（材料学专业论文）免压蒸phc管桩掺合料的研制.pdf

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8 0 h 左右。 在管桩厂现场使用免压蒸p h c 管桩水泥生产一根7 米长的管桩，生产过程 和产品性能表明：使用免压蒸p h c 管桩掺合料后，新拌混凝土和易性良好，比 当前管桩厂掺用磨细石英砂能减少水胶比0 0 3 ，混凝土强度达到8 8 5 m p a ，抗 渗性提高，劈裂抗拉强度达到4 4 m p a ，生产出的管桩产品表观质量合格，抗裂 弯矩达到7 2 8 k n m ，达到国标出厂要求。 关键诃：p h c 管桩；管桩水泥：蒸汽养护；粉煤灰；掺合料 华南理工大学硕士学位论文 - _ _ 一l - _ _ - _ _ - - _ _ _ l _ _ - _ _ - _ _ - i _ _ _ i l _ l _ _ - _ i - _ l _ _ _ _ _ l _ _ l - l - - 一 a bs t r a c t p r e s t r e s s e dh i g hs t r e n g t hc o n c r e t ep i l e ( p h c ) i sa ni m p o r t a n tc o n c r e t ep i l e f o u n d a t i o nm a t e r i a l i ti su s e dw i d e l yi nt h eh i g h - r i s eb u i l d i n g s ，l o n g - s p a nb r i d g e ， e x p r e s s w a ya n dw h a r fp r o j e c t sa n ds oo n a tp r e s e n t ，p h cp i l ei sm a i n l yp r o d u c e d u n d e rt h eh y d r o t h e r m a lc o n d i t i o no fs t e a mc u r i n ga n ds t e a m a u t o c l a v e dc u r i n g t h e s t e a m a u t o c l a v e dc u r i n gp r o c e s si sa t18 0d e g r e ec e n t i g r a d ea n d1m p as a t u r a t e d v a p o rp r e s s u r e sf o rs i xh o u r s i tw a s t e sa l o to fe n e r g ys o u r c e s t h i sp a p e re x p l o r e s a na d m i x t u r eo fp h cp i l ew i t h o u ts t e a m - a u t o c l a v e dc u r i n g ，a n dt h ep r o d u c t sc a n m e e tt h ep e r f o r m a n c e n o n s t e a m - a u t o c l a v e dp h cp i l ea d m i x t u r e ，w h i c hi san e wm u l t i c o m p o n e n t m i n e r a lm a t e r i a lw i t hal a r g eo ff l ya s h ，l i t t l eh i g h a c t i v i t ym e t a k a o l i nf i n ep o w d e r , g r a n u l a t e db l a s tf u r n a c ea n djp o w d e r m o d i f i e djp o w d e r i sag o o df l ya s ha c t i v i t y a c t i v a t o ru n d e rt h ec o n d i t i o no fs t e a mc u r i n g ab e t t e rb a t c hf o r m u l ah a db e e n w o r k e do u tb yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s t h ec o n t e n to ff l ya s h ，s l a g ，m e t a k a o l i na n d jp o w d e ra r e6 3 ，2 0 ，1 2 a n d5 ，r e s p e c t i v e l y w h e nt h ec o n t e n to f t h e n o n s t e a m a u t o c l a v e dp h cp i l ea d m i x t u r ei s3 0 ( m a s sf r a c t i o n ) i nc e m e n t t h e s t r e n g t hc a n m e e tt h eq u a l i t yi nt h es t e a mc u n n g t oo b t a i nt h ea p p r o p r i a t ep r o d u c t i o ns y s t e mo nc e m e n tu s e di nh i g hs t r e n g t h p i l e s ，t h ep a p e rr e s e a r c h e d t h ep r o d u c t i o ns y s t e mo fs e v e r a lc e m e n tp l a n t si n g u a n g d o n gp r o v i n c e ，w h i c hi n c l u d e dt h ec l i n k e rm i n e r a lc o m p o s i t i o na n dc a l c i n i n g p r o c e s s ，c e m e n tg r a i ns i z ed i s t r i b u t i o n a n dg r i n d i n gp r o c e s s t h i sp a p e rb r i n g s f o r w a r dt h et e n t a t i v ep l a no nt h e “p i l ec e m e n t ”t h a ti s t or e d e s i g nt h em a i n c h e m i s t r yc o n s t i t u t e sp r o p o r t i o no ft h ec e m e n t i t i o u sm a t e r i a lb yr e a d j u s t i n gt h er a t i o o fc si nt h em a t e r i a l t h a tm u s tm a k eg o o du s eo ft h en o n - s t e a m a u t o c l a v e dp h c p i l e a d m i x t u r et op r o d u c et h es u i t a b l yc e m e n t i t i o u sm a t e r i a lu s e di n t h eh i g h s t r e n g t hc o n c r e t ep i l e so n l yi n t h es t e a mc u r i n g ( n o n s t e a m a u t o c l a v e dp h cp i l e c e m e n t ) t h ep a p e rc o n f i r m st h ec u r i n gs y s t e mu s i n gt h en o n - - s t e a m a u t o c l a v e dp h cp i l e a d m i x t u r ei np i l e s 2 _ l hp r e s e tp e r i o dc a ne n s u r et h ep i l et oa c h i e v et h ep r e l i m i n a r y s t r e n g t hw h i c hh e l p st or e s i s tt h es t r e s sb ys t e a