（材料学专业论文）高强轻骨料混凝土制备技术、力学性能及其微观结构研究.pdf

东南大学硕士学位论文摘要 摘要 随着现代土木工程日益向着高耸、火跨、重载的方向发展使用天然密实骨料如碎石、卵石等 制备的普通混凝土材料自重过大的缺点也曰趋明显，限制了混凝土结构在高层建筑、大跨度桥梁、 海洋浮式采油平台等结构物中的应用。使用轻质骨料制各轻骨料混凝土，为减轻混凝士材料的自重 提供了有效的途径。轻骨料混凝土还具有抗震性能强、耐火性能佳、耐久性良好以及综合经济性优 良等优点。和普通混凝土材料一样，轻骨料混凝土也逐步向着高强的方向发展。但是这方面工作 在我国开展不多，研究与应用水平较低。 在借鉴国外高强轻骨料混撮土制各经验，同时参考有关普通骨料高强高性能混凝土研究成果的 基础上，本文使用国产高强轻骨料，通过活性矿物掺合料( 矿渣微粉、粉煤灰) 与高效减水剂复掺 技术，制备高强轻骨料混凝士，并对其宏观物理力学性能和微观结构进行了研究。 本文的主要研究内容如i - ： 轻骨料物理力学性能研究轻骨料的性能对于轻骨料混凝土各项物理力学性能有着重要影响。本 文对所选用的轻骨料的颗粒级配、表观密度、堆积密度、吸水率、简压强度等物理力学性能进行了 试验研究，同时考察了轻骨料的微观结构特征，主要是表面状态和内部孔隙结构。宏观和微观的试 验结果表明，使用这种轻骨料制各高强轻骨料混凝士是可行的。 轻骨料混凝土配合比设计及新拌性能研究在确定相关计算参数( 单方水泥用量、水灰比、砂率) 的基础下，本文使用“绝对体积法”设计了轻骨料混凝土的配合比。活性矿物掺台料( 矿渣微粉、 粉煤灰) 的掺入按照等质量取代法进行。本文推荐轻骨料混凝土的制备工艺可采用搅拌机内预搅拌 吸水工艺。对于新拌轻骨料混凝土流动性和分层离析性的研究表明，在流动性相同的情况下，轻骨 料混凝土的坍落度较小；轻骨料在新拌轻骨料混凝土中有上浮的现象。矿渣微粉和粉煤灰对于轻骨 料混凝土新拌性能有一定的影响。 轻骨料混凝土物理力学性能研究密度等级和强度等级是考察轻骨料混凝土的两项重要性能指 标。本文制备的轻骨料混凝土，除少数组别外。各组2 8 d 立方体抗压强度( 按边长l o o m m 试件) 均 大于4 0 m p a ，相应的干表观密度均小于1 9 5 0 k g m 3 。本文考察轻骨料混凝土力学性能主要包括立方 体抗压强度及其随龄期的发展、棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度、弯曲抗折强度和弹性模量等a 对 上述力学性能和相同强度等级的普通混凝土进行了对比。试验结果表明，在轻骨料混凝土掺入矿渣 微粉和粉煤灰对于轻骨料混凝土的作用效果不同矿渣微粉的作用效果要优于粉煤灰。 轻骨料混凝土微观结构研究界面过渡区是轻骨料混凝土微观结构的主要研究对象，也是本文微 观结构研究的重点。本文微观结构的主要研究手段是扫描电镜( s e m ) 和电子探针微区分析( e p m a ) 。 使用前者对轻骨料和硬化水泥浆体之间界面过渡区的微观形貌和结构特征进行了观察，使用后者对 元素在界面过渡区的分布特征进行了研究。考察了轻骨料混凝土界面过渡区和普通混凝土界面过渡 区的不同点，轻骨料混凝士界面过渡区在不同龄期的发展规律以及矿渣微粉、粉煤灰对于轻骨料混 凝土界面过渡区的影响。 关键词轻骨料，矿渣微粉，粉煤灰，轻骨料混凝土，高强，微观结构，界面过渡区 东南大掌硕士掌位论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h en e e do fh i g h - r i s i n g ，l a r g e s p a na n dh e a v y - l o a d i n g s t r u c t u r e si nc i v i l e n g i n e e r i n g ，n o r m a l w e i g h tc o n c r e t e ( n w c ) p r e p a r e db yn o r m a lw e i g h ta g g r e g a t e s 州w a ) h a ss h o w ni t ss h o r t c o m i n go fl a r g e s e l f - w e i g h tm o r ee v i d e n t l y l i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e ( l w a c ) h a sb e e nu s e ds u c c e s s f u l l yf o rm a n y y e a r s l w a c p e r m i t ss a v i n g si nd e a dl o a dd i r e c t l y i na d d i t i o nt ol i g h t e rw e i g h t ，l w a ci sm o r er e s i s t a n tt o s e i s m i cf o r c ea n df i r e ，a n df u r t h