（材料学专业论文）复合外加剂对石屑混凝土主要性能的影响研究.pdf

河海大学坝j 。学位论文 摘要 石屑的物理性能指标与天然砂相当且经济性好，是一种较好的代砂材料。我 困石屑资源丰富，所以用石屑代替天然砂配制混凝土可以解决我国天然砂资源短 缺的问题，同时有着显著的经济效益和社会效益。针对石屑混凝土在实际工程应 用中还存在的一些不足之处，本文提出在石屑混凝土中加入适量的复合外加剂， 以期改善石屑混凝土的性能，并为石屑混凝土在工程中的广泛应用提供一定的理 论依据。 论文首先进行了外加剂复合掺量的优化对比试验，根据石屑混凝士拌合物性 能和力学性能，并考虑经济性，确定了合理的外加剂复合掺量；其次，通过对比 试验分析了复合外加剂对石屑混凝土主要性能的影响，并通过扫描电镜( s e m ) 分析 了其微观结构；最后，用r b f 神经网络模型预测了石屑混凝土的长期干缩值。 研究结果表明，复合外加剂对石屑混凝土性能的影响主要表现在以下几方面： 拌合物方面，复合外加剂可以有效改善石屑混凝土和易性，节约水泥用量；长期 性能方面，复合外加剂会不同程度地加大石屑混凝土的早期收缩，所以需加强石 屑混凝土的早期养护；耐久性方面，复合外加剂可以引入大量微小的封闭气泡， 显著提高石屑混凝土的抗冻性及抗渗性，但不会对石屑混凝土的碳化及混凝土中 钢筋锈蚀产生大的影响。 研究结果还表明，r b f 神经网络模型对石屑混凝土的长期干缩值预测效果好， 预测精度高。 关键词：石屑混凝土；复合外加剂；力学性能；耐久性：神经网络 塑塑查兰婴兰主垒堡兰 一 a b s tr a c t c r u s h e ds a n dh a st h es i m i l a rp h y s i c a lp r o p e r t i e sw i t hn a t u r a ls a n da n di so f e c o n o m i cv a l u e ，t h u sc o u l db ea f i n es u b s t i t u t eo fn a t u r a ls a n d i ti sr i c hi nc h i n a ，s ot h e w a yb yw h i c hn a t u r a ls a n di ss u b s t i t u t e db yc r u s h e ds a n di nc o n c r e t ec a nw e l ls o l v et h e p r o b l e mo f t h es h o r t a g eo f n a t u r a ls a n dr e s o u r c e s ，a n da l s op r o d u c ea p p a r e n te c o n o m i c a n ds o c i a lb e n e f i t s c e n t e r e do nt h ee x i s t i n gp r o b l e m so c c u r r i n gi nt h ep r a c t i c a lu s eo f c r u s h e ds a n dc o n c r e t e ，t h i sp a p e rp r o p o s e se f f e c t i v es o l u t i o n s ，t h a ti s ，t o m i x a p p r o p r i a t ev o l u m eo fc o m p o u n da d m i x t u r e ss oa s t ot o t a l l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o fc r u s h e ds a n dc o n c r e t e ，a n dp r o v i d ew i d eu s eo fc r u s h e ds a n dc o n c r e t ew i t h t h e o r e t i c a lb a s i s f i r s t l y ，o p t i m i z ec o n t r a s te x p e r i m e n t sw e r ed o n e a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c eo f f l e s hc o n c r e t ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss h o w ni nt h ee x p e r i m e n t s ，c o m b i n e dw i t h e c o n o m i cv a l u e ，t h er a t i o n a lc o m p o u n dv o l u m eo fa d m i x t u r e sw a sd e c i d e d s e c o n d l y ， b yc o n t r a s te x p e r i m e n t s ，t h ei n f l u e n c eo