（材料学专业论文）pccsa复合体系水泥混凝土性能的研究.pdf

摘要 摘要 硅酸盐系列水泥( p c ) 是应用广泛的经济型建筑材料，而硫铝酸盐系列水泥 ( 简称c s a ) 是具有我国自主知识产权的性能优良的特种工程材料，两个系列均具 有自己独特的矿物组成和性能特点。 p c c s a 复合体系水泥是在硅酸盐水泥中引入少量硫铝酸盐水泥熟料以达到 改善硅酸盐水泥性能的目的。本论文研究了p c c s a 复合体系水泥混凝土的工作 性能、物理力学性能、耐久性能及微观特性，并与p c 水泥混凝土相关性能进行 了对比。 研究结果表明，p c c s a 水泥和p c 水泥对选用的外加剂适应性规律是一致的， 两者均与氨基磺酸盐系q y g 的适应性较好，并且p c c s a 水泥与q y g 的适应性要 略优于p c 。混凝土试验中，在采用同样配合比的情况下，p c c s a 水泥混凝土的 坍落度和扩展度大于p c 水泥混凝土。对于研究设计的c 3 0 和c 6 0 两种标号的混 凝土，p c - c s a 水泥混凝土的抗压强度、抗折强度和轴压强度明显高于p c 水泥混 凝土，劈裂强度略高于p c 混凝土。与p c 水泥混凝土相比，p c c s a 复合体系水 泥配制的混凝土具有更好的抗渗性、抗冻性，以及很好的收缩补偿性能。 本文利用扫描电镜测试了p c c s a 混凝土和p c 混凝土早期及2 8 d 水泥石的微 观形貌，并利用高压压汞和氮吸附两种方法研究了p c c s a 水泥混凝土早期和2 8 d 的孔结构。 关键词p c c s a 复合体系水泥： 混凝土：力学性能：耐久性 北京丁业大学丁学颂 j 学位论文 a b s t r a c t t h es i l i c a t ec e m e n ts e r i e s ( s h o r t e n e df o r mp c ) i s w i d e l ya p p l i e da st h e ya r e e c o n o m i c a lb u i l d i n gm a t e r i a l s ，w h e r e a st h es u l p h o a l u m i n a t ec e m e n ts e r i e s ( s h o r t e n e d f o r mc s a ) h a v eo u rc o u n t r y si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sa n da r es p e c i a l e n g i n e e r i n gm a t e r i a l sw i t hh i g hp e r f o r m a n c e t h et w os e r i e sh a v et h ed i f f e r e n tu n i q u e m i n e r a lc o m p o s i t i o na n dt h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s 。 p c c s ac o m p o u n ds y s t e mi sm a d eb ym i x i n gs o m es u l p h o a l u m i n a t ec l i n k e r i n t op cc l i n k e rt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o fp c t h ew o r k a b i l i t y , p h y s i c a l 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 ya n dm i c r o s t r u c t u r eo fp c c s ac o n c r e t ew e r e s t u d i e d ，i nc o m p a r ew i t hs i l i c a t ec e m e n tc o n c r e t e t h er e s u l ts h o w st h a tt h ea d a p t a b i l i t yo fp c c s ac o m p o u n ds y s t e mc e m e n ta n d p cc e m e n tt o s u p e r p l a s t i c i z e r c h o o s e di st h es a m e t h e yb o t hh a v ee x c e l l e n t c o m p a t i b i l i t yw i t hq y ga n dc o m p a t i b i l i t yo fp c c s ac e m e n tw i t hq y g i sb e t t e r t h a nt h a to fp c i ft h em i xp r o p o r t i