e r m o r e ，l w a ch a sr e l i a b l ed u r a b i l i t ya n dr e a s o n a b l ec o m p r e h e n s i v e e c o n o m i c s f o rl w a c ，a sf o rn d c ，t h e r ei saw e l l - e s t a b l i s h e dt r e n dt o w a r du s i n gh i g h e r s t r e n g t h r e s e a r c ho nt h i sa r e as e e m sl i m i t e di nc h i n a b a s e do nt h ee x p e r i m e n t si n p r e p a r i n gh i g h - s t r e n g t hn w c a n dl w a ci n m a n yc o u n t r i e s ，h i g h s t r e n g t hl w a cu s i n gh i g h - s t r e n g t hl i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ( l w a ) p r o d u c e di nc h i n aw a so b t a i n e dw i t ht h e a p p l i c a t i o no f m i n e r a la n dc h e m i c a la d m i x t u r e s t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh i g h - s t r e n g t h l w a ca n dt h em i e r o s t m c t u r eo fi th a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sc a r tb el i s t e da sf o l l o w i n g p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fl w a l w ai sc r i t i c a lf o rh i g h - s t r e n g t hl w c t h e g r a d i n g , s p e c i a lp a r t i c l ed e n s i t y , b u l kd e n s i t y , w a t e ra b s o r p t i o n ，a n dc y l i n d e rc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fl w a a r e i n v e s t i g a t e d t h em i c r o s t r u c t u r eo f l w a m a i n l yi n c l u d i n gt h es u r f a c et e x t u r e sa n di n t e r n a lp o r es t r u c t u r e a r eo b s e r v e d t h er e s u l t ss h o w s u s i n gt h i sb n d o f l w at op r e p a r i n gh i g h - s t r e n g t hl w a ci sr a t i o n a l m i xp r o p o r t i o nd e s i g na n df r e s hp r o p e r t i e so fl w a ca f t e rd e t e r m i n i n gt h ed e s i g np a r a m e t e r s ， “a b s o l u t ev o l u m e t r i cm e t h o d ”i su s e dt oc a l c u l a t em i xp r o p o r t i o n s t h ep a r t i a lr e p l a c e m e n to fp o r t l a n d c e m e n tb yg r o u n dg r a n u l a t e db l a s t f u r n a c es l a g ( g g b s ) o rf l ya s hi s e q u a lw e i g h tr e p l a c e m e n t t h e r e c o m m e n d e dm e t h o do f m i x i n gi st h em e t h o do f u s i n gn a t u r a ld r yl w aa n dp r e - w e t t e di nb