（材料学专业论文）掺预水化粉煤灰、磨细矿粉混凝土的配制技术及工程应用.pdf

硕士论文 摘要 摘要 本文研究采用预水化粉煤灰、磨细矿粉配制混凝土，并成功地应用于工程实 际中，这对节约能源和资源、改善环境具有重要的现实意义及良好的经济效益和 社会效益。 研究表明，磨细矿粉的细度对混凝土的力学性能有重要影响，从技术和经济 上综合考虑，磨细矿粉细度为7 6 0 0 e m 2 g 时较为理想。 混凝土中预水化粉煤灰和磨细矿粉的掺量存在最佳范围，实验表明，双掺时， 磨细矿粉掺量为4 0 ，预水化粉煤灰掺量为1 5 ，此时，混凝土2 8 天抗压强度 提高1 6 ，抗渗等级达p 1 2 。 预水化粉煤灰和磨细矿粉的掺入，大大延缓了混凝土的初凝时间，不利于 在工程实际中应用。本文通过掺入新型混凝土旱强剂，有效地解决了混凝土凝结 时间过长的问题，实验结果表明，掺入1 5 早强剂后，混凝土初凝时间可控制在 1 卜1 5 小时范围内。 掺加预水化粉煤灰和磨细矿粉能有效地改善混凝土的工作性，有利于泵送， 试验表明，混凝土泵送压力从1 8 b a r 下降到l o b a r ，压力泌水下降了4 4 。 实际工程中，混凝土易出现早期收缩裂缝，针对这一现象，本文通过在混 凝土中掺入改性聚丙烯纤维，有效地控制了混凝土的早期收缩裂缝，并在工程中 得到成功应用。 针对道路工程的实际需要，研究采用钢纤维增强混凝土浇筑混凝土路面，实 验表明，钢纤维的加入可以大幅度提高混凝土的抗折强度、韧性和阻裂能力，并 能有效地减小混凝土的收缩。 本文对掺预水化粉煤灰、磨细矿粉、纤维的混凝土的质量控制以及影响质量 的因素也进行了较为详细的分析，具有一定的参考价值。 关键词：预水化粉煤灰、磨细矿粉、聚丙烯纤维、钢纤维、工作性、可泵性、凝 结时间、强度、混凝土、工程应用、质量控制 堡主丝塞一一! ! 里 a b s t r a c t t 1 1 i sp a p e rr e s e a r c h e dc o n c r e t eu s e dp r e - h y d r a t e df l ya s h ( p h f a ) a n dg r o u n d g r a n u l a t eb l a s t f h r n a c es l a g ( g g b s ) ，w h i c h h a sb e e na p p l i e di nf i e l d n er e s u l t so f t h i sr e s e a r c hh a v ew e l le n v i r o n m e n t a l ，e c o n o m i c a la n ds o c i a le f f e c t so n c o n s t r u c t i o n e n g i n e e r i n g f o l l o w i n g r e s u l t sc a nb eo b t a i n e df r o mt h i sr e s e a r c h f i r s t l y , t h ef i n e n e s so ft h eg o b sh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f t h e c o n c r e t ep r e p a r e d i nt h et e c h n i c a la n de c o n o m i c a lv i e w7 6 0 0c m z g i st h em o s ti d e a lf i n e n e s s s e c o n d l y , t h er e p l a c e m e n to f c e m e n tb yt h ep h f aa n dg g b sh a so p t i m a lr a n g e r e s p e c t i v e l y n l ce x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d t h a tw h e n 血er e p l a c e m e n to fc e m e n t b y t h ep h f aa n dg g b sw e r e1 5 a n d 4 0 r e s p e c t i v e l y , t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f t h ec o n c r e t ew a s 1 6 h i g h e rt h a nt h ep l a i nc o n c r e t e n l eg r a d eo fp e r m e a b i l i t yw a s p 1 2 t h i r d l y , u s i n g an e wk i n do f e a r l y h i g h - s t r e n g t ha d m i x t u r e ，t h ep r o b l e mo f r e t a r d s e t t i n