（材料学专业论文）cfg桩身材料的制备及其抗硫酸盐侵蚀性能研究.pdf

摘要 论文结合水泥粉煤灰碎石桩( c e m e n tf l ya s hg r a v e l ，简称c f g ) 的工程应用特点及国内外对c f g 桩身材料的研究现状，开展了c f g 桩身材料的制备技术及其在硫酸盐环境下的抗侵蚀性能的研究。 本文基于水胶比、粉灰比、胶凝材料用量、粗骨料、石屑率等 原材料及配合比参数对c f g 桩身材料力学性能、工作性能影响规律的 深入研究，提出了c f g 桩身材料的配合比设计方法，成功配制了不同 强度等级的c f g 桩身材料。在此基础上，通过模拟含硫酸盐的地下水 的环境侵蚀特性，试验研究了c f g 桩身材料在硫酸盐溶液侵蚀环境条 件下的抗侵蚀性能。 试验研究结果表明：1 ) 水胶比、粉灰比、胶凝材料用量等参数 显著影响c f g 桩身材料的强度、弹性模量。随着水胶比、粉灰比以及 胶凝材料用量的增加，c f g 桩身材料的强度、弹性模量降低。且随着 龄期的增加，c f g 桩身材料的强度、弹性模量稳步增长。2 ) 骨料体 积含量越大，c f g 桩身材料静力受压弹性模量越大；3 ) c f g 桩身材 料渗透性和孔隙率随水胶比的增大而增大；存在最佳的粉灰比使得 c f g 桩身材料渗透性和孔隙率最小。4 ) 相对于清水中养护的c f g 桩 身材料试件，浸泡在硫酸盐溶液中的试件的强度呈现增加的趋势，且 在本文试验条件下，均没有发现浸泡在硫酸盐溶液中的c f g 桩身材料 试件存在胀裂破损现象。5 ) 在硫酸盐溶液中浸泡的c f g 桩身材料试 件的质量随浸泡时间的延长而增加；且试件的动弹性模量也随着浸泡 龄期的延长而增长。c f g 桩身材料具有良好的抗硫酸盐环境条件的侵 蚀性能。 关键词c f g 桩身材料，配制技术，力学性能，耐久性，硫酸盐侵蚀 a b s t r a c t n i s p a p e r , c o m b i n i n g t h ec h a r a c t e r sa n d e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o no ft h ec f g ( c e m e n tf l ya s hg r a v e l ) a n di t sp r e s e n t r e s e a r c hc o n d i t i o no v e r s e a sa n da th o m e ，s t u d i e st h ep r e p a r a t i o no f c f g p i l eb o d yt e c h n i q u ea n di t se r o s i o nr e s i s t a n c eu n d e rs u l f a t e e n v i r o n m e n t o nt h eb a s i so ft h ef u r t h e rr e s e a r c ho ft h ei n f l u e n c er u l e so f w a t e r - b i n d e rr a t i o ，p o w d e r - a s hr a t i o ，q u a n t i t yo fc e m c n t i t i o u sm a t e r i a l s , c o a r s ea g g r e g a t e s ，s t o n e - c h i pr a t i o ，e t c a n dm i x i n gp r o p o r t i o no nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w o r k i n gp e r f o r m a n c eo ft h ec f g p i l eb o d y , t h e p a p e rp u t sf o r w a r d st h ed e s i g nm e t h o do fp r o p o r t i o n i n gp a r a m e t e r so f c f gp i l eb o d ym a t e r i a l sa n dm a n a g e st op r e p a r et h em a ：t e r i a l so fc f g p i l eb o d yo fd i f f e r e n ts t r e n g t hl e v e l s u n d e rt h i sb a s i s ，t h r o u g hs i m u l a t i n g t h ee r o s i o no fs u l f a t eu n d e r g r o u n dw a t e r , t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h e st h e r e s i s t a n c ea b i l i t yt oe r o s i o nu n d e rs u l f a t ee n v i r o n m e n t t h e