o ni st h es a m e ，t h es l u m pa n de x t e n do fp c c s a c e m e n ti sl a r g e rt h a nt h a to fp cc e m e n t f o rt h ed e s i g no fc 3 0a n dc 6 0t w og r a d eo f c 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 h ，s h e a rs t r e n g t ho fp c - c s ac e m e n tc o l c r e t ea r e m u c hh i g h e rt h a nt h a to fp cc e m e n tc o n c r e t e ，t h et e n s i l es t r e n g t ho fp c c s ac e m e n t c o n c r e t ei sn e a r l yt h es a m et ot h a to fp cc e m e n tc o n c r e t e t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a t p c c s ac e m e n tc o n c r e t eh a sm u c hb e t t e rp e r m e a b i l i t y , c a r b o n a t i o na n dc o m p e n s a t e s h r i n k a g e ，c o m p a r e d t op cc e m e n tc o n c r e t e t e s t i n gm e t h o d ss e mi su s e dt os t u d ym i c r o s c o p i cs t r u c t u r eo fp c c s a a n dp c c e m e n tc o n c r e t ea te a r l ya g ea n d2 8d a y s t h ep o r es t m c t u r eo fp c - c s ac e m e n t c o n c r e t ea n dp cc e m e n tc o n c r e t ea te a r l ya g ea n d2 8d a y si ss t u d i e db yt w om e t h o d s o fm e r c u r yi n t r u s i o np o r o s i m e t r ya n ds o r p t i o ni s o t h e r m s k e y w o r d s p c c s ac o m p o u n ds y s t e mc e m e n t ；c o n c r e t e ；p h y s i c a lm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ；d u r a b i l i t y i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：骚查l 垂日期：弛堑：i ：尘 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垫：墨垂 导师签名：盔叁蓬隰巫炽 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景 迄今为止，水泥混凝土是人类文明生活中最重要的建筑材料之一。早在2 0 0 0 年以前，罗马人就曾经有用石灰、火山灰混合物建造许多规模宏伟的建筑物，其 中万神殿，2 0 英尺( 约6 1 m ) 厚的墙，表面砌有一薄层砖，墙身是用凝灰岩和 火山灰制成的混凝土，该建筑物至今保存完好【“。到了近现代，水泥混凝土已经 是人类使用最广泛的建筑材料，而在当代，它已是人造材料中用量最大，使用最 广泛的了。据不完全统计，我国2 0 0 4 年的水泥年产量已超过9 亿吨，约占世界 水泥产量的5 0 ，世界水泥年产量已超过1 8 亿吨，相当于5 4 亿立方以上的混凝 土。 水泥的生产和水泥混凝土的应用为基础设施建设带来了巨大的变化，也为全 人类社会经济发展奠定了雄厚的基础。以水泥作为基材复合而成的材料称为水泥 基复合材料，例如各种混凝土、砂浆、玻璃纤维增强水泥等。其中用量最大的是 各种混凝土，尤其是以砂石为骨科的普通混凝土。与钢材、木材、塑料、砖瓦等 常用建筑材料相比，混凝土尽管有单位质量大、导热系数大、抗拉强度低等缺点， 但其优点却是无可比拟的：原材料来源广泛，可满足宽范围强度等级的要求，可 成型为任意形状，适应不同条件下的施工；从耐久性来说，比钢材、木材和塑料 耐火、不生锈、不腐朽：从原材料的开采、加工，赢到最后用于建筑物或构筑物， 其全过程所消耗的成本是最少的。