fc o m p o u n da d m i x t u r eo nm a i np e r f o r m a n c e o f c r u s h e ds a n dc o n c r e t ew a sa n a l y z e d ，a n dt h em i c r o s t r u c m r eo ft h ec o n c r e t ew a s e x p l a i n e db ym e a n so fs e m l a s t l y ，t h ev a l u e so fl o n g - t e r md r ys h r i n k a g eo fc r u s h e d s a n dc o n c r e t ew e r eo b s e r v e da n dp r e d i c t e db yu s i n gr b fn e u r a ln e t w o r km o d e l r e s e a r c hs h o w st h a t ，t h ei n f l u e n c eo f c o m p o u n da d m i x t u r eo nt h ep e r f o r m a n c eo f c r u s h e ds a n dc o n c r e t ei sr e p r e s e n t e da ts e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w s ：a tt h ea s p e c to f 仔e s h c o n c r e t e ，c o m p o u n da d m i x t u r ec a no b v i o u s l yi m p r o v et h ew o r k a b i l i t yo fc r u s h e ds a n d c o n c r e t e ，a n dm e a n w h i l es a v et h ea m o u n to fc e m e n t ；a tt h ea s p e c to fl o n g - t e r m p r o p e r t i e s ，c o m p o u n da d m i x t u r ew o u l de n l a r g et h ee a r l yd r ys h r i n k a g eo fe r u s h e ds a n d c o n c r e t e ，s ot h ec o n c r e t ec u r i n gs h o u l db ee a r l ye n h a n c e d ；a tt h ea s p e c to fd u r a b i l i t y ， c o m p o u n da d m i x t u r ec a np r o d u c el a r g ea m o u n to fl i a l ec l o s e d a i rb u b b l e s ，a n dt h u s n o t i c e a b l ye n h a n c et h ea n t i - f r e e z e t h a wd u r a b i l i t ya n da n t i p e n e t r a t i o no fc r u s h e ds a n d c o n c r e t e b u tw o u l dn o te x e r tg r e a ti m p a c to v e rt h ec a r b o n a t i o na n dt h es t e e lc o r r o s i o n i nt h ec r u s h e ds a n dc o n c r e t e r e s e a r c ha l s os h o w st h a t ，r b fn e u r a ln e t w o r km o d e l ，w h i c hi su s e di nt h e p r e d i c t i o no f l o n e t e r md r ys h r i n k a g e ，a c h i e v e sr e m a r k a b l er e s u l t sw i t hh i 曲p r e c i s i o n k e y w o r d s ：c r u s h e ds a n dc o n c r e t e ；c o m p o u n da d m i x t u r e s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； d u r a b i l i t y ；n e u r a ln e t w o r k 河海大学硕 学位论文 第章绪论 1 1 问题的提出 自1 8 2 4 年约瑟夫阿伯丁申报波特兰水泥专利，特别是1 8 9 0 年开始用回转 窑连续生产代替了立窑的生产方法以来，水泥的大规模生产为2 0 世纪的混凝土工 程建设提供了一种可靠的结构材料。