偏高岭土及多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究--优秀毕业论文.pdf

广西大学 硕士学位论文 偏高岭土及多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究 姓名 赵亚妮 申请学位级别 硕士 专业 化学工艺 指导教师 陈益兰 20040501 广西大学硕士学位论文 偏高岭土及多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究 摘要 本文综述了高性能混凝土的研究与发展 讨论了矿物掺合料在高性 能混凝土中的重要作用 尤其是高岭土经8 0 0 c 保温2h 热处理得到的偏 高岭土结晶度很低 具有相当高火山灰活性 根据这一特点 将偏高岭 土作为活性矿物掺合料用于配制高性能混凝土中 并对其进行了系统的 分析研究 本文主要研究用偏高岭 和硅灰分别与粉煤灰和矿渣复掺配制高性 能混凝土 通过对各组试样进行工作性能 力学性能 耐久性能检测和 微观结构分析 探讨偏高岭土替代硅灰作为活性矿物掺合料的可行性 并提出了矿物掺合料活性的评价指标 即 强度效应系数 k 5 m b 惫 b 越大 说明矿物掺合料对高性能混凝土的强度贡献 越大 同时还研究了多元掺合料对高性能混凝土的影响 在对比偏高岭土与硅灰对高性能混凝土性能影晌的实验中发现 从 工作性能上来分析 偏高岭土作为活性矿物掺合料 配制的高性能混凝 土具有相当大的流动性 坍落度达到2 0 0 咖以上 复掺偏高岭土与复掺 硅灰具有相当的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度 在脆性方面偏高岭土 更能改善混凝土的脆性 从耐久性能上来分析 复掺偏高岭土抗腐蚀和 抗渗能力与复掺硅灰时的相当 但在抗收缩性上 偏高岭土对混凝土的 广西大学硕士学位论文 早期收缩影响大 在对多元矿物掺合料对高 陛能混凝土影响的实验中发现 多元矿物 掺合料能使水泥石中的水化凝胶体增多 改善凝胶的质量 减少了水泥 水化生成的c a o h 2 的量 削弱c a o h 2 的负面影响 提高硬化水泥浆 体的密实度 从而大幅度提高硬化体的强度 因此多元矿物掺合料对高 性能混凝土结构和强度有积极影响 关健词 高性能混凝土偏高岭土硅灰活性矿物掺合料 里查堂堡主兰堡垒查 一 一 一 s t u d yo nc o n f e c t i n g h i g hp e r f o r m a n c e c o n c r e t ew i t hm e t a k a o l i n a n dm u t i m i n e r a l a d m i x t u r e s a b s t r a c t b a s e do nt h es u m m a r i z i n gd e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o fh i g h d e r f b n n a n c ec o n c d d t ea n d m i n e r a la d m i x t u r e s a n da c c o r d i n g t oal o wd e g r e e o f c r y s t a la n d t h ef e 舭o ft h eh i g hp o z z o l a n i ca c t i v i t yo f m e t a k a o l i nw h i c h k a o l i nh a sb e e nh e a tt r e a t e db y8 0 0 c i n2h o u r s t h i st h e s i sa p p l i e dt h e m e t a k a o l i l lt oh i g hp e r f o r m a n c e c o n c r e t ea n dt h e n d i dt h e a p p l i c a t i o n s y m m e t r i c a l l y t h i st h e s i sm a i n l y s t u d i e s h i g hp e r f o r m a n c e c o n c r e t em a d eb y m e t 嫩a o l i na n ds i l i c af u m em i x e dr e s p e c t i v e l yw i t hf l y a s ha n ds l a g a n d d i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t yo f m e t a k a o l i nr e p l a c i n gs i l i c af u m e a sa c t i v em i n e r a l a d m i x h 盯eb ya n a l y z i n gt h ew o r k a b i l i t 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 a n d m i c r o s t n l c t u r e so f t h et e s t i n gs a m p l e s i ts t i l lp r e s e n t st h ee v a l