因此，混凝土经历了一百多年的发展历史，而 且已成为当今世界最大宗的建筑工程材料吐 混凝土经历了几个发展阶段，从片面追求混凝土的高强度，发展到今天，人 们已普遍认识到混凝土耐久往的重要性降4 1 ，提出了高性能混凝土的概念。高性 能混凝土是1 9 9 0 年前后出现的一种薪型高技术混凝土。关于高性能混凝土的定 义，法国的f d e t a r r a d 、美国的m e h t a 、日本的o k a m u r a 和加拿大的a i c t i n 【爿 等学者都提出了不同的观点；我国现阶段对高性能混凝土的认识也不一致，清华 大学冯乃谦教授认为：高性能混凝土应具有高流动性、高耐久性、高强度，强度 等级应在c 6 0 或c 5 0 以上。同济大学孙振平教授认为：凡是目前研究水平尚未达 到或勉强达到，人们期望实现的混凝土功能，都属高性能混凝土范畴。吴中伟院 北京工业大学工学硕士学位论文 士则提出【8 】，高性能混凝土强度下限c 6 0 或c 5 0 过高，认为在c 3 0 左右较适宜。 我国的混凝土技术经历了由低强到高强，由于硬到流念，混凝土生产从人工计量、 分散搅拌到计算机计量控制、集中搅拌的历程；现在，混凝土技术将从以强度为 中心过渡到以耐久性为追求目标的高性能多功能方向发展1 9 1 0 1 。 混凝土的耐久性包括很多方面，混凝土的体积稳定性、抗渗性、抗冻性、抗 碳化性、抗侵蚀性以及抗碱集料反应等。现在混凝土结构的耐久性日益倍受关注。 一些处于严酷环境中的混凝土结构，由于较差的耐久性已经或正在遭受严重的损 坏。近年来，混凝土结构物因材质劣化造成失效以至崩塌的事故在国内外屡见不 鲜，大量的建筑物因耐久性差而需要重建，许多国家每年用于建筑维修的费用日 益巨大，甚至超过新建的费用。如果混凝土结构物没有达到预期使用年限而过早 地被破坏，不但经济损失巨大而且危及人们的安全。因此，混凝土的耐久性已成 为世界范围的重大课题。 同时，混凝土也向着利用废弃物，绿色环保的方向发展。高性能混凝土的涵 义和组成材料已能说明，它含有很多“绿色”要素，也可以说是传统混凝土向绿 色材料迈进了一步。基于宏观一细观的系统观点，高性能混凝土应当成为“绿色 混凝土”才符合可持续发展的战略。“绿色”的涵义为：节约资源、能源；不破 坏环境，更有利于环境：既满足当代人的需求，又不危及后代人满足其需要的能 力。“绿色混凝土”无疑是本世纪混凝土科技的发展方向。我国已故著名水泥混 凝土专家吴中伟院士在“绿色高性能混凝土混凝土的发展方向”一文中要求 混凝土工作者加强绿色意识，提高高性能混凝土的绿色含量，节约更多的资源能 源，尽可能地减少环境负荷。其中重点强调了积极改变水泥品种，提高水泥质量， 最大限度地减少混凝土中水泥用量，以控制水泥总量的增长“”。 发展绿色高性能混凝土的主要途径除采用优质水泥、集料和水外，必须采用 低水胶比和掺加足量的矿物细掺料和商效外加剂【”。矿物细掺料是高性能混凝土 的主要组成材料之一，它能改变常规混凝土性能。矿物细掺料的种类主要有粉煤 灰、硅灰、磨细矿渣等。 本课题依托于国家“9 7 3 ”重点基础研究项目“高性能水泥制备和应用的基 础研究”中第二课题“高胶凝性和特性熟料复合体系研究”的一部分。高性能混 凝土的发展对作为混凝土重要组成材料的水泥提出了更高的要求，本课题通过发 2 第1 章绪论 展和创新现有的水泥及水泥基材料科学理论，指导制备高性能水泥熟料，进而制 备高性能水泥和水泥基材料。p c c s a 复合体系水泥就是将硅酸盐熟料和硫铝酸 盐熟料按矿物匹配的角度进行一定比例的复合，并掺入适量的石膏，制备得到的 高性能水泥。这种高性能水泥是否具有实际应用推广价值还要进行混凝土性能试 验，尤其是耐久性能测试。 水泥作为混凝土中最主要的胶凝材料，众所周知，混凝土的性能从根本上讲 要受到水泥性质的控制和影响。不同品种、强度等级的水泥配制的混凝土，可能 其强度水平、耐久性能、变形性能、水化热、施工特性等相差悬殊。水泥性质变 化对混凝土性能变化的影响是巨大的1 1 3 1 。本课题的研究目标是通过运用现有的混 凝土材料科学理论，研究p c c s a 复合体系水泥在混凝土中的应用，研究p c c s a 复合体系水泥混凝土的耐久性问题，以及利用粉煤灰等掺和料发展绿色混凝土的 问题，同时可以为p c c s a 复合体系水泥在工程中的应用提供依据。 1 2p c c s a 复合体系水泥及混凝土的研究现状 1 2 1 p o c s k 复合体系水泥的研究现状 我国是水泥大国，但并不是水泥强国。相当一部分水泥( 熟料) 的生产方式 落后，不仅消耗大量的资源、能源，带来严重的环境负荷，而且生产的产品性能 较差，不能满足现代建筑对商性能混凝土旌工性、耐久性等方面的要求。 复合化是改善水泥性能的有效途径，包括各系列水泥和辅助性胶凝材料复 合、各系列水泥之闯复合。纵观近年来国内外复合水泥的研究现状，大多数研究 工作集中在混合材方面，即在三大系列水泥( 由于把以c 。s 矿物为主的铝酸盐水 泥各品种称为第一系列水泥，把以c a 矿物为主的铝酸盐水泥各品种称为第二系 列水泥，所以中国又把以c 。屯s 矿物为主的硫铝酸盐水泥各品种称为第三系列水 泥) 中加入一种或多种混合材，通过控制混合材的掺量和颗粒分布达到预期目的， 并对这类复合水泥的性能和水化硬化机理进行了深入的探讨，公开发表的文献已 有很多“”1 。