l e n d e r d u et o t h el o w e rs p e c i a lp a r t i c l ed e n s i t y , t h es l u m po f l w a cj ss m a l l e rt h a nt h en w c i ns a m ew o r k a b i l i t y l w a i nl w a cw i l lf l o a tu p w a r d s g g b sa n df ah a sc e r t a l ni n f l u e n c eo nt h ef r e s hp r o p e r t i e so f l w a c p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fl w a cd e n s i t ya n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r et h et w om o s t i m p o r t a n tp r o p e r t i e so fl w a c e x c e p ts e v e r a lm i xp r o p o r t i o n s ，t h ec u b i cc o m p r e s s i v es t r e n g t ha tt h ea g e o f2 8 do fm o s tm i xp r o p o r t i o n se x c e e d s4 0 m p aw i t ht h ec o r r e s p o n do v e n - d r i e dd e n s 埘l e s st h a n1 9 5 0 k g m 3 t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n c l u d i n gc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t e n s i l es t r e n g t h ，m o d u l u so fe l a s t i c i t y a n dm u t u a lr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e s ep r o p e r t i e sa r ei n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ec o m p a r e d w i t hn w cw i t hs a m es t r e n g t hg r a d e u s i n gg o b sh a sb e t t e re f f e c to nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h a n u s i n gf a m i c r o s t r u e t u r eo fl w a ct h ei n t e r r a c i a lt r a n s i t i o nz o n e ( i t z ) i st h em a i nr e s e a r c ho b j e c ti nc o n c r e t e m a t e r i a l 。t h em i c r o s t r u c t u r er e s e a r c ho f 饵弘ci sc o n c e n t r a t e di nt h ei t zb e t w e e n 三黝a n dh a r d e n e d c e m e n tp a s t e ( h c p ) s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n de l e c t r o np r o b em i c r o a n a l y s i s ( e p m a ) a r et h et w om a i nm e t h o do fm i c r o s t r u c t u r ei n v e s t i g a t i o n ，u s i n gf o i t o e ro o et oo b s e r v i n gt h em i c r o s t r u c t u r e a p p e a r a n c eo f i t z a n d l a t e ro n e t od e t e r m i n i n g t h e d i s t r i b u t i o n o f c e r t a i ne l e m e n t s t h ed i f i e r e n c eb e t w e e n t h ei t zo fl w a ca n dt h a to fn w c i so b s e r v e d t h ec h a n g eo