gt i m eo ft h ec o n c r e t eu s e dp h f a a n dg o b sc a r lb er e s o l v e dr e a s o n a b l y w h e n t h em a s s c o n t a i n i n g w a s1 5 t h es e t t i n gt i m ec a l lb ee o n l x o l l e di n1 0 - 1 5h o u r s f o u r t h l y , u s i n gp 】m 谴a n dg g b s c a ni m p r o v et h ew o r k a b i f i t yo ft h ec o n c r e t e w h i c hh a dg o o de f f e c to n p u m p i n g 皿ep u m p i n gp r e s s u r er e d u c e d f r o m1 8b a rt o1 0 b a ra n dt h e b l e e d i n gu n d e rp r e s s u r ew a s 4 4 l o w e rt h a nt h ep l a i nc o n c r e t e f i f t h l y , t h ec r a c k i n go fc o n c r e t eo nt h ee a r l ya g ei s af r e q u e n tp r o b l e m u s i n g p o l y p r o p y l e n ef i b e rc a l le f f e c t i v e l yr e d u c et h es h r i n k a g ei nt h ee a r l ya g e n l i sr e s u l t h a sb e e nu s e di nf i e l d f i n a l l y , d u et o t h er e q u i r e m e n to fr o a de n g i n e e r s ，s t e e lf i b e rw i t su s e di nt h e c o n c r e t e s t e e lf i b e rc a n i m p r o v e t h ef l e x u r es 订e n g t h ，t o u g h n e s sa n dt h er e s i s t a n c eo f c r a c k i n go f t h ec o n c r e t e ；f u r t h e r m o r e ，i tc a l li m p r o v e t h er e s i s to f s h r i n k a g e e x p e r tf o rt h et e c h n i c a lp r o b l e m s ，t h eq u a l i t yc o n t r o lo ft h ec o n c r e t ec o n t a i n e d p h f a ，g g b s ，p o l y p r o p y l e n ef i b e ra n ds t e e lf i b e rv c a sa l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h em a i nf a c t o r sc o n t r o l l i n gt h eq u a l i t yw e r e p r o p o s e da n da n a l y z e d ，w h i c h w i l lh a v e c e r t a i nr e f e r e n c et ot h er e a lp r o j e c t k e yw o r d s ：p r e - h y d r a t e df l ya s h ( p h f a ) ，g r o u n dg r a n u l a t eb l a s t - f u r n a c es l a g ( g g b s ) ，p o l y p r o p y l e n ef i b e r , s t e e lf i b e r ，w o r k a b i l i t y , p u m pa b i l i t y , s e t t i n gt i m e ， s 打e n g t h ，c o n c r e t e ，e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，q u a l i t y c o n t r 0 1 硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 混凝土的应用及发展现状 混凝土是由胶结材、颗粒状集料和水以及必要时加入化学外加剂和矿物掺合料 按适当比例配合的混合料，经硬化后形成的具有堆聚结构的复合材料，是一种使用 最为广泛的工程材料，具有原料丰富、造价低廉、制作简单、造型方便、坚固耐久、 维修费低、耐火耐震等优越性【l 】。