u a t i o n i n d e xo f a c t i v i t y o fm i n e r a la d m i x t u r e t h a ti s s t r e n g t h e f f e c tc o e f f i c i e n t k m b 唪龛 h i 扣k s c a u s e dg r e a t e rs t r e n g mw h i c h b ep r e s e n t e db y n i 广西大学硕士学位论文 m i n e r a la d m i x t u r et oh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e a tt h es a m e t i m e i ts t u d i e s t h ei n f l u e n c eo f t h em u l t i a d m i x t u r et ot h eh i 曲p e r f o r m a n c e c o n c r e t e d u r i n gt h ec o n t r a s t i v ee x p e r i m e n to fc o m p o u n da d m i x i n gm e t a k o a l i n a n ds i l i c af u m et oh i 曲p e r f o r m a n c ec o n c r e t e w ef o u n dt h a tu s i n gm e t a k a o l i n a sa c t i v em i n e r a la d m i x t u r et oc o n f e c th i 曲p e r f o r m a n c ec o n c r e t eh a da q u i t e g o o df l u i d i t y a n di t s s l u m p i sm o r et h a n2 0 0 m m t h ec o n c r e t ea d m i x i n g m e t a k a o l i na n dc o n c r e t ea d m i x i n gs i l i c af u m eb o t hh a ds i m i l a rc o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n dt e n s i l es p l i t i n gs t r e n g t h b u tt h ec o n c r e t ea d m i x i n gm e t a k a o l i n h a sab e t t e rp e r f o r m a n c ei na n t i b r i t t l e n e s s i nt h es i d eo fe n d u r a n c e t h e c o n c r e t ea d m i x i n gm e t a k a o l i na n dc o n c r e t ea d m i x i n gs i l i c af u m eb o t hh a v ea g o o dp e r f o r m a n c e o fa n t i c o r r o s i o na n d a n t i p e n e t r a t i n g b u t i na n t i s h r i n k i n g m e t a k a o l i nh a sm o r ei n f l u e n c eo nt h ec o n c r e t e se a r l y s h r i n k a g e w 色s t i l lf o u n dt h a tt h em u l t i m i n e r a la d m i x t u r e sc a ni n c r e a s et h e q u a n t i t yo f l a y d r a t eg e l i m p r o v e t h eq u a l i t yo f t h e g e l a t i n d e c r e a s e t h eq u a l i t y o fc a o h 2 p r o d u c e db yc e m e n t w e a k e nt h en e g a t i v ee f f e c to fc a o h 2 a d v a n c et h ed e n s i t yo f r i g i d i f i e dg r o u t s ot oe n h a n c et h es t r e n g t ho fp r o d u c t g r e a t l y t h e r e b y t h em u l t i a d m i x t u r eh a sa na c t i v ei n f e c t i o nt ot h es t r u c t u r e a n ds t r e n g t ho f h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e k e yw o r d s h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e