（材料学专业论文）阿利特硫铝酸钡钙水泥混凝土的试配及性能研究.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 从上个世纪中期，混凝土结构因耐久性不良造成过早失效及崩塌破坏的事故在国 内外屡见不鲜，世界各国为此付出了十分沉重的代价。由于工程安全因素，更由于耗 费巨资的经济因素，混凝土结构的耐久性问题，越来越受到世界各国学术界和工程界 的广泛重视。提高混凝土的耐久性，对节约资源、能源及资金均有重大意义。 阿利特硫铝酸钡钙水泥是将快硬早强型矿物硫铝酸钡钙与以阿利特为主导矿物 的硅酸盐水泥熟料矿物复合而得到的新的胶凝材料。该水泥既具有阿利特矿物后期强 度稳定增长的优点，又具有硫铝酸钡钙矿物的快硬早强和体积微膨胀等优良性能，是 一种性能优良的节能型水泥。近年来，课题组关于该水泥的制各和性能进行了系统而 深入的研究，但是，用该水泥配制砂浆和混凝土及其性质的研究进行的很少，而水泥 在实际工程中的应用主要是配制混凝土，因此，掌握该水泥混凝土配制及其性能的调 控技术十分必要，而且非常紧迫，这也正是选择本课题的目的。 本研究采用阿利特硫铝酸钡钙水泥，通过配合比设计和试验室试配，配制出了 工作性良好的阿利特一硫铝酸钡钙水泥混凝土，并开展了一系列的相关研究。主要研 究内容包括：阿利特一硫铝酸钡钙水泥混凝土随水胶比、掺合料种类和掺量等因素不 同，抗压强度等力学性能以及抗渗性能、抗氯离子渗透性能、耐火性能和抗冻性等耐 久性能的变化规律；并与相同配比的普通混凝土的相应性能进行对比研究；同时结合 矿物掺合料的水化机理，阐述了掺合料对混凝土微结构的改善作用。取得的主要研究 结果和结论如下： ( 1 ) 与普通混凝土一样，阿利特一硫铝酸钡钙水泥混凝土的抗压强度也随水灰比的 增大而减小。相同配比和养护龄期下，该水泥混凝土的抗压强度，尤其早期抗压强度， 明显高于普通混凝土。在w c 分别为o ，4 5 ，0 5 0 和o 5 5 的情况下，阿利特一硫铝酸钡 钙水泥混凝土l d 抗压强度分别达到2 2 8 1 m p a 、1 7 2 9 m p a 和1 7 0 4 m p a ，比普通混凝 土分别提高约5 0 一6 5 。 ( 2 ) 混凝土的抗渗性能随水灰比的增大而减小，相同配比的阿利特一硫铝酸钡钙水 泥混凝土的抗渗性能明显优于普通混凝土，普通混凝土的相对渗透系数最大可达阿利 特硫铝酸钡钙水泥混凝土的4 0 倍。 ( 3 ) 经7 5 次冻融循环，阿利特一硫铝酸钡钙水泥混凝土仍具有较高的力学性能， 强度损失率在4 0 左右，而普通混凝土的强度损失率达到6 0 ，可见，阿利特一硫铝 i 酸钡钙水泥混凝土的抗冻性高于普通混凝土。 ( 4 ) 经受相同温度的高温作用，相同配比的阿利特硫铝酸钡钙水泥混凝士的耐火 性能略高于普通混凝土，表现在同一温度点下，该混凝土具有较高的力学性能。 ( 5 ) 分别加入1 0 ，2 0 和3 0 的矿渣、粉煤灰，混凝土的早期强度降低，但后 期强度增长较快，其增长率高于未加掺合料的试样；在混凝土中加入矿渣、粉煤灰， 可大大提高混凝土的密实度，改善孔结构。另外，可减少水泥水化产物c h 的含量并 利用粉煤灰的各种效应( 微集料效应、形态效应、界面效应) 可达到细化孔隙、细化颗 粒、改善骨料与水泥石界面微观结构，掺合料的加入明显改善混凝土的抗渗性能，且 随掺合料的增加逐渐降低；抗冻性能随矿渣产量的增加逐渐增强，随粉煤灰掺量的增 加而降低。 ( 6 ) 通过对混凝土各龄期的水化样进行s e m 分析、x r d 分析和孔结构分析，发 现阿利特琉铝酸钡钙水泥混凝土结构中的水泥骨料界面结合较普通混凝土致密，水 化产物粒径分布更为均匀，熟料颗粒基本上被水化凝胶体所包裹，结构更为致密。粉 煤灰和矿渣的掺入，可显著改善胶凝材料颗粒的填充性和凝胶体的孔结构，在减小孔 径的同时减少了有害孔的数量，提高混凝土的抗渗性能。 关键词：阿利特一硫铝酸钡钙水泥混凝土，力学性能，耐久性，粉煤灰，矿渣 1 1 济南大学硕七学位论文 a b s t r a c t s i n c et h em i d d l el a s tc e n t u r y , m o l la n dm o r ec o n c r e t eb u i l d i n g si ne a r l yf a i l u r ea n d c o l l a p s i n ga c c i d e n tc o n c r e t es t r u c t u r eh a v eb e e no c c u r r e df o rt h e i rp o o rd u r a b i l i t ya th o m e a n da b r o a d a n d ，al o to fh u m a nr e s o u r c e s ，m a t e r i a lr e s o u r c e sa n dh e a v yc o s t sw e r es p e n t o nd e a l i n gw i t ht h o s ea c c i d e n t s f o rt h ee n g i n e e r i n gs a f e t