但混凝土同时存在抗拉、抗折强度低，脆性系数大， 容易裂缝，自重大等缺陷。这些缺点限制了混凝土的使用范围，这就要求对混凝土 要不断地进行技术革新，预应力混凝土及膨胀混凝土的出现提高了混凝土的抗拉强 度。高效减水剂的出现也为混凝土的高性能化提供了保障。 从新石器时代的泥结卵石，草筋混合砂浆，经历石灰( 石膏) 三合土，火山灰 石灰混凝土、牛马血、糯米等外加剂混凝土【2 】，到近代波特兰水泥混凝土，钢筋混凝 土、预应力混凝土、纤维或聚合物增强混凝土以及高强度高性能混凝土，混凝土的 发展主要遵循复合化、高强化、高性能化三条技术路线，在提高性能增加品种与扩 大应用的相互促进下，混凝土发展成为当代最主要的结构工程材料，也是最大宗的 人造材料，不断推动着人类文明的进步。 混凝土高强化一直是该领域的科技人员努力的方向，自从1 8 2 4 年阿斯普丁 ( j a s p d i n ) 发明波特兰水泥，1 8 5 0 年出现钢筋混凝土以来作为重要的结构材料， 强度一直是混凝士的主要性能指标；加之混凝土强度取决于密实性，后者又与耐久 性密切相关，因此，高强度一直认为是优质混凝土的特征。随着强度与孔隙率关系 和水灰比定则等的建立，长期以来强度成为混凝土配合比设计以及生产和应用的首 要性能指标，甚至唯一指标。但一些发达国家配合比设计已从“强度设计”过渡到 “性能设计”。例如欧洲的r i l e m 已经制定了混凝土性能设计准则。1 9 9 0 年美国n i h 与a c i 召开会议，首先提出了高性能混凝土( h p c ) 这个名词，使各国对混凝土耐 久性的重视程度，提到了十分重要的高度。 作为主要的结构材料，混凝土耐久性的重要性本不亚于强度和其它性能指标， 不少混凝土建筑因材质劣化引起开裂破坏甚至崩塌，水工、海工、建筑与桥梁，大 为多见。在2 0 世纪3 0 年代，水工混凝土就要求同时按强度与耐久性来进行混凝土 配合比设计，有时重要建筑物、高层建筑、大跨桥梁、采油平台、压力容器等对耐 久性有更高的要求，以保证安全。随着施工技术的进步和结构中混凝土均匀性要求 硕士论文 第一章绪论 的提高，工作性成为另一重要性能指标。另外体积安定性、变形、抗冲击、耐磨、 疲劳、耐化学腐蚀等性能也受到重视p j 。 h p c 作为混凝土发展的一种趋势，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，选用优质原材料，在严格的质量 管理条件下制成的。除了水泥、水、集料以外，必须掺加足够数量的细掺料与高效 减水剂。h p c 对于混凝土的耐久性、工作性、各种力学性能、适用性、体积稳定性 以及经济合理性都有重要作用。h p c 不仅在性能上对传统混凝士有很大突破，在节 约资源、能源，改善劳动条件，经济合理等方面，尤其是保护环境方面，有着十分 重大的意义【4 】，因此是一种可持续发展的绿色材料。 1 2 活性外掺料的应用现状 1 2 1 粉煤灰的应用现状 粉煤灰是一种人工火山灰材料，是从煤粉炉中收集到的细颗粒粉末，应用粉煤 灰配制混凝土，可以改善混凝土的某些性能，提高工程质量和降低工程成本的目的， 利用粉煤灰有利于保护环境，降低工业能耗。随着现代工业的发展，能源短缺、环 境污染以及矿物资源枯竭等问题表现得愈来愈突出【5 1 。实践证明，合理利用粉煤灰资 源，对于节省能源，消除环境污染，摆脱制约能源部门发展等方面，有着非常重要 的技术经济意义和社会意义，也顺应了高性能绿色混凝土的发展理念。 我国的粉煤灰资源十分丰富，1 9 9 6 年我国发电厂燃煤灰渣约1 4 亿吨，已成为 世界上数一数二的粉煤灰资源大 t 6 j 。9 0 年代初，我国粉煤灰科技专家就曾研讨粉 煤灰发展的“工程一环境一能源一经济”四位一体的协同系统战略。目前仅上海地 区粉煤灰的年排放量就达5 0 0 万吨【8 j 。镇江谏壁电厂每年排放2 0 0 万吨以上粉煤灰， 粉煤灰中的磨细灰的开发利用成绩蔚然，已达当年排放量的全部利用水平，但约6 6 的粗灰因其活性较差，仅作筑路、回填等用途【7 1 。尤其是湿排灰，活性远较干排灰差， 本文就是利用经预处理后的湿排灰进行试验，目的是为了开拓该种粉煤灰的应用范 围。 粉煤灰预处理系根据粉煤灰硅酸盐系统的水化机理，通过将粉煤灰、石灰、石 膏、水等物质的混合物水化到一定程度，再进行热处理，得到类似于硅酸盐水泥的 水硬性胶凝材料【6 】，经磨细后可直接作为胶凝材料使用，也可掺入水泥、混凝土中使 用。 硕士论文 第一章绪论 1 2 2 磨细矿粉的研究应用现状 自1 8 6 2 年，德国e m i l l a n g e n 发现水淬高炉矿渣具有潜在水硬性以来，矿渣被长 期作为水泥的活性混合材料使用1 8 。18 6 5 年德国开始生产石灰矿渣水泥，1 8 8 0 年初 次生产矿渣硅酸盐水泥，此后，矿渣硅酸盐水泥的良好耐久性及应用价值不断被人 们认识，在1 9 世纪初，便在欧洲得到了广泛应用 9 1 。1 9 3 3 年，t r i e f 创造了湿碾矿渣 混凝土技术，5 0 年代，这一技术在预制混凝土中得到应用。