m e t a k a o l i n s i l i c af u m e a c t i v e m i n e r a la d m i x t u r e 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物掺合料配制高 陛能混凝土的研究 1 1 课题背景 第一章绪论 随着社会的发展和需求 建筑物的高层化 大跨度桥梁 各种薄型建筑物与日俱 增 使用 高强 耐久 轻质 高工作度 的高性能混凝土将是现代建筑发展的必然 趋势 因此最近2 0 年来研究的高性能混凝土 h i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e 简称 h p c 是顺应时代潮流的 高性能混凝土的重要特点是强度高 工作性好 耐久性好 变形小 混凝土性能的提高使得混凝土的使用量减少 从而增大了人类的使用面积 同时 从长远来看 用高性能混凝土能提高建筑物的使用年限 降低其维修费用 高 性能混凝土将仍是本世纪的主要建筑材料 所以继续研制和开发更合理 更高性能混 凝土是很有必要的 活性矿物掺合料是满足混凝土高性能要求的主要途径之一 且掺合料的复合化效 果更好 目前 使用较广泛的活性矿物掺合料主要有三种 它们是粉煤灰 矿渣和硅 灰 其中硅灰的细度最高 活性组分含量最多 活性指数最大 因此 火山灰反应快 而强 早期强度发展快 后期强度也持续增长 虽然硅灰使用效果最好 但其资源 极缺 价格高 还远远不能满足混凝土工程发展的需要 因此 寻找新的优质矿物掺 合料代替硅灰 以满足高性能混凝土的发展需要已迫在眉睫 随着偏高岭土的试验研 究 我们已逐步认识到其在混凝土中的作用机理与硅灰及其它火山灰相似 完全有代 替硅灰的可能性 本次实验 我们采用粉煤灰 矿渣 硅灰 偏高岭土四种活性矿物 掺合料 利用各种不同粒径的矿物掺合料互相紧密填充的物理效应 来达到取长补短 的目的 从而配制出高性能的预拌混凝土 并重点研究用偏高岭土替代硅灰的可行性 及矿物掺合科的多元化对高性能混凝土性能的影响 1 2 高性能混凝土的工作特征 h p c 的概念 1 1 是1 9 9 0 年由美国国家标准与技术与研究院 n i s t 与美国混凝土 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究 协会 a c i 召开的一次国际学术会议上首先公开提出来的 并立即得到各国学者和 工程技术人员的积极响应 高性能混凝土是在高强混凝土研究与应用的过程中发展起 来的 它不仅是对传统混凝土的大突破 而且在节能节料 工程经济及环境保护等方 面具有重要意义 h p c 出现至今 不同国家不同学者依照各自认识 实践以及应用的目的与范围 对高性能混凝土有着不同的解释 不同的工程部门也由于对h p c 的不同要求 因而 提出了不同的性能指标 尽管h p c 至今国际上还没有一个公认的定义 但是对其还是 有以下几点共识 第一 要具有一定的强度和高抗渗能力但不一定是高强高性能 亦可是中 低强 度高性能 毕竟当前应用最多的仍是c 3 0 c 4 0 的混凝土 c 5 0 以上的高强混凝土工程 应用并不是很多 第二 混凝土应具有良好的工作性能 混凝土拌合物应具有较高的流动性 不分 层 离析 易充满模型 泵送混凝土 自密实混凝土还应具有良好的可泵性 自密实 性能 第三 混凝土的使用寿命要长 有时候在工程的一些具体部位以及就工程的使用 环境而言 控制结构设计的并不是混凝土的强度本身 而是其耐久性 能够使混凝土 结构安全可靠的工作5 0 1 0 0 年以上或更多 是h p c 应用的主要目的 另外 混凝士应具有较高的体积稳定性 即混凝土在硬化早期应具有较低的水化 热 硬化后具有较小的收缩变形 概括起来说 高性能混凝土就是更好地满足结构功 能要求和施工工艺要求的混凝土 使混凝土结构 使用年限提高 降低工程成本的混 凝土 1 3 高性能混凝土在国内外研究及应用 1 3 1 高性能混凝土在国外研究及应用 目前德国现行的结构设计规范已达c l l 0 级 强度等级为当今世界之最 挪威规 范虽然是c 10 5 级 但挪威是唯一采用高强度混凝土修筑公路路面的国家 其已将高 性能混凝土 c 8 5 c 9 0 广泛用于道路工程 明显提高了混凝土路面的耐磨性 丹麦 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究 的大贝尔特工程是一座大型的隧道与桥梁连接结构 规定的设计使用寿命为1 0 0 年 因此 混凝土的耐用性是主要的设计因素 法国修建的3 座高性能混凝土斜拉桥 佩 尔蒂大桥以及最近建设的埃洛恩河大桥和诺曼底大桥也都是出于结构性能和嫩用性 的原因使用了高性能混凝土 2 日本不仅应用超高强高性能混凝土建造高层住宅 而且用其制造预应力混凝土桥 梁 预应力混凝土桩 桁架 管 电杆等 在8 0 年代后期 日本研制开发高性能混 凝土时 尤其重视混凝土的施工性能 特别是高流动性 要求浇注混凝土后不振动或 微振 日本采用免振自密实混凝土超过8 0 万m 3 2 1 日本自成型混凝土的发展是实现 混凝土浇注质量控制的重要一步 这种流动混凝士远程距离泵送雨不离析的特性减轻 了混凝土运输 浇注和成型过程的人工操作 这种机械化操作 随着混凝土的自动化 分批配料与拌和 使混凝土工艺自动化得以实现p 美国高速公路由于桥梁耐久性差而遭受破坏 现已成为特大问题 因此美国公路 桥梁专家提出今后修复老桥与建造新桥均必须采用h