ya n dt h ev a s te x p e n d i t u r e e c o n o m i cf a c t o r s ，t h ed u r a b i l i t yp r o b l e mo fc o n c r e t es t r u c t u r ei si n c r e a s i n g l yp r e d o m i n a n t i ti se m p h a s i z e db r o a d l yb yt h ea c a d e m i cr e a l ma n de n g i n e e r i n gf i e l dg r a d u a l l y i nt e r m s o fc a p i t a l ，l l s o u r c e sa n de n e r g yc o n s e r v a t i o n ，i m p r o v i n gc o n c r e t ed u r a b i l i t yi ss i g n i f i c a n t i nt h i sp a p e r , p r e p a r a t i o n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd u r a b i l i t yo fa l i t e c 27 5 8 12 5 a 3s c e m e n tc o n c r e t ew a ss t u d i e d t h er e s u l ts h o w e dt h ec o n c r e t eh a dp r o p e r t i e so fh i g h e r e a r l y a g es t r e n g t ha n ds t e a d i e rl a t e a g es t r e n g t ht h a np o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t e i n t h e e x p e r i m e n th i g h e rw o r k a b i l i t y c o n c r e t ew a sp r o d u c e dt h r o u g he x p e r i m e n t a lm e t h o d c o m p a r e dw i t hp o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t e ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h ec o n c r e t ew a s i n v e s t i g a t e d t h e r e s u l ts h o w e dt h a tt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f t h et w oc o n c r e t e s d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ew a t e r - c e m e n tr a t i o ( w c ) ，b u tt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h o fa l i t e c 2 7 5 8 1 2 5 a 3sc e m e n tc o n c r e t ew a sm u c hh i i g h e rt h a nt h a to fp o r t l a n dc e m e n t c o n c r e t e ，e s p e c i a l l yt h ee a r l y a g ec o m p r e s s i v es t r e n g t h t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f a l i t e - c 2 7 5 8 12 5 a 3 sc e m e n tc o n c r e t ea ta ne a r l ya g e0 f 2 4 h o u r sc o u l dr e a c h2 2 8 1 m p a f o r w c = 0 4 5 ，1 7 2 9 m p af o rw l c - - o 5 0a n d1 7 0 4 m p af o rw c = 0 5 5r e s p e c t i v e l y , a n dt h e yw e r e a b o u t5 0t o6 5p e r c e n th i g h e rt h a nt h o s eo fp o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t e t h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f7 