随着科学技术的不断进步，混凝土技术已日 趋成熟，混凝土已经成为现代土木工程中用量最大、用途最广的一种建筑材料， 发挥着其它材料无法替代的功能和作用。 1 1 1 天然砂资源日益短缺 作为细骨料的天然砂是混凝土中不可缺少的一部分。当前我国正处于工程建 设的高峰期，建筑用砂的需求量逐渐增加，而我国天然砂资源的分布很不均匀， 一些地方的天然砂资源难以满足工程建设的需要，如云南、四川、贵州、香港等 地：对于长江沿线各省建筑用砂中江砂占了不小的比例，再加上长江逐步实施禁 止采砂，使得天然砂资源短缺的问题日益突出；一些地方河砂虽然丰富，但存在 含泥量高、级配差和细度模数小等不足之处，用细砂和特细砂配制的混凝土强度 低，且混凝土成型后表面层砂浆较多。 此外，天然砂是一种地方性资源，不适合长距离运输。对于一些大型的水利 枢纽工程来说，一般地处偏僻，交通不便，由于工程量较大，附近的天然砂资源 往往难以满足工程建设的需要，从外地运砂又比较困难，也不经济。随着基本建 设的曰益发展和农田、河道环境保护措施的逐步加强，我国不少地区出现了天然 砂资源逐步减少、质量日益下降和市场价格成倍上涨的情况，进而导致混凝土用 砂供需矛盾突出。同时由于价格上涨，在经济利益的驱动下，我国很多地区都出 现了乱采、乱挖天然砂的现象。毁田挖砂、破坏河道挖砂等情况不但破坏了有限 的耕地而且河道中天然砂的过度开采会造成严重的水土流失，给江河的堤防和基 础防洪设旌带来巨大的隐患，这也是造成9 8 年长江沿岸江堤险情不断的原因之一。 而在一些发达国家，为保护河床和河岸稳定，河流沉积砂砾被禁止开采或须经严 格审批后计划开采，人工砂的开发应用日益受到重视。 另外，由于天然砂的无序生产以及在生产、贮存和运输过程中还会造成对空 气和环境的污染，为此国务院和各地人民政府相继采取了一系列控制措旖并出台 第一章绪论 了禁采或限采天然砂的规定。例如，从2 0 0 2 年开始，整个长江采砂量控制在每年 50 0 0 万吨；北京市3 7 6 家砂石企业减为1 5 1 家”1 。 对作为矿产资源的天然砂的无节制的采集状况已不能再延续，天然砂不再是 取之不尽、用之不竭的资源。从保护生态环境及资源的观念和现实出发，必须寻 找一种适宜的代砂材料。 1 1 2 石屑代砂的意义 石屑是人工砂的一种，粒径一般小于5 m m 。其来源一般有两种：一种是由碎 石专门加工而成的；一种是在矿石开采过程中所产生的下脚料。通常含有一定数 量( 含量因地域和制备方法的不同而异) 的石粉( 粒径小于0 1 6 m m ) 。与天然砂 相比，石屑具有质地坚硬、表面粗糙多孔、有尖锐棱角、粘结性能良好等特点。 由于制各方法不同使得石屑的各项物理性能指标变化范围较大，细度模数在1 7 4 6 之间，表观密度在2 6 4 2 8 4 9 e r a 3 之间，堆积密度在1 3 8 1 5 9 9 e m 3 之间，孔 隙率在4 2 4 8 之间b 1 。 石屑的经济性较好，目前天然砂的平均价格一般在( 5 0 6 0 ) 元吨，而石 屑的价格一般不超过3 0 元吨。据统计，每生产1 0 0 m 3 碎石，就会产生2 0 3 0 m 3 的石屑。采石场堆积的大量石屑不仅占用土地，还会带来严重的环境污染“1 ，所以 石屑的推广使用既给建筑单位带来经济效益，给采石场减少环境污染，也减少了 不合格的河砂进入建筑市场，有利于提高建筑工程质量，并通过市场降低对河砂 的需求量以避免滥采滥挖，保护耕地。因此石屑代砂不但可以解决天然砂资源短 缺的问题，而且具有显著的经济效益和社会效益b 1 。 在国外一些发达国家( 如日本) ，8 0 年代时，工程中应用的天然砂与人工砂 的比例大约为0 9 ：1 ；到9 0 年代，则已经降为0 5 ：1 。因此，在我国研究如何利 用人工砂替代天然砂配制混凝土有着极为重要的现实意义f 6 】。 1 1 3 石屑代砂的应用特点 前人对石屑代替天然砂制作混凝土作了一定的研究，结果表明，石屑混凝土 的许多性能与普通天然砂混凝土( 以下简称普通混凝土) 相当，某些性能甚至较 普通混凝土要好。具体表现在以下几方面：石屑混凝土各项性能指标较好，其强 度增长规律与普通混凝土基本相同：石屑混凝土的粘聚性、保水性比普通混凝土 好，泌水小：石屑混凝土各项力学性能指标与相同强度等级的天然砂混凝土相当， 河海大学硕十学位论文 且石屑混凝土拉压比、轴压比、静力弹性模量均有不同程度的提高；在保持混凝 土强度相当，单方用水量相同的情况下，石屑混凝土可节约水泥1 0 2 0 ；在一 定范围内，石粉的含量越高，混凝土的抗渗性、抗冻性越好”1 。石屑混凝土的这些 优点使得其在我国的应用已经初步得到推广，特别是国家标准建筑用砂 ( g b t 1 4 6 8 4 2 0 0 1 ) 经国家质量监督检验检疫总局批准，于2 0 0 2 年2 月1 日正式 实施，新标准中加入了人工砂这一概念。新标准的实施有力地推动了人工砂在建 筑工程中的应用。 但实际工程的应用结果以及试验研究均表明，石屑混凝土的性能还存在一些 不足之处，主要表现在：石屑中，由于石粉的存在，使得在达到相当流动性的条 件下，石屑混凝土与普通混凝土相比需水量较大，强度下降明显；同时，在石屑 混凝土拌合过程中加入的水分，除用于水泥的正常水化外，其余将以自由水的形 式留在水泥浆体中，这部分自由水在石屑混凝土受冻过程中，体积将发生膨胀， 从而导致混凝土开裂。