e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w s t h a t ： 1 ) w a t e r - b i n d e rr a t i o ，p o w d e r - a s hr a t i o ，q u a n t i t yo fc e m e n t i t i o u s m a t e r i a l sa n ds u c hp a r a m e t e r ss i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c et h e s t r e n g t h , m o d u l u so fe l a s t i c i t yo ft h ec f gp i l eb o d ym a t e r i a l s t h eh i g h e r w a t e r - b i n d e rr a t i o ，p o w d e r - a s hr a t i oa n dm o r eq u a n t i t yo fc c m e n t i t i o u s m a t e r i a l sa r eu s e d ，t h el o w e rs t r e n g t ho f t h ec f g p i l eb o d ym a t e r i a l sa n d m o d u l u so ft h ee l a s t i c i t yw i l lb e a n dw i t ht h ei n c r e a s i n gc u r i n gp e r i o d , t h es t r e n g t ha n dm o d u l u so f t h ee l a s t i c i t yo ft h ec f g p i l eb o d ym a t e r i a l s i n c r e a s es t e a d i l y 2 ) t h em o r ev o l u m ef r a c t i o no fa g g r e g a t ei s ，t h eh i g h e rm o d u l u so f e l a s t i c i t yu n d e rs t a t i cc o m p r e s s i o nw i l lb e 3 ) t h eh i g h e rw a t e r - b i n d e rr a t i oi s ，t h em o r ep e n e t r a b i l i t ya n d p o r o s i t yw i l lb e t h e r ei sa no p t i m a lp o w d e r - a s hr a t i ot h a tp r o d u c e st h e l o w e s tp e n e t r a b i l i t ya n dp o r o s i t y 4 ) c o m p a r e dw i t ht h es p e c i m e n so ft h ec f gp i l eb o d ym a t e r i a l si n w a t e r , t h e 蛐嘲1 9 lo ft h o s ei ns u l f a t es o l u t i o n ss h o w sa ni n e r e a s i n g t e n d e n c y a n du n d e rc i r c u m s t a n c eo ft h i se x p e r i m e n t , t h e r ei s n o e x p a n s i o nb r e a ko f t h es p e c i m e n s 5 、t h es p e c i m e n sa r eh e a v i e ri ns u l f a t es o l u t i o n s ；t h e i rd y n a m i c e l a s t i cm o d u l u si n c r e a s ew i t l lt h eg r o w i n gi m m e r s i o np e r i o d , t o o c f g p i l eb o d ym a t e r i a l sh a v eg o o dr e s i s t a n c ea b i l i t yt oe r o s i o nu n d e rs u l f a t e e n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：m a t e r i a lo fc f op i l e b o d y , m i x i n gt e c h n o l o g y , 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 , s u l f a t ee r o s i o n i l l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：! 