d a y s c o u l dr e a c ha b o u t8 0t o9 0p e r c e n to f2 8 d a y s t r e n g t h i n a l i t e c 27 5 8 1 2 5 a 3ic e m e n tc o n c r e t e a l t h o u g h t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f a l i t e c 2 7 5 b i2 5 a 3sc e m e n tw e r el o w e rt h a nt h a to fp o r t l a n dc e m e n ta f t e r2 8d a y sc u r i n gi n t h ee x p e r i m e n t ，t h ec o m p r e s s i v es t r e e l g t ho ft h ec o n c r e t ew a sh i g h e rt h a nt h a to fp o r t l a n d c e m e n tc o n c r e t e t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fa l i t e c 27 5 b i2 5 a 3sc e m e n tc o n c r e t ea ta n a g eo f2 8d a y sc o u l dr e a c h5 5 8 5 m p af o rw c = 0 4 5 ，4 8 0 1 m p a f o rw c = 0 5 0a n d 4 4 2 1 m p af o rw c = 0 5 5r e s p e c t i v e l y , a n dt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fp o r t l a n dc e m e n t c o n c r e t er e a c h e d5 4 3 4 m p a 4 7 5 2 m p aa n d4 3 8 9 m p aa tt h es a m ew a t e r - c e m e n tr a t i o ( w c ) t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e ， i m p e r m e a b i l i t y a n d f r o s tr e s i s t a n c e o f j l i 网利特一硫铝酸钡钙水泥混凝士的试配及性能研究 a l i t e c 2 , 7 5 8 1 2 5 a 3 ic e m e n tc o n c r e t ew a sb e t t e rt h a nt h o s eo fp o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t e s l a ga d d e d t oc o n c r e t ec o u l dd e c r e a s e e a r l ys t r e n g t h ，h o w e v e r 2 8 一d a y ss t r e n g t h ， i m p e r m e a b i l i t yw e r ei m p r o v e d s l a ga d d e dt oc o n c r e t ec o u l di m p r o v ec o r r o s i o nr e s i s t a n c e o fc o n c r e t e ，b u tf l ya s hc o u l dn o t f l ya s ha d d e dt oc o n c r e t ec o u l di m p r o v e9 0 一d a y s s f f e n g t ha n di m p e r m e a b i l i t y t h em i c r o s t r u c t u r ea n dt h ei n t e r f a c eo fc e m e n t a g g r e g a t ew e r ei n v e s t i g a t e db y 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 ) x r da n dp o r es t r u c t u r e n er e s u l ts h o w e dt h a tt h e i n t e r f a c eo fc e m e n ta n da g g r e g a t ew a sm o r ec l o s e g r a i n e do fa l i t e c 27 5 8 12 5 a 3sc e m e n t c o n c r e t et h a nt h a to fp o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t