p c 美国的芝加哥 西雅图 加 拿大的多伦多 德国的法兰克福等均建有多幢高强高性能混凝土建筑 1 9 8 9 年在美 国芝加哥商业大厦6 层以下的柱子 使用了强度为9 6 m p a 的混凝土 美国港口城市 西雅图的联邦广场部分结构的混凝土强度则达1 2 0 m p a 4 1 现在不光美国政府及专家对h p c 抱有热枕 就连一些承包商也对h p c 的应用有 着浓厚的兴趣 如在西雅图 建造海上低渗水性高性能混凝土浮桥的承包商要求 除 了桥面外 桥梁的其它部分也使用高性能混凝土材料 并且不要求州政府额外地增加 建筑费用 以获得更多的关于高性能混凝土的实际经验 4 1 虽然由普通混凝土转变为 高性能混凝土提高了承包的材料成本 但改进混凝土和易性和较高的早期强度 通过 加快施工进度抵消了较高的材料费用 当然 耐久性的提高带来的影响是更为长远 更为人们所称道的 国外这些推广应用高性能混凝土的历程 对我们很有启发意义和 参考价值 1 3 2 高性能混凝土在国内研究及应用 9 0 年代我国才开始发展高性能混凝土 但研究 应用发展较快 如上海金茂大 厦 c 6 0 北京西客站 c 6 0 北京静安中心大厦 c 8 0 南京邮电中心 c 6 0 长 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究 春国际商贸城 c 5 5 广州虎门大桥 c 5 0 上海杨浦大桥 c 5 0 万县长江大桥钢 管混凝土 内外用c 6 0 等都是应用的典范 此外 京滓塘高速公路桥 北京某些立 交桥 高架桥也使用了c 5 0 一c 6 0 混凝土 m 还有在建的巴东长江大桥 预计在2 0 0 4 年底完成 也在研究应用高性能混凝士 其主要部位的混凝土有承台大体积混凝土 主塔 主梁 桥面铺装高性能混凝土 与发达国家相比 我国研究h p c 起步晚 因此加强对一些基础性的问题及应用 h p c 过程中出现的问题进行研究是很有必要的 如脆性问题 有关资料表明 c 8 0 以 上高强混凝土的脆性随强度提高而发展很快 现用钢管混凝土改善脆性效果明显 采 用钢纤维增强也是一个有效办法 3 1 4 矿物掺合料的研究及应用 国内外一致认为配制高性能混凝土的基本途径是采用高标号水泥 超塑化剂和矿 物掺合料 同时对骨料也做了一定的要求 就国内外研究情况来看 掺合料方面的研 究越来越多 其品种也越来越多 较为常用的矿物掺合料有优质粉煤灰 超细矿渣 硅灰等 近年来又有一些新的矿物掺合料出现 现已有许多学者和专家对此研究和配 制高性能混凝 如石灰石粉 石英粉 稻壳灰 偏高蛉土等 矿物掺合料作为高性能混凝土的第六组分 在水泥混凝土中产生火山灰效应 增 强效应 填充效应 减水效应和耐久性效应 5 l4 1 矿物掺合料的加入 减少了混凝土 中水泥用量 提高了混凝土的密实性 强度等 具有显著的技术经济效益和社会效益 利用活性超细的硅灰 超细矿渣及优质粉煤灰 可有效地提高混凝土强度 活性材 料一般以氧化硅 氧化铝为主要成份 超细的活性材料颗粒分散在水泥颗粒之间 填 充了部份孔隙 虽难以自行硬化 但能与水泥水化析出的c a o h 2 发生反应生成强度 较好 较稳定的胶结物质水化硅酸钙 并能促进硅酸三钙水解 加速水泥水化过程 使混凝土强度与密度大大提高 下面简要介绍一下粉煤灰 超细矿渣 硅灰和偏高岭土等四种矿物掺合料的应用 情况 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究 1 4 1 粉煤灰在混凝土中的研究及应用 粉煤灰属于火山灰质活性材料 颗粒呈球形 粉煤灰掺入混凝土中使混凝土强度 得以提高 主要是因为它具有二次水化反应的 活性效应 形态效应 与 微集料 效应 1 1 5 活性效应 是指粉煤灰中的活性s i0 2 和a l 鼽与水泥的水化产物c a o h 2 产生二次水化反应 生成水化硅酸钙 水化铝酸钙等凝胶物质 发挥自身的活性效应 形态效应 是指粉煤灰中球形玻璃体的滚动 润滑作用 提高混凝土的流动性和和 易性 增加了保水性和均匀性 降低了需水量 起到减水作用 微集料效应 是指 由于粉煤灰微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中 阻止了水泥颗粒的粘聚 有利于混合 物的水化反应 因此 相应地减少了用水量 提高了混凝土的密实性 同时混凝土不 离析 改善混凝土的粘聚性和可泵性 在混凝 中用粉煤灰替代部分水泥 提高了混凝土的后期强度 粉煤灰则对改善 混凝土的脆性是非常有利的 但由于水泥用量的减少 同时粉煤灰活性低于水泥 使 得掺粉煤灰混凝土的早期强度降低 近年来在提高掺粉煤灰混凝土的早期强度上已有 很多学者下功夫 概括起来有以下几种方法可以适当提高掺粉煤灰混凝土的早期强度 f 1 o 低水胶比 优质粉煤灰 复合掺加活性激发剂 活化粉煤灰等 但单掺粉煤灰 仍未能完满解决早期强度降低的问题 1 4 2 超细矿渣在混凝土中研究及应用 矿渣是炼铁过程中产生的废渣 其中有较高含量的玻璃体 经磨细后活性很大 当矿渣粉磨至5 0 0m 1 k g 以上时称此矿渣粉为超细矿渣 近年来 利用超细矿渣配制 高强高性能混凝土的报道已逐渐增多瞰 2 2 1 然而相当多资料指出 舶 矿渣细度太细 和太粗都不利于水泥石强度的提高 只有当矿渣比表面积为8 0 0 一1 0 0 0 酊 k g 时 水泥 石才能达到最高强度 从而矿渣的超细化解决了粗矿渣引起混凝土早期强度降低的缺 陷 后期强度也大大增长 超细矿渣的颗粒极细 活性极强 