fi t zw i t ht h ed e v e l o p m e n to fa g ea n dt h e e f f e c t so f u s i n g g g b so r f ao n i t zo f l w a c a r e i n v e r s t i g a t e d k e y w o r d s ：l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ( l w a ) g r o u n dg r a n u l a t e db l a s t - f u n a n c es l a g ( g o b s ) ，f l ya s h ( f a ) l i g h w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e ( l w a c ) ，h i g h s t r e n g t h ，m i c r o s t r u c t u r e ，i n t e r r a c i a l t r a n s i t i o nz o n e ( i t z ) i i 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 一同工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。 研究生签名： 缸舞 日期：? 竺! ：! 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 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：塾墨导师签名： 、 日期：如；，0 憎 东南大掌硕士掌位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 使用天然密实骨料如碎石、卵石等制备的普通混凝土材料作为混凝土结构的主体材料，被广泛 的应用于包括建筑工程、桥梁和交通工程、水利工程、地下工程以及其他特殊结构工程等在内的各 种十木工程领域。混凝土材料是近现代最为广泛使用的建筑材料，也是当前最大宗的人造材料。根 据欧洲水泥协会( c e m b u r e a u ) 2 0 0 1 年年度报告显示：2 0 0 1 年全球水泥总产量为1 6 9 亿吨，按 每立方米混凝土使用2 5 0 千克水泥计，全球的混凝土年使用量约为6 7 6 亿立方米。另据我国国土资 源部发布的2 0 0 1 年中国国土资源公报，我国2 0 0 1 年水泥产量为6 3 亿吨( 不包括香港特别行政 区、澳门特别行政区和台湾省) 居世界第一位，按上述方法推算我国的混凝土年使用量约为2 5 2 亿 立方米。可以预见在2 1 世纪混凝土结构仍将是土木工程的主导结构形式i l j j 。但是随着现代土木工 程日益向着高耸、大跨、重载的方向发展以及建造各种新型特种结构物需求的增加，普通混凝土材 料表观密度大的缺点也日趋明显，限制了混凝土结构在高层建筑、大跨度桥梁、海洋浮式采油平台 等结构物中的应用在这些结构物中自重过大无论从技术或者经济的角度上讲都是不利的使得 在这些结构物中不得不采用建造和维护成本均相对较高的其他结构形式，如钢结构等p “。如何有效 提高混凝土材料的强度等级同时降低混凝土材料的表观密度从而减轻混凝土结构自重己经成为国内 外学者广泛关注的问题。从根本上讲，这两者的最终目的是统一的，即提高材料的比强度( 强度，表 观密度) ，从而提高结构效益。 轻骨料混凝土作为轻质混凝土的一个品种，为减轻混凝土结构的自重提供了有效的途径”j 。轻 骨料混凝土使用内部多孔同时具有一定强度的轻质骨料替代天然密实骨料，在混凝士中间接引入孔 隙结构，从而达到减轻混凝土材料表观密度的目的。使用天然多孔轻质骨料减轻结构自重的做法具 有十分悠久的历史。古罗马工匠使用天然火山渣作为骨料建造的跨度达4 3 _ 3 米的罗马万圣殿穹顶至 今仍完好无损。这可以看作是现代轻骨料混凝土的雏形。但是限于天然轻骨料的来源和产量，使用 这些骨料制作的建筑物仅仅在一些天然资源主要是火山渣资源比较丰富的地区出现。轻骨料混凝土 得以较为广泛的应用，是在人造轻骨料被成功制得以后。上世纪初。美国堪萨斯城的陶瓷工程师 s t e p h c nj h a y d e 从烧胀后的废粘土砖中得到启发，使用回转窑烧制由页岩、粘土、板岩等制得的颗 粒，通过有限的破碎，制成满足混凝土骨料级配要求的人造轻骨料。1 9 1 8 年2 月，h a y d e 为其生产 的人造轻骨料申请了专利。最早的成功应用人造轻骨料的场合是船舶工业。在第一次世界大战中， 由于钢铁板材的供应不足，同时天然轻骨料不能满足船舶工业对材料的比强度要求使得人们开始 关注人造轻骨料及其制备的轻骨料混凝土。在两次世界大战中建造了大量使用轻骨料混凝土的远洋 和近海船只，而且这些船只在服役期间性能良好。与此同时轻骨料混凝土在高层建筑中也开始应 用。】