由于自由水较多，直接导致石屑混凝土的抗冻性较低。 1 1 4 问题的解决方法 混凝土外加剂是在混凝土拌合过程中掺入的一种可以显著改善混凝土某种特 殊性能的化学产品。它是近半个世纪来发展较快的一项新技术。大量工程实践表 明，应用外加剂可以改善混凝土的性能，节省水泥和能源，提高施工质量，改善 工艺和劳动条件，具有显著的经济效益和社会效益。 利用外加剂的特殊应用效果，针对石屑混凝土因需水量大而导致的强度及抗 冻性较低等不足之处，本文提出在石屑混凝士中加入适量复合外加剂，以期全面 改善石屑混凝土的性能。研究复合外加荆对石屑混凝土性能的影响对扩大和推广 石屑混凝土的应用意义重大。 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪6 0 年代，我国建筑部门对人工砂的技术性能进行了研究，并尝试在 工程中使用石屑。2 0 世纪7 0 年代，云南、贵州等地已在建筑上大规模使用机制砂， 并制动了地方标准。2 0 世纪9 0 年代以来，北京、天津、上海、重庆、广东、福建、 浙江、河北、山西等省市都有了人工砂的生产线，进行过人工砂的使用和研究“1 。 下面将分几个方面，简要介绍其中的主要研究成果。 第一章绪论 1 2 1 对石屑混凝土的研究 石屑取代天然砂在工程中的应用是一个从无到有的过程，人们对于石屑混凝 士性能的研究也是一个循序渐进的过程。从部分取代到完全取代，从普通石屑混 凝土到高性能石屑混凝土甚至商品混凝土方向发展。研究的内容主要有： 1 。2 1 1 石屑中的石粉 石屑区别于天然砂的关键之处就是其含有一定量的石粉，对石屑中石粉的研 究主要集中在石粉含量和石粉活性两个方面。已有研究认为：石屑中石粉含量过 高或过低对混凝土的性能都会产生不利的影响，一方面如果石粉含量过低，由于 石屑的表面特征可能使混凝土拌合物产生离析、泌水以及流动性不佳等现象；另 一方面如果石粉含量过高，可能会加大混凝土的收缩，增加混凝土的单位用水量， 流动性降低等1 7 】。不过关于石粉含量范围的问题依然存在许多不同的意见，而且不 同的规范对石粉含量也有不同的界定弘】。人们对于石粉活性的认识也是众说风云。 不过从研究资料来看，普遍认为石屑中的石粉至少有着较低的活性，而且国内外 对石粉作为水泥的掺合料的应用研究也较多【1 0 一”。 1 2 1 2 石屑混凝土的拌合物性能 混凝土拌合物性能涵盖的范围较广。基于这个原因，人们对石屑混凝土拌合 物性能的认识在表述上稍有区别，但总的说来认识是一致的。大多数学者认为石 屑混凝土的和易性在整体上要好于普通混凝土，这是因为石屑中存在较多的石粉， 使得石屑混凝土浆体量增加，从而使石屑混凝土拌合物的和易性得到了改善，具 有较好的保水性和粘聚性，同时泌水少； 也使得用石屑拌制的混凝土流动性稍差， 水量较大3 1 。 1 2 1 3 石屑混凝土的力学性能 不过由于石屑颗粒外形粗糙、多棱角， 所以在达到相当流动性的条件下单位用 作为主要力学性能的强度是混凝土的主要技术指标之一，也是大多数学者研 究石屑混凝土的重点。研究结果认为：石屑混凝土各项指标较好；其强度增长规 律与普通天然砂混凝土基本相同；其配合比设计可按普通混凝土配合比设计方法 进行，但要适当增加用水量5 ；此外，石屑混凝土拉压比、轴压比、静力弹性 模量均优于普通混凝土。 1 2 1 4 石屑混凝土的长期生能 河海大学硕士学位论文 长期性能是指混凝土的收缩性能。目前对石屑混凝土的收缩性能主要存在两 种观点，一种观点认为石屑中石粉含量对石屑混凝土干缩性能影响较大，且其收 缩有随石粉含量的增加而增大的趋势，所以宜采用石粉含量较低的石屑，并主要 加强早期的湿水养护【1 6 1 ；另外一种观点认为石屑混凝土的性能在总体上要优于普 通混凝土，且石粉含量对混凝土的收缩性能的影响不大【3 】。 1 2 15 石屑混凝土的耐久性能 混凝土的耐久性包括抗渗透、抗冻融、抗碳化和抗锈蚀等多方面的性能。许 多学者对石屑混凝土的耐久性能也作了多方面的试验研究。其实早在1 9 9 5 年，张 映全用5 0 石屑取代5 0 中砂，在骨料级配满足设计要求的前提下，混凝土和易 性、密实性得到改善，抗渗能力和抗冻能力都有较大幅度提高”，而且后来的许 多研究报告认为：石屑中由于石粉的存在使得石屑混凝土中骨料与水泥浆体之间 的界面得到了显著改善【砖】，同时这些石粉很好的填充了混凝土内部骨料颗粒中间 的孔隙，使得石屑混凝土比普通混凝土更加密实，从而很好的提高了混凝土的抗 渗、抗碳化和抗锈蚀耐久性9 1 。 1 2 1 6 石屑混凝土的高强、高性能化和商品化 高强、高性能化和商品化是混凝土发展的必由之路，石屑混凝土的应用也不 例外。有学者曾结合当地工程实践，利用石屑配制的混凝土强度高，内部密实， 价格低，并已成功应用于框架结构中，这样既充分利用了地方材料，又推动了当 地的经济建设，为石屑混凝土的推广提供了经验指导“”；2 0 0 1 年，江京平采用人 工砂替代中粗河砂配制c 5 5 高性能混凝土并应用于工程实践【2 ”。