e d i s t r i b u t i n go fp a r t i c u l a t eb u l kw a sm o r e u n i f o r m i t ya n dam a j o r i t yo fc l i n k e rw a sw r a p p e db yh y d r a t e dg e li na l i t e c 27 5 b jz s a 3s c o n c r e t e t h es t r u c t u r eo fa l i t e - c 27 5 8 12 5 a 3sc e m e n tc o n c r e t ew a sm u c hm o r ec o m p a c t t h a nt h a to fp o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t e s l a ga n df l ya s he d d e dt oc o n c r e t ec o u l di m p r o v e p o r es u u c t u r e k e y w o r d s ：c 2 7 5 8 12 5 a 3 c e m e n tc o n c r e t e ，c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，d u r a b i l i t y , f l y a s h ，s l a g v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：禹兰纽1 日期：必! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：汹导师签名她期：丝濉 1 1 研究现状 第一章绪论 1 1 1 阿利特一硫铝酸钡钙水泥混凝土概述 阿利特硫铝酸钡钙水泥是将快硬早强型矿物硫铝酸钡钙与以阿利特为主导矿物 的硅酸盐水泥熟料矿物复合而得到的新的胶凝材料。该水泥充分发挥了阿利特和硫铝 酸钡钙两种胶凝性矿物的特性，明显改善或提高硅酸盐水泥的性能，特别是提高硅酸 盐水泥的早期力学性能，减少由于体积收缩导致的微裂纹，改善水泥混凝土的耐久性 能。 将阿利特硫铝酸钡钙水泥取代普通混凝土中的胶凝材料，使该混凝土既具有普 通混凝土强度稳定发展的特性，又具有快硬早强硫铝酸盐混凝土所具有的早期强度增 进率高的优点，充分发挥阿利特一硫铝酸钡钙水泥的优点。同时，减少混凝土因干燥 收缩而引起的变形，达到改善混凝土性能，节约资源能源，降低生产成本的目的，最 终得到早强、高强及体积稳定性好的混凝土。 1 1 2 阿利特一硫铝酸盐水泥的研究现状 阿利特硫铝酸钙水泥不但具有硅酸盐水泥后期强度稳定增长的优点，而且具有 硫铝酸盐水泥的快硬早强和体积微膨胀等优良性能，是一种性能优良的节能型水泥。 近年来人们尝试利用矿渣、粉煤灰等工业废渣为原料烧制阿利特硫铝酸盐水泥并 对此展开研究。刘晓存、李艳君【卜习等人探讨了利用高炉矿渣、石膏和石灰石合成 阿利特硫铝酸盐水泥，并对用粉煤灰和磷石膏配料生产阿利特一硫铝酸盐水泥进行 了研究。结果表明，当掺加较多矿渣时，水泥强度的降低幅度较小，而当有适量 的石膏存在时，水泥的7 d 、2 8 d 强度可以赶上或超过不掺矿渣的试样。k r a v c h e n k o ， k h l o u s o v l 6 1 等研究了阿利特硫铝酸盐水泥的制备技术，并对提高水泥性能进行了深入 探讨，制备出改性的阿利特一硫铝酸盐水泥熟料。 1 1 3 阿利特一硫铝酸钡钙水泥的研究现状 阿利特一硫铝酸钡钙水泥是以硫铝酸钡钙( c ( t 。) b 。a 3 s ) 矿物优良的快硬早强性 能为出发点，改善和提高硅酸盐水泥的性能，即将硫铝酸钡钙矿物引入到普通硅酸盐 i 阿刺符一硫铝陵韧! 钙水泥琨罐十的试雕发r f 能研咒 水泥熟料矿相体系中。体系的矿物匹配关系是获得阿利特一硫铝酸钡钙水泥材料的基 础。如何实现阿利特和硫铝酸钡钙在低温下共存，并与体系内其他矿物相匹配，形成 具有良好性能的熟料矿相体系是研究的关键。程新 7 1 等人研究认为硫铝酸钡钙和硅酸 盐熟料矿物可以在低温( 低于1 4 0 0 ) 煅烧条件下实现复合与共存，这为该水泥的 研究奠定了重要基础。芦令超”、常纠1 2 1 等人在前期工作的基础上，研究了煅烧工 艺、氟化钙掺量及矿物匹配关系等因素对阿利特一硫铝酸钡钙水泥的合成及性能的影 响，结果表明：两种优良矿相能够复合并共存于同一体系中，所制备的阿利特一硫铝 酸钡钙水泥具有较高的早期力学性能。在众因素中，矿物匹配关系是影响熟料性能的 最重要因素。王来国i ”d 4 1 等以分析纯化学试剂为原料，从硫铝酸钡钙单矿物开始，分 别研究了。) b asc 3 s 二元体系，c 件。】b as - c 3 s - c 2 s - c 4 a f 四元体系以及 c ( 4 x ) b x a 3 sc 3 s 岛s 舀a c 4 a f 五元体系的制备条件及性能，探索性的研究了组成设 计、烧成制度、微量元素等因素对体系组成、结构和性能的影响，通过正交实验深入 研究了各主要因素对五元矿相体系的影响规律，为阿利特一硫铝酸钡钙水泥的合成奠 定了基础。