1 9 5 8 年南非解决了湿碾 矿渣浆体无法贮存而影响的缺点，将水淬矿渣烘干磨细，这样磨细矿粉便可像波特 兰水泥一样地贮存和运输，从而实现了用波特兰水泥和磨细矿粉直接加工矿渣硅酸 盐水泥的目的，这样其配比可以方便地调整以获得最佳技术性能。进入6 0 年代，随 着预拌混凝土工业发展，磨细矿粉作为混凝土的独立组份得到了广泛采用【】。 在欧洲，高炉矿渣被单独粉磨，并作为独立组分广泛应用于混凝土工程之中， 磨细矿粉掺量占6 5 7 0 的矿粉硅酸盐水泥，占到荷兰水泥销售总量的6 0 ，各种混 凝土结构都采用这种水泥1 8 。英国使用磨细矿粉配制的混凝土每年产量可达8 0 0 万立 方米 1 0 1 。目前许多欧洲国家已经规定硅酸盐水泥用于海工钢筋混凝工结构时一定要 掺占水泥用量7 0 左右的磨细矿粉 1 l j 。 我国清华大学对磨细矿粉在高强混凝土中的应用进行了研究，在其编写的高 强混凝土结构设计与施工指南中特别提到了磨细矿粉在制备高强混凝土方面的巨 大潜力。冶金部建筑研究总院进行了高炉矿粉成套技术的开发和研究工作，在生产 工艺、产品性能、磨细矿粉混凝土性能等方面获得了大量的研究成果。东南大学材 料科学与工程系高建明教授与南京江南粉磨有限公司联合研制出掺磨细矿粉的 c 3 0 c 8 0 混凝土【1 2 1 ，并在国内多次应用于高层建筑试点工程。实践证明，在高效减 水剂的配合使用下，掺加4 0 以上以磨细矿粉为主要组分的活性废渣掺合料，完全 能够满足高性能混凝土的性能要求t 1 3 】。 利用矿粉制备高性能混凝士的可能性在国际上已有先例，但仍有诸多科学技术 和基本理论问题没有解决，影响到矿粉的有效利用和全面推广，主要体现在以下方 面： 1 、矿粉的细度与掺量对高掺量废渣混凝土性能的影响。超细矿粉的火山灰效应、 微集料效应会使水泥基复合材料产生高的物理力学性能和长期耐久性。但对于矿粉 来说，在水泥基复合材料中掺到多少时可以满足复合材料特定的性能需要，其最大 掺量可以达到多少，这些都是需要解决的问题。 2 、采用复合技术将磨细矿粉与粉煤灰按照一定的比例混合起来，充分发挥废渣 硕士论文 第一章绪论 自身特点和优势。磨细矿粉及与其它废渣的合理组合，使水泥基在结构形成过程中， 除发挥火山灰效应及微集料效应外，诸废渣间相互补充、相互激发、相互促进，将 优化水化产物，改善孔结构，产生更高的物理、力学和长期耐久性。避免用单一废 渣对产生高性能所带来的先天不足。 3 、对大掺量废渣水泥基高性能混凝土性能的研究起点不高，难以满足不同建筑 结构的应用要求。为最大限度节省水泥和能源，应制备高与超高强、高耐久、高抗 渗、高抗冲、高耐磨等功能的水泥基复合材料，为促进建筑结构改革与新的设计方 法提供理论依据。 4 、磨细矿粉及磨细矿粉与粉煤灰的复合对混凝土产生高性能与超高性能所发挥 的火山灰效应，微集料效应及两种效应的协同，互补与匹配关系应该有所研究，同 时还应分析各效应在结构形成过程中的变化，另外，影响水泥基复合材料产生高与 超高性能的关键的界面和孔结构也是值得探讨的问题。 1 3 纤维在混凝土中的应用现状 混凝土作为一种优良的建筑材料在工程中广泛使用，但是，它存在一个主要的 缺陷，即材料的脆性大，易产生裂缝。它的抗压强度虽然比较高，但其抗拉、抗弯、 抗冲击、抗爆以及韧性等性能都比较差，纤维混凝土就是在考虑如何改善混凝土的 脆性，提高它们的抗拉、抗弯、抗冲击和抗爆等性能的基础上发展起来的，它是将 短而细的分散性纤维，均匀地撒布在混凝土基材中而形成的一种新型建筑材料【】。 纤维对混凝土改性效果的大小取决于纤维与混凝土之间的界面、纤维的类型、 几何尺寸、纤维在混凝土中的分布密度、方向等因素，这些都与纤维增强混凝土的 微观结构有关。l a n g e 认为，纤维的主要作用是通过桥接作用来限制微观裂缝的发展， 从而改善混凝土的性能。纤维混凝土较普通混凝土有较好的物理力学性能，高的抗 裂性即高的抗拉、抗弯、抗疲劳性能，良好的韧性即高的抗冲击、抗爆性 能【15 1 。 根据纤维弹性模量的高低可将纤维分为低弹模纤维和高弹模纤维，低弹模纤维 其弹性模量比混凝土的弹性模量小，一般只能用于提高混凝土的延性、抗冲击性能 等与塑性有关的物理性能，不适合作增强材料，低弹模纤维常用的有尼龙、聚丙烯、 聚乙烯、人造丝等。目前聚丙烯纤维应用较广泛，但由于聚丙烯与水泥的相容性差， 水泥不易附在纤维表面，为了提高聚丙烯纤维的效果【9 】，改性聚丙烯纤维就应运而生 了。 高弹模纤维则不仅能提高上述性能，还能使混凝土的抗拉强度和韧性有较大提 4 硕士论文 第一章绪论 高，常用的有纤维有钢纤维、碳纤维、石棉纤维、玻璃纤维、晶须、氧化铝纤维等l l 。 s d s h a h 认为，纤维混凝土( f c ) 在水泥基复合材料刚出现裂缝时，如果纤维的 拔出抵抗力大于此时的荷载时，则它还能承受更大的荷载。在裂开的截面上水泥石 不能承受任何拉伸，而纤维承担着这个复合材料上所有的荷载。随着荷载的加大， 纤维将通过粘结效能把附加应力传递给基体，如果这些粘结力不超过粘结强度，基 体就会出现更多的裂缝，这种裂缝增多的过程将继续下去，最后出现纤维断裂成粘 结脱落而导致纤维拔出【l “。 