mc o r r a d e da n dm i g r a t e d w h e nt h e m a x i m u mt e m p e r a t u r er i s i n ga n dt h el e n g t ho fm a x i m u mt e m p e r a t u r ep r o l o n g i n g ， t h es t r e n g t ho ft h ep i l e si n c r e a s e d t h eo p t i m a ll e n g t ho fm a x i m u mt e m p e r a t u r ei s ll lha n dt h em a x i m u mt e m p e r a t u r ei s 8 0 2 ，w h i c hi su n d e rt h em a x i m u m t e m p e r a t u r eo fp i l e sp l a n tn o w i ft h ec u r i n gs y s t e mh a sb e e nc h a n g e di n m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h er i t h m e t i cp r o d u c ti n d e xo ft e m p e r a t u r ea n dt i m es h o u l d b ea r o u n d8 8 0 h t h er e s e a r c hh a d p r o d u c e d as e v e n m e t e r s l o n g p i l em i x i n g t h e n o n s t e a m a u t o c l a v e dp h c p i l ea d m i x t u r ei nap i l ep l a n t t h ep r o d u c i n gp r o c e s sa n d p i l ep e r f o r m a n c es h o w st h a tt h ew o r k a b i l i t yo ff r e s hc o n c r e t ei sg o o d t h er a t i oo f 融陧m i n i s h s0 0 3b yg r o u n dq u a r t z i t ep o w d e r , t h ec o n c r e t es t r e n g t hc a na c h i e v e 8 8 5 m p a ，t h ep e n e t r a b i l i t ye n h a n c e s ，s p l i t t i n gs t r e n g t hi s4 4 m p a t h ep i l ea p p a r e n t q u a l i t yi se l i g i b l ea n dt h em a i ns t r u c t u r a lp e r f o r m a n c ef l e x u r a lm o m e n tc a nr e a c h 7 2 8 k n mt of u m lt h eg bd e m a n d k e y w o r d ：p h cp i l e s ；p i l e sc e m e n t ；s t e a mc u r i n g ；f l ys a h ；a d m i x t u r e 1 1 t 目录 目录 摘暑要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题学术背景1 1 1 1 混凝土管桩的发展与应用1 1 1 2 当前我国p h c 管桩的制造工艺2 1 1 3 课题的提出3 1 2 课题理论及实际意义4 1 3 混凝土用矿物掺合料4 1 3 1 可持续发展与绿色高性能混凝土4 1 3 2 常用掺合料结构和在混凝土中的性能一5 1 3 3 掺合料的复合化1 1 1 4 粉煤灰活性激发的研究现状1 1 1 4 1 机械活化1 1 1 4 2 化学活化1 3 1 4 3 高温养护1 5 1 5 课题的来源和主要研究内容1 7 第二章实验材料、方法及设备1 8 