9 2 9 年，在美国堪萨斯城西南贝尔电话公司1 4 层办公大楼的增层扩建工程中，由于采用轻骨 料混凝土替代普通混凝土从原来增建8 层提高到增建1 4 层，轻骨料混凝土的优越性得到体现。从这 以后使用人造轻骨料制备的轻骨料混凝土得到较为广泛的认可与应用。我国是从1 9 5 6 年开始研制 人造轻骨料和轻骨料混凝土，并逐步在建筑工程和桥梁工程中加以应用9 4 1 。 密度等级和强度等级是轻骨料混凝土两个最为重要的指标。由于所使用轻骨料的不同，各国规 程一般均按照两者的不同将轻骨料混凝土按使用场合分成保温用轻骨料混凝土、结构保温用轻骨料 混凝土和结构用轻骨料混凝土。如我国轻骨料混凝土结构设计规程( j g j l 2 - 9 9 ) ”1 规定结构用轻 骨料混凝土的最低强度等级为c l l 5 ，按我国轻骨料混凝土技术规程( j g j 5 1 - 9 0 ) ”其合理的密 度等级范围是干表观密度在1 3 6 0 k m 3 1 9 5 0 k g m 3 。美国混凝土结构规程a c l 3 1 8 【l l j 规定：结构用轻 骨料混凝土应达到的最低强度值是2 8 d 抗压强度1 7 2 m p a ( 按直径为6 英寸、高度1 2 英寸圆柱体试 东南大掌硕士掌位论文 第一章绪论 件测定) ，合理的密度等级范围是干表观密度在1 4 4 0 k g m 3 1 8 5 0 k g m 3 。本文主要讨论结构用轻骨料 混凝土，因此下文中如无特殊说明，结构用轻骨料混凝土均简称为轻骨料混凝土。 相对于普通混凝土材料来说，轻骨料混凝土具有如下的优点【l 2 | ”j ： 1 结构效益好在强度等级相同的情况下，轻骨料混凝土比普通混凝土材料表观密度低 2 0 - - 4 0 ，轻骨料混凝土的比强度大于普通混凝土材料，结构质量减轻。使用轻骨料混凝土可以减 小结构断面，提高结构高度，增大结构跨度，以及减少钢筋、预应力钢筋和结构钢材的用量。在结 构断面相同的情况下，由于自重的减小，可以提高结构承载力。 2 抗震性能强轻骨料混凝土由于密度小、质量轻、弹性模量低，结构承受动荷载能力较强。 在地震荷载作用下所承受的地震力小，震动波的传递速度也较慢，且结构的自震周期长，对冲击能 量的吸收快，减震效果显著。 3 耐火性能佳轻骨料混凝土由于导热系数低，热阻值大，在高温作用下，温度由表及里的传 递速度将大大减慢，可保护钢筋。对同一耐火等级的构件来说，轻骨料混凝土板的厚度可比普通混 凝十板减薄2 0 - - 3 0 。 4 耐久性良好由于轻骨料混凝土具有优良的轻骨料和砂浆间的粘结和界面过渡区，而界面过 渡区是影响混凝土材料耐久性的重要因素之一，因此，轻骨料混凝土具有良好的抗渗透性、抗冻性 以及抵抗各种化学侵蚀的能力。另外轻骨料和砂浆组份弹性兼容性好，内部应力和微裂缝较少。 5 ，经济性优良尽管轻骨料混凝士单方造价比同强度等级的普通混凝土离，但由于其减轻了结 构物的自重、缩小结构断面，增加使用面积、减少钢材用量，降低基础造价而具有显著的综合经济 效益。 同普通混凝土材料向着高强的方向发展一样，随着人造轻骨料性能的提高，轻骨料混凝土也向 着高强的方向发展。如同普通混凝土材料一样，轻骨料混凝土的强度达到多少可以称为高强轻骨料 混凝土，目前还没有明确标准。由于轻骨料混凝土的特殊性，在我国一般均认为强度等级在c l 3 0 以上的轻骨料混凝土可以称为高强轻骨料混凝土【1 4 j ”。由于混凝土的强度等级是具有9 5 n 的强度保 证率的立方体抗压强度( 1 5 0 1 5 0 1 5 0 r a m 3 ) ，同时考虑到尺寸效应换算系数0 9 5 ，对1 0 0 1 0 0 x l o o m m 3 的试件立方体2 8 d 抗压强度应在4 0 m p a 以上。又如在美国，混凝土强度是使用直径6 英寸、 高度1 2 英寸的圆柱体试件测定，轻骨料混凝土2 8 d 圆柱体抗压强度大于3 5 m p a 时可以称为高强轻 胃料混凝土】。鉴于国内外的习惯，本文规定按边长为l o o m m 立方体试件测定轻骨料混凝土2 8 d 抗压强度，大于4 0 m p a 时称为高强轻骨料混凝土。相对应高强轻骨料混凝土的干表观密度一般为 1 4 0 0k g m 3 1 9 5 0 k g m 3 。除世界上极少数国家如冰岛等拥有较为丰富的可供制各高强轻骨料混凝土的 天然轻骨料外，一般用于制备高强轻骨料混凝土所用的轻骨料均为人造轻骨料，即通常所说的陶粒。 显而易见，高强轻骨料混凝土的使用可以更为有效的提高结构效益。同时发挥轻骨料混凝土所特有 的优点。高强轻骨料混凝土在土木工程中，特别是在高层建筑、大跨度结构、海洋工程中具有广泛 的应用前景。 1 2 国内外高强轻骨料混凝土研究现状评述 1 2 1国外研究现状 以美国为代表的北美地区、以挪威为代表的北欧地区以及亚洲的日本等国是世界上轻骨料混凝 士研究与应用较为先进的国家和地区。在这些国家和地区，高强轻骨料混凝士的研究与应用也走在 了世界的前列。 在美国l ”j ，高强轻骨料混凝土广泛应用于高层建筑、桥梁工程等各种结构物，在高强轻骨料 混凝土的制各方面积累了较为丰富的经验。应用于高层建筑最为著名的例子是5 2 层2 2 0 m 高的休斯 顿贝壳广场大厦，所用轻骨料混凝土的干表观密度为1 8 4 0 k g m 3 抗压强度3 2 4 2 m p a 。