r o m _ n a l d i 和b e h o n 提出纤维增强混凝土的机理，认为由于混凝土内部原有的孔 缝存在，其开裂强度可因混凝土内加入纤维后，混凝士的韧性增大，裂缝尺寸减小 或裂缝尖端应力集中多数降低而得到提耐“l 。 纤维混凝士固然有许多长处，但在应用上，目前还受到一定的限制使用并不广 泛，这故然有工艺上的一些原因，如施工和易性较差，搅拌时会发生纤维成团和折 断等问题，粘结性能也有待进一步改善。但是，价格贵亦是影响纤维混凝土推广使 用的一个重要原因。本文就是在预水化粉煤灰、磨细矿粉混凝土中加入纤维解决工 程中经常出现的一些质量问题。 1 4 预处理粉煤灰和磨细矿粉复掺技术 目前对粉煤灰的研究应用较多，对磨细矿粉的研究也达到了一定深度，但对预 水化处理粉煤灰的研究尚处于起步阶段，对预水化处理粉煤灰和磨细矿粉复合掺加 配制高性能混凝土的研究还较少，本文研究的目的在于探索： 1 、预水化粉煤灰的各种效应； 2 、磨细矿粉的作用机理 3 、不同类型矿物掺合料的超叠加效应； 4 、纤维在矿物掺合料混凝土中的作用。 1 5 本文的研究思路及要解决的问题 本文采用预水化粉煤灰、超细矿粉复合取代部分水泥制备混凝土，并针对工程 中出现的一些问题通过掺加改性聚丙烯纤维、钢纤维等增强材料来解决，重点介绍 了工程的具体使用状况。 本文就以下方面存在的问题进行了分析和研究： l 、凝结时间问题 由于预水化粉煤灰和矿渣的等量取代加入，水泥用量较少，凝结时间较长，早期强 硕士论文第一章绪论 度偏低，不利于工程的施工，为了最大限度地发挥矿物外掺料的作用，可以通过掺 加外加剂的方式进行改善。 2 、坍落度及工作性及可泵性 a 、混凝土工作性是其稠度、可塑性和易修饰性的总称。研究结果初步表明： 废渣掺合料将会不同程度的影响浆体的屈服应力和塑性粘度。工程实践中，在使用 废渣掺合料时，经常出现泌水、离析或者粘度偏大等工作性问题。这些不利因素客 观上也影响了矿物外掺料的大规模使用。b 、预水化粉煤灰对混凝土拌合物性能的影 响主要在于提高了混凝土的可泵性和改善了混凝土拌合物的和易性。这一性能的改 善对于需采用泵管输送的流态混凝土意义尤为重要，因为它可以延长混凝土运输的 距离与时间，有利于泵送与浇筑。c 、将磨细矿粉和粉煤灰复掺后可以进一步降低减 水剂的用量，这一方面归功于粉煤灰的形态效应，另方面还由于磨细矿粉和粉煤 灰复合掺用降低了浆体的屈服应力，复掺还进一步提高了新拌混凝土的粘聚性和保 水性。 3 、掺量和细度对强度都有极大影响，通过对粉煤灰的活性激发，找到其最佳掺 量和最佳细度，配制既满足性能要求又较经济的混凝土也是本文重点研究的方向。 4 、在具体工程实践中，由于收缩等原因易产生裂缝等质量问题。在道路混凝土 中，抗折强度、抗冲击性能等指标非常重要，普通混凝土由于抗折强度低、抗冲击 性能差等固有弱点，有时难以满足工程要求。本文通过掺加改性聚丙烯纤维、钢纤 维有效地解决了这些问题，并成功地运用到具体工程中。 5 、影响混凝土质量的因素较多，而且要预先进行控制，怎样综合管理提高预拌 混凝土质量控制技术，本文也进行了有益的探讨。 硕士论文 第二章原材料及试验方法 第二章原材料及试验方法 2 1 原材料 2 1 1 水泥 p i l 4 2 5 级硅酸盐水泥，京阳水泥厂生产，其性能指标如下 表2 - 1 pi i4 2 5 级硅酸盐水泥性能 比表面积凝结时间 抗压强度( m e a )抗折强度( m p a ) 细度 安定性 g i n 2 | g初凝r a i n终凝m i n 3 d2 8 d3 d2 8 d 3 5 8 01 0 91 4 72 6 65 1 65 9931合格 2 1 2 磨细矿粉 钟山牌$ 9 5 矿粉，南京江南粉磨有限公司生产，各项性能指标如下 表2 - 2 磨细矿粉性能 密度比表面积流动度比含水量 s o s 活性指数 g e r a je m 2 幢 7 d2 8 d 2 94 6 0 09 80 51 88 31 0 5 2 1 3 预水化粉煤灰 扬中长旺热电厂生产，由湿排灰和生石灰、石膏按一定比例拌匀预水化，陈放一 个月后，经6 0 0 8 0 0 ( 2 高温锻烧而成块状，再粉磨至比表面积5 8 0 0 c m 2 g 而成，可作 为胶凝材料直接使用。 为了测定预水化粉煤灰的胶凝性，采用压制成型法制作试件，试件尺寸为由 5 0 r a m 6 0 r a m ，成型压力为i o m p a ，经标养2 8 d 后，则得其抗压强度为1 5 6 8 m p a 。 预水化粉煤灰的成分如下表： 表2 - 3预水化粉煤灰的成分 成分 s i 0 2 a b 0 3f e 2 0 3 c a o m g o 烧失量 f 含量( )4 8 9 42 5 2 41 5 61 6 2 3 0 0 62 5 4 2 1 4 改性聚丙烯纤维 江苏丹阳合成纤维厂生产，其性能指标如下表2 4 、2 ，5 婴主丝苎 塑三童垦塑垫墨堕墼互鎏 表2 4丹强丝特种混凝土抗裂抗渗纤维质量指标 序号项目 单位标准 序号项目 单位标准 l线密度 1 2 2 0 2 抗拉强度m p a 3 0 0 3拉伸极限 2 8 4 抗拉强度( 酸)m p a 3 0 0 5拉伸极限( 酸) 2 86抗拉强度( 碱) m p a 3 0 0 7拉伸极限( 碱) 2 