不同系列水泥间的复合研究进行得很少，文献检索的结果表明，与 之相关的文章屈指可数。 在第八届国际水泥化学会议上印度学者s l a x m i 等人介绍了他们的研究工 北京丁业火学丁学硕i 学位论文 作，以高强硅酸盐水泥、高铝水泥、硬石膏等配制的快硬、高强复合水泥，该水 泥在1 5 分钟内硬化，强度发展规律为1 2 8 2 4 小时分别为1 0 2 3 4 5 7 0 牛顿毫米2 ，可用于采矿、隧道、大坝抢修、机场以及防御设施的抢修工程中”。 该复合水泥并在印度申请了专利。i j a n o t k a “”等研究了贝利特硫铝酸盐水泥 ( i a b ) 和波特兰水泥( p c ) 复合体系的性能，研究结果表明，在水泥细度相同 时，s a b 的矿物组成显著影响复合水泥的凝结时间；复合水泥的强度( 8 5 w t s a b 1 5 w t p c ) 在9 0 天以前低于p c 水泥砂浆；复合水泥的补偿收缩性优于p c 水 泥，而p c 水泥具有优异的抗钢筋锈蚀性能。 国内学者刘晓存1 1 s 】通过在硅酸盐水泥中引入活性矿物成分( 如c 4 a 3 s 等) 来 制备具有特殊性能的复合水泥。学者张丕兴、王复生等人研究了硫铝酸盐水泥和 硅酸盐水泥混合对复合水泥性能的影响。张丕兴“”的研究结论是，以硅酸盐水泥 为基体，掺入一定量的硫铝酸盐水泥后，复合体系水泥的凝结时间缩短，水泥石 的密实度增加，且具有微膨胀性；以硫铝酸盐水泥为基体，掺入一定量的硅酸盐 水泥后，复合体系水泥的1 天强度增加，钙矾石更加稳定，对钢筋有定的阻锈 作用。王复生“1 研究的结果是，在硅酸盐水泥中掺入少量硫铝酸盐水泥时，水泥 的水化得到促进，水化产物中钙矾石量增多，水泥具有早强微膨胀性；在硫铝酸 盐水泥中也可掺少量硅酸盐水泥，水泥的于缩率降低，同时在保证强度不降低的 情况下，可以降低水泥生产成本。 复合体系的材料组成是影响复合体系性能的主要因素。本实验室研究的p c c s a 复合体系水泥是利用传统的硅酸盐水泥熟料为基础，复合硫铝酸盐水泥熟料， 掺加适量的石膏，实现不同体系间性能互补和叠加，制备得到的高强高耐久性的 水泥。 1 2 1p c - c s a 复合体系水泥混凝土的研究现状 通过查阅文献资料，有关p c c s a 复合体系水泥的研究并不多，而且多侧重 于水泥性能方面，没有形成一个系统化的研究，限制了p c c s a 复合体系水泥在 实际混凝土工程中的推广应用，耳前，还没有查到p c c s a 复合体系水泥混凝土 研究的相关文献资料。 第1 章绪论 1 3 论文选题的意义及目的 p c - c s a 复合体系水泥是p c 熟料一c s a 熟料一石膏所缀成的三元复杂系统 中靠近硅酸盐的区域组成。硅酸盐系列水泥是应用广泛的经济型建筑材料，经过 一百多年的发展，形成了庞大的硅酸盐体系“，而硫铝酸盐系列水泥是具有我国 自主知识产权的性能优良的特种工程材料，有早强、高强、高抗渗、高抗冻、耐 蚀、低碱和生产能耗低等特点。1 。两个系列均具有自己独特的矿物组成和优良的 性能特点，p c c s a 复合体系水泥就是将硅酸盐熟料和硫铝酸盐熟料按矿物匹配 的角度进行一定比例的复合，并掺入适量的石膏，制备得到的。p c c s a 复合体 系水泥具有优良的物理力学性能，x 一射线衍射、扫描电子显微镜、及水化放热 行为等测试分析结果表明p c c s a 复合体系水泥中各种不同体系矿物的水化速度 能协调发展，实现了性能优势叠加。 混凝土是一釉非常复杂的复合材料，水泥在混凝土中性能的发挥要受到其他 组分的影响，水泥作为混凝土中的主要胶凝材料，应满足混凝土各项性能的要求， 如良好的工作性、耐久性和较高的强度。p c c s a 复合体系水泥具有比较优异的 物理力学性能，而水泥最终势必运用于混凝土工程实际当中，p c c s a 复合体系 水泥能否在实际工程中推广应用，还要取决于其用于混凝土中性能的发挥。p c c s a 复合体系水泥在实践中的检验，混凝土中应用是一个重要的部分，而且目前 国内外有关p c c s a 复合体系的研究还不多，而且大多侧重于水泥性能的研究， p c c s a 复合体系混凝土的研究目前还没有，因此本论文将利用p c c s a 复合体系 水泥作为主要胶凝材料设计混凝土配合比，制备p c c s a 复合体系水泥混凝土， 检验p c c s a 复合体系水泥混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能及微观特性 等，以便为p c c s a 复合体系水泥在工程中的应用提供定的理论与技术支持。 1 4 论文主要研究内容 本论文主要研究p c c s a 复合体系水泥作为胶凝材料用于混凝土中的各项性 能。主要包括： ( 1 ) p c c s a 复合体系水泥混凝土的工作性能。p c c s a 复合体系水泥与高效 北京工业大学工学硕士学位论文 减水剂的适应性，选择适应性较好的外加剂进行p c c s a 复合体系水泥混凝土配 合比设计。检验p c c s a 复合体系水泥混凝土的工作性。 ( 2 ) 研究p c c s a 复合体系水泥混凝土的物理力学性能，包括抗压强度、抗 折强度以及抗劈拉强度等。研究粉煤灰的掺入对p c c s a 复合体系水泥混凝土物 理力学性能的影响。 ( 3 ) 研究p c c s a 复合体系水泥混凝土的抗渗性能、抗碳化性能、抗冻融性 能以及体积稳定性等一系列耐久性能。 ( 4 ) 利用扫描电镜研究p c c s a 复合体系水泥混凝土中水化产物的组成和微 观结构，并利用高压压汞和氮吸附两种测试方法研究p c c s a 复合体系水泥混凝 土的孔结构。 第2 章 原材料和主要试验方法 2 1 原材料 第2 章原材料和主要试验方法 2 1 1 p c c s a 水泥 本实验为更接近工业生产，所用原料均采用工业原料。硅酸盐水泥熟料由北 京琉璃河水泥厂生产，硫铝酸盐水泥熟料由河北省唐山北极熊特种水泥股份有限 公司生产。 为了便于比较复合水泥和硅酸盐水泥在性能上的差别，本研究采用的复合水 泥和硅酸盐水泥，均是在天津水泥工业设计研究院半工业化球磨机磨制。萁化学 成分及矿物组成，分别见表2 - 1 ，表2 - 2 。 表2 - 1p c - c s a 的化学成分 t a b l e2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fp c - c s a 化学成分分析( ) i d s s s i 0 2 a 1 2 0 3 f e 2 0 3 c a o m g os 0 3t i 0 2 k 2 0n a 2 0合计 2 1 4 2 0 7 5 6 2 03 0 46 0 6 53 0 13 4 3|o 6 30 1 29 9 9 7 表2 - 2 硅酸盐水泥的化学成分 t a b l e2 - 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fp c 化学成分分析( ) l o s ss i 0 2 a 1 2 0 3 f e 2 0 3c a o m g os 0 3t i 0 2 k 2 0 n a 2 0 合计 1 8 52 1 3 15 1 73 0 86 2 4 13 1 32 2 4|0 6 80 1 29 9 9 9 2 1 2 骨料 实验用石子来自河北三河市。本次研究要配制c 3 0 、c 6 0 强度的混凝土，最 大粒径不大予2 5 嘲，符合行业标准。其筛分结果见表2 - 3 。 北京工业大学工学硕士学位论文 表2 - 3 石子筛分结果 t a b l e2 - 3a n a l y s i so fg r a i ns i z ed i s t r i b u t i o no fc o a r s ea g g r e g a t e 筛孔( m m ) 1 9o 1 g0 9 04 7 52 3 6筛底 累计筛余百分率( ) l o 3 3 028 6 79 9 79 9 ，91 0 0 3 实验用砂取自北京市密云，其筛分结果见表2 4 。 表2 - 4 砂筛分结果 t a b l e 3 - 4 a n a l y s i so f g r a i ns i z ed i s t r i b u t i o n o f f i n ea g g r e g a t e 筛孔( m m ) 4 7 523 61 1 8 o 6 0o 3 00 1 5 0 筛底 累计筛余百分率( ) 10 2 86 62 0 8 6 3 8 9 2 8 1 0 0 4 从表中数据可以算出，该砂的细度模数m ，= 2 8 5 ，属中砂，级配位于n 区； 该砂中泥含量2 6 ，符合相关标准的规定。 2 1 3 高效臧水剂 高效减水剂是一类高分子表面活性剂，多数是阴离子型表面活性剂，但并不 是所有的表面活性剂都可以用作混凝土的高效减水剂。常用的混凝土高效减水剂 按化学成分可以分成如下几类。萘( 芳香族) 磺酸盐甲醛缩和物：三聚氯胺( 蜜 胺树脂) 系高效减水剂；氨基磺酸盐高效减水剂；脂肪族磺酸盐高效减水剂；聚 苯乙烯磺酸盐减水剂；改性木质素磺酸盐高效减水剂；聚羧酸系高效减水剂。 本研究采用以下减水剂： 1 萘系，u n f - 5 ； 2 脂肪族，扩3 2 ，固含量3 5 5 ； 3 氨基磺酸盐系，q y g ，固含量3 2 ，天津雍阳减水剂厂。 2 1 4 粉煤灰 粉煤灰在混凝土中具有“形态效应”、“活性效应”和“微集料效应”三类基 本效应，而优质粉煤灰更有三种效应的练合叠加作用。当前，混凝土高性能化的 重要手段就是复合技术，掺加粉煤灰就是一种方法【2 0 】。 本实验研究采用的粉煤灰为华能生产的高钙粉煤灰。其化学成分和矿物组成 见表2 5 。 第2 章原材料和主要试验方法 表2 - 5 粉煤灰的化学成分 t a b l e2 - 5c h e m i c a lc o m p o s i t i o no ff l ya s h 化学成分分析( ) l o s s s i 0 2a j 2 0 3f e 2 0 3 c a o m g o s 0 3t i 0 2 k 2 0 n a 2 0 合计 6 8 92 9 5 81 3 1 69 3 1 3 1 5 42 2 0 3 6 9 0 6 11 7 l9 8 6 9 2 1 5 水 自来水，符合“混凝土拌和用水标准”( j g j 6 3 1 9 8 9 ) 的要求。 