2 1 免压蒸p h c 复合掺合料的物理化学性能1 8 2 1 1 偏高岭土的制备1 8 2 1 2 粉煤灰的制备1 8 2 1 3 粉煤灰玻璃体含量的测定1 8 2 1 4 激发剂j 的改性与制备1 8 2 1 5 矿物掺合料的粒径分析1 8 2 1 6 矿物掺合料的比表面积测定1 8 2 1 7 矿物掺合料的化学成分分析1 8 2 1 8 掺合料各组分的x r d 衍射分析1 9 2 2 水泥性能检测1 9 2 2 1 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验1 9 2 2 2 水泥胶砂流动度试验1 9 华南理工大学硕士学位论文 2 2 3 水泥胶砂强度试验1 9 2 2 4 免压蒸管桩矿物掺合料与减水剂相容性试验1 9 2 2 5 水泥净浆水化试样扫描电镜( s e m ) 分析2 0 2 2 6 免压蒸管桩矿物掺合料的水化试样x 射线衍射( x r d ) 分析2 0 2 3 掺有免压蒸p h c 复合掺合料的混凝土性能2 0 2 3 1 实验用水2 0 2 3 2 集料2 0 2 3 3 混凝土坍落度和强度试验2 0 2 3 4 混凝土胶结体水化产物扫描电镜观察。2 1 2 3 5 混凝土抗渗性试验2 1 2 3 6 混凝土劈裂抗拉性能实验。2 l 2 3 7 管桩抗弯实验2 2 第三章管桩用水泥性能与生产分析2 3 3 1 熟料矿物组成分析2 3 3 1 1 管桩厂对水泥矿物组成的要求2 3 3 1 2 三厂熟料的化学成分和矿物组成分析2 3 3 1 3c 3 a 对管桩制造工艺的影响2 5 3 2 三厂熟料烧成工艺的影响2 6 3 3 水泥颗粒分布与粉磨工艺分析2 7 3 3 1 水泥颗粒分布与水泥强度及标准稠度的关系2 8 3 3 2 三厂水泥颗粒分布分析2 8 3 3 3 三厂的水泥粉磨工艺分析2 9 3 4 结论与建议3 0 第四章免压蒸p h c 管桩掺合料的研制3 1 4 1 偏高岭土粉的制备与活化。3 1 4 1 1 偏高岭土微粉的制备3 1 4 1 2 不同磨机对偏高岭土粉磨效果对比3 2 4 2 粉煤灰玻璃相含量对活性的影响3 3 4 3 机械粉磨对粉煤灰活性的影响一3 3 4 4 激发剂j 对粉煤灰、矿渣微粉活性的影响3 5 4 4 1 不同激发剂对粉煤灰活性的影响一3 5 4 4 2 激发剂j 的掺量对磨细粉煤灰活性的影响3 6 4 4 3 激发剂j 对矿渣微粉活性的影响3 7 4 5 免压蒸p h c 管桩掺合料配方的确定3 8 目录 4 5 1 免压蒸p h c 管桩掺合料组分的选择3 8 4 5 2 最佳配方的正交试验设计3 8 4 5 3 正交试验的结果及分析3 9 4 5 4 最佳方案的确定4 0 4 6 机理分析4 l 4 6 1 免压蒸p h c 管桩掺合料粉体紧密堆积复合效应分析4 1 4 6 2 免压蒸p h c 管桩掺合料火山灰复合效应分析4 2 4 6 3 扫描电镜( s e m ) 分析4 4 4 7 本章小结4 6 第五章免压蒸p h c 管桩水泥性能参数的研究4 7 5 1 免压蒸p h c 管桩水泥的研制思路4 7 5 2 免压蒸p h c 管桩水泥物理性能的研究4 7 5 3 免压蒸p h c 管桩水泥与减水剂的相容性研究4 8 5 4 养护制度对免压蒸p h c 管桩水泥性能的影响5 0 5 4 1 静停时间对免压蒸p h c 管桩水泥性能的影响5 0 5 4 2 恒温温度对免压蒸p h c 管桩水泥胶砂强度的影响5 1 5 4 3 恒温时间对免压蒸p h c 管桩水泥胶砂强度的影响一5 3 5 4 4 度时积对免压蒸p h c 管桩水泥胶砂强度的影响5 4 5 4 5 降温速率对免压蒸p h c 管桩水泥胶砂强度的影响5 4 5 5 机理分析5 4 5 5 1 扫描电镜分析5 4 5 5 2x 射线衍射分析5 6 5 6 本章小结5 8 第六章免压蒸p h c 管桩掺合料在混凝土中的试验5 9 6 1 掺有免压蒸p h c 管桩掺合料混凝土和易性特征分析5 9 6 2 掺有免压蒸p h c 管桩掺合料混凝土力学特征分析6 0 6 2 1 免压蒸p h c 管桩掺合料对混凝土强度的影响6 0 6 2 2 免压蒸p h c 管桩掺合料掺量对混凝土强度的影响一6 l 6 2 3 免压蒸p h c 管桩掺合料对混凝土劈裂抗拉强度的影响6 3 6 3 免压蒸p h c 管桩掺合料对混凝土抗渗性的影响6 4 6 4 免压蒸p h c 管桩掺合料对管桩抗弯性能的影响一6 6 6 5 本章小结6 8 结论6 9 i i i 华南理工大学硕士学位论文 参考文献。