芦令超、沈业青 1 5 - 1 7 1 等利用化学试剂研究了低硫铝酸钡钙含量的阿利特 一硫铝酸钡钙水泥熟料的组成，并应用材料热力学的基本原理对熟料组成进一步优化， 在优化选择熟料组成的基础上，考虑原料中s 0 3 和b a o 的挥发或固溶，相应提高了 s 0 3 和b a o 的掺量，并研究了熟料力学性能随s 0 3 、b a o 以及c a f 2 掺量的变化规律， 另外。对该水泥水化硬化的研究认为，p o w e r s 的胶空比经验公式f 兰a x n 适合于以c s h 凝胶为主要组成的硅酸盐水泥硬化浆体，不适合于钙矾石含量较高的阿利特一硫铝酸 钡钙水泥水化硬化浆体，钙矾石在硬化水泥浆体中的大量存在，使得浆体中多害孔孔 隙率不随总孔隙率的降低( 胶空比增加) 而降低，这是力学性能不符合f = a x o 的原因 之一。于丽波“9 1 等在研究c 2 ：，b a l2 5 a 3 - 单矿物的热稳定特性、水化特性和形成动力学 的基础上，探讨了微量元素对c 3 s c 27 5 b l 。5 a 3 i - c 2 s - c d ：与c 3 s - c 2 j 5 8 1 z s a 3 i - c 2 s c 一熟料矿物体系制备工艺和性能的影响，研究认为，在1 1 5 0 1 3 0 0 温度范围内， c 2 7 5 8 1 2 5 a 3i 的形成动力学受扩散控制，符合o l i n s t l i n g 动力学关系 f ( d 净l - 2 3 0 t - ( 1 c t ) z b = 旧t ；烧成温度为1 3 5 0 ( 2 时，c 2 7 5 b i 2 5 a 3 s 形成同时受扩散和界 面化学反应控制，并满足界面化学反应动力学方程f ( a ) = 1 ( 1 - a ) i 3 = k o - c ) t ，适量的z n o 和c a f 2 均能促进体系中f - c a o 的吸收，提高水泥的早期抗压强度；c u o 、p 2 0 s 和m n 0 2 均不利于水泥性能的发挥。 2 济南人学硕卜学位论文 硅酸盐水泥的主导矿物阿利特是一种性能良好的胶凝性矿物，但早期强度偏低。 硫铝酸钡钙矿物比阿利特有更优异的快硬早强性能，但后期强度增进率缓慢。如果用 硫铝酸钡钙矿物代替或部分取代硅酸盐水泥熟料中的c 担相，在低温条件下制备阿 利特一硫铝酸钡钙水泥，使阿利特和硫铝酸钡钙两种矿物共同发挥作用，那么将会明 显改善或提高硅酸盐水泥的性能，特别是提高硅酸盐水泥的早期强度，减少体积收缩 导致的微裂纹，改善水泥的耐久性。 1 2 混凝土的掺合料 矿物细掺料又称为辅助胶凝材料，在配制混凝土时掺入矿物细掺料，可以降低新 拌混凝土硬化过程中的内部温升，减少温度裂缝，改善施工性能，增进抗腐蚀能力和 后期强度的发展嗍。应用矿物细掺料的益处涉及节约、经济、环境保护和节省资源， 并赋予混凝土许多优点，是可持发展的2 l 世纪绿色混凝土的重要组成材料。 1 2 1 粉煤灰 粉煤灰也叫飞灰，是由燃煤热电站烟囱收集的灰尘。一般来说，粉煤灰比水泥还 细，且含有大量的球状玻璃体。粉煤灰的化学成分是由原煤的成分和燃烧条件而决定， s i 0 2 和舢2 0 3 是粉煤灰中的主要活性成分。 粉煤灰由于其本身的化学成分、结构和颗粒形状等特征，掺入到水泥混凝土中， 可产生“粉体效应”。 粉煤灰在国内已经用了许多年，但一般只把它看作一种“经济”的掺合料，并且 以普通混凝土的配比为基础来试验确定它的最佳掺量，从试验室到使用以“取代”为 出发点，以适应于水泥的条件来判断粉煤灰的效果，所以在重要工程中粉煤灰不能多 掺。但是，近二十多年来，英国、加拿大和美国等国家积极开发研究高掺量粉煤灰混 凝土，并采用新的拌合物配合比确定方法，粉煤灰在其中看作是第四组分，即除了水 泥、骨料和水以外的另一种成分。这种方法中粉煤灰用量较大，以使其更好地发挥作 用。国外己把高掺量粉煤灰混凝土用于混凝土坝、电站储油罐、污水处理厂、船坞滑 台、公路路面、机场跑道、预应力混凝土高架桥和许多特种结构，包括高强度混凝土 工程，国内上海的洋浦大桥、南浦大桥、三峡工程也都采用。 1 。2 1 粉煤灰的“粉体效应” 粉煤灰由于其本身的化学成分、结构和颗粒形状等特征，在混凝土中可产生下列 3 阿刊特硫锚酸铡钙水泥混凝十的试配及忭能研究 三种效应，总称为粉煤灰的“粉体效应”1 2 1 1 。 ( 1 ) 活性效应 粉煤灰中含c a o 很少但含有大量的活性s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，它们没有水硬性，它们 的活性能在常温下被水泥水化时析出的c a ( o l - l h 激活，和它产生二次反应( 火山灰反 应) ，生成具有胶凝性能的水化硅酸钙和水化铝酸钙。水泥水化产物主要是钙硅比为 l 矗1 9 的高碱度水化硅酸钙( c s 1 5 者) 和游离石灰。b b 依留辛等研究了合成的水 化硅酸钙晶须的抗拉强度1 2 2 1 ，研究表明，低碱度水化硅酸钙晶须的抗拉强度为 1 3 0 0 m p a ，而高碱度水化硅酸钙晶须的抗拉强度，仅是低碱度水化硅酸钙晶须抗拉强 度的一半。