2 2 主要试验方法 2 2 1 水泥与水泥砂浆测试 2 2 1 1p c c s a 水泥与高效减水剂的适应性采用g b 8 0 7 7 - 1 9 8 7 净浆流动度方 法来评价水泥与萘系u n f 5 ，脂肪族扩3 2 ，氨基磺酸盐3 种高效减水剂的适 应性，并用初始流动度及3 0 r a i n 和6 0 m i n 流动度损失进行表征。采用机械搅拌的 方式搅拌，试验时温度为2 0 + _ 3 。c ，相对湿度= 9 0 。 称量水泥3 0 0 9 ，设水灰比为o 2 9 。称量减水剂固含量为水泥量的o 7 5 ，液 体减水剂要减去其中的水。拌和结束，将净浆装入己置于玻璃板上的截顶圆锥型 试模中。将试模垂直向上提起，开始计时，3 0 s 后测量垂直两个方向上的直径， 即初始流动度。收起净浆，密闭保存。记录水泥加入水中时间为起始时间，3 0 m i n ， 6 0 r a i n 后，再重复上述步骤，继续测定流动度经时损失。 2 2 ，1 2p c - c s a 水泥电阻率测定在温度为2 0 2 条件下制备水泥浆体，水灰 比为0 4 。采用水泥砂浆搅拌机机械搅拌3 分钟，然后将搅拌好的水泥浆体迅速 倒入电阻率测试仪的环形模具中，并轻轻振荡模具，使浆体中的气体排除，同时 开始计时。盖好模具上面的盖子，防止水分蒸发。仪器记录数据频率为每分钟一 次，记录时间为2 4 小时。试验所用仪器是一种非接触式电阻率测试仪，该仪器 由香港科技大学土木工程系李宗沣博士等发明( 已申请专利) 。 北京工业大学工学硕士掌位论文 2 ，2 1 3p c - c s a 水泥砂浆裂缝测定本试验试件采用水泥砂浆制作椭圆带形试 件，标准养护箱养护一天后取出，然后在试件表面用6 b 铅笔涂一层导电带，接 入五路水泥裂缝监测仪，在室内环境进行试验，温度大约为2 0 + 5 。c ，湿度约为 3 0 5 。 2 2 1 4 水泥砂浆干缩性能的测定依照g b 2 4 1 9 9 4 水泥胶砂流动度测定方法 和j c t 6 0 3 - 1 9 9 5 水泥胶砂干缩试验方法进行测定。 2 2 2 混凝土性能测试 2 2 2 1 混凝土物理力学性能混凝土力学性能试验按照g b j 8 1 1 9 8 5 普通混凝土 力学性能试验方法进行。 混凝土的抗压强度采用的尺寸为1 0 0 i r i m xl o o m m xl o o m m 的模具，计算结果乘 以0 9 5 的系数。混凝土的抗压强度采用的尺寸为l o o m m l o o m m x l o o m m 的模具。 混凝土的轴压强度采用的尺寸为l o o m m x1 0 0 m m x3 0 0 m m 的模具，混凝土的抗折强 度采用的尺寸为l o o m m xl o o m m x 4 0 0 m m 的模具a 22 2 2 混凝土的抗渗性混凝土的耐久性能很大程度上取决于混凝土的抗渗性 能，因此混凝土的抗渗性能在评价其耐久性方面尤为重要，本研究抗渗性试验依 据6 b j 8 2 8 5 。混凝土的配合比采用表1 采用顶面直径为17 5 胁，底面直径为 1 8 5 m m ，高度为1 5 0 m m 的圆台体抗渗试件，标养2 8 天进行试验。试验从水压0 i m p a 开始。以后每隔8 小时增加水压0 1 m p a ，复合体系水泥混凝土加压到2 4 m p a ， 并保持8 小时后，试件均无透水现象，而硅酸盐水泥混凝土当加压到1 5 m p a 时 有一个试俘透水，取下，另外五个试件加压到2 3 m p a ，均无透水现象。将两种 试件劈开，测量渗透高度。 2 2 ，2 3 限制膨胀率试验本试验采用1o o m m l o o m m 3 5 4 m m 的棱柱体标准试 件，标准试杆长度为3 5 4 m m ，试件从拆模后移入标准养护室，测定初始长度。每 组共制备六个试件，其中三个试件在1 4 天后移入恒温恒湿室( 温度z o 2 ， 相对湿度6 0 - + - 2 ) ，其它试件一直采用标准养护。 第2 章原材料和主要试验方法 2 2 2 4 混凝士的抗碳化性能混凝土的抗碳化试验试验依据g b j 8 2 8 5 。采用 1 0 0 r a m x 1 0 0 m i n x1 0 0 r a m 的立方体试件进行试验，标准养护至2 6 天取出，然后在 6 0 。c 温度下烘干4 8 h 。碳化箱体内c 0 2 浓度为( 2 0 3 ) ，湿度为( 7 0 5 ) ， 湿度为( 2 0 5 ) 。 2 22 5 混凝土抗冻性采用快冻法测定混凝土的抗冻性能，采用1 0 0 r a m 1 0 0 r a m x4 0 0 r a m 的棱柱体试件，每组3 块。试件在2 8 天龄期时开始冻融试验，试验前4 天将试件从养护室取出，浸泡到1 5 2 0 。c 的水中。浸泡完毕，取出试件，用湿布 擦除表面水分，称重，测定初始动弹性模量，进行冻融循环。每次循环应在2 4 h 内完成，其中用于融化的时间不得小于整个冻融时间的1 4 ，在冻结和融化终了 时，试件中心温度应分别控制在一1 7 2 和8 2 ，冻融之间的转换试件不宜 超过1 0 m i n 。