曼堑日期：丝z 牡月兰日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 地基处理是古老而又年轻的领域。木桩处理在我国应用历史悠久，浙江省余 姚市河姆渡出土的文物表明，我们的祖先在7 0 0 0 多年前已经能采用各种木桩用 以加固沼泽地基建造干拦式建筑。2 0 0 0 多年前，石灰作为建筑物基础垫层材料 以及石灰稳定土的技术己在我国应用。而现代的复合地基技术是工程技术人员在 工程实践中总结和发展起来的。它从两条思路发震而来，一是当在软弱地基上建 造结构物时，工程技术人员很自然想到在土体中设置比土体强度高的增强体：另 一种是当采用桩基础时，工程技术人员在实践中经常发现结构物底板下的土也表 现出一定的应力水平而承担着荷载，因此也很自然地将面积较大，承载能力较低 的土体纳入承载要素范围共同承受上部结构荷载。因此，如何同时充分发挥竖向 增强体和土体的承载力，是发展复合地基技术的出发点。 复合地基技术在1 9 世纪3 0 年代起源于欧洲，当时为了处理松散的砂土地基， 出现了砂桩加固法，但在长时间内由于没有实用的设计计算方法，缺少先进的施 工工艺和施工设备而影响了它的发展。第二次世界大战以后，原苏联在这方面的 研究取得了较大成就，使它得到了较广泛的应用。复合地基( c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) 的概念是日本学者在2 0 世纪6 0 年代初提出。随着地基处理技术的发展，复合地 基的概念得到了很大的扩展【n 。复合地基是指在地基处理过程中，部分土体得到 增强或置换，或在地基中设置加筋材料。加固区是由基体和增强体两部分组成的 人工地基，在荷载作用下，基体与增强体共同承担荷载的作用【2 j 。由于经济的发 展及对外开放的需要，各种工程建设迅速发展，不良地质条件也日渐增多，为了 满足地基的强度、变形及抗震等要求，目前主要是通过形成复合地基以达到提高 地基承载力、减少沉降、提高经济效益的目的。以下扼要介绍几种常见的地基处 理工程技术： 振冲法，其原理加密砂性土由德国的s s t e u e r m a n ( s 施托伊尔曼) 于1 9 3 0 年提出【3 】。5 0 年代在工程中的具体应用初步显示了其技术和经济的优越性，最初 用于振密松砂地基，后来将其应用于粘性土地基，此时，填入石料的桩体为碎石 桩。我国从1 9 7 6 年开始研究和应用振冲法技术，1 9 7 8 年9 月制定了振冲碎石 桩加密砂基暂行施工操作规程【4 】。应用至今取得了很大成绩，干振法加固地基 的旄工工艺研究也取得了一定的效果。 土桩挤密法，由原苏联a b e l e v 教授于1 9 3 4 得提出的，1 9 8 4 年应用于工程， 是原苏联和东欧国家处理深层湿陷性黄土地基的主要方法。它于5 0 年代中期传 中南大学硕士学位论文第一章绪论 入我国，在西北黄土地区开始试验和应用。为了解决城市杂填土地基的深层处理 问题，陕西省西安市经过多年的试验，成功地创造了灰土桩挤密法。土桩或灰土 桩用于处理地下水位以上、深度5 1 5 m 的黄土或杂填土地基，地下水位以下或 含水量超过2 5 以上的土，不适用这种方法。 石灰桩法，与其它地基处理方法相比，有着较长的历史 5 1 。在本世纪5 0 年 代以前，石灰桩处理地基，绝大多数为浅层处理，随着建设规模的扩大。开始将 其用于深层地基的处理。天津市从1 9 5 3 年起用石灰桩加固了一批软土地基，取 得了一定的经验，并对石灰桩的应用范围、承载力估算、施工机具及操作步骤进 行了初步的总结。浙江、江苏等省也有采用石灰桩法对软弱地基进行处理的工程 实例，并对加固机理和设计方法进行了探讨 旋喷法，始创于日本，它是从化学注浆法演变而来的。1 9 7 0 年，日本开发 出一种旋喷法，它采用水泥、石灰和粉煤灰等粉状加固料作为固化剂。我国于 1 9 7 3 年进行试验，1 9 7 4 年应用于工程，它适用于处理淤泥、粘性土、粉土当 地基中含有大粒径块石及较多的有机质时，不宜采用这种方法。利用旋喷桩处理 地基，在我国取得了较好的技术效果和经济效益，目前已被列为国家标准。 水泥搅拌桩加固软土地基技术起源于美国。第二次世界大战后，美国研制成 功一种就地搅拌桩，桩径0 3 0 4 m ，桩长1 0 1 2 m 。1 9 5 3 年日本研制开发了水 泥搅拌固化法，用于加固钢铁厂矿石堆场地基，处理深度达到3 2 m 。我国于1 9 7 8 年对这种方法进行研究，1 9 7 9 年在塘沽新港进行工程试验，1 9 8 0 年在上海宝山 钢铁总厂，利用水泥搅拌桩处理软土地基获得了成功，并通过了鉴定，已在许多 工程中采用。它适用于加固各种成因的饱和软粘土，包括淤泥、淤泥质土、粘土 及粉质粘土粉喷桩法加固软土地基是水泥搅拌桩复合地基的一种主要形式。 1 9 6 7 年瑞典采用生石灰粉与原位软土搅拌，形成石灰桩的软土加固法，这标志 着粉喷桩技术的产生。由于粉喷技术在软土地基加固中具有造价低、适用范围广 及效果好等优点，粉喷法旌工技术得到迅速推广。 刚性桩复合地基的设计思想由中国建筑科学研究院黄熙龄院士首先提出，中 国建筑科学研究院地基基础研究所于1 9 9 2 年开发成功的c f g 桩复合地基即最早 的刚性桩复合地基。