71 在学期间发表的与学位论文内容有关的学术论文7 7 致 射7 8 i v 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百了匕 1 1 课题学术背景 1 1 1 混凝土管桩的发展与应用 建筑物的高高在上离不开地下基础的牢固坚实。位于地基深处承载力较高的 土层上，埋置深度大于5 m 或大于基础宽度的基础，称为深基础。桩就是作为这样 一种地下基础，支撑起整个建筑物和构筑物，由文献可知，可根据桩身材料、施 工方法、成桩过程中挤土效应、承载性状及使用功能等进行分类。 1 按桩身材料分类 按桩身材料不同，可将桩划分为木桩、混凝土桩、钢筋混凝土桩、钢桩、其 它组合材料桩。 2 按施工方法分类 按施工方法可分为预制桩、灌注桩两大类。 3 按成桩过程中挤土效应分类 随着桩的设置方法( 打入或钻孔成桩等) 的不同，桩周土所受的排挤作用也 很不相同。挤土作用会引起桩周土天然结构、应力状态和性质的变化，从而影响 土的性质和桩的承载力。对桩按设置效应分为三类：挤土桩、小量挤土桩和非挤 土桩。 4 按承载性状分类 轴向荷载作用下的竖直桩，按达到承载力极限状态时的荷载传递主要方式， 可分为端承型桩和摩擦型桩两大类。 本论文所讨论的是混凝土管桩，而且是预制桩，挤土桩。混凝土管桩是一种 新的预制桩型。基本可以分为六大类，即：离心钢筋混凝土管桩( r c 桩) ，先张法 离心高强预应力混凝土管桩( p h c 桩) ，钢管离心混凝土桩( s c 桩) ，先张法离心 高强预应力钢筋混凝土管桩( p r c 桩) ，变截面桩( s t 桩) ，摩擦桩( s l 桩) 。 预应力离心高强混凝土管桩( p r e s t r e s s e ds p u nh i g hs t r e n g t hc o n c r e t ep i l e s ， 简称p h c 管桩) 是在预制厂经过先张预应力、离心成型及高压蒸养等工艺生产而 成的一种空心环形等截面预制混凝上构件。由于具有施工快、工程地质适应性强、 场地文明、桩材质量好等优点，因而被广泛应用于各类建筑物和构筑物的基础工 程上。而在预制混凝土桩中，是最重要的一种管桩，它结合了高性能混凝土技术 和混凝土制品的高新工艺，具有单桩承载力高、耐打性好、穿透力强、施工进度 快、桩基抗震性好等优点，所以大量的高层建筑、大跨度桥梁、高速公路、港口、 码头基本上都采用p h c 管桩，可见其应用之广。 华南理工大学硕士学位论文 预制混凝土管桩与传统的灌注桩相比，具有很多优势。据报道，1 9 9 5 年1 月 1 7 日日本南部阪神地区发生强烈地震，日本有关部门对地震后建筑物的基础进行 了调查，发现使用p h c 桩作基础的建筑物的破坏程度明显较采用其他基础要小得 多，而采用现场灌注桩基础的建筑物的破坏程度特别严重。由此表明，p h c 桩在建 筑物基础的抗震方面有很大的优势乜，。随着高性能混凝土技术和混凝土制品工艺的 高速发展，生产管桩时采用先进的工艺及优质的原材料，使混凝土强度成倍地提 高，桩承载能力增强，用桩量和桩承台相应减少；且管桩可接驳，满足不同桩长 的要求，因此施工周期短，单位承载力造价随之降低，节省了施工费用。同时， 管桩施工不受天气变化和工地周边环境的影响，可保证工程进度；施工中的地质 问题、产品质量问题、施工技术问题容易被发现，可及时予以处理。同时，管桩 出厂的混凝土强度已达c 8 0 以上，施工完毕即可及时验收，及时进行上部施工， 也可一边施工，一边检测验收，一边进行上部施工来节约时间。此外，使用管桩 产品，运输施工简单，容易管理，可减少环境污染。由于各种规格的管桩已在工 厂制成，可以满足客户的要求有计划地将所需用规格的管桩运到工地，也可以根 据地质的变化不断地调整所用的长度，减少浪费。施工工地不需要现场搅拌混凝 土，也使施工现场的管理更加方便，符合环境保护的要求。 1 1 2 当前我国p h o 管桩的制造工艺 混凝土管桩在国外的应用已有近百年的历史，在近5 0 年中发展很快，特别是 预应力技术和高强混凝土技术的发展，管桩产品越来越受到重视。