因此超细矿渣具有良好的粉体效应 超细矿 渣的粉体效应包括填充效应和活性效应 通过超细矿渣的填充效应和活性效应 可以 使混凝土的孔隙和毛细孔进一步充填和细化 提高硬化水泥浆体的密实度 并且减少 和细化晶体 形成更多的水化产物圈 相应补偿了因孔隙失水而产生的部分干缩 降 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究 低高性能混凝土的收缩 掺加矿渣后火山灰反应消耗了c a o h 2 降低了水泥石溶液 的碱度 致使钙矾石的膨胀性能较差 相应地降低了水泥混凝土的膨胀量 1 4 3 硅灰在混凝土中研究及应用 硅灰又称凝聚硅或硅粉 是硅铁或金属硅在生产过程中由电弧炉中的高纯石英 焦炭和木屑还原产生的副产品 硅灰也属于火山灰质材料 其颗粒很小 lum 具有高度分散性 硅灰的填充效应 火山灰效应和孔隙溶液化学效应使得混凝土的基 体密实度提高 水泥浆体与骨料之间的粘结强度提高 同时减少了c a o h 2 对混凝土 强度的不利影响 削弱了碱 硅反应 a l k a l i s i l i c a r e a c t i v e 简称a s r 对高性能混凝 土强度的危害 2 6 2 7 1 大量资料表明 2 6 2 8 1 高性能混凝土中硅灰的掺量不宜过大 也不 宜太小 最佳掺量1 0 左右 硅灰对高性能混凝土早期强度的提高幅度大 2 9 l 但硅 灰掺入混凝土中明显增大了混凝土的脆性 众多的文献指出 掺入硅灰后对混凝土的强度和抗渗性能增强效应极佳 3 0 3 2 1 因 此在配制高性能混凝土时 硅灰作为活性矿物掺合料很受青睐 对它的性能研究是目 前国际混凝土行业的热门方向之一 但是由于硅灰是电弧炉冶炼硅铁合金时的副产 品 其来源相对稀少 产量有限 且价格昂贵 因此一般在配制c 8 0 以上高性能混 凝土时才用 这种应用上的冷清与研究中的情形成较大反差 略显尴尬局面 3 3 1 1 4 4 偏高岭土在混凝土中研究及应用 偏高岭土是近年来国内外研究较多的掺合料 现对其水化机理和性能已有一定的 了解 生产和应用方面也取得了较好的结果 偏高岭土是由高岭土在适当的温度下脱 水形成的产物 由于其火山灰活性高 与氢氧化钙反应生成的产物和与水泥水化产物 相近 而被用做水泥混凝土掺合料 高岭土是以高岭石为主要矿物成分的粘土 高岭 石属于层状硅酸盐矿物 其结构式为 a h s i 4 0 1 0 1 o h b 图l 弘 显示水泥和矿物掺合 料如粉煤灰 矿渣 硅灰和粘土的化学组成及c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 三相构成系统 从图 中可以看出粘土化学组成与天然火山灰活性相似 因此偏高岭土也属于人工火山灰中 的烧粘土材料 大量研究d 5 4 0 l 表明 高岭土在8 0 0 2 左右保温2 小时所得偏离岭土活 性最高 偏高岭土这种经脱水得到的铝硅酸盐主要以无定形的形式存在 偏高岭土本 身不具有水硬性 但它可与氢氧化钙等反应生成具有强度水化产物 4 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究 图卜1 水泥和矿物掺合料的基本化学组成 f i g i 1g e n e r a lc h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f c e m e n ta n do t h e ra d m i x t u r e s 偏高岭土之所以可以提高混凝土的强度及其它性能 s w i l d 等人 4 2 认为在于它 具有填充效应 加速水泥水化效应和火山灰效应 偏高岭土加速水泥水化是它能够很 大幅度提高混凝土强度的重要原因 而填充效应居次 火山灰效应则发生在7 至1 4 天之间 面k a g r u b e r 等人的研究1 4 3 表明 掺入偏高蛉土 可使水泥水化一天后的 氢氧化钙量明显减少 使之不能在水泥石与集料的界面形成大的氢氧化钙结晶 同时 使水泥浆体致密 抗渗性提高 因此 不仅在需要提高混凝土强度时可以利用偏高岭 土 而且在需要提高耐久性等性能时也可通过掺入偏高岭土来加以解决 偏高岭土作为混凝土的活性矿物掺合料具有良好的性能 能很好地提高混凝土强 度及改善混凝土的耐久性 m i c h a e l a 等人1 4 4 作了偏高岭土与硅灰的对比研究 结果 表明 过去只能用硅灰配制高性能混凝土的领域 现在可以用高活性偏高岭土来代替 了 且在某些性能上 高活性偏高岭土甚至优于硅灰 同样以1 0 掺入 其强度与硅 灰相近或高于它 而气孔率更低 更加密实 同时 在达到相同工作性时需水量也低 于硅灰 以5 1 0 取代水泥可以很好地提高其强度及抗渗性能 同时其价格远低 于硅灰 可以有效地降低高性能混凝土的成本 在张文学等人的研究 45 表明 偏高岭 土活性甚至高于硅灰 硅灰的导入使混凝土的自收缩会增加 偏高岭土混凝土有补偿 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究 收缩的微膨胀性能 偏高岭土有较好的工作性 能改善混凝土的可塑性 增强结合性 减少泌水 加速水泥的水化 早期强度高 后期强度不断增长 提高混凝土的综合性 能 偏高岭土可以用于混凝土路面和机场跑道的修补 是一种理想的修补材料 在美 国和香港应用较多 在国内有待进一步的应用 1 4 5 矿物掺合料的复合化 材料的复合化已有不少的研究应用1 4 6 4 s 1 对材料复合化 已故的科学院院士吴中 