为了提高复合地基承载力、减小沉降，将碎石桩中掺入水泥、 粉煤灰和石屑，于是形成了粘结强度较高的c f g ( c e m e n tf l y a s hg r a v e l ) 桩，它 具有刚性桩的性状。 c f g 桩( c e m e n tf l y - a s hg r a v e lp i l e ) 是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它是由 水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫 层一起形成复合地基嘲。c f g 桩复合地基是近年来出现的一种新型地基加固技 术，采用螺旋钻机、洛阳铲或振动沉管桩机等设备进行成孔。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 随着我国的国民经济水平的不断提高，水利，交通和土木等各类工程领域迅 速发展起来，新型建筑材料的大量涌现与施工技术不断发展完善。c f g 桩身材料 作为一种较廉价适用的新型建筑材料，大量的应用于重要的工程项目，但其现有 的设计理论己滞后于工程项目的使用要求，有关其耐久性能方面的研究明显不 足。 。 1 2c f g 桩的发展与应用概述 1 2 1 g = g 桩的特点 c f g 桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或 砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩问 土、褥垫层一起形成复合地基，如图1 - 1 所示。 c f g 桩是一种可变强度桩，通过调整 水泥掺量及配比，其强度等级在c 5 c 2 5 之间变化，是介于刚性桩与柔性桩之间的 一种桩型。c f g 桩身材料与一般混凝土不 同，它利用工业废料粉煤灰，取代很大一 部分水泥，可以大幅度节约水泥，降低工 程造价，并且使c f g 桩身材料有明显的后 图1 - 1c f g 桩复合地基示意图 期强度增长；尽量利用采石厂较多的石屑和石渣代替砂，在能够保证工程质量的 同时，也减低了成本1 7 】。 目前c f g 桩用于高层建筑地基的加固，桩身强度等级在c 1 5 c 2 5 之间， 一般城市基础设施构筑物( 如污水处理厂等) 的地基加固，桩体强度等级为c 5 c 1 0 。c f g 桩和桩问土一起，通过由粒状材科组成的散体褥垫层形成c f g 桩复 合地基。设置褥垫层的目的，一是可以调整桩、土间的相对变形，保证桩、士共 同承担荷载；二是减少基础底面的应力集中。根据不同的地质条件，c f g 桩有 长螺旋钻孔桩机成桩、泥桨护壁工法成桩、长螺旋钻孔与管内泵送混合并成桩、 振动沉管机成桩等施工方法嗍 1 、c f g 桩复合地基具有以下特点： ( 1 ) 可以很好地利用桩间土的承载能力( 可发挥7 5 1 0 0 ) ；( 2 ) c f g 桩的模量和承载力特性具有刚性桩的特征，在复合地基中置换作用显著；( 3 ) c f g 桩一般不配钢筋，水泥用量仅为常规桩基础的5 0 8 0 ；( 4 ) 施工简便， 工期较短；( 5 ) 造价较低，其综合造价仅为常规桩基础的4 5 7 0 ；( 6 ) 可 以充分利用工业废料粉煤灰等，社会效益显著。 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 当基础承受竖向荷载作用时，桩与桩间土都要发生沉降变形，由于桩的模量 远大于桩间土的模量，桩比土的变形小，且会产生荷载逐渐向桩顶集中现象。基 础下设置了褥垫层，桩可以向上刺入，桩项上的垫层材料在受压的同时会挤向周 围桩间土，以保证在任一荷载下桩与桩间土始终参与工作。且c f g 桩体强度有 可调性，可避免散体材料桩( 碎石桩、砂桩) 及低强度材料桩( 石灰桩、灰土桩) 由于桩身材料强度的限制而使荷载传递深度有限的缺，可以大幅度提高地基的承 载力。 2 、c f g 桩的优点 ( 1 ) 承载力提高幅度大，可调性强 c f g 桩长可以从几米到二十几米，并且可全桩发挥桩的侧阻力，桩承担的荷 载占总荷载的百分比可在4 0 7 5 之间变化，当地基承载力较高时，荷载又不 大，可将桩长设计的短一点，荷载大时桩长可以设计的长一些。特别是天然地基 承载力较低而设计要求承载力较高，一般柔性复合地基难以满足设计要求。同时， c f g 桩身材料无论是强度或某一耐久性，均可以从原材料选用和组成配比中加 以适当调整，以满足工程需要。 ( 2 ) 适用范围广 对基础形式而言，c f g 桩既可以适用于条形基础、独立基础，也可以用于筏 基和箱形基础。就土性而言，c f g 桩可用于填土、饱和及非饱和粘性土，既可 用于挤密效果好的土，又可以用于挤密效果较差的土。适用于多种地层，如人工 回填土、粘性土、砂性土等，且可带水作业。 ( 3 ) 时间效应 利用振动沉管机施工，将会对周围土产生扰动，特别是对灵敏度较高的土， 会使结构破坏、强度降低。施工结束后，随着恢复期的增长，结构强度会有所恢 复。 ( 4 ) 桩体的排水作用 c f g 桩在饱和粉土和砂土中施工时，由于沉管和拔管的振动，会使土体产生 超空隙水压力。较好透水层上面还有透水性较差的土层时，刚刚施工完的c f g 桩将是一个良好的排水通道，孔隙水沿着桩体向上排出，直到c f g 桩体结硬为 止。 