国际知名 的t vl i ni n t e r n a t i o n a l ( 林同炎国际工程咨询公司) 在轻骨料混凝土用于桥梁工程中有着丰富的设 2 东南大掌硕士掌位论j t 第一章绪论 计施工经验，1 9 8 4 年美国联邦政府委托其编制了( c r i t e r i a f o r d e s i g n i n g l i g h t w e i g h t c o n c r e t e b r i d g e ) ) ( 轻骨料混凝土桥梁设计规程) ( f h w a r d - - 8 5 0 4 4 ) 。2 0 0 1 年该公司和c h 2 mh i l l 合作设计了 位于美国c a l i f o r n i a 的b e n i c i a m a r t i n e z 桥，该桥总长2 7 1 6 m ，最大跨度2 0 0 m ，典型跨度1 6 1 m ，抗 震按1 0 0 0 2 0 0 0 年一遇设计。所用轻骨料混凝土2 8 d 抗压强度为4 5 m p a ，干表观密度1 9 2 0k g m 3 。 由于海洋石油开发的需要，m o b i l ( 美孚) 等石油公司需要在北大西洋的严酷环境中建造石油开采平 台。经过对比发现，高强轻骨料混凝土是一种理想的建造材料。在这些石油公司的资助下，美国和 加拿大的科研机构联合开展了应用于严酷环境下高强轻骨料混凝土的综合研究。现在已经有以 h i b e r n i a 为代表的海洋采油平台投入使用，并且性能良好。 在挪威i tt , t ，为了帮助桥梁设计者努力优化其结构设计方案，挪威混凝土协会，从上世纪8 0 年 代起，联合该国高强高性能混凝土和轻骨料混凝土研究的技术力量，对桥梁用轻骨料混凝土进行系 统研究，已有十余座主要桥梁使用轻骨料混凝土建造l l 。其中两座悬臂桥( r a f l s u n d e t 和s t o l m a 桥) ， 跨度分别为2 9 8 m 和3 0 1 m ，两桥分别是当时悬臂桥跨度的世界记录。同时挪威还在北海上的h e i d r o n 漂浮离岸平台结构工程中在世界上首次使用了最大干表观密度为2 0 0 0 k g m 3 ，抗压强度为6 0 m p a 的 轻骨料混凝土 2 0 1 。对这些结构物的检测表明轻骨科混凝土的耐久性是可靠的，甚至优于普通混凝土。 因为处于高纬度地区的挪威可以说是世界上环境较为恶劣的地区，严寒和海水侵蚀等对轻骨料混凝 土都是严峻的考验。1 9 9 5 年和2 0 0 0 年，在挪威的s a n d 面o r d 和k r i s t i a n s a n d 分别召开了由挪威混凝 士协会，美国混凝土协会a c i ，国际结构混凝土联合会f i b ( 由欧洲混凝土协会c e b 和国际预应力 混凝土联合会f i p l 9 9 8 年台并而成) 联合资助的第一和第二届国际结构轻骨料混凝土会议。这个国 际会议代表了当今对结构轻骨料混凝土研究的最高水平和最新研究动向。 在日本口”1 9 9 0 年当高性能混凝土出现不久，在泵送高强轻骨料混凝土研究与应用的基础上， 就开始探索、研究高强高性能轻骨料混凝土，由于日本国内资源的特点其主要研究内容是高性能 轻骨料的原材料配制、生产工艺，轻骨料孔隙结构、性能及其对混凝土性能的影响等问题，其重点 则在于改善混凝土的工作性和抗冻耐久性，并已取得较为显著成果。 1 2 2国内研究现状 与国外蓬勃开展轻骨料混凝土研究的情况相比国内对轻骨料混凝土的研究明显感到不足，对 高强轻骨料混凝土的研究就更为欠缺，应用水平也较低。这和我国作为一个混凝土使用大国的地位 极为不相称。我国高强轻骨料混凝土的研究始于七十年代，天津建筑科学研究所等单位在实验室用 高强粉煤灰陶粒配制出c l 4 0 干硬高强轻骨料混凝土。八十年代初铁道部大桥局桥梁科学技术研 究所在实验室采用商强粘土陶粒和6 2 5 # 水泥配制出c l 6 0 干硬性高强轻骨料混凝土。将c l 4 0 粉煤 灰陶粒高强混凝土应用于金山公路跨度为2 3 米的箱形预应力桥梁，使桥梁自重减轻2 0 以上，是我 国高强轻骨料混凝土应用的一个成功范例“_ 2 2 】。 近年来，随着国产优质轻骨料的批量供应，结构中对减轻结构自重要求的提高，结构轻骨料混 凝土又开始重新引起人们的重视。国内一些科研院所、大专院校、设计施工等单位开展了一些采用 国产轻骨料配制高强轻骨料混凝土的工作，并取得了一定的成果，1 9 9 8 年末，在唐津高速公路二期 工程永定新河大桥的优化设计中使用了轻骨料混凝土，该设计是由天津市市政设计研究院和一yl i n i n t e r n a t i o n a l ( 林同炎国际工程咨询公司) 共同完成的。经优化设计后由高强轻骨料混凝土取代普通 混凝土，跨度从原来的2 4 m 增加到3 5 m ，并且不再铺装沥青层。所用的轻骨料混凝土强度等级为 c l 4 0 ，密度等级为1 9 0 0 。通过优化设计，改变了主梁结构类形式和减小了下部结构尺寸，节省了造 价【”i 。