而且低碱度水化硅酸钙的稳定性也高于高碱度水化硅酸钙，所以掺入粉煤 灰后，通过二次反应不但能减少或消除游离f - c a o ，还可以生成强度更高、稳定性更 优的低碱度水化硅酸钙。粉煤灰的掺入也链改善水泥石与集料的界面结构。关于水泥 石与集料界面的微观结构模型已提出了很多网，因为界面的微观结构会对混凝土的强 度、耐久性和渗透性产生显著影响，所以界面的改进值得重视。用粉煤灰替代部分的 水泥由于它的颗粒细化作用使界面更加密实，同时有效抑制c a ( o l - l h 在界面上的富 集，提高了界面的粘结强度。 ( 2 ) 形态效应 粉煤灰在高温燃烧过程中形成的粉煤灰颗粒，绝大多数为玻璃微珠。过去认为这 种颗粒小、需水性大的掺料，似乎不会增大而只会减小流动性，但事实上，在高效减 水剂的协同作用下，小的圆球形颗粒的表面覆盖一层表面活性物，使颗粒之间产生静 电斥力，由于粉煤灰的颗粒较小，能在水泥颗粒之间起到“滚珠”作用，使水泥浆体 的流动性增加硎。更重要的是，未加掺合料的浆体中，由于水泥粒子之间的空隙未被 固体颗粒填充，处于水泥颗粒表面的水分较少，而填充于水泥颗粒空隙中的填充水很 多，当粉煤灰的微细粒子填充于水泥粒子之间的空隙之中时，将原来填充于空隙之中 的水置换出来，成为自由水，粒子之间的隔水层加厚，因此混凝土拌合物的流动性增 大。 ( 3 ) 微集料效应 人们在研究混凝土材料时，十分注意租细集料的颗粒级配，使粗细颗粒互相有良 好的填充。以减少集料的空隙率，但人们往往忽视了混凝土材料中胶凝材料部分( 水 泥+ 掺合料) 的颗粒级配问题瞄- 2 7 1 。通常水泥鬏粒问的填充性并不好，如果在水泥中掺 入超细矿物掺料，如超细粉煤灰和超细矿渣，则可大幅改善胶凝材料颗粒的填充性。 4 济南大学顾卜学位论文 粉煤灰的掺入还能改善凝胶体的孔结构，减小孔径的同时减少了有害孔的数量，提高 水泥石的致密度、抗渗性和强度。 1 2 1 2 粉煤灰对混凝土力学性能的影响 因为粉煤灰具有显著的活性效应，粉煤灰中的大量活性成分与水泥水化产物 c a ( o h ) 2 发生火山灰反应，生成c s h 凝胶，使界面粘结强度得到相应提高，所以掺 粉煤灰的混凝土后期强度高 2 8 1 。根据i k , i a s a ok u r o d a 的试验结果1 2 9 1 可知掺入粉煤灰的 界面强度在前期比较低，这主要是因为掺入粉煤灰的混凝土早期水化速度慢，上述作 用的发挥需要一定的时间，所以从图上我们可以看到粘结强度逐渐增大，2 8 天强度 明显高于不加粉煤灰的混凝土另有试验表明1 3 0 1 ，当粉煤灰掺量为4 0 时，混凝土 的2 8 天抗压强度为5 0 t m p a , 5 6 天抗压强度为6 8 9 m p a ，增长3 8 。 1 。2 1 3 粉煤灰对混凝土耐久性麓的影响 ( i ) 粉煤灰对混凝土渗透性的影响 众所周知，混凝土的抗渗性是表达其耐久性的综合指标。近年来国内外大量报导 说明1 3 1 - 3 2 1 ，掺粉煤灰的混凝土由于微集料作用和火山灰效应，其抗渗性都得到明显的 提高，比较它们抗渗性差异，一般不采用抗渗标号，而是以渗透系数k 值测定。 ( 2 ) 粉煤灰对碱一集料反应的抑制作用 碱一集料反应引起的破坏，是在有水的条件下，混凝土中的碱( n a 2 0 + 0 6 7 8 k 2 0 ) 与骨料中某些活性成分反应，生成类似水玻璃的反应物，体积膨胀，致使混凝土产生 由里及表的不规则龟裂，裂缝中含有胶状物，旱季时粉化呈白色。此种破坏一旦发生， 几乎不可治愈，历史上曾给许多重大工程带来惨痛的损失。我国( 特别是北部地区) 水 泥的含碱量普遍较高，加之含碱外加剂的广泛使用，因此混凝土潜在的碱一集料反应 一直受到人们的重视嘲。按集料反应组分的种类，一般把碱一集料反应分为两类：一 类为碱一硅酸反应，是指碱与集料中活性s 她反应，生成碱一硅凝胶，凝胶吸水肿胀 导致混凝土膨胀或开裂。另一类为碱一碳酸盐反应，是指碱与集料中微晶白云石反应 生成水镁石和方解石，在白云石表面和周围基质之问的受限空问内结晶生长，使集料 膨胀，进而是混凝土膨胀开裂。在混凝土中掺入粉煤灰对碱一集料反应有抑制作用， 试验表明，掺3 0 的级磨细粉煤灰，即可满足抑制碱一集料反应的工程要求。 试验还发现，几乎任何低钙的矿物细掺料在足够的掺量下都可防止碱一集料反应造成 的破坏 3 5 1 ，但是如果掺量太小，则会增加碱一集料的破坏作用1 3 6 。 阿利特一硫错酸钡钙水泥混凝十的试酡及中 能研究 1 2 2 矿渣 矿渣是由炼铁时排出的处于熔融状态时的炉渣经急速水淬而成。它含有大量的 c a o ( 约3 5 - 4 8 ) ，并含有活性s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，它们本身无独立的水硬性，但在c a o 、 c a s 0 4 的作用下。其潜在的水硬性可以被激发出来，产生缓慢的水化作用，若在n a 2 0 、 k 2 0 等碱金属化合物的激发下，会产生强烈的水化作用，形成坚强的硬化体，这就是 所谓的碱矿渣胶凝材料 3 7 1 。矿渣和水泥一样是高性能混凝土必不可少的组分，随着高 性能混凝土应用技术的发展和进步，优质的矿物掺合料的需求量越来越大。 