88初始模量m p a 3 8 5 0 9酸性溶解度0 3 1 0碱性溶解度0 3 1 1 含湿度 0 1 51 2熔点 1 6 0 1 7 0 1 3比重0 9 1 ( 检测标准号：q 3 2 1 1 8 1b h 0 0 1 0 - 2 0 0 0 ) 表2 5“丹强丝”纤维混凝土砂浆性指标 序号项目名称技术指标 1 立方体抗压强度比 i 9 9 ( 纤维混凝土基准掘凝土) 2劈裂抗拉强度比 1 9 8 ( 纤维混凝土基准混凝土) 3抗折强度比i 9 8 ( 纤维混凝土基准混凝土) 4 抗冲击强度比 1 2 0 ( 纤维溜凝土基准混凝土) 5 抗冻性( d 5 0 ) 强度损失率比 1 0 ( 纤维混凝土基准混凝土) 6 抗渗透性能( i 2 m p a ) 7 5 7 抗裂性( 塑性收缩裂纹减不率) 9 0 8 分散性 均匀、不成团 ( 检测标准号：g b j 8 卜8 5g b j 8 2 8 5g b t 1 5 2 3 1 5 - 9 4 ) 2 1 5 钢纤维 宜兴市申宜钢纤维厂生产，平直型钢纤维，外观尺寸为0 4 x o 4 2 8 。 采用该纤维制作的混凝土的力学性能见表2 6 ： 表2 - 6 钢纤维物理力学性能 纤维体积率极限抗弯劈拉强度抗压强度抗弯韧性弹性模量 序号 v f ( ) 强度( n i p a ) ( m p a )( h 俨a ) ( 牛顿米) ( g d a ) l04 82 53 i 02 73 1 0 20 55 43 33 5 51 4 03 l _ 5 31 07 03 63 6 02 4 03 2 0 4i 58 54 43 b 03 6 03 2 0 52 0 9 85 14 0 04 5 03 2 5 8 硕士论文 第二章原材料及试验方法 2 1 6 外加剂 j m 一8 高效减水剂，江苏省建科院生产，其性能指标如下： 表2 7i m 8 高效减水剂性能 固含量( ) 密度( 8 m 1 ) 水泥净浆流动度( m m ) 减水率( )混凝土l h 坍落度损失率l ，o1 2 1 6 2 2 92 12，。 2 1 7 早强剂：镇江利科技术有限公司生产 2 1 8 砂：中砂，细度模数2 6 。 2 1 9 碎石：5 1 5 m m ( 3 0 ) ，1 5 - 2 5 m m ( 7 0 ) 二级配。 2 1 1 0 水：自来水。 2 2 试验方法 2 2 1 抗压强度 采用1 0 0 1 0 0 l o o m m 3 试件，经标准养护( 温度2 0 + 2 c ，湿度大于9 0 ) 2 8 d 后进行试验。 试验时先将试件擦试干净，测量尺寸，并检查其外观，然后将试件安放在试验 机的下压板上，试件的承压面与成型时的顶面垂直。试件的中心应与试验机下压板 中心对准。试验时，对混凝土试件连续而均匀地加荷，加荷速度为每秒钟0 5 o 8 m p a 。混凝土立方体试件抗压强度按下式计算： u _ 号1 0 3 以 式中f c u ：混凝土立方体试件抗压强度( m p a ) p 表示破坏荷载( k n ) a 表示试件承压面积( r a m 2 ) 所算结果乘以0 9 5 得到抗压强度，本论文所有抗压强度均乘以了o 9 5 。 2 2 2 抗折强度 试件尺寸为1 0 0 1 0 0 4 0 0 m m 3 。本试验采用四点加荷法，在测试抗折强度的同 时根据动态应力应变仪画出荷载一挠度睦线，再由曲线计算出试件的韧性。试验机 为w e 一1 0 8 型压力试验机，加荷速度为1 0 1 5 k n s ，试件净跨度为3 0 0 m m ，抗折强 度公式为： 舻等x 1 0 。3 式中：岛表示抗折强度( m p a ) 硕士论文 第二章原材料及试验方法 p m a x 表示极限抗折荷载( k n ) l 表示净跨距( i i l i n ) b 、h 分别表示试件截面的宽和高( r a m ) 2 2 3 劈拉强度测试 混凝土的抗拉强度在混凝土结构设计中是确定其抗裂度的重要指标。当采用直 接抗拉时，往往因偏心受拉而难以测准，因此，一般采用劈裂抗拉来测定混凝土的 抗拉强度。试验所用试验机为n y l 2 0 0 0 d 型压力试验机，加荷速度为8 + 1 0 0 k n s ， 劈拉强度公式为： 鼯警_ o 6 3 7 暑1 0 。3 式中：表示劈拉强度( m p a ) p m a x 表示极限劈拉荷载( k n ) a 表示劈裂面积( r a m 2 ) 2 2 4 收缩试验 按照国标实施：试件( 1 0 0 1 0 0 5 1 5 m 3 的棱柱体) 两端预埋测头，测头由不锈 钢材料制成。在3 天龄期时，将试件从标养室取出后立即移到恒温室( 室温保持在 2 0 + 2 。c ，相对湿度保持在6 0 5 ) 进行试验，测量标距为5 4 0 m m ，测定其收缩应 变率，精确到1 0 1 0 一。本试验采用的为s p 一5 4 0 卧式混凝土收缩膨胀仪( 见下图) 。 图2 - 1s p 5 4 0 卧式混凝土收缩膨胀仪 2 2 5 抗渗试验 采用逐级加压法进行测试，由于在逐级加压至一定水压时，混凝土试件无一出 现表面渗水现象，所以最后通过测定其渗水高度来评价相应混凝土试件的抗渗性能。 