另外一个典型应用是在南京太阳宫广场工程中的8 根抛物线形梁中使用设计强度等级为c l 5 0 的高强轻骨料混凝土“ 由丁我国高强轻骨料混凝土的研究与应用工作开展较晚，和国外先进国家相比，在以下两方面 的问题亟待解决。i j “ 1 高品质轻骨料的生产问题 目前国内轻骨料的生产和国际先进水平具有一定的差距，主要表现在轻骨料的孔结构分布不甚 3 东南太掌硕士学位论文 第一章绪论 合理，吸水率较犬，颗粒表观密度不理想。稳定而且充足的优质轻骨料供应作为制备高强轻骨料混 凝士的基础是必不可少的。但近年来，随着加快引进和吸收国外的先进技术，在上海、宜昌等地已 经可以生产出质量较好的轻骨料，为使用国产轻骨料配制高强轻骨料混凝土提供了可能性。 2 高强轻骨料混凝土的配制问题 长期以来我国轻骨料混凝土的配制由于多方面原因的制约，所配制的轻骨料混凝土强度等级偏 低，达不到现代工程的需要。而另一方面，高强高性能混凝土在我国得到了极大的发展，积累了许 多宝贵的经验。因此要通过借鉴普通骨料高强高性能混凝土的配制经验，使用高效减水剂和矿物外 掺料米改善轻骨料混凝土性能。优化配合比设计，配制出表观密度合理、工作性佳的高强轻骨料混 凝士。 1 3 本文研究目的、研究思路和主要研究内容 1 3 1研究目的 在借鉴国外高强轻骨料混凝土制备经验 1 6 - i $ , 2 5 - 2 7 】，并参考有关普通骨料高强高性能混凝土研究 与应用经验 2 8 2 9 l ，基于对国内外高强轻骨料混凝土研究现状的了解，针对目前国内研究的不足之处， 本文的研究目的主要是： 1 研究所使用的国产轻骨料： 2 研究活性矿物掺合料在轻骨料混凝土中的应用； 3 研究高强轻骨料混凝土制各技术； 4 考察所制备高强轻骨料混凝土的物理力学性能； 5 研究所制备高强轻骨料混凝土微观结构及其对宏观性能的影响。 国外研究经验表明，轻骨料混凝土研究与应用路线大致为：“轻骨料混凝土高强轻骨料混凝 土高性能轻骨料混凝土”。对普通混凝土材料而言，高强和高性能之间没有必然关系。但是对于 轻骨料混凝十来说，笔者认为，高强应该是高性能轻骨料混凝土的重要性能指标之一。这是由轻骨 料混凝土应用特点决定的，因为强度既是轻骨料混凝土的重要性能指标。而且一定的强度也是保证 轻骨料混凝士耐久性的前提。本文希望在成功制备高强轻骨料混凝土的基础上，为进一步研究高性 能轻骨料混凝土提供一定的参考。 1 32 研究思路 使用活性矿物掺合料、高效减水剂复掺的技术，是制备高强高性能普通混凝土材料的主要技术 手段。对于轻骨料混凝土而言。也可以参考这种技术手段。在国内外的高强轻骨料混凝土研究中， 硅灰作为一种一| 生能优异的活性矿物掺合料被广泛使用，收到了良好的效果【临”2 ”。但是我国硅灰 资源较为短缺且价格昂贵，在轻骨料混凝土中使用硅灰将进一步提高轻骨料混凝土的单方造价，经 济性不佳。 本文使用国产高强轻骨料，应用两种在我国易于获得的活性矿物掺合料矿渣徽粉和低钙粉煤灰， 同时配合高效减水剂制备高强轻骨料混凝土。研究复合无机胶凝材料体系“水泥一高效减水剂一 矿物掺合料( 矿渣微粉、低钙粉煤灰) ”对高强轻骨料混凝土力学性能的影响：考察所制备高强轻骨 料混凝士的微细观结构，分析微细观结构对高强轻骨料混凝土性能的影响。 1 3 3主要研究内容 根据本文的研究目的和研究思路本文的主要研究内容为： 研究轻骨料的基本物理力学性能及其微观结构 研究高强轻骨料混凝土的制备技术 研究矿渣微粉对高强轻骨料混凝土力学性能的影响 研究粉煤灰对高强轻骨料混凝土力学性能的影响 4 东南大掌硕士掌位论文第一章绪论 研究矿渣微粉、粉煤灰对高强轻骨料混凝土微细观结构的影响 研究高强轻骨料混凝土微细观结构与宏观力学性能的关系 5 东南大掌硕士掌位论文 第：峰原材举k 及试验方法 第二章原材料及试验方案设计 2 1 试验原材料及其基本性能 2 1 1 水泥 试验使用水泥分别为江南水泥厂生产金宁羊牌p i i4 2 5 r 硅酸盐水泥( c 1 ) 和江南小野田水泥有 限公司生产p i l 5 2 5 r 硅酸盐水泥( c 2 ) 。两种水泥的化学成分和物理力学指标分别如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 水泥化学成分( m a s s ) 兰塑! ! 旦! 垒! ! q ! ! ! 竺! ! ! 受! 旦i c 16 4 1 12 0 6 05 0 3 4 3 81 4 62 2 4 k 2 0n a 2 0 l o l l ) 一一 1 3 0 ! !竺：! !丝：竺! ：! ! ：! ! ：! ! ：! !二 =型 _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ 。 1 1l o i ：烧失量，下同。 耋! ：! 查塑塑登查兰些竺 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。 