每隔2 5 个循环测量一次动弹性模量和重量。当相对动弹性模量下 降到6 0 以下或重量损失达到5 时，即可停止试验。 2 2 3 混凝土微观测试 2 2 3 1 混凝土水化产物扫描电镜照片将混凝土养护到不同龄期的试件，测试 抗压强度后，取试样中心的水泥砂浆小块，立即放入无水乙醇溶液中密闭保存。 需要做电镜分析时，从乙醇溶液中取出碎块，加工成扫描电镜所需的水泥测试样 品，放入7 0 。c 的烘干箱内烘干2 h 后对小试样进行抽真空喷金处理，用扫描电镜 ( s e m ) 观察水泥水化产物。 2 。2 3 2 混凝土孔结构分析将养护到不同龄期的混凝土试块，测试完抗压强度 后，取试样内部的5 m m 以下的细颗粒，立即放入无水乙醇中终止水化。需要测试 时，从乙醇中取出试样，6 0 烘干至恒重，然后送样测试。孔结构用压汞法和氮 吸附两种方法进行测定。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 实验仪器设备 2 3 1 宏观测试仪器设备 表2 - 6 宏观设备名称型号 t a b l e2 - 6 a p e l l a t i o na n dt y p eo f m a c r o s c o p i c a la p p a r a t u s 水泥标准稠度凝结时间测定仪中国建材研究院水泥与新材料所制造 五路水泥裂缝检测仪c f m - 1建维科技有限公司 勃氏透气比表面积测定仪g b b 一8 9 型 河北泊头市建筑仪器厂制造 水泥净浆搅拌机s j z - 1 6 0 型 绍兴新兴仪器厂制造 行星式水泥胶砂搅拌机j j - 5 型中国建材院、宁波泰富工贸有限公司联合制造 水泥胶砂振动台g z - 8 5 型无锡市建筑材料仪器机械厂 水泥标准养护箱y h 4 0 b中国泊头科析仪器设备厂 h y - 1 0 型恒应力加荷全自动 中国建筑材料科学研究院 水泥电动抗折试验机k z j 6 0 0 0 - 2 型 山东荣成市石岛仪器厂制造 2 0 0 k n 顿微机控制水泥压力试验机 北京力智方科技开发有限制造公司 y e w - 2 0 0 0 混凝土动弹仪d t - i o天津恒炜科技开发公司 混凝土抗冻试验箱北京市建筑材料质量监督站 m c 混凝土振动台z t - l x l 天津庆达试验仪器制造公司 单卧轴强制式混凝土搅拌机h j w - 3 0 6 0 沈阳建工试验仪器厂 混凝土抗渗仪h i ? - 4 0 北京耀华路业仪器有限公司 6 0 0 k n 顿液压万能试验机w e - 6 0 0 b 威海市试验机制造有限公司 液压式压力试验机y e - 2 0 0 0 a 威海市试验机制造有限公司 混凝土碳化实验箱c c b - 7 0 a 江苏吴县市东吴试验仪器有限公司 混凝土限制收缩测定仪i s o b y - 3 5 4 瓦房店市仪器厂 1 2 第2 章原材料和主要试验方法 2 3 2 微观测试仪器设备 扫描电子显微镜f e ic u a n t a2 0 0 。 压汞测孔仪m i c r o m e r i t i c sa u t o p o r e9 2 0 0 氮吸附测孔仪器m i c r o m e r i t i c sa s a p 2 0 2 0 2 4p c - c s a 混凝土配合比设计 水泥混凝土是一种多组分的复合材料，各组成材料的配合比例是否科学合理， 决定着混凝土能否满足设计和施工要求，因此，正确地进行配合比设计是保证混 凝土强度、工作性、耐久性和经济性的关键环节。 混凝士配合比设计方法多种多样，各国也都有各自的配合比设计方法。但万 变不离其宗，各种方法归根到底只不过是绝对体积法或假定容重法，并且一般都 直接或间接地采用了需水性定则和水灰比定则【2 2 1 。 高性能混凝土应具各哪几方面的特点呢，综合国际范围内存在的几种不同的 观点，认为高性能混凝土应具有以下三个方面的往能指标：高工作度。这是工业 化泵送施工的条件；良好的物理力学性能，高性能混凝士应具有较高的强度和体 积稳定性；长期的耐久性，这是高性能混凝土最重要的性能，高性能混凝土应具 有上百年而不是通常对普通混凝土要求的4 0 5 0 年的使用寿命。高性能混凝土配 合比设计方法比较典型的有法国路桥中心建议的配合比设计方法f 2 1 】，基于最大密 实度理论方法等。 现在根据不同的施工要求，可以按照不同的配合比方法设计特殊性能的混凝 土，例如高强混凝土、抗侵蚀混凝土、抗冻混凝士以及流态混凝土等等。近年来， 混凝土越来越多地被用来建造大跨、重载、高层和需要承受恶劣环境条件的结构 物。这要求混凝土不仅具有良好的物理力学性能而且人们也认识到提高混凝土 耐久性的重要性，因而对高性能混凝土的设计方法也在不断改进。而高性能混凝 土的配合比的设计对很多方面要求苛刻，如要具有低的水胶比，使用高效的减水 剂，选用高质量的骨料，掺用活性矿物掺和料等。 混凝土用于建筑物，并不是强度越高越好，而是要根据建筑物的规模、使用 年限等确定合适的等级。