矿渣中含有钙镁铝黄长石和很少量的硅酸一钙和硅酸二钙等结晶态组分，因此它 具有微弱的自身水硬性。粒径大于4 5 1 m a 的矿渣颗粒很难参与水化反应，因此要求用 于高性能混凝土的矿渣粉磨至比表面积超过4 0 0 0 c m 2 g ，以较充分地发挥其活性，减 小泌水性。粉磨矿渣需要消耗能源，成本较高，矿渣粉磨的越细，掺量越大则低水 胶比的高性能混凝土拌和物越粘稠。因此磨细矿渣的比表面积不宜过细，应综合考虑 其利弊。 1 2 2 1 矿渣对混凝土力学性能的影响 在低水胶比的情况下，矿渣对混凝土强度的影响与高水胶比的情况显著不同。由 于矿渣的水化比纯水泥要慢( 需要水泥水化产生的氢氧化钙来激发) ，在高水胶比的情 况下，绝大部分水泥的水化都能得到充足的水分供应，因而表现为纯水泥混凝土的早 期强度比掺矿渣的混凝土早期强度高，但由于矿渣的潜在活性作用，矿渣在水泥水化 后期( 一般在2 8 天以后) 表现出增强作用，于是掺矿渣混凝土的后期强度常常高于不 掺矿渣混凝土后期强度 3 8 1 。而当水胶比很低时，水泥因水分不足而难以充分水化，水 泥用量大的混凝土，放热量大，温度升高，影响了强度的发展，使纯水泥快速水化的 优势无法表现出来，而当水泥被一部分矿渣取代时，由于矿渣的活性较高，能够提高 水化产物的质量，而且由于矿渣的水化比水泥慢，使水泥早期的水化比较充分。因此， 掺矿渣混凝土后期强度比不掺矿渣混凝土高，而且早期强度就可以超过对比混凝土相 应强度。 1 2 2 2 矿渣对混凝土耐久性能的影响 ( 1 ) 干燥收缩 含磨细矿渣的混凝土，自加水拌合后，水化反应较慢，在初期。从混凝土蒸发的 水量比基准混凝土的大，干缩率与硬化收缩率的总和，比基准混凝土大。王昌义等人 6 济南人掌硕卜掌位论文 的试验结果表明引气和非引气的两种磨细矿渣混凝土在水中养护1 4 d 后，放入恒温干 缩室，发现两种混凝土均有补偿收缩的铯力，它们在水中的湿胀率是普通混凝土的 1 0 倍和8 倍，它们在空气中的干缩率降至普通引气混凝土的4 9 和5 7 。这就确保 了矿渣混凝土的体积稳定性，避免产生收缩裂缝。 ( 2 ) 抗氯离子渗透 由于通常的抗渗标号都无法测试高强高性能混凝土的渗透性，其它渗透性方法又 过于复杂，国内外现在都倾向于用氯离子扩散系数和电量来测试和评价混凝土的渗透 性。分析矿渣对混凝土抗氯离子渗透能力的影响机理，发现矿渣对混凝土的孔径分布、 孔的几何形状的改善有很好的作用，矿渣混凝土水化时能产生较多的c - s h 凝胶，而 c s h 凝胶吸附一部分氯化物于其中，并可堵塞扩散通道，造成氯离子扩散系数下降， 由此可见矿渣能显著改善混凝土的耐久性。 ( 3 ) 抗硫酸盐侵蚀 矿渣加到混凝土中以后，一方面粒子本身填充孔隙，堵塞连通孔通道，提高混凝 土的密实性；另一方面，矿渣水化产生的c - s h 也进一步密实了混凝土结构。j g e i s e l e r 等人的试验结果发现矿渣掺量越高，毛细孔体积越小 3 9 1 ，因此使用矿渣可以提高混凝 上的密实性，阻碍硫酸盐离子的渗透，增强混凝土对抗硫酸盐侵蚀的能力。c a ( o h ) 2 是混凝土中易受侵蚀的组分，掺入矿渣后由于混凝土中水泥熟料的含量相对减少，水 化产物稳定存在的碱度降低，稳定性增强，因此混凝土中抗硫酸盐侵蚀能力大大提高。 由于矿渣水化速度慢，混凝土水化过程中释放的热量容易散发出去，从而减少温度裂 缝，改善抗硫酸盐侵蚀的能力，这一点对大体积工程尤为重要。 1 3 研究的目的及意义 自1 9 世纪2 0 年代波特兰水泥问世以来，混凝土材料及其应用技术得到不断发展。 与其它材料相比，混凝土可按要求浇注成型，经济、节能，而且是最耐久的材料之一 4 0 l 。混凝土的这些特点使它成为现代土木工程中不可缺少、用量最大、用途最广的建 筑材料。 混凝土耐久性不足而导致结构破坏的现象日益增多。国内外都出现了相当多的混 凝土结构物因环境作用，没有达到预期的使用年限而过早破坏的实例，造成的经济损 失不容忽视。 在美国等一些发达国家发现：五十年代以后修建的混凝土工程设施，尤其是混凝 土桥面板，这类工作环境较为严酷的结构物，要比二、三十年代，乃至使用年代更长 7 阿利特一硫错般车贝钙水泥混凝十的试配及件能研究 i i i 量置置一 久的，先出现病害、开裂甚至严重损坏混凝土结构物过早劣化，产生危机的种种现 象，国内的情况也十分近似。典型的例子，如北京西直门立交桥，建成不到2 0 年， 就多处出现严重的病害，加上交通流量的限制，不得不拆掉重建；许多新建的高速公 路混凝土路面，甚至只运行短短的几年时间，就到处出现断板、错台、网状开裂、剥 落露石等，以至九十年代初因沥青道路遭受水灾毁坏，转向大力发展水泥混凝土路面 的南方几个省份，前两年又走了回头路 4 2 - 4 4 1 。产生耐久性的原因上，也非常相似。目 前，我国正在致力于有史以来最大规模的基本建设，同时也面临着耐久性问题带来的 重大压力。 从本世纪6 0 年代开始，混凝土结构的耐久性问题已成为国际学术机构或国际学 术讨论的重要课题之一我国对混凝土结构耐久性的研究起步于6 0 年代初南京水利 科学研究院的钢筋锈蚀研究，我国今后二十年的结构工程学科发展战略已将结构物的 损伤累积及耐久性研究作为优先发展的领域之一我国资金、能源短缺，资源也不丰 富，就更应该在战略上深谋远虑，重视能够节省能源的措施。