我国生产高强 离心混凝土管桩( p h c 管桩) 已有1 0 余年了，珠江三角洲、长江三角洲、福建沿海、 海南岛等地都大量使用p h c 管桩，为我国建筑业基础桩的更新换代起了推波助澜 的作用，同时为国家节约了大量的能源材料，缩短了建设周期。 自1 9 8 7 年交通部三航局从日本引进全套先张法预应力高强混凝土管桩生产线 以来，p h c 很快在沿海省市得到大力推广应用。现在全国生产p h c 管桩的企业约有 2 0 0 多家，主要分布在广东、上海、浙江、江苏、福建、云南、天津、北京、湖北、 广西、海南等省市区，1 9 9 8 年全国p h c 管桩产量为2 0 0 0 万米，2 0 0 1 年为4 5 0 0 万 米，2 0 0 3 年达8 0 0 0 万米，可见其发展之快口”。图1 - 1 为广东某管桩厂堆场。 g b l 3 4 7 6 1 9 9 9 规定，p h c 管桩放张时混凝土强度应大于c 4 0 ，p h c 的离心混凝 土强度等级不得低于c 8 0 级，。为达到这一强度指标，在p h c 管桩生产过程中，养 护工艺是重要的环节。养护方式的确定是在较短时间内，使混凝土达到规定的强 度指标。养护时间短可以提高模具利用率、缩短生产周期、节约能源。 目前厂家生产p h c 管桩主要采用蒸养+ 压蒸二次水热养护工艺，管桩可以在3 天内出厂。一般厂家的蒸汽养护制度为：升温1 5 h + 恒温5 h + 降温1 h ，恒温温度 为8 0 3 c ，经过蒸养，p h c 必须达到脱模强度c 4 0 以上；脱模之后再经过压蒸养 2 5 能达 时间 术的 料是 混凝土强度达到c 8 0 以上的主要技术之一。矿物掺合料不仅起着填充料的作用， 更起着降低空隙率、提高流动度、参与火山灰反应等重要的作用。这些对混凝土 的高性能化具有重要的促进作用。 矿物材料的复合化是新一代矿物掺合料的发展趋势，在本课题组卢迪芬教授 的专利“用于水泥和高性能混凝土的复合掺合料及其工艺 中，她较早的提出了 掺合料的复合化的概念，即将活性原料和惰性原料、碱性原料和酸性原料配合， 通过分别粉磨和混合粉磨方式对掺合料超细粉磨，利用复合后产生的超叠加效应， 从而大大改善了矿物掺合料的性能。此种掺合料以矿渣为主，不掺加任何激发剂， 主要用于c 3 0 - - c 7 0 混凝土，可提高混凝土的7 天，2 8 天的强度，改善施工性能和 耐久性能。本论文研制的免压蒸p h c 管桩掺合料也是以复合化为核心技术和理论， 以粉煤灰为主，添加了激发剂，辅以其他掺合料，达到了免压蒸生产p h c 管桩的 目的。 本课题组曾承担过广州市科技攻关项目“高活性偏高领土微粉的制备及复合 效应的研究 ，结果表明经过处理后的偏高岭土微粉活性很大，掺入混凝土中应用 效果与硅灰相当，与矿渣复合后更显著地改善混凝土的力学性能和耐久性能，且 效果优于硅灰。 3 华南理工大学硕士学位论文 在上述研究的基础上，本人继承和发展了前人的研究成果，提出了免压蒸p h c 管桩掺合料的研究，研制思路是将粉煤灰、矿渣粉、偏高岭土微粉和激发剂j 混 合，代替部分水泥，利用机械粉磨、化学激发和中温养护的方式充分激发它们的 火山灰活性，在满足p h c 管桩混凝土强度的前提下，配制适合免压蒸生产p h c 管桩专用的新型掺合料。 1 2 课题理论及实际意义 p h c 管桩产量随着国家基础建设的发展迅速增大，目前管桩厂使用磨细石英砂 作掺合料，为确保p h c 混凝土强度达到c 8 0 ，压蒸养护是必不可少的。从整个工艺 和设备上看，压蒸养护不仅需要添加蒸压釜设备，且养护工艺变得复杂、能耗高、 维护费用增加。蒸压釜由于长时间处于高温高压的工作状态，容易发生事故，造 成人员伤亡。压蒸养护期间温度一压力控制必须严格，不合理的养护制度很容易 引起管桩内壁和外壁产生裂纹、裂缝，出现不合格品 采用免压蒸p h c 管桩掺合料可以节省压蒸过程带来的能源消耗，而且还可以 产生其它优异的特性：一方面可以利用工业废渣，如粉煤灰、矿渣等，利用它们 各自的特性而产生超叠加效应；另一方面磨细的矿物粉体增加了混凝土的流动性 和密实性，使管桩的耐久性和工作性能增强。即此项技术既节能利废，又能简化 生产和提高产量。我国经济建设一直处在高速发展的阶段，p h c 管桩需求量大。免 压蒸p h c 管桩掺合料和免压蒸技术具有极大的经济效益和很好的社会效益，将会 提升我国p h c 管桩行业竞争能力，促进我国p h c 管桩产业的健康发展。