c f g 桩的优点还体现在施工工艺简单，施工工期较短，噪音低。经济效益明 显，桩身材料采用工业废料粉煤灰，综合造价较灌注桩和预制桩可降低费用近 l 3 l 2 左右。 3 、c f g 桩的缺点及尚待进一步研究的问题 ( 1 ) 就土的挤密效果而言，对于塑性指数高的饱和软粘土，成桩时土的挤 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 密分量为零，承载力的提高唯一取决于桩的置换作用由于桩间土承载力太小， 土的荷载分担比太低，因此不宜做复合地基。 ( 2 ) 从材料用量角度看，一般c f g 桩中胶凝体系的粉煤灰：水泥= l ：l 3 ：l ， 根据其配合比设计的特点看，c f g 桩实际上是一种高掺量粉煤灰混凝土桩，因 此就粉煤灰的资源化利用角度而言，c f g 桩并无多大突破。c f g 桩的水泥用量 并不少，以2 8 d 强度8 m p a 的设计要求为例，所需3 2 5 级水泥的用量在1 1 0k g m 3 以上，因此成本也较高唧。 ( 3 ) 桩体材料以一定的水灰比灌入桩孔内与传统的混凝土灌注桩类似，因 此不具备吸收桩问土孔隙水的能力，不可能在地基处理早期通过脱水方式加速桩 间土的固结，并很可能因施工工艺的影响而造成桩问土孔隙水压提高，延长土体 的固结时间。尽管有报道1 6 1 1 0 1 介绍桩体在硬化后透水性较强可作为排水通道使 用，但由于水化产物的不断产生，桩体内部连通的孔隙毕竟有限，加之如果连通 的孔隙过多又会对桩体的强度和耐久性造成不利影响，所以利用桩体作为捧水通 道这一观点缺乏足够的理论基础，且与桩体的强度及耐久性的要求存在一定矛 盾；同时由于桩体强度过高，必须采用垫层在桩土间协调变形，以改善桩顶荷载 分布，垫层的施工质量便成为关键。目前的砂石垫层作法是否能自由通过侧向转 移协调桩土沉降变形，还有待进一步研究。另外，当垫层较厚时其整体性、密实 度也可能对上部结构的质量造成影响，负面影响如何也有待时间的考验。 。 1 2 2c f g 桩的应用 c f g 桩是针对碎石桩承载特性的一些不足，加以改进而发展起来的。我国从 7 0 年代起就开始利用碎石桩加固地基，在砂土、粉土中消除地基液化和提高地 基承载力取得了令人满意的效果。后来逐渐把碎石桩的应用范围扩大，用到塑性 指数较大、挤密效果不明显的粘性土中，并以提高地基承载力为主要目的。大量 的工程实践表明，对这类土采用碎石桩加固，承载力提高幅度不大。这是因为碎 石桩系散体材料，本身没有粘结强度，主要靠周围土的约束传递基础传来的垂直 荷载。土越软，对桩的约束作用越差，桩传递垂直荷载的能力越弱。而刚性桩与 碎石桩不同，一般情况下不仅可全桩长发挥桩的侧阻，桩端落在好土层也可以很 好的发挥端阻作用。若将碎石桩加以改进，使其具有刚性桩的某些性状，则桩的 作用会大大加强，复合地基承载力会大大提高。这样，在碎石桩体中掺加适量石 屑、粉煤灰和水泥，加水拌和，制成一种粘结强度较高的桩体，称之为水泥粉煤 灰碎石桩，简称c f g 桩。 c f g 桩复合地基试验研究是建设部。七五”计划课题，于1 9 8 8 年立题进行 试验研究，并应用于工程实践。c f g 桩复合地基试验研究成果于1 9 9 2 年由建设 部组织鉴定，专家门一致认为：该项成果具有国际领先水平，推广意义很大。 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 c f g 桩复合地基成套技术，1 9 9 4 年被建设部列为全国重点推广项目，被国家科 委列为国家级全国重点推广项目。1 9 9 7 年给列为国家级工法，并制定了中国建 筑科学研究院企业标准，现已列入国家行业标准建筑地基处理技术规范。为 了进一步推广这项新技术，国家投资对施工设备和施工工艺进行了专门研究，并 列入了“九五”国家重点公关项目。1 9 9 9 年1 2 月通过了国家验收。 该工法由中国建筑科学研究院于1 9 8 8 年开发成功以来，已发展成为高层建 筑地基处理的有效手段。该技术已在全国2 3 个省、市广泛推广应用，据不完全 统计，该技术已在1 0 0 0 多个工程中应用。和桩基相比，由于c f g 桩体材料可以 掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力，工程造价一般为 桩基的1 3 1 2 ，经济效益和社会效益非常显著。以北京大屯慧忠北里居住区三 栋塔楼( 2 7 层) 为例，采用c f g 桩复合地基( 振动沉管工法) 替代原设计拟采 用的钢筋混凝土灌注桩基础后，不仅满足设计要求，而且节约投资4 2 0 万元。就 1 9 9 8 年至2 0 0 1 年4 年间，这项技术已在北方地区的高层建筑地基处理中应用， 仅就北京和河北地区的不完全统计，已有近3 0 0 余栋高层建筑地基处理采用了 c f g 桩加固技术，其中绝大多数为2 0 3 0 层，3 1 3 5 层的超高层建筑有1 5 幢。 由于c f g 桩复合地基技术具有施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低 廉的特点，当时已成为北京及周边地区应用最普遍的地基处理技术。