2 0 0 2 年，陈清志 等总结了用石屑代替河砂配制香港西部铁路预制件工程c 5 0 商品混凝土的过程及 试验研究情况，并对混凝土实际生产应用效果和推广应用价值作了简要介绍口“。 1 2 2 对混凝土外加剂的研究 外加剂已经成为混凝土除水泥、砂、石和水之外不可缺少的第五组分。高性 能混凝土特别是商品混凝土的发展使得人们对混凝土外加剂的研究达到一个全新 的水平。 1 22 1 减水剂 目前，应用于实际工程的外加剂种类很多，外加剂对普通混凝土性能影响的 研究成果亦相当丰富，但对石屑混凝土性能影响的研究成果却为数不多。1 9 9 4 年， 第一章绪论 宋颖针对石屑混凝土流动性差的特点指出，如按普通混凝配合比设计方法要适 当增加用水量；在石屑混凝土中掺入适量减水剂，各项性能指标均优于不掺减水 剂的普通混凝土“。2 0 0 3 年，李卫国通过优选高效减水剂和配合比，改善石屑代 砂混凝土需水量大和坍落度经时损失的缺点，使其适应商品化生产，并对其力学 性能、抗渗性及收缩进行了测试，证明石屑代砂应用于商品混凝土是可行的【l 。 新拌石屑混凝土的粘聚性、保水性比普通混凝土好，但其流动性比普通混凝 士差”“。因为石屑都含有一定数量粒径小于0 1 6 m r n 的石粉，一般情况下石粉含量 不超过石屑总质量的3 0 。正是由于这些石粉的存在，使得石屑的比表面积增大， 在单方用水量不变的情况下，石屑混凝土的流动性较差，混凝土现场施工的难度 也随之加大。在保证流动性及水泥用量不变的情况下，石屑混凝土的单方用水量 就会增大，同时也降低了同条件下混凝土的强度。所以，石屑混凝土还需要掺入 一定量的外加剂来弥补因其形状多尖锐棱角以及表面粗糙多孔等原因所引起的流 动性不好的缺点【2 3 1 ，石屑的高比表面积使得石屑混凝土在达到相当和易性的条件 下，必须加入足够量的水来润湿这微细颗粒的表面【2 “。以此看来，人们对于石屑 混凝土外加剂的研究主要集中在单一的减水剂方面。 1 2 2 2 引气剂 对于硬化混凝土来说，混凝土的抗冻性和抗除冰盐剥蚀性能是混凝土耐久性 研究领域中最重要的组成部分之一，也是我国北方地区混凝土工程所面临的晟严 重的问题之j 2 ”。我国的东北、西北、华北地区冬季气温偏低，可达零下4 0 。c ， 提高抗冻性是这些地区延长混凝土使用寿命的关键措施1 2 “。虽然石屑混凝土的抗 冻性比普通混凝土稍好，但如果不掺任何外加剂，石屑混凝土的抗冻等级也只有 d 5 0 皓1 ，而对于现在的工程设计来说，混凝土都需要有很好的抗冻性，这样不掺外 加剂的石屑混凝土的抗冻等级显然不能满足工程中所需要的高抗冻性要求。 引气剂是一种低表面张力的表面活性剂，在搅拌混凝土过程中能引入适量分 布均匀、稳定且封闭的微小气泡。这些微小的气泡能够改善孔结构、缓解由于结 冰引气的冻胀压力和渗透压力，很好的改善混凝土的抗冻性；其次，由于气泡被 包裹于浆体中，相当于增加新拌混凝土的胶凝材料的浆体体积，提高混凝土的和 易性；同时还可以减少新拌混凝士的离析和泌水。早在1 9 3 0 年，人们在偶然发现 气泡能显著改善混凝土的抗冻性后，就开始专门研制混凝土引气剂f 2 ”。 河海大学硕士学位论文 在国外，引气剂是一种较早得到应用的外加剂。上世纪3 0 年代的研究发现引 气剂能大大提高混凝土的抗冻性，4 0 年代已经开始应用于混凝土抗冻工程中。在 日本，大部分混凝土都要掺引气剂、引气减水剂俐，而北美和北欧寒冷地区的国 家，如美国、加拿大、瑞典、芬兰、挪威等国，几乎所有的混凝土都掺引气剂， 特别是在水工结构物、公路、桥梁、海港工程的混凝土中都掺有引气剂，以改善 混凝土的耐久性。在国内，5 0 年代才开始开发引气剂用于提高水工混凝土的抗冻 性。目前，只有在水工和港工混凝土设计规程中有明确的掺引气剂的要求口8 1 。且 许多部门只将混凝土强度，尤其是抗压强度列为衡量混凝土质量唯一指标，却很 少考虑混凝土的耐久性，目前只有水利系统在大力推广应用引气剂【2 。 引气剂的主要作用是提高混凝土的抗冻性和抗除冰盐对路面混凝土的剥蚀 性。非引气混凝土只要掺入少量引气剂，使含气量提高到4 ，在绝大多数自然环 境中均能获得良好的抗冻性能n ”】。但除此之外，引气剂还能改善混凝土的许多性 能，如减小泌水性、提高流动性和可泵性，提高抗交变膨胀和收缩引起裂纹的性 能等b ”。 我国上世纪9 0 年代以来，混凝土技术发展很快，在高强、高流动性、外加剂、 粉煤灰利用等方面紧跟国际水平，唯独引气混凝土方面还存在一定的差距。不过 好在我国对于引气混凝土的认识已经有了明显的提高。而且，混凝土引气剂的研 发也越来越重视【3 2 】，其在工程中的应用也越来越广泛。 由以上研究成果可以看出，大多学者对石屑混凝土在工程中应用的研究都是 将其性能与普通混凝土作比较，也有少数学者针对石屑混凝土的特点在其中加入 适量的减水剂，以求改善石屑混凝土的性能。此外，由于国内对于引气剂的认识 与国外相比有着一定的差距，所以鲜有引气剂在石屑混凝土中应用的研究报道。 从以往的研究和应用可以发现，石屑混凝土与普通混凝土相比还存在流动性 不佳以及抗冻性较低等不足之处，故而影响了石屑混凝土的推广应用。本文提出 在石屑混凝土中加入复合外加剂，主要考虑选择减水剂与引气剂的复合使用，这 样既可以显著改善石屑混凝土流动性不佳的问题，又可以犬幅度提高石屑混凝土 的抗冻性。