伟先生提出了这样一个概念即1 2 3 认为复合化是材料进化的主要途径之一 它 充分利用了组分性能的超叠加效应 4 9 l 复合化可使粉体间产生化学交互作用效应 不 同超细粉间 不同超细粉与水泥间会产生化学交互作用 彼此诱导激发从而提高了粉 体的活性 复合化还可使粉体产生微集料级配 使水泥基材料形成密实填充结构 近年来掺合料的复合化研究越来越多 矿物掺合料的复合化不但可以使高性能混 凝土中具有较高的后期强度 其早期强度发展也较快 与普通高性能混凝土相纠5 0 5 1 现研究最多的是掺合料的复掺方式 如粉煤灰与硅灰复掺 矿渣与硅灰复掺及矿渣与 粉煤灰双掺 5 2 5 5 1 其中粉煤灰与矿渣的复合效果不明显 就是因为它们的粒径处在同 一数量级上 硅灰和粉煤灰的复合也不是很明显 因为它们同属火山灰质材料 不能 很好的达到优势互补的综合效果 目前应用最多的双掺方式是硅灰和矿渣 其中硅灰 的掺量一般在5 左右 在对矿渣和硅灰双掺的研究瞪6 4 7 1 中发现 矿渣和硅灰双掺使 混凝土的抗压强度 劈裂抗拉强度和弹性模量得以显著提高 但抗压强度增长率比抗 拉强度增长率大 所以表现出来双掺矿渣和硅灰配制高性能混凝土的脆性进一步增 大 掺合料的复合化对混凝土的收缩性也有一定的影响 5 8 1 矿物掺合料尤其是双掺 三掺方式明显降低胶结材浆体的后期收缩 矿物掺合料 尤其是双掺和三掺方式可以 明显降低3 d 水化热 水化放热速率 推迟达到最高温度的时间 从而减少了温度收 缩 矿物掺合料的种类 掺量及掺加方式对胶结材砂浆的收缩有很大的影响 硅灰增 大了砂浆的各龄期限收缩值 而粉煤灰和磨细矿渣降低了后期收缩 且矿渣改善收缩 的能力大于粉煤灰 掺合料的掺量越大降低后期收缩的程度越高 双掺和三掺矿物掺 台料降低后期收缩效果比单掺更显著 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物穆舍料配制高性能混凝土的研究 1 5 选题意义 本课题是广西教育厅资助项目 面向2 1 世纪绿色高性能混凝土的试验研究 高 性能混凝土除了具有高强度 高耐久性和高工作性外 还应考虑经济 环保问题 从 以上国内外高性能混凝土发展状况来看 复掺活性矿物掺合料是配制高性能混凝土的 一种趋势 就国内外的研究表明 硅灰和矿渣复合效果最明显 随着混凝土科学技术的进步 矿物掺合料已成为高性能混凝土中的必须组分 在 各种矿物掺合料中 研究和应用较多的有硅灰 粉煤灰 矿渣等 研究结果表明 硅 灰的活性最高 易于参与水泥水化 能较大幅度地提高混凝土早期强度 5 l 粉煤灰虽 可提加混凝土的后期强度 但随掺量增加混凝土早期强度下降 5 9 1 普通细度的矿渣活 性介于硅灰和粉煤灰之间 对混凝土强度的提高幅度亦介于硅灰和粉煤灰之间 删 但 由于硅灰的产量十分有限 其价格高 2 5 0 0 元厂r 且分散度大 容重特轻 包装运 输困难 所以配制高性混凝土时大量应用必然受到资源的限制 因此寻找一种其性能 与硅灰相似或优于硅灰且价格低廉 资源丰富的掺合料来替代硅灰是十分必要的 也 具有重要的现实意义 近年来国内外开始对高岭土进行研究 研究发现m 高岭土在化学组成上与天然火 山灰相似 且硅的含量比较高 高岭土在 定温度下热处理可以转化为偏高岭土 偏 离岭土具有很高的活性 和硅灰的性质相似 同属火山灰性材料 因此许多专家 学 者开始设想用偏高岭土来替代硅灰配制高性能混凝土 偏高岭土作为矿物掺合料提高 了混凝土的强度和耐久性 现已有成功的例子 6 1 删 但这些主要是研究单掺时的情况 有关偏离蛉土复掺的研究比较少 既然偏高蛉土有和硅灰相 以的性质 那么用偏高岭 土复掺配制高性能混凝土应该是可行的的 且我国高岭土资源丰富 价格低廉 易于 制成偏高岭土 因此对偏高岭土配制高性能混凝土的进一步研究是很有意义的 9 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物穆合料配制高性能混凝土的研究 第二章实验材料及实验方法 2 1 矿物掺合料的物理化挚陛能 2 1 1 偏高岭土的制备 实验材料 南宁郊区高岭土 实验方法 高岭土经粉碎后 在箱式电阻炉中进行8 0 0 c 的焙烧 保温2h 后再 经粉磨和筛分制得 2 1 2 矿物掺台料的粒径分析 实验材料 粉煤灰 取自广西田东电厂 矿渣 取自广西田东冶炼厂 硅灰 北 京慕湖外加剂有限公司外购 偏高岭土 自制 实验方法 采用s a c p 3 粒废分析仪 分析各矿物掺合料的颗粒组成 2 1 3 矿物掺合料的比表面积测定 实验材料 粉煤灰 矿渣 硅灰 偏高岭土 实验方法 粉煤灰和矿渣采用g b 8 0 7 4 8 7 水泥比表面积测试方法 勃氏法 来测试比表面积 细粒径的偏高岭土采用s a c p 3 粒度分折仪 硅灰比表面积由北京 慕湖外加剂有限公司提供 2 1 4 矿物掺合料的化学成分分析 实验材料 粉煤灰 矿渣 硅灰 偏高岭土 实验方法 粉煤灰 矿渣和偏高蛉土的化学成分委托茅桥南宁市水泥厂分析测试 硅灰的化学成分由北京慕湖外加剂有限公司提供 2 2 矿物掺合料的表征 2 2 1 矿物掺合料的x r d 衍射分析 实验材料 粉煤灰 矿渣 硅灰 高岭土 偏高岭土 实验方法 各试样1 0 5 5 干燥 磨细 再经x 射线衍射仪 测出相应20 角 1 0 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究 下的强度i 通过 2e i 为坐标做出各试样的x r d 图 将最高强度设为i o 1 0 0 