试验采用h s - 4 型抗渗仪，试件为中1 7 5 1 8 5 1 5 0 m m 的圆台体。 硕士论文 第三章掺预水化粉煤灰和磨细矿粉混凝土的工作性研究 第三章掺预水化粉煤灰和磨细矿粉混凝土的工作性研究 3 1 混凝土凝结时间的控制 在对掺加预水化粉煤灰和磨细矿粉的混凝土进行试验时发现，混凝土凝结时间 较长，影响了混凝土拆模时间，这样必将影响预水化粉煤灰和磨细矿粉的推广使用。 目前，在混凝土搅拌站，一般仅将磨细矿粉用在建筑物基础混凝土中，本试验旨在 扩大磨细矿粉的应用范围。 自1 8 6 2 年，德国的e l a n g e r 发现能通过碱性激发剂发挥矿渣的潜在水硬性以 来，各国学者对矿渣都进行了深入的研究。矿渣的主要成分是s i 0 2 、a 1 2 0 3 、c a o 、 m g o 等，这四种成分约占9 6 e i o ，其化学成分与普通水泥较相似。磨细矿渣自身有 一定的胶凝性质，单独加水拌和后，硬化速度缓慢。 预水化粉煤灰的水化反应亦十分缓慢。 本文通过掺入混凝土早强剂，有效地控制了混凝土的凝结时间，实验结果见表1 表3 - 1 早强剂掺量对混凝土终凝时间的影响 f ( )f s ( )早强剂( )混凝土终凝时间 4 01 504 9 h 1 5 m i n 4 01 5i 02 7 h 4 5 m i n 4 01 5l 51 5 h 1 0 m i n 4 01 1 31 51 0 h 4 5 m i n 从以上试验结果可以看出，当混凝土中掺入4 0 预水化粉煤灰和1 5 磨细矿粉时， 掺入1 5 早强剂( 按胶结材计) 后，混凝土终凝时间能够满足工程的需要。 3 2 工作性 3 2 1 概述 混凝土拌合物的工作性取决于用水量、水泥用量、骨料级配和其他物理特征【1 5 】， 目前已经比较成功地掌握了其对混凝土拌合物的工作性影响规律，并且在配合比设 计规范中加以要求。活性掺合料是配制高性能混凝土不可缺少的独立组分，同样掺 合料的种类、掺量、细度也会影响新拌高性能混凝土的工作性，研究成果初步表明： 掺合料将会不同程度的影响浆体的屈服应力和塑性粘度。 磨细矿粉掺入混凝土中可填充水泥颗粒间的空隙，使水泥颗粒间的水份得以释 放，使其成为自由水，从而提高混凝土的流动性。磨细矿粉虽然颗粒形状不佳，属 硕士论文第三章掺预水化粉煤灰和磨细矿粉混凝土的工作性研究 于多角型，但它与水泥颗粒之间与粉煤灰及自身之间的接触点面少，能改善混凝土 的流动性。混凝土中掺入磨细矿粉，其粒子分散在水泥熟料粒子之间，可以对水泥 浆体的凝聚过程起到较大的解聚作用，在相同的条件下，可降低混凝土拌合物的粘 度。许多试验结果表明，掺入磨细矿粉可减少混凝土拌合物的坍落度损失，并随其 掺量的增加且效果更明显。磨细矿粉的掺入可降低新拌混凝土的屈服应力，并使屈 服应力在一定时间内维持在较低的水平；磨细矿粉的比表面积大，减缓了水分蒸发 的速度，减少了新拌混凝土的坍落度损失；磨细矿粉稀释了胶凝体系中的水化物的 比例，延缓了体系的凝聚速度。 预水化粉煤灰由于堆集效应改善了混凝土的可泵性。 混凝土泵送技术极大地推动了混凝土技术的发展，对泵送的评述除了坍落度外， 目前对此一般用“可泵性”来描述【1 6 】。可泵性反映的是泵送压力下，混凝土拌合物 在管道中通过并达到浇筑点的能力。可泵性反应了拌合物的流动性能，是评价其工 作性的关键。塑性良好的拌合物变形能力强，但当变形能力过大时，会造成泌水、 离析从而使拌合物失去浆体而堵泵。由于笔者从事混凝土搅拌站的泵送混凝土技术， 所以本章将重点研究掺加掺合料的混凝土的可泵性。 评价可泵性，目前尚无统一方法。用泵送压力可直接反应拌合物的可泵性，但 不宜用于常规实验，目前我国的许多研究者一般应用压力泌水实验，测定一定压力 下拌合物的泌水量来反映可泵性，取得了许多满意的效果。 3 2 2 可泵性机理 混凝土拌合物是一种粘塑性体，研究它的泵送性能要通过流变学进行分析“。 流变学从宏观上反映的是流动和变形的关系。新拌混凝土属于b i n g h a m 体，其流变 学方程为： 一。t + n 老 式中q 。是屈服应力n 是粘度系数 图3 - 1 一般b i n g h a m 体流变曲线及细管流动示意图 贮敏篷递 硕士论文 第三章掺预水化粉煤灰和磨细矿粉混凝土的工作性研究 从图中可以看出，从0 - 1 段，t q 。，细管中没有流动，卜2 段，流体沿管壁首 先克服应力，开始流动。即流体结构开始破坏，这种沿管壁的流动称为“塞流”；2 3 段应力加大后，塞流”逐渐减小，到了3 - 4 段，速度梯度接近抛物线，即全部流动a 并且，速度与( t q ，) 成正比，将3 点沿切线延长至f 点，3 点即为q t 。 根据以上原理，系数q 。是阻碍塑性变形的最大应力，它支配了拌合物的变形能 力。而q ，是由材料之间的附着力和摩擦力引起的，粘度系数q 支配了拌合物的流动 能力，它是由流体各平流层之间产生的与流动方向相反的粘滞阻力。坍落度和扩散 度反映的就是自重作用下拌台物的变形能力，它反映了屈服应力q 。，并且q 。值越低， 变形越大，坍落度和扩展度越大。进一步讲，通过实验发现，在反映拌合物的形变 能力上扩散度比坍落度更明显。很多研究者注意到，坍落度速度实际上可以反映粘 度系数n ，但由于流速的逐渐减慢，流动停止时间测量的人为误差大，无法真实反 映这一特性。