但由于石屑混凝土的应用技术推广较晚，复合外加剂对石屑混凝土性 能的影响效果还不是很明确。因此，急需开展复合9 i - ；0 d n 对石屑混凝土性能影响 的试验研究。 第一章绪论 1 3 本文的主要工作 虽然用石屑代替天然砂配制的混凝土性能在许多方面都不亚于普通混凝土， 甚至某些性能还好于普通混凝土，但由于石屑本身的某些特点决定了石屑混凝士 还存在一些不足之处。针对这些不足之处，考虑在其中加入适量的复合外加剂， 以期全面改善石屑混凝土的性能。 本文首先对石屑混凝土复合外加剂的减水组分和引气组分的比例和掺量进行 优选。在确定了比例和掺量以后，开展较为全面的对比试验。主要工作如下： l 试验准备工作 试验所用原材料的基本性能试验。包括水泥的主要性能、石屑的基本物理化 学性能、外加剂的基本性能试验等。 2 外加剂的复合优化 通过对石屑混凝土进行两种外加剂不同水平的复掺，考虑复掺后混凝土的拌 合物性能、力学性能并考虑经济性等方面的因素，选择合理的外加剂复合掺入水 平后进行石屑混凝土的主要性能及分析对比试验。 3 主要性能及分析试验 针对前一阶段优选出的外加荆复合掺入水平，开展对石屑混凝土主要性能的 较全面的试验研究。试验中选取两组水灰比进行外加剂的复掺对比试验，同时另 外选取两种外加剂进行对比试验。研究内容包括：石屑混凝土的拌合物性能、基 本力学性能( 抗压强度、抗拉强度) 、长期性能( 干缩) 、耐久性能( 抗碳化、抗 渗透、抗冻融及抗锈蚀等) 。利用先进的扫描电子显微镜技术对试件内部结构进行 微观分析，解释复合外加剂的微观作用机理。 4 利用神经网络模型对石屑混凝土的长期干缩值进行预测，为工程设计提供 可靠的基础理论数据。 河海大学硕士学位论文 第二章试验研究的前期准备工作 2 1 试验原材料 2 1 1 水泥 试验所用水泥为中国水泥厂生产的石城牌普通硅酸盐水泥。其主要性能指标 见表2 1 。 表2 1 水泥的主要性能指标 t a b i e2 1m a i np r o p e r t i e so fc e m e n t 表2 1 中水泥细度是用8 0 # m 筛筛析法测得的筛余百分含量。从表中数据可 以看出，水泥各项性能指标均符合要求。但需要注意的是，其2 8 ( 1 实测强度偏高。 2 1 2 细骨料 细骨料为旬容市建筑工程质量监督站提供的句容地区产石屑( 如图2 ，1 所示) ， 图2 1 石屑 f i g2 1c r u s h e ds a n d 第二章试验研究的前期准各工作 浆 u 蠓 七 弗 二 。 夕 ， 卢j ，严 口 筛孔尺寸( m s ) 图2 2 石屑的筛分曲线 f i g2 ，2g r a d i n gc u r v eo fc r u s h e ds a n d 图2 2 为石屑的筛分曲线( 实线为i i 级配区边界线，虚线为石屑筛分曲线) 。 由图可以看出，石屑的累计筛余百分含量在大部分情况下都落在了i i 级配区内， 只有o 1 6 m m 孔径的筛余较少，累计筛余百分含量超出了级配区的要求，这是石 屑中存在较多的粒径小于o 6 m m 的石粉所致。 表2 3 石屑的主要物理性能指标 t a b i e 2 3m a i np h y s i c a ic h a r a c t e ri s t i c so fc r u s h e ds a n d 本试验所用石屑的石粉含量达到了1 9 3 ，细度模数为2 8 0 。 河海大学硕士学位论文 21 2 2 石屑中石粉的比表面积 石粉的比表面积采用由美国进口的s a 3 1 0 0 型比表面积及孑l 径分析仪进行测 定。测定结果为：石屑中粒径小于0 1 6 m m 的石粉的比表面积为2 1 5 6 m 2 g ；粒径 小于o 0 8 m m 的石粉的比表面积为3 2 2 1m 2 g ；作为对比的3 2 5 级普通硅酸盐水泥 的比表面积为1 6 3 9 m 2 g 。由此可以看出：石粉较水泥的比表面积大，特别是粒径 小于o 0 8 m m 的石粉的比表面积接近3 2 5 级普通硅酸盐水泥比表面积的2 倍。 2 1 2 3 石屑的化学成分 表24 石屑的化学成分( ) t a b i e2 4c h e m i c a ic o m p o s i t i o n so fc r u s h e ds a n d ( ) 通过对其矿物成分进行分析可知，石屑的矿物成分主要是方解石和白云石 另含有少量石英。 2 1 2 4 石屑的坚固性 石屑必须具备足够的坚固性才能保证石屑混凝土抵抗各种风化和冻融破坏的 能力。参照g b t 1 4 6 8 4 9 3 ，用硫酸钠溶液法测得石屑的坚固性达到优等品要求 。 2 1 2 5 石屑的碱活性 当混凝土中含有活性氧化硅的岩石颗粒时，会与水泥中的碱发生化学反应( 碱 一硅酸反应) ，使混凝土发生不均匀的膨胀，造成裂缝和强度下降等不良现象，威 胁工程安全；此外，水泥中的碱还能与某些硅酸盐骨料反应( 碱一硅酸赫反应) ； 也能与某些碳酸盐骨料发生反应( 碱一碳酸盐反应) 。这些反应统称为碱骨料反应。 碱骨料反应是影响混凝土耐久性的重要因素，为了防止混凝土中的碱骨料反应， 最有效的办法就是对原材料进行筛选，即在应用之前对骨料进行碱活性检验。 