因此，研 究免压蒸条件下生产p h c 管桩是十分有意义的。 1 3 混凝土用矿物掺合料 1 3 1 可持续发展与绿色高性能混凝土 环境与发展是当今全球最为关注的问题之一。近百年来的工业革命和现代科 学技术促进了现代社会经济、文化、社会生活各个方面的快速发展，极大地丰富 了人类的物质文化生活，使人类生活呈现出绚丽灿烂、多姿多彩的态势。但同时 伴随着的人类生存环境的快速恶化，如自然资源枯竭、大气污染、气候变迁、土 壤退化、淡水危机、物种灭绝、人居环境恶化、工业疾病泛滥等，无不昭示着现 代文明给人类带来的灾难和恐怖。那么，人类如何在保持发展的同时，又能最大 限度地保存自身和与之相适应的生态环境呢? 世界从来没有象今天这样把环境与 发展连在一起，看得如此重要，如此迫切，如此优先11 9 9 2 年在巴西里约热内卢， 联合国召开由1 0 0 多位国家政府首脑出席的环境与发展大会，被称之为“地球峰 会”，通过了里约环境与发展宣言、2 l 世纪议程，提出了人类社会今后应该 4 环境污染；( 2 ) 更多地掺加以工业废渣为主的活性细掺料：( 3 ) 更大地发挥高性 能优势，减少水泥和混凝土的用量n ”。可以看到掺合料在其中占有非常重要的地 位，开发具有活性的工业废渣是实现混凝土绿色化和高性能化的重要途径。 1 3 2 常用掺合料结构和在混凝土中的性能 矿渣是高炉炼铁过程中，铁矿石、焦炭、石灰石以及其它辅料在高温熔融条 件下相互作用、生成组成主要为硅酸钙( 镁) 和铝酸钙( 镁) 的熔融体，当它从 排渣口排出时，经水或空气淬冷而成为结构疏松的粒状颗粒。其化学组成大致为： c a 03 5 - 4 5 ，s i 0 22 5 - - 4 0 ，a 1 2 0 36 1 5 ，m g o2 1 5 ，f e o0 5 1 0 ，m n o0 1 1 0 ，t i 0 2 2 0 ，s0 5 1 5 。矿渣的矿物成分在 c a 0 s i 0 2 a 1 2 0 3 三元系相图上处于c 2 a s c a s 2 一c s c 2 s 的结晶区。其中c 2 a s 和c 2 s 活性较好，c a s 2 和c s 活性较差，即c a o 、a 1 2 0 3 含量高、s i 0 2 含量低时活 性高。当然活性还与水淬质量有关，。 从矿渣玻璃体微观结构模型可知道，矿渣是由富钙相和富硅相组成的具有致 密结构的整体，其中富钙相占多数，为连续相，将非连续的呈类似球状或柱状分 布的富硅相包裹于其中。富钙相可以认为是矿渣玻璃体的结构形成体，维持着矿 渣玻璃体结构的稳定。富钙相玻璃是一种逆性玻璃，其网络形成体c a o 、m g - o 5 华南理工大学硕士学位论文 键比s i o 键弱得多( 见表1 1 ) ，又因为富钙相本身又具有由很多细小单元聚积 而成的堆聚结构，具有庞大的内比表面积，更增加了其热力学不稳定；但另一方 面，富钙相又具有一定的动力学稳定性，使其破坏必须克服一定的活化能。 表1 - 1 矿渣玻璃体中各种氧化物的单键强度 t a b l e1 - 1s i n g l eb o n ds t r e n g t ho fd i f f e r e n to x i d ei ns l a gv i t r e o u sb o d y m y o x 中的m s ia la lc a m g 价数 43322 配位数 44686 m e o 单键强度2 5 3 6 1 6 7 5 - - - 2 5 1 21 2 6 8 1 5 7 97 6 68 8 5 注：单键强度的单位k j 阿佛加德罗常数 在通常情况下，由于水分子的弱的作用不足以克服富钙相分解活化能，富钙 相在水中能够保持其结构的稳定，故矿渣玻璃体在水中近乎是惰性的，矿渣在通 常情况下与水不能发生反应。 在碱性环境中，情况则大不一样。高浓度的0 h 一离子的强烈作用克服了富钙相 的分解活化能，富钙相迅速与0 h 一发生了如下反应而溶解： - s i - o - c a - o - s i - + n a o h - 2 - s i o n a + c a ( o h ) 2 ( 1 ) 由于富钙相是连续相，富硅相是呈类似球状分布于富相中，故在矿渣玻璃体 中，富钙相相当于胶结物维持着整个矿渣玻璃体结构的稳定。