密度 比表面积凝结时间( m i n )抗折强度( 啪p a )抗压强度( m p a ) ( c m 3 ) ( m 2 瓜g )初凝 终凝 3 d2 8 d3 d 2 8 d c l3 1 83 7 01 1 0 1 7 55 58 32 7 5 5 4 0 c 232 03 9 2 1 0 81 5 56 1 8 93 1 05 8 0 2 1 2 粗骨料 上海申威陶粒制品有限公司生产粉煤灰一页岩高强轻骨料如图2 - - 1 所示，由于轻骨料对轻骨料 混凝土的性能起着至关重要的作用，因此将在第三章对其进行单独讨论。 图2 1 高强轻骨料 2 1 3 细骨料 中砂，细度模数2 4 ，表观密度为2 6 9 e m 3 。 2 1 4 粉煤灰 南京热电厂生产低钙i 级粉煤灰( f ) ，化学成分如表2 3 所示。密度为2 , 2 2g ，c m 3 ，需水量比0 , 9 5 6 眷南大学硕士掌位论文 第= ；章原材料及试验方法 细度( 4 5 1 a m 筛筛余) 6 。使用x 射线衍射仪对粉煤灰进行了x 一射线衍射( x r d ) 分析如图2 2 所示，使用扫描电镜( s e m ) 对粉煤灰颗粒形貌进行了观察，如图2 3 所示。 2 1 5 矿渣微粉 南京江南粉磨有限公司生产钟山牌$ 9 5 矿渣微粉( g ) ，化学成分如表2 3 所示。密度2 9 0g c m 3 ， 比表面积有4 2 5 m 2 ，k g 和6 0 0 m 2 ，k 两个品种。对矿渣微粉也进行了x r d 分析如图2 - - 4 ，通过x r d 可以发现矿渣中主要为玻璃相，其弥散峰的最大强度在2 0 = ( 3 1 3 2 ) d e g 之间。s e m 颗粒形貌观 察如图2 5 和图2 - - 6 所示。 表2 3 粉煤灰、矿渣微粉化学成分( m a s s ) s i 0 2f 0 2 0 3a 1 2 0 s c a o m g o s 0 3 l o i f5 7 7 46 3 4 2 7 0 83 3 61 1 l0 1 83 6 1 g 3 1 7 70 6 31 5 3 63 7 1 91 0 1 5 1 1 61 0 2 图2 2 粉煤灰x r d 图 1 6 1 82 02 22 42 62 83 03 23 4 20 ( d e g ) 图2 3 粉煤灰形貌 图2 - - 4 矿渣微粉x r d 图 图2 - - 54 2 5 m 2 k g 矿渣微粉形貌 7 东南太掌硕士掌位论文 第= j t 原材料及试验方法 图2 - - 66 0 0 m 2 n 嘻矿渣微粉形貌 21 6 外加剂 本试验使用两种化学外加剂： 1 镇江新泰混凝土外加剂有限责任公司生产的x t 1 高效减水剂，水剂主要成分为三聚氰胺。 2 上海花王化学有限公司生产“迈地一1 0 0 ”高效减水剂，粉剂，主要成分为萘磺酸甲醛缩聚 物钠盐。 2 1 7水 普通自来水。 2 2 试验方案设计 根据本文的研究目的和研究思路，本文的试验研究主要包括三个方面，即所使用轻骨料基本性 能试验研究、高强轻骨料混凝土制备技术及物理力学性能试验研究和高强轻骨料混凝土微观结构研 究。 2 21 轻骨料基本性能试验研究 轻骨料对轻骨料混凝土的各项物理力学性能有着十分重要的影响。世界各国在轻骨料混凝土研 究中均对所使用的轻骨料进行了相关的研究【1 “”j o ”j 。对于高强轻骨料混凝土而言，这种研究更是必 不可少。因此。本文首先对所选用的轻骨料各项物理力学性能以及微细观结构进行了研究。考察选 用国产轻骨料配制高强轻骨料混凝土的可行性。 2 2 2高强轻骨料混凝土制备技术及物理力学试验研究 这是本文的重点部分，主要包括两个方面： i 制各技术与新拌混凝土性能本文的立足点之一是希望选用国内市场易于获得的原材料，制 备满足实际工程性能要求的且经济性良好的高强轻骨料混凝土。鉴于目前国内水泥中的混合材的品 种和用量非常混乱本文选用硅酸盐水泥。如前所述，虽然国外经验表明硅灰是一种性能优异的活 性矿物掺合料【1 6 - 1 8 , 2 5 - 2 7 ，但是鉴于国内硅灰资源短缺同时价格昂贵。本文没有选用硅灰。而是参考 国内高强高性能普通混凝土的制备经验，选用粉煤灰和矿渣微粉两种最为常用活性矿物掺合料，特 别是后者，近年的研究表明其是一种优秀的活性矿物掺合料1 2 8 , 2 9 1 。在原材料选择的基础上，通过试 验研究提出高强轻骨料混凝土的配合比以及制备工艺。轻骨料混凝土的工作性对高强轻骨料混凝土 而言也是十分重要的本文研究了高强轻骨料混凝土的工作性。 2 “水泥一活性矿物掺合料一高效减水剂”对高强轻骨料混凝土力学性能的影响“水泥一活性 8 东南大掌硕士学位论文第= 章原材料霸试验方法 矿物掺合料一高效减水剂”体系在普通高强混凝土中的应用已较为广泛【2 8 2 - ”，但是在轻骨料混凝土 中的应用还较为不足。本文在固定胶凝材料用量和水胶比及保证晟低水泥用量的前提下，研究两种 活性矿物掺和料( 粉煤灰和矿渣微粉) 在不同掺量的情况下，对混凝土各项力学性能的影响。各项 力学性能主要包括立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、弯曲抗折强度、轴心抗压强度、弹性模量。也 包括强度随龄期的发展规律。与使用相同活性矿物掺合料的普通混凝土比较，研究之间的异同点。 2 2 ，3高强轻骨料混凝土微观结构研究 从材料科学的观点，微观结构对于宏观性能有着重要的影响，界面过渡