目前，骨料碱活性的检验方法主要有：化学法、岩相法、砂浆长度法、压蒸 法四种。因为压蒸法可以在较短的时间内检验骨料的活性，所以本文采用此法进 行试验。按c e c s 4 8 ：9 3 砂、石碱活性快速试验方法进行，试件成型后l d 脱模， 测量其初始值，然后在1 0 0 t 水蒸汽中蒸养4 h ，再在1 5 0 。c ，浓度为1 0 的氢氧化 钾溶液中压蒸6 h ，测量其最终膨胀值。 第二章试验研究的前期准备工作 用压蒸法测得的试件膨胀值为o 0 6 8 ，未超过标准所规定的0 1 限值，说明 石屑不具备碱骨料反应活性。 2 1 3 粗骨料 试验所用碎石粒径为5 2 0 m m 。碎石经过反复冲洗，尽量减少其含泥量。具 体筛分结果见表2 5 。 表2 5 碎石的筛分结果 t a b i e2 5g r a d a t i n go fc r u s h e ds t o n e 注：筛分试验选取碎石的总质量为1 0 0 k g 。 表2 5 中，最后一行为j g j 5 3 9 2 普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验 方法中规定的( 5 2 0 ) r a m 粗骨料颗粒级配要求。由表中数据可以看出，试验用碎 石满足使用要求。 2 ，1 4 外加剂 引气剂，市场上常见的松香类引气和为阴离子表面活性剂，具有水溶性差， 与其他混凝土外加剂如萘系高效减水剂溶液复合后可能出现絮凝的缺点。本试验 所选择的引气剂a 是一种新型阴离子、非离子多元复合型引气剂。其水溶性好， 对混凝土强度影响极小，气泡稳定性商，与其他外加剂合用相容性好。产品为乳 白色粉末( 如图2 _ 3 所示) 。 减水剂b ，一种蒽系高效减水剂。产品为褐色粉末( 如图2 4 所示) 。 减水剂c ，木质磺酸钙类减水剂( 南京水利科学研究院研制) 。是一种天然的 高分子聚合物的阴离子表面活性剂。 减水剂d ，u n f 5 非引气型高效混凝土减水剂( 南京水利科学研究院研制) 。 是一种以b 一萘磺酸钠甲醛高聚物为主要成分的非引气型混凝土高效减水剂。 河海大学硕士学位论文 图2 3 引气剂图2 4 减水剂 f i g2 3a ir - e n t r a in in ga g e n tf i g2 4w a t e r r e d u c in ga g e n t 2 2 试验研究方案设计 2 2 1 外加剂的复合优化设计 外加剂的复合优化试验主要是对引气剂a 及减水剂b 选取几个不同的掺入水 平进行组合，与基准混凝土进行对比试验。掺量的选择主要是在通常掺量范围内 分别取三个不同的水平，进行两种外加剂的复合优化试验，试验研究方案见表2 6 。 表2 6 复合优化试验研究方案 t a b i e2 6r e s e a r c hp i a no fc o m p o u n do p t i i l l ；z et e s t 注：表中a 、b 表示外加剂种类。其后所跟数字表示外加剂的掺入水平，其中a l 、a 2 、a 3 分别表示0 5 历、1 0 万、1 5 历，b i 、b 2 、b 3 分别表示0 4 、o _ 7 ，、1 0 。 第二章试验研究的前期准备工作 在综合考虑混凝土拌合物性能、抗压强度以及经济性等各方面因素的基础上， 选取适宜的掺量组合进行后期的性能及分析试验。 2 2 2 性能及分析试验设计 根据前一阶段优选出的复合外加剂的适宜掺量，进行后期的性能及分析试验， 包括基本力学性能、长期性能、耐久性以及微观分析等方面的试验研究。本试验 考虑选取两个强度等级的石屑混凝土进行对比试验。利用文献f 3 所给出的关于石 属混凝土配合比计算公式，找出与强度等级相对应的两个水灰比进行试验。同时 还考虑了选取另外两种外加剂c 和d 进行对比试验。试验研究方案见表2 7 。 表27 性能及分析试验研究方案 t a b i e2 7r e s e a r c hp ia no fp r o p e r t i e sa n da n a iy s i st e s t 注：编号栏表示掺入了外加剂，号后所跟字母表示所掺入的外加剂种类，以下不再赘述。 河海大学硕士学位论文 第三章石屑混凝土外加剂的复合优化试验 3 1 概述 进行石屑混凝土外加剂的复合优化试验的目的是为了选择比较合理的外加剂 掺量。因为，如果外加剂的掺量过低则达不到预期的使用效果；而掺量过高则不 经济，同时还可能造成严重的后果。所以在进行石屑混凝土的主要性能及分析试 验之前，必须确定合理的外加剂掺量。 复合优化试验选择两种外加剂，通常掺量的范围内分别选择三个不同的掺入 水平，然后对不同的掺入水平进行组合。因只有两种外加剂组分，所以只需进行 简单的组合试验。 试验参照g b 8 0 7 6 1 9 9 7 b 引进行。各种材料用量分别为： 水泥用量：因粗骨料使用的是碎石，所以水泥用量取( 3 3 0 + 5 ) k e m 3 ： 基准混凝土的砂率：3 6 ( 掺引气剂的混凝土的砂率比基准混凝土低2 ) ： 用水量：使石屑混凝土坍落度达到( 8 0 + 1 0 ) m m 时的用水量； 外加剂：引气剂a 和减水剂b 。 3 2 复合优化试验 研究混凝土主要考虑其在两种状态下的性能：新拌混凝土的和易性、凝结特 性；硬化混凝土的强度、变形及耐久性。