当富钙相在碱性介 质中与o h 一迅速反应而溶解后，矿渣玻璃体解体，富硅相逐步暴露于碱性介质中， 它与n a 0 h 能发生如下反应： - - s i o s i - - + h o h _ 2 - s i o h( 2 ) = s i o h + n a o h _ - s i o n a + h o h( 3 ) 由于s i o 键的键能比c a - o 或m g o 键的键能大三倍左右，且富硅相本身 的分散度又比富钙相小得多，故反应( 2 ) ( 3 ) 与反应( 1 ) 相比缓慢得多。从化学键和 分散结构的特点可以判断，在碱性溶液中，富钙相的反应较为剧烈和迅速，而富 硅相的反应则较为缓慢和持久。故矿渣在碱性介质环境中，初期的水化过程以富 钙相的迅速水化和解体并导致矿渣玻璃体解体为主，脱离原先结构的富硅相则填 充于富钙相的水化产物之间的间隙中。随着富硅相水化反应的不断进行，其水化 产物不断填充于先前的水化产物间隙内。故富硅相的存在，在前期提高了水泥石 的致密度，而后期则保证了水泥后期强度的不断增长。 矿渣的微观结构特点及富钙相、富硅相的性质决定了矿渣玻璃体中富钙相所 占的比例越大，矿渣在碱性环境中的水化就越迅速，表现出的水化活性就越高； 矿渣玻璃体中富硅相所占的比例越大，矿渣在碱性环境中的水化就越迟缓，在水 6 第一章绪论 化初期表现出的水硬活性就越低。 矿渣的这些微观结构决定了矿渣本身的性质，也决定了它对混凝土性能的影 响，在前人的研究基础上，我们可以做如下总结： 1 矿渣混凝土的早期强度发展略慢，但高过粉煤灰混凝土，后期发展较快n ”， 在9 0 天时，矿渣混凝土有最高的抗压强度n ”。但它的长期强度低于硅酸盐水泥混 凝土和粉煤灰混凝土c - ”。碱激发剂可大大提高水泥混凝土的水化速度和促进强度 发展，其中最有效的激发剂是液态硅酸钠和硫酸钠，添加硫酸钠活化的效果主要 体现在3 - 7 天n ”。采用n a o h 激发矿渣，反应的速度取决于初始溶液的p h 值，混 和料的p h 值应大于1 1 5 “”。 2 矿渣粉体的细度和掺量对混凝土的力学性能有着非常显著的影响。随着细 度的增加，比表面积的变大，胶砂早期强度增长明显，矿渣活化效果明显，其2 8 天强度可以超过纯熟料水泥n ”。因此可以配置c 6 0 c 8 0 甚至更高强度的混凝土n 。， 最佳掺量一般在2 5 - - 5 0 ，此掺量范围内其断裂能也达到最高值。 3 高炉矿渣混凝土在养护第一天比纯硅酸盐水泥混凝土表现出更大的收缩n ”。 矿渣粉越细，混凝土的自收缩应变越大。提高养护温度通常会引起更快的早期收 缩和自诱导应力更快的发展。 4 掺有矿渣粉的混凝土的力学性能对养护条件有较高的敏感性。无水、干热 或低温养护，均可对混凝土的孔结构特性和混凝土的性能产生显著的不良影响， 这使含矿渣的混凝土的现场养护强度显著降低乜m 。 5 掺入矿渣粉可能导致混凝土的缓凝。矿渣细度提高，缓凝作用降低。所以， 掺入矿渣可以显著降低混凝土温升和温度梯度，提高新拌混凝土的坍落度，大幅 度改善新拌混凝土坍落度经时损失。但同时使混凝土的泌水能力显著降低乜“。 6 矿渣混凝土抗硫酸盐和氯盐的侵蚀和钢筋锈蚀的性能比硅酸盐水泥混凝土 更为优越。掺有超细矿粉的混凝土所通过的电荷明显低于没有掺超细矿粉的混凝 土，且随着水胶比的降低和超细矿粉掺量的增加而降低。在氯离子的渗透速度变 化上，在头6 个月，氯的渗透速率在有或没有矿渣时是类似的。但放置几年后， 氯离子在矿渣混凝土中的渗透速率非常低，从而大大提高了其使用寿命预测值。 目前最新的研究表明：矿渣水泥有更高的固氯能力心 d ”。 7 矿渣与粉煤灰、钢渣、烧粘土、硅灰等其他混合材复配，可在易磨性、需 水性和强度等性能方面表现出优势互补效应。混凝土的和易性、强度均发挥较好。 粉煤灰矿渣复合水泥2 8 天的强度可以超过硅酸盐水泥心班乜”，可以常规的制作工艺 和蒸汽养护，制得抗压强度达2 0 0 m p a 的超高性能混凝土啪，c ，”。 粉煤灰是指燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道中排出而被收集的物 7 华南理工大学硕士学位论文 质。其主要成分为s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 和c a o 。粉煤灰是一种典型的非均质性物 质，含有未燃尽的碳、未发生变化的矿物( 如石英等) 和碎片等，而相当大比例 ( 通常大于5 0 ) 是粒径小于1 0 - t m 的球状铝硅颗粒。虽然粉煤灰绝大多数颗粒形 状为球形，