近几年，随 着我国高速公路、铁路、客运专线和既有线改造的推动发展，c f g 桩也作为处理 松软地基的一种手段，也正在高速公路、铁路、客运专线建设中推广应用【1 l 】1 1 2 】【1 3 l 。 1 3c f g 桩身材料的组成及其性能 1 3 1c f g 桩身材料的组成 1 水泥 水泥是一种水硬性胶凝材料，它与石灰、石膏、水玻璃等气硬性胶凝材料不 同，不仅能在空气中硬化，而且在水中能更好地硬化，并保持和发展其强度，因 此，在胶凝材料中，水泥占有突出的地位。其性质和作用已被人们充分认识并广 泛应用于各种工程建设中，可以说，水泥是工程建设中用量最大的胶结材料 对水泥的主要技术性质要求如下： ( 1 ) 细度 细度是指水泥颗粒的粗细程度，它对水泥的凝结时间、强度、需水量和安定 性有较大影响，所以是鉴定水泥品质的主要项目之一。 国家标准规定：硅酸盐水泥的细度用透气式比表面积仪测定，要求其比表面 积大于3 0 0m 2 k g ；其它五类水泥的细度用筛析法，要求在0 0 8 0 方孔筛上不得 超过1 0 。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 凝结时间 水泥的凝结时间在旅工中具有重要意义。为了保证有足够的时间在初凝之前 完成混凝土成型等各工序的操作，初凝时间不宜过短；为了使混凝土浇捣完成后 尽早凝结硬化，以利下道工序及早进行，终凝时间不宜过长。 国家标准规定：常用水泥的初凝时间均不得早于4 5 m i n ；硅酸盐水泥的终凝 时间不得迟于6 5 h ；其它水泥的终凝时间不得迟于1 0 h 。 由于拌和水泥浆时的用水量多少，对凝结时间有影响，因此，测试水泥凝 结时间时必须采用标准稠度用水量，即水泥拌制成特定的塑性状态( 标准稠度) 时所需的水量。国家标准规定用标准稠度测定仪测定水泥浆标准稠度的用水量。 硅酸盐水泥的标准稠度需水量一般为2 5 2 8 ( 占水泥重量) 。 ( 3 ) 体积安定性 安定性是指水泥硬化后，体积变化的均匀性各种水泥在凝结硬化过程中， 其体积都会发生一定的变化。如果这种体积变化是在凝结硬化过程中，则对建筑 物的质量影响不大；如果是在凝结硬化之后，则说明水泥中含有过量的游离氧化 钙、游离氧化镁或硫酸盐等有害成份，这些有害成份会在水泥石内部产生剧烈的、 不均匀的体积变化，从而使建筑物的内部产生很大的破坏应力，结果使结构物产 生开裂、崩塌等破坏现象。因此，体积不安定的水泥不能使用。 2 粉煤灰 、 粉煤灰又叫。飞灰”，是火力发电厂排出的一种工业废渣。它是磨成一定细 度的煤粉在粉煤锅炉中燃烧( 1 1 0 0 1 5 0 0 ) 后，从烟道排出并经收集的粉末， 是一种火山灰材料。它通常呈灰白到黑色，是实心的或空心的球状颗粒，其矿物 组成主要是铝硅玻璃体，还有少量石英( 口一研q ) 和莫来石( 3 彳，2 q 2 5 i 0 2 ) 等结 晶矿物以及未燃尽的炭粒。粉煤灰的玻璃含量( 非晶质材料) 占7 1 - 8 8 ，是粉煤 灰具有活性的主要组成部分。粉煤灰的主要成分是硅和铝，次要成分有碳和铁、 钙、镁及硫的氧化物，也可能有钠，钾、钦、锰和磷的氧化物。 在煤的燃烧过程中，高温足可以使煤中的绝大多数无机物熔化。煤粉颗粒会 发生一系列的物理化学变化，最为显著的变化是由于表面张力的作用使得表面能 达到最小会使煤粉颗粒交化为球状。这些熔化的球状颗粒，将会在煤粉燃烧过程 中所产生的c o ，c 0 2 ，8 0 2 和水蒸气中漂浮，当这些颗粒离开火焰区域后，将会迅 速移动到温度较低的区域，然后淬灭成固体的玻璃相，淬灭的速度取决于这些颗 粒的大小，大颗粒移动缓慢将使得颗粒内部形成晶相物质。尽管这些颗粒也可能 会爆裂，但一般情况下，这些颗粒都会以固态颗粒状离开火焰区然后淬灭成中空 厚壁的球状颗粒。因为上述原因，不同粒径和密度的粉煤灰颗粒化学组成与矿物 组成差别很大，具体来说小颗粒的粉煤灰比大颗粒的粉煤灰有更多的玻璃相。 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 粉煤灰的玻璃相首先是煤中的粘土矿物失水后形成的，冷却方式不同又会产 生不同类型的玻璃相甚至晶体。$ t - c o ，c 0 2 ，s d 和水蒸气的存在，在玻璃化过 程中，这些颗粒可能与这些气体发生二次反应使得硅酸盐产生聚合和解聚。 具体来说，粉煤灰中玻璃体主要来源于高温条件下煤粉中两类矿物之间的反 应，即铝硅质粘土或页岩矿物与产生阳离子改性剂如碳酸盐或硫酸盐之间的反 应，所生成的产物有铝硅玻璃体、莫来石、二氧化碳和水，即【l 叼； x c a c o ，+ y a l ：0 3 2 h ：d 工i c 矗d a 1 2 0 i ) 要( 2 y + 工) 研d 2 ) + o x ) 3 j 3 彳，2 0 3 2 o l + x c d 2 + 2 y h 2 0 ( 1 - 1 ) 由于粉煤灰细度以及燃烧条件的不同，粉煤灰的化学成分也有较大波动。其 氧化物含量的波动范围为：0 2 ：4 0 - 6 5 $ ，4 ，2 0 3 ：1 5 $ 一4 0 9 6 ，f e 2 q ：4 - 2 0 。 a s t m 标准根据粉煤灰中的c a o 含量将粉煤灰分为高钙c 类粉煤灰和低钙的f 类 粉煤灰。 c 类粉煤灰；褐煤或亚烟煤的粉煤灰，d 2 + ，2 d 3 + 屁2 0 3 5 0 9 6 ； f 类粉煤灰：无烟煤或烟煤的粉煤灰，& d 2 + 4 ，：d 3 + n ：0 3 7 0 9 6 。 