因此，在检验p c c s a 水泥混凝土性能时，为了更具有代 表性，混凝土的配合比设计采用c 3 0 i n c 6 0 两种强度等级的混凝土，并将一部分配 北京工业大学_ ：e 学硕士学位论文 合比按照高性能混凝土的设计方法进行设计，具体的混凝土配合比数据见下表 2 - 7 。 表2 7p c c s a 水泥混凝土与p c 水泥混凝土配合比 t a b l e2 - 7 m i x p r o p o r t i o n o f p c - c s a a n d p cc ；n l e l l t c o n c r e t e 单位体积材料用量( k g m 3 ) 配合比参数 类别 csgaw 0 y gw ba ( + c ) o y g b ( ) s p ( ) p 3 03 6 56 9 8 1 1 3 5 o 2 0 5 0 0 5 6o03 8 f 3 03 6 56 9 51 1 3 5 0 2 0 500 5 6oo3 8 p 3 0 - 22 9 26 9 51 1 3 57 31 9 1 63 ，6 50 5 2 52 01 o3 8 f 3 0 - 22 9 26 9 51 1 3 57 31 9 1 63 6 50 5 2 52 01 ，ob 8 p 3 0 *3 6 56 9 5h 3 5o1 9 63 6 50 5 3 7o1 o3 8 f 3 0 *3 6 56 9 51 1 3 501 9 63 6 50 5 3 701 03 8 p 6 05 0 07 2 01 0 8 001 6 6 51 2 50 3 5o2 54 0 f 6 0 5 0 07 2 01 0 8 0o1 6 6 51 2 5o 3 502 ，5 4 0 p 6 0 一l4 5 07 2 01 0 8 05 01 6 6 51 2 50 3 51 02 54 0 f 6 0 14 5 07 2 01 0 8 05 01 6 6 51 2 503 51 02 54 0 p 6 0 3 3 5 07 2 01 0 8 01 6 01 6 8 11 0 20 3 53 02 04 0 f 6 0 3 3 5 07 2 01 0 8 01 5 01 6 8 11 0 20 3 53 02 04 0 注：表中符号c 表示水泥，s 表示砂，g 表示骨料，a 表示粉煤灰，w 表示水， q y g 表示氨基磺酸盐外加剂，b 表示胶凝材料总量，w b 表示水胶比ip 3 0 、p 6 0 、 p 6 0 1 表示硅酸盐水泥系列各种标号的混凝土，p 3 0 、f 6 0 、f 6 0 - 1 、f 6 0 一3 表示复 合体系p c c s a 水泥系列各种标号的混凝土。 2 5 本章小结 本章介绍了论文的主要试验材料、试验方法和仪器设各，并在此基础上设计 了p c c s a 水泥混凝土的配合比。 第3 章p c c s a 复合体系水泥性能分析 第3 章p c - c s a 复合体系水泥性能分析 3 1 引言 在影响混凝土性能的诸多因素中，水泥可以说是很重要的因素，因为水泥是 混凝土中最主要的胶凝材料。在混凝土1 0 0 多年的发展历史中，水泥一直作为胶 凝材料而没有被其他材料取代，混凝土的高性能化也与水泥的发展有密切的关 系。本课题的主要目的也就是研究硅酸盐与硫铝酸盐复合体系水泥，即p c c s a 水泥混凝土的性能。经过试验室的大量试验这种p c - c s a 水泥在宏观性能和微观 形貌上与硅酸盐水泥有较大的区别，性能上有很大的提高，我们要通过混凝土试 验，即一系列的混凝土力学及耐久性等方面的试验来证实p c - c s a 水泥混凝土的 性能。下面首先就p c c s a 水泥与硅酸盐水泥对比的一些特殊性能进行分析。 3 2p c c s a 复合体系水泥性能 3 2 1 物理力学性能分析 表3 - 1 物理力学性能试验结果 t a b l e3 - 1r e s u l t so fp h y s i c a lm e c h a n i c st e s l s 标准稠凝结时间 试样 抗折强度( m p a ) 抗压强度( m p a ) 度需水 ( h ：m i n ) 编号 量( )初凝终凝3 d7 d2 8 d3 d7 d2 8 d f c2 7 51 ：2 52 ：5 55 0 96 8 88 0 83 1 64 4 25 1 2 一 5 3 9 6 7 88 2 8 3 5 85 0 06 0 5 p c 屯s a 2 7 0 1 ：3 52 ：5 0 从表3 一l 中可以看出复合体系的标准稠度需水量与硅酸盐水泥基本相同，稍 小于硅酸盐水泥，强度上确有很大提高，与不掺硫铝酸盐水泥熟料的p c 试样相 比，3 天强度提高4 2m p a ，2 8 天强度提高9 。3m p a ，复合体系最佳的配比与硅 酸盐水泥水泥比较性能确实有大的改进，对比2 8 天抗压强度，掺二水石膏的普 通硅酸盐水泥抗压强度为5 1 2 m p a ，最佳的配比复合水泥抗压强度最高，为 6 0 5 m p a ，抗压强度增大了1 8 1 。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2 2 电阻率分析 电阻率是表征物质导电性的基本参数，某种