提高混凝土的耐久性， 是达到这一目的的最好途径，其经济效益和社会效益是不言而喻的h 5 删。 合理选用水泥品种成为配制性能优异混凝土的关键。传统水泥工业在为人类社 会发展做出巨大贡献的同时，其性能方面的不足日渐显现。普通硅酸盐水泥早期力学 性能偏低，硬化水泥浆体体积收缩而引起收缩裂纹，影响着水泥混凝土的稳定性与耐 久性。混凝土快速硬化问题具有重要的现实意义，如在要求尽快完工或在冬期施工中。 另外，混凝土硬化快可加速模板的周转率，缩短生产周期和提高生产效率。 济南大学程新课题组对于掰利特一硫铝酸钡钙水泥体系的制备工艺与技术方面 进行了探索和研究，并工业化制备了性能良好的阿利特硫铝酸钡钙水泥。但目前国 内外尚无对阿利特一硫铝酸钡钙水泥混凝土作相关报道。水泥在工程中的应用主要是 用以配制混凝土。因此，对该水泥混凝土的配制及性能开展研究十分必要，也很紧迫。 对该水泥在土木工程中的推广应用研究显得尤为重要。 1 4 研究内容 本课题就是用阿利特一硫铝酸钡钙水泥作为胶凝材料配制系列混凝土，研究这类 混凝土的各种性能及其影响因素。达到提高混凝土性能，最终得到早强、高强及体积 稳定性好，耐久性能好的混凝土，实现混凝土可持续发展的科技之路。主要研究内容 包括： l 、混凝土配合比设计 3 参考混凝土配合比设计手册，配制c 4 0 阿利特硫铝酸钡钙水泥混凝土。 2 、未加掺合料混凝土性能的研究 对不同水灰比的阿利特一硫铝酸钡钙水泥混凝土的力学性能、抗渗性能、抗冻性 能以及耐火性能进行研究，并与相同配比的普通混凝土的相应性能进行对比研究。 3 、加掺合料混凝土性能的研究 分别掺加1 0 、加、3 0 的矿渣和粉煤灰，研究掺合料对阿利特一硫铝酸钡钙 水泥混凝土的力学性能、抗渗性能和抗冻性能的影响；并与相同掺合料掺量的普通混 凝土进行了对比研究。 9 阿利特硫铝瞍钡钙水泥混凝十的试配及性能研究 2 1 原材料 第二章实验原料、设备和方法 水泥( c ) ：普通硅酸盐水泥( 以下简称p ) ，采用山东山水集团长清水泥厂生产 的r 0 5 2 5 r 级普通硅酸盐水泥；阿利特一硫铝酸钡钙水泥( 以下简称l ) ，采用淄博齐 银特种水泥厂生产的阿利特一硫铝酸钡钙水泥熟料+ 5 工业石膏，粉磨至2 0 0 日筛 筛余量 9 5 ，脱模后立即放入2 0 水中养护至规定龄期。在标准养护室内将用于 做抗渗试验的试样放在架上，彼此间隔l e m 2 e m ，并应避免用水直接冲淋试件。 2 4 性能测试 ( 1 ) 抗压强度测试 抗压实验使用y e 一3 0 型液压式压力试验机。测试时将净浆小试体放在测试夹具 上，下台面之间，试样的受压面中心通过下台板球轴心，试样的成型表面与受压面垂 直。开机后试样在指定负荷速率范围内加载破坏。抗压强度计算见公式( 2 1 ) 。 一三 公式( 2 1 ) 仃= 一 7 s 盯抗压强度m ：p a ；f - 破坏载荷小；s 试样受压面积m m 2 ( 2 ) 物相组成分析 用德国布鲁克公司d 8 a d v a n c e 型x 射线衍射仪( x r d ) 分析水泥熟料及水化产 物的矿相组成。 ( 3 ) 微观结构分析 用日本日立s - 2 5 0 0 型扫描电子显微镜( s e m ) 对熟料矿物和水化产物的形貌、结晶 状况进行观察；用英国牛津仪器公司l i n ki s i s 一3 0 型能谱仪( e d s ) 对微区的化学成分 进行分析。 ( 4 ) 孔结构分析 用美国q u a n t a c h r o m e 公司生产的p o r e m a s t e r - 6 0 全自动孔隙率分析仪( 压汞仪) 1 2 对硬化水泥浆体的孔隙率、孔径尺寸分布、孔的内比表面积进行测量分析，研究硬化 水泥浆体结构，并以此为基础研究矿物或水泥的机械性能。 第三章阿利特硫铝酸钡钙水泥混凝土的试配及性能研究 3 1 配合比设计 混凝土配合比的设计可以分成三个主要环节。第一、以水泥和水配成一定水 灰比的水泥浆，以满足要求的强度和耐久性。第二，将砂和石子组成空隙率最小、 总表面积不大的集料，也就是决定砂石比或砂率，以便在经济的原则下，达到要 求的和易性。第三、决定水泥浆对集料的比例，常以每立方米混凝土的需水量或 水泥用量来表示 z r r l 配比设计方法不仅仅以抗压强度和和易性为准则的配比设计，应在配比设计 中弓l 入更多的混凝土的性能指标以实现混凝土的多目标联合设计；参照普通混凝 土配合比设计原则，初步计算、设计配合比。 3 1 1 确定理论配合比 ( 1 ) 按照设计要求，混凝土配制强度应按3 1 式计算： 厶庀k k + 1 6 4 5 a 公式( 3 1 ) 式中： - ，0 0 混凝土的配置强度( m p a ) ： 允k 混凝土立方体抗压强度标准值( 础p a ) ； o 混凝土强度标准差( m p a ) 。 ( 2 ) 确定水灰比w c ： 混凝土的强度主要取决于其水灰比值。当其他条件相同时，水灰比愈大，则混凝 土强度愈低：反之，水灰比愈小，则混凝土强度愈高。它们之间的关系可用3 2 式表 示( 此式适用于混凝土强度等级小于c 6 0 级) ： w