粉煤灰的结构细密，比表面积小，且对水的吸附能力较小，从而对相同量的 石灰或水泥，其需水量较小。所以，粉煤灰混合料具有干缩性小、抗裂性好，同 时也具有水化热低、抗蚀性好等优点。作为一种硅质的或硅铝质材料，粉煤灰本 身很少或没有粘性，但是当以分散的状态与水和消石灰或水泥混合时，能发生反 应，生成具有胶凝性能的水硬性水化产物，材料的这一性能称为火山灰性质，也 即是粉煤灰的活性。 3 石屑 工程实践证明，利用石屑代替砂已经成功应用在诸如预应力空心板、结构工 程、屋面防水工程，以及石屑砂浆在砌筑和抹灰工程的应用掣1 5 】。 此外，我国对掺用石砂及石屑的混凝土也已有了一定的研究。在我国的不少 地区缺乏河砂资源，或有些地区虽有河砂，但河砂存在含泥量高、级配差、细度模 数偏小等问题，这些地区内较大土木建筑工程施工所需河砂均需从外地运进，几 经倒运，河砂浪费大且成本高，增加了土木建筑工程的造价。而另一方面，不少地 区石料资源丰富，那么就要对这些资源进行合理利用。混凝土用粗骨料般为碎 石。在碎石生产过程中平均每吨矿石约产生0 1 5 吨o 2 0 吨石屑；同时，在一些 地区已形成了一定规模的机制石屑生产能力，这些都为在土木建筑工程中推广应 用石屑代替砂混凝土提供了条件。石屑是一种人工砂，利用石屑配制混凝土和砂 浆，不但可以解决砂源不足的困难，而在某些性能上等同于甚至优于河砂配制的 混凝土和砂浆，并且其经济效益也是可观的。贵州、云南等省份制定了相应的石 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 砂混凝土地方规耧1 6 1 7 】1 1 8 】【l 卅i 。 ( 1 ) 石屑按其得到的方式可分为两种：一是在加工碎石时筛分出来的石屑，这 种石屑随得到碎石直径大小的不同，石粉( 粒径小于0 1 6 r a m ) 含量变化幅度较大， 一般在跳2 0 之间，里面所含针片状粒形较多，这种石屑不宣在标号大于c 3 0 的混凝土及楼、地面砂浆中应用；二是由碎石经二级破碎专门加工的石屑，这种 石屑粒形多为圆棱体，石粉含量为1 0 1 6 之间，这种石屑成本较高( 但远低于 河砂价格) ，一般用于重要的结构、标号在c 3 0 以上的混凝土工程及楼、地面工 程。 ( 2 ) 一般正常加工得到石屑的细度模数为3 0 3 7 ，工程中要求石屑的石粉 ( 粒径小于0 1 6 r e , m ) 含量在溉2 蹦，细粉( 粒径小于0 0 8 m ) 含量小于7 。 ( 3 ) 石屑的最大粒径不能超过5 m 。 1 3 2 c f g 桩身材料的力学性能 c f g 桩身材料的力学性能是研究c f g 桩复合地基结构的基础。从材料角度来 看，c f g 桩身材料强度的主要影响因素有：水胶比、胶凝材料用量、粉灰比( 粉 煤灰掺入量) 、骨料、龄期等。 一、c f g 桩身材料力学性能的影响因素 1 水胶比 水胶比 水水泥+ 矿物掺合料 是近年来发展高强混凝土和高性能混凝提 出的，因为两者都需要矿物掺合料，例如矿渣、粉煤灰、硅灰等。矿物掺合料， 一般都有活性，并有较高的工作性和抗渗性，可以替代一部分水泥起到胶凝作用。 所以从这个角度上来讲，水胶比与普通混凝土中的水灰比性质上是一致的。 在工程实践中，给定龄期和养护条件下的混凝土的强度被认为主要取决水胶 比和密实程度。经充分密实的混凝土，其强度与水胶比成反比关系。但水胶比规 则仅在一定的范围内有效。在较大的水胶比条件下，混凝土内部由于多余水的挥 发，存在较多的孔隙，使的密实度大大降低，强度下降。如果在很低的水胶比条 件下，由于不能充分的密实，强度则取决与压实方法。 2 胶凝材料的用量 胶凝材料的用量对混凝土强度也有一定的影响。胶凝材料的用量也是影响包 括混凝土、c f g 桩身材料在内的水泥基材料力学性能的重要因素。在其它条件一 定时，胶凝材料用量增加，则浆体体积含量以及浆体的水胶比降低，骨料体积含 量下降，因而影响c f g 桩的力学性能。当浆体性质变化对c f g 桩力学性能的影响 效应大于骨料变化引起的效应时，c f g 桩的强度将增加。同时，胶凝材料用量对 c f g 桩力学性能的影响也受到胶凝材料中水泥本身强度等级、粉煤灰类型及其比 例含量等因素的影响。 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 3 粉灰比( 粉煤灰掺量) 有研究表明，c f g 桩身材料的强度在早期随粉灰比的增大而降低，在后期逐 渐增大p o p 1 】圆】。在水胶比一定的情况下，粉煤灰掺量增加，水泥量减小，在 2 8 天之前，水灰比大，水化产物减少，强度降低；到后期( 尤其是9 0 天以后) ， 由于一部分的粉煤灰火山灰效应的逐渐发挥，随着粉煤灰用量的增大，强度增长 率逐渐增大。 4 骨料 通常情况下，细骨料为石屑的材料强度比含砂材料略高，塌落度值又小于含 砂的材料剀删。有人通过扫描电镜对含石屑混凝土强度提高的原因进行了微观 分析 2 6 1 ，见图1 - 2 及图卜3 。从图1 - 2 ( a ) 及( b ) 可以看出：砂浆中存在较多的孔， 而且浆体与砂粒界面间有明显的孔隙；相反地，石屑浆比砂浆密实【见图1 3 ( b ) 1 ， 且石屑颗粒与浆体结合得非常紧密【见图1 3 ( a ) 】。 