其中和易性和强度是衡量混凝土质量的 两大技术指标，所以6 1 , ；1 1 剂的复合优化试验主要考虑这两个指标。 试验主要研究了在流动性相当的情况下，不同外加剂掺量对其减水效果以及 强度的影响。试验中通过调整石屑混凝土的坍落度来确定单位用水量，同时可以 在调整坍落度的过程中观察其粘聚性和保水性。当每组单位用水量确定以后，以 x 0 0 组为基准计算各组6 t , ；t n 剂组合掺量的减水率，以评价其减水效果；试验还测 定了每组试件分别在龄期为7 d ，2 8 d 时的抗压强度，并计算每组试件相当于基准 试件的强度提高百分数。 试验实测结果如表3 1 所示。 第三毒石屑混凝土外加剂的复合优化试验 试验过程中发现：在保持石屑混凝土的流动性，即在坍落度相当的条件下， 石屑混凝土的粘聚性、保水性都非常好。当坍落度筒提起后，用捣棒在一侧敲击， 发现锥体只有整体下沉的情况，并没有发现倒塌或离析的现象；底部也无浆体析 出；由于石粉的存在，没有发现有肯料外蘼的情况。这与文献【3 1 所描述的现象基 本一致。 3 3 试验结果的分析优选 通过对外加剂a 、b 进行的复合优化试验，可以确定每组混凝土的单方用水 量，并计算其减水率。在兼顾复合外加剂减水率的前提下，以2 8 d 强度为主要的 考核指标，可以将表3 1 中2 8 d 强度增长率用比较直观的柱状图表示。详见图3 1 。 从表3 1 中的数据不难看出： 1 石屑混凝土的单位用水量较大。在坍落度为8 5 m m 时，其单位用水量达到 了2 5 4 k g m 3 。在石屑混凝土中掺入一定量的减水剂可以有效的降低其单位用水量， 提高石屑混凝土的强度。 2 在减水剂掺入量一定的情况下，减水率可以保持在一个比较稳定的水平， 第二三章石屑混凝土外加剂的复合优化试验 体情况见表3 2 。大量的混凝土坍落度试验表明，中效减水剂的应用能够配制出与 设计结果相符合的具有充分的工作性能以及最小的水泥用量的混凝土f 3 ”。这是因 为如果减水率过低，就不可能起到我们所期望的减水效果，没有太大的经济价值 和实用价值。此外，从理论上讲，我们可以通过加大减水剂的剂量，把混凝土中 的单位用水量降到一个很低的水平。而实际应用中，许多因素决定了这种情况是 不可取的。第一，减水剂剂量的增加意味着成本的提高。第二，过量使用减水剂 可能会阻碍混凝土的凝结。第三，随着减水剂含量的增加以及用水量的减少，混 凝土拌合物可能趋向于一种类似胶状的粘稠物质，不易硬化。另外，也有报道称 过量减水剂的使用可能导致混凝土凝结时间的不稳定。所有这些因素决定了具有 中效减水效果的减水剂在市场上占有重要的地位。 表3 2 减水剂。” t a b l e3 2w a t e r r e d u c i n ga g e n t 大致减水效果范围命名( 类别) 5 7 7 1 5 1 5 3 0 低效减水 中效减水 高效减水 注：影响减水率的因素很多，但主要是外加剂的剂量。 本试验所选用的x 0 7 组试件中外加剂掺量的减水效果为1 5 6 。虽然超出了 表3 2 所指出的中效减水范围，但超出量较小，基本可以认为属于中效减水。 3 4 小结 试验结果表明，当选择x 0 7 组复合外加剂掺量组合( 减水剂掺1 ，引气剂 掺o 5 万) 时，石屑混凝土拌合物和易性好，且坍落度与基准混凝土相当时，复合 外加剂的减水率为1 5 6 ，减水效果合理，2 8 d 抗压强度提高幅度最大，材料的单 位成本增加适度，经济性较好。 河海大学硕士学位论文 第四章复合外加剂对石屑混凝土主要性能的影响 4 1 概述 混凝土在凝结硬化以前，称为混凝土拌合物，它必须具备良好的和易性，以 便于施工，从而保证能够获得良好的浇筑质量。混凝土拌合物凝结硬化以后，应 具备足够的强度，以保证建筑物能够安全地承受设计荷载；并应具备良好的耐久 性能，以保证建筑物的设计使用寿命。对于石屑混凝土自然也不例外，所以在对 石屑混凝土外加剂进行试验研究，推广使用石屑混凝土的同时，也必须考虑其不 同阶段、不同方面的性能，从而可以更全面的认识和应用石屑混凝土。 混凝土的性能主要包括：混凝土拌合物的和易性、凝结时间，硬化混凝土的 强度、变形以及耐久性等。下面将从几个方面来详细阐述复合外加剂对石屑混凝 士主要性能影响的全面试验研究和分析。 4 2 对石屑混凝土拌合物性能的影响 混凝土拌合物的和易性，也称工作性，是指混凝土拌合物在一定的施工条件 下，便于施工操作( 拌合、运输、浇注、振捣) 并能获得质量均匀、密实混凝土 的性能。和易性是一项综合的技术指标，包括流动性、粘聚性和保水性三个方面 的含义，此外还必须考虑混凝土拌合物的凝结时间和表观密度等指标。 4 2 1 试验方法 4 2 1 1 和易性 拌合物性能试验参照g b f r 5 0 0 8 0 2 0 0 2 3 5 谴行。对于混凝土的和易性试验仍然 使用混凝土的坍落度来评价其流动性，同时注意观察其粘聚性和保水性。 4 2 1 2 凝结时间 凝结时间试验用贯入阻力仪进行测定，首先用5 m m 的标准筛将混凝土拌合物 中的砂浆筛出，将砂浆搅拌均匀后装入试样筒，等试样制各完毕后用贯入阻力仪 的测针每隔一定时间贯入砂浆( 2 5 2 ) m i r l ，记录贯入阻力并绘制出贯入阻力与