“倒坍落筒”方法，通过流下的时间来衡量拌合物的流动速度，进而反 映粘度系数n 。因为从流变学方程中可以得知，粘度系数t 1 大，在相同的自重下其 流速慢，流下时间长，该方法便于准确计时，精确度高，复试性强，设备简单，便 于推广。 3 2 3 可泵性的评价 通过机理分析，本章对坍落度( s l ) 、坍落扩展度( d ) ，压力泌水值( p b ) 以 及流下时间( t ) 几个综合反映混凝土拌合物性能的指标之间的关系作一些探讨。通 过对比，确定了以扩展度( d ) 反映拌合物的变形能力，以流下时间( t ) 反映拌合 物的粘度系数的评价可泵性的方法。并由此结合泵压建立了一定条件下的可泵性时 间。 3 2 3 1 坍落度( s l ) 、坍落扩展度( d ) 与流下时间( t ) 表3 2s l 、d 及t 三者之间的关系 编配合比 蝤，m ) 坍落度s l扩展度流下时间 感观判断 号cff sw ( m m )( r m n )t ( 3 ) p 05 0 00o1 6 52 l o4 6 08牯、泌水大 p 13 5 01 5 001 6 52 2 04 8 03较粘、有泌水 p 23 5 001 5 01 6 52 3 05 0 01 3塑料大 p 33 5 05 01 0 01 6 52 3 55 1 05 9保水性好 t p 42 7 57 51 5 01 6 52 3 55 3 04 8 塑性大 p 52 5 01 0 01 5 01 6 52 2 05 0 02 8 保水性好 p 62 0 01 0 0 2 0 01 6 52 1 54 8 03 4稍稠 硕士论文第三章掺预水化粉煤灰和磨细矿粉混凝土的工作性研究 曲线分析如图3 - 2 ： 豆( t ) 一d ( m m ) 豆 豆( m m ) 一t ( 5 】丑 图3 2 三个指标的曲线分析 图中所示，s l d ，s l t 并不具有相关关系，在s l 为2 2 0 m m 左右，d 从3 3 0 m m 到4 6 0 m m 范围内变化；相同s l 的变化区间，流下时间t 从1 0 s 增大到4 0 s 。值得 注意的是，有相同的坍落度s l 下，扩散度d 相差很大，表明在反映变形能力上， 后者优于前者。从对拌合物和易性的表观判断上分析，流下时间可以明显区分拌合 物粘度的变化。 3 3 2 2 流下时间t 与压力泌水值p b 试验结果与分析如下表： 表3 - 3 流下时间与压力泌水值实验结果 项目拌台物性能压力泌水值( m 1 ) 编号s ldt v l ov i m i 帅 p 02 1 04 6 04 82 04 5 p l2 2 04 8 03 01 03 6 p 22 3 05 0 02 583 3 p 32 3 55 1 01 01 03 6 p 42 3 55 3 04 0 53 0 p 52 2 05 0 03 7 1 02 5 p 62 1 04 8 03 21 33 2 实验结果表明：( 1 ) 随着流下时间的增大，压力泌水值呈降低的趋势，但是压力 泌水值的变化范围较小：5 1 3 m l ，尤其在1 0 m l 以内，压力泌水值接近，很难对拌 合物作出评价，而流下时间却从1 0 s 3 7 s 相差2 7 s ，足以判断拌合物粘度的变化。 实际上，用压水泌水来衡量可泵性，主要是为了反映它的抗离析能力，即在一定的 泵压下，管中的拌合物不至于推动过多浆体而堵泵。可见，它的意义在于上限值， 1 4 硕士论文第三章掺预水化粉煤灰和磨细矿粉混凝土的工作性研究 对于高强混凝土来说，较高的细粉料含量使得拌合物的保水性好，压力泌水量往往 很小。 ( 2 ) 随着扩展度的增加，压力泌水值有升高的趋势，但规律性不强。表明拌合 物的变形能力与压缩泌水之间由于组成材料的影响； ( 3 ) 掺入磨细矿粉和预水化粉煤灰后，压力泌水值v 1 0 从2 0 m l 减少到5 m l ， 能改善泵送性能，施工中泵送压力从1 8 m p a 降到1 0 m p a 。 3 2 3 3 拌和物的可泵性区间 根据上述各项指标之间关系的研究，采用以坍落度为基础，结合扩展度和流下时 间的方法来评价拌合物的可泵性。 圈3 - 4 t ( s ) - - p ( b a r ) 关系曲线 图3 - 5d ( m m ) _ p ( b a r ) 关系曲线 硕士论文第三章掺预水化粉煤灰和磨细矿粉混凝土的工作性研究 图3 - 4 、图3 5 是镇江混凝土有限责任公司在掺加掺合料的混凝土施工时测量的 一定高度下( h = 3 7 m ) 泵压p ( b a r ) 与扩展度d ( 舢) 及流下时间t ( s ) 的关系， 进而给出了拌合物的可泵性区间。 进一步得到的通过扩展度d ( r n m ) 和流下时间t ( s ) 描述的可泵性区间如图 3 - 6 所示。 在此可泵性区间( 扩展度4 8 c m 以上，流下时间1 0 3 5 秒) ，能够使泵机在最 优的泵压下工作。根据上面实测的结果，可泵区内泵压平均值p m 1 5 0 b a r ，而可泵性 良好区间( 扩展度5 2 c m 以上，流下时间1 0 2 5 秒) ，泵压平均值p m 6 3 m p a 。