然后将各衍射峰的强度与最高峰强度的比值乘以1 0 0 记作各衍射线的相对强度i i o 通过布拉格 b r a g g 公式 2 d s i n0 n 九 一般n 取1 计算晶面间距d 因为任 何一种结晶物质的衍射数据d 和i i o 都是其晶体结构特征的必然反映 而每一种结晶 物质的晶体结构是独特的 所以就可以根据晶面间距值d 和相对强度值i i o 来鉴别 掺合料的物相 在数据对比时 d 值的符合程度要高 因为它是鉴定物相的主要依据 一般d 值允许的偏差只有 0 0 0 2 n m 而相对强度受实验条件影响颇大 数据可有较 大的出入 因此 对比时不要太注重 大体上符合即可1 6 3 1 测定条件 c u 靶 石墨单色器 电压为3 0 k v 电流2 0 m a 步长o 1 s 2 0 范围5 7 0 2 2 2 矿物掺合料的s e m 分析 实验材料 粉煤灰 矿渣 硅灰 偏高岭土 实验方法 各粉末试样经1 0 5 5 干燥 均匀粘在导电载物台上 抽真空并喷 金 然后通过扫描电镜成像 扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像 主 要成像信号的二次电子 其工作原理为 由电子枪发射的能量为5 3 5 k e v 的电子 以其交叉斑作为电子源 经二级光镜及物镜的缩小形成具有一定能量 一定束流强度 和柬斑直径的微细电子束 在扫描线圈驱动下 于试样表面一定时间 空间顺序作栅 网式扫描 聚焦电子束与试样相互作用 产生二次电子发射 二次电子发射随试样表 面形貌而变化 二次电子信号被探测器收集转换成电讯号 经视频放大后输入到显像 管栅级 调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度 得到反映试样表面形貌的二次电 子像 实验仪器 采用i b 5 离子溅射仪 日本日立s 一5 7 0 扫描电镜 2 3 砂子细度模数的测定 实验材料 广西邕江七塘中砂 含泥量 二掺 2 撑 3 捍 单掺 1 同时 元数相同的掺偏高岭土试样与掺硅灰试样性能相当 主要表现在各龄期强度相 近 增长趋势相同 多元掺合料掺入混凝土中具有紧密堆积效应和复合胶凝效应 紧密堆积效应指的 是不同颗粒级配的活性矿物掺合料掺入混凝土中起到优化颗粒级配的作用 使混凝土 具有密实堆积结构 低空隙率 在满足相同和易性的情况下可以降低用水量或者在相 同用水量的条件下 可以得到更优异的工作性 胶凝材料浆体中的一部分水被吸附在 粉体颗粒表面 称为吸附水 另 部分填充在粉体颗粒之间的空隙中 即填充水 填 充水量的变化显著影响浆体流动性能 粉体颗粒的级配优化 使得混凝土体系的堆积 3 9 bd 暑 c 皇 o三 o d 10u 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物掺舍料配制高性能混凝土的研究 密实度将会增大 可填充空隙减少 需水量降低 从而降低混凝土配制时的水灰比 进而提高混凝土的强度 说明了矿物掺合料的多元化对混凝士的强度有正面作用 复 合胶凝效应是通过不同粉体活性效应的超叠加 以弥补不同矿物掺合料的不足 发挥 各自的优势 使混凝土的力学性能和耐久性能均提高 一般来说 硅灰的火山灰活跃 期大约在3 2 8 d 粉煤灰的活跃期在5 6 9 0 d 在火山灰反应活跃期 c a o h 2 不断溶 解 反应 晶粒不断长大 火山灰反应衰退期或是结束期 由于硬化浆体已经极为致 密 c a o h 2 晶体也不会长得很粗大 因此 从长期来看 系统中最终的c a o h 2 含 量即便没有大幅度降低 其形成的c a o h 2 晶粒也将大为细化 从而降低c a o h 2 所带来的负面影响 所以多元矿物掺合料的加入能够改善凝胶的质量 增加凝胶数量 削弱c a o h 2 的负面影响 提高硬化水泥浆体的密实度 从而大幅度提高硬化体的强 度和耐久性 4 2 2 多元矿物掺合料的强度效应对比分析 根据3 5 1 2 中给出的公式 3 3 计算各组配方的强度效应系数k s 值 计算结 果如表4 2 所示 并对双掺样 2 3 群 和三掺样 甜 5 样 做各龄期的b 图 如 图4 2 所示 表4 2 高性能混凝土各龄期k s 值 t a b l e4 2k so f h p c a td i f f e r e n ta g e s 由表4 2 和图4 2 中可以看出 掺有矿物掺合料的各组试样的k s 值均比基准样 的k s 值大的多 另外比较单掺 1 双掺样 2 拌 3 拌 和三掺样 4 拌 5 捍 可以发 现 三掺对强度的贡献 双掺对强度的贡献 单掺对强度的贡献 且三掺样后期的 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究 k s 增长趋势比双掺的增长趋势大 双掺的增长趋势比单掺的增长趋势 说明了随着 掺合料元数的增多 掺合料对高性能混凝土的各龄期的强度贡献增大 且随着掺合料 元数的增多 掺合料对高性能混凝土的后期强度增长趋势增大 1 7 0 1 印 1 5 0 1 4 0 1 3 0 1 2 0 1 1 0 1 0 0 37 a g e d 2 86 0 注 基准样 钟 样的k s i 0 0 图4 2 多元撼哈抖与k s 的关系 f i g 4 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm u l t i p l ea d m i x t u r e s a n dk s 4 3 