粗骨料的种类和最大粒径对c f g 桩身材料强度和工作性都产生一定的影响。 试验表明，同种类的粗骨料随最大粒径的增加强度减少、塌落度增加；粗骨料最 大粒径相同的碎石混合料抗压强度大于卵石混合料抗压强度，而碎石混合料塌落 度小于卵石混合料的塌落度。 ( a ) ( a ) 图1 - 2砂浆水化2 8 天s e m 照片 ( b ) ( b ) 图1 - 3石屑浆水化2 8 天$ e m 照片 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 5 龄期 c f g 桩身材料随着龄期的增长而增大不同粉煤灰掺量的c f g 桩身材料强度 随龄期的增大而增大，而且后期强度增大较快。当粉灰比为1 1 时，2 8 d 强度为 3 d 强度的2 9 3 倍；9 0 d 强度可以达到标准强度的1 3 8 倍，经过1 8 0 d 抗压强度 仍在增长，达到9 0 d 强度的1 1 倍。此后随着龄期的增长，c f g 桩身材料的强度 增长始终没有停止。由于有后期强度增长这一特征，在工程应用中是偏于安全的。 二、c f g 桩身材料的强度产生机理 1 水泥的水化反应和机理 水泥是c f g 桩身材料的主要胶结材料。水泥遇水后，最初形成可塑性的浆体， 后逐渐变稠失去塑性，开始具有强度，这一过程称为凝结。凝结后强度继续增长， 变为水泥石，这一过程称为硬化。有的把凝结和硬化总称为硬化过程。这一过程 是一系列复杂的化学反应和物理化学反应过程。以普通硅酸盐水泥为例来说明其 硬化过程。 ， 表1 - 1 水泥的水化反应 序含量 生成物 号 水泥矿物化学反应过程 ( ) ( 对强度影响) 硅酸三钙 2 ( 3 c a 0 3 i 0 2 ) + 6 h 2 0 - - + 5 0 氢氧化钙( 是决定强 l ( 3 c a o s i 0 2 )3 c a o s i 0 2 3 h 2 0 + 3 c a ( o h ) 2 度的主要因素) 硅酸二钙 2 ( 2 c a o s i 0 2 ) + 4 h 2 0 - - 2 5 水化硅酸钙( 主要产 2 ( 2 c 帕s i 0 2 ) 3 c a o s i 0 2 3 h 2 0 + 3 c a ( o h ) 2 生后期强度) 铝酸三钙 3 c a o a 2 0 3 + 6 2 0 _ 1 0 水化铝酸钙( 水化速 3 ( 3 c a o 爿t 2 0 3 )3 c a o 垃0 3 6 h 2 0度最快，可促进早凝) 铁铝酸四钙 4 c a o 4 ，2 0 3 f e 2 0 3 + 2 c a ( o h ) ： 4 + l o 2 d 寸3 c a o ，2 0 3 6 h 2 0 | 1 0 水化铁酸钙( 能促进 ( 4 c a t ：o , d ，) 早期强度) 4 c a o - f e 2 0 3 6 h 2 0 硫酸钙 3 c a s 0 4 + 3 c a o a t 2 0 3 + 3 2 h 2 0 5 _ 3 c a o 一，2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 3 5 钙矾石( 会使c f g 桩 c a s 0 4身材料发生膨胀) 水泥的主要矿物成分有硅酸三钙( g s ) 、硅酸二钙( c ，s ) 、铝酸三钙( c ，a ) 及铁铝酸四钙( c a f ) 。水泥水化反应比较复杂，一般认为发生的反应方程式和 过程如表卜1 所示。 各种矿物水化速度及含量对水泥水化起决定性因素，c ，a 水化速度最快但 含量最少，占2 5 1 5 ；其次是c a f 、c 3 s ，含量分别为1 0 1 9 及3 2 6 4 ，c , s 含量最高；c 2 s 水化速度最慢但含量也高，占1 4 2 8 。 化学反应起初是在水泥颗粒表面上进行的。c t s 水解生成的c a ( o h ) ，溶于水 中。使水变成饱和的石灰溶液，其他生成物不能再溶于水中，它们就以细小分散 状态的固体析出，微粒聚集形成凝胶。这种凝胶有粘性，能够将骨料与矿物掺和 中南大学硕士学位论文第一章绪论 料粒粘结在一起。化学反应继续进行，这种胶体颗粒逐渐加多，凝胶大量吸收周 围的水分，而水泥颗粒内核部分也从周围的凝胶包覆膜中吸收水分。水泥浆中的 游离水分逐渐减少，凝胶体逐渐变稠，水泥浆开始凝结。温度愈高，凝结硬化速 度愈快。随着时间的延长，包裹在水化产物内未水化的水泥颗粒内核又继续水化。 水泥的水化是不断进行的，这也是强度随龄期而增长的原因。由未水化的水泥熟 料颗粒、水化水泥、水和少量的空气，以及由水和空气占有的孔隙网构成硬化水 泥石，水泥石胶结骨料形成一个整体，从而c f g 桩材料产生了强度。 2 粉煤灰与水泥的反应和产物 粉煤灰与水泥的反应通常被描述为“与水泥的水化产物c a ( o h ) ，反应生成 c s h 凝胶”，习惯上称之为。二次反应”。 粉煤灰在有水泥存在条件下的反应可能是这样的，首先是粉煤灰颗粒表面形 成一层c s h 凝胶外壳( c s h 凝胶为水泥的水化产物) ，然后是粉煤灰颗粒表面 的玻璃体的溶解，这种溶解的速度通常受水泥基本系统孔隙中含有高浓度碱性水 化产物溶液的影响，随着水泥水化反应继续不断的进行，前述水泥水化后的溶液 中有大量的c a ( o h ) ：，星强碱性，与粉煤灰中的活性d 2