可发挥其潜在的水硬性胶凝性能。在矿物外加剂掺量较少时尚可借助于水泥水化产物c a ( o h ) 2 和石膏作为激发剂发挥火山灰效益，但在大量掺人矿物外加剂情况下则上述水泥内部的激发剂在数量和效果方面都显不足。因此，研究开发更高效的激发剂是应用矿物外加剂必不可少的关键环节。二、本课题研究内容本课题从矿物外加剂的研磨角度，运用先进的图像分析仪研究粉体颗粒群特征，并建立矿渣微粉颗粒群特征与其宏观物理性能之间映射关系的模型，同时为其它矿物外加剂的研究创立一套较完整地分析方法和建模思路。鉴于粉体颗粒群特征决定着粉体颗粒群体系的各种应用性能，故本课题的研究内容分三大部分：磨细粉体颗粒群特征的测试方法、特征参数的选取和模型的建立，简述如下：l 、本课题使用l e i c a 公司生产的q u a n t i m e t 6 0 0 图像分析仪系统对粉体颗粒群特征进行分析研究，并对该图像分析系统的可靠性和可行性进行论证，同时制订一套粉体颗粒群特征分析的操作规程。2 、粉体颗粒群特征的表征方式多种多样，同时q u a n t i m e t 6 0 0 图像分析仪系统本身也可以提供较全面的粉体颗粒群特征参数。因此本课题首先根据各表征参数的测试误差剔除多余的或选取有代表性的参数，初步筛选出可用来表征粉体颗粒群的特征参数；然后应用灰色关联分析研究方法，对矿渣微粉的宏观物理性能与其表征参数进行定性关联分析，确定表征矿渣粉体颗粒群的优化特征参数。3 、矿渣微粉颗粒群特征与其宏观物理性能的映射关系是本课题的研究目的所在。通过本课题的研究，建立的人工神经网络模型可以揭示矿渣微粉颗粒群特征与其宏观物理性能的映射关系，并可以根据矿渣微粉颗粒群特征来预测其宏观物理性能，这为科学有效地开发利用矿渣资源提供理论依据。因整套分析方法和手段具有普适性，可以用于除矿渣微粉以外的其它矿物外加剂，所以本课题为其它矿物外加剂的研究提供了新的研究思路。1 2第二章粉体颗粒群特征图像分析方法研究传统的粉体颗粒群特征的研究方法很多，常用的有筛分析法、显微镜法、光散射法、消光法、电传感法( 库尔特计数器) 、沉降法、透气法和气体吸附法等。但这些方法都只能分别测量颗粒群的某一特征，而且大多数只能间接地得到颗粒群的特征数据，其理论依据又各不相同。各种方法得到的结果存在较大的差别。目前应用较广泛的是激光粒度法，但是同样地，它只能测量颗粒群的粒径分布，不能得其颗粒形貌特征。其中，显微镜法可以直接观察和测量单个颗粒，从而得到颗粒群的特征数据，但传统的显微镜法对数据的采集和处理在手段上存在很大困难，其可行性较差。相比较而言，因图像分析法是显微镜技术和计算机技术的结合产物，而且它可同时对粉体颗粒群的多种特征进行分析。故本课题拟采用图像分析法，使用l e i c a 公司生产的q u a n t i m e t 6 0 0 图像分析仪系统对粉体颗粒群特征进行分析研究，并对该图像分析系统的可靠性和可行性进行论证。同时制订一套粉体颗粒群特征分析的操作规程。2 1 图像分析仪实验方法探索2 1 1 图像分析简介图像分析仪又称图像分析系统( i m a g ea n a l y s i ss y s t e m ) ，主要用来解决如何客观地较精确地用数字来表达存在于标本中的各种信息，可称为数学形态学。它已经成为一种公认的科学研究工具，并且逐渐展现出巨大的潜能。图像中包含着极其丰富的内容，是人们从客观世界中获得信息的重要手段，因此，正确地测量和处理图像已成为测量技术中的重要课题。目前图像分析仪已广泛应用于航空遥感测量、金属图像测量、微电子技术中微图形检测、精密机件尺寸检测、光波干涉图、医学生物学的研究及应用等有关领域中。图像测量将会随着信息科学和人工智能的发展而日益显示其重要作用。现代图像测量是光学、电子学、计算机技术等相互渗透的跨学科的结果，涉及广泛的学科领域，材料学只是其中一个分支。我们在光学显微镜下看到的是光学图像，而在图像分析仪屏幕上看到的是电子图像，因此在显微图像分析中，整个系统最重要最关键的工作就是要保证得到的电子图像能最精确地1 3反映出光学图像，这个过程由摄像机( 图像扫描器) 、显像管和图像处理机( 计算机) 来完成( 图2 1 ) 。图像可通过光学显微镜、透射电镜或扫描电镜传到摄像机而产生电信号，照片或胶卷上的图像也可以通过摄像机反映到电视屏幕上进行分析。本课题研究采用的是l e i c a 公司生产的q u a n t i m e t 6 0 0 图像分析仪系统( 简称l e i c aq 6 0 0 ) 。图像在电视屏幕上是由许多像素( p i x e l ) 构成的，单位面积屏幕上像素愈多则图像愈清晰，即分辨率愈高。当图像显示时，每个像素含有两方面的信息，即此像素的灰度及其在标本中的位置，两种信息决定了图像的形状和颜色深浅。图2 1 图像分析系统简图虽然不同型号自动图像分析仪的操作方法各异，基本操作过程却大同小异，一般工作流程示意图如图2 2 所示。2 1 2 实验方法二值化图2 2 图像分析系统工作流程示意图图像分析仪主要包括输入( i n p u t ) 、中央信息处理机( c e n t r a lp r o c e s s o r ) 和输出( o u t p u t )三大部分。具体实验方法如下：一、原材料及设备1矿渣微粉2分散液：蒸馏水、无水酒精、六偏磷酸钠3s y 2 2 0 0 超声波分散仪4l e i c aq 6 0 0 图像分析仪1 4= 、实验步骤l 刎l颗粒试样的提取和分散图像分析仪对粉体颗粒进行分析时，要求图