多元矿物掺合料对高性能混凝土微观结构的影响 4 3 1 水化产物的x r d 分析 x 射线粉晶衍射分析 从水化产物的x r d 分析可以看出 随着矿物掺合料组元数的增加 其x r d 图 中c a o n 2 的结晶峰 d o 4 9 0 n m d 0 3 1 1 0 r i m d 0 2 6 2 7 n m d 0 1 9 2 5 n m 峰形 钝化 甚至消失 说明加入矿物掺合料大量吸收了水泥水化析出c a o n e 晶体 x r d 图大量的弥散峰是水化硅酸钙的凝胶体 这些凝胶体没有固定的晶体结构 因而在 x r d 图上没有明显的特征峰出现 另外 图中还发现有大量的石英峰存在 且不受 矿物掺合料的影响 这主要是由于实验中制样时 没有很好的将骨料 主要矿物相石 英 与水泥石分开 从而使得x r d 图中出现大量的石英峰 由x r d 分析可以说明 掺合料的多元化 能使水泥石中的水化凝胶体增多 减少了水泥水化生成的c a o h 2 的量 因而提高了混凝土的性能 4 l 广西大学硕士学位论文偏高岭土厦多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究 1 2 03 04 05 06 07 0 图4 3 各组试样水化产物的x r d 分析 f i g 4 3 x r d a n a l y s i so f h y d r a t e ds a m p l e s 4 2 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究 4 3 2 水化产物的s e m 分析 为了进一步说明偏高岭土取代硅灰的可行性和比较多元矿物掺合料对高性能混 凝土的形貌及水化产物的影响 对1 撑 苹掺偏高岭土 4 襻 三掺硅灰 5 三掺 偏高岭土 试样进行s e m 分析 分析结果如图4 4 和图4 5 所示 图4 41 3 4 5 试样2 8d 整体形貌s e m 图像 f i g 4 4 s e mp h o t o g r a p h so f h y d r a t e si ns a m p l e sl 3 4 a n d5 a tt h ea g eo f 2 8d 图4 4 是所测试样的形貌图 从图中可以看出 随着矿物掺合料组元数的增加 水泥石结构更加密实 比较圈4 4 c d 可以发现 三掺硅灰和三掺偏高蛉土试样的 s e m 图密实度相当 因此在强度上表现出同一强度等级 4 3 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究 a h y d r a t e so f s a m v l e1 a tt h c 船eo f 2 8d b h y d r a t e so f s p l e1 a tt h ea g eo f 2 8d c h y d r a t e so f s p l e4 a t 1 ea g eo f 3d d h y a t e so f s p l e4 a t t h ea g eo f 2 8d e h y d r m e s o f s a m p l e4 a t t h ea g eo f 2 8d f h y d r a t e s o f s a m p l e5 a t t h ea g eo f 3d 广西大学硕士学位论文偏高岭土及多元矿物掺合料配制高性能混凝土的研究 电 h y d r a t e so f s a m p l e5 a tt h ea g eo f 3d h h y d r a t e so f s a m p l e5 a tt h ea g eo f 2 8d 图4 5 各组试样的水化产物s e m 图 f i g 4 5s e mp h o t o g r a p h so f h y d r a t e si ns a m p l e s 图4 5 是单掺偏高岭土 1 群 三掺硅灰 4 样 和三掺偏高岭土 5 拌 试样的3d 和2 8d 水化产物s e m 图 从图中可以看出三掺硅灰试样和三掺偏高岭士试样各龄期水化产 物相似 但它们的3d 水化产物均比其2 8d 水化产物少 其中图 g 样中很明显的看 到大量未发生二次水化的粉煤灰存在和树叶状 花瓣状和放射线状结构水化产物的出 现 对照单掺的s e m 图 a b 和三掺的s e m 图 h 发现 均有较多c s h 胶凝体存 在 尤其是在 h 图中有大量的片状单硫型水化硫铝酸钙出现 水化较为完全 但在 单掺试样 1 中可以发现仍有少量未发生二次水化的团聚状偏高岭土存在 从紧密堆积效应上来分析 随着矿物掺合料元数的增多 细度和形貌的不同矿物 掺合料填充不同的空隙 使得混凝土结构中的空隙率降低 另外由于矿物掺合料的化 学组成结构状态 活性组分 活性成分含量等状态指标都不相同 各掺合料有其自身 固有的特征性质 不同矿物掺合料各有优劣 多元矿物掺合料配制高性能混凝土 可 使掺合料的性能优化互补有益于水泥石强度的发挥 混凝土强度的提高主要取决于矿物掺合料与水泥水化产物c a o h 2 反应的速率和 反应率的多少 不同矿物掺合料的活性成分不同 粉煤灰的活性成分是s i 0 2 和a 1 2 0 3 矿渣的活性成分为s i 0 2 和a 1 2 0 3 和c a o 硅灰的活性成分是单一的无定型s i 0 2 偏 高岭七的活性成分是无定型s i 0 2 和a 1 2 0 3 这些活性组分吸收水泥水化产生的结晶度 4 5 广西大学硕士学位论文偏高岭土及