（材料学专业论文）高性能塑性混凝土的优化研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 塑性混凝土是一种新型混凝土材料 具有很低的弹性模量和良好的塑 性变形特性 因而不仅能保证足够的力学强度 而且抗渗性尤佳 在水利 水电工程中得到广泛应用 也受到工程界和理论研究人员的日益关注 本文针对塑性混凝土应用广泛但理论技术基础研究还不够系统 实际 应用条件依所在区域不同而变化较大的现状着重进行了以下研究工作 首先研究探讨了利用粉煤灰 钢渣 磷石膏等工业废渣作胶结材和调 凝剂对塑性混凝土性能的影响 对其可行性和最优掺入比进行了优化探 索 在此基础上进行了塑性混凝土组分材料和配合比设计的优化研究 探 讨了不同品质水泥 不同外加剂和水胶比 砂率等关键配合比参数的影响 规律 对塑性混凝土配置技术的系统化和规范化提供了有益的技术参考依 据 通过有关抗冻 抗蚀 抗渗等耐久性试验和相关微观结构的研究 探 讨了塑性混凝土的结构原理及技术特性 对各种因素的影响机理进行相应 的解释 研究主要成果可归纳为 适量粉煤灰与钢渣替代水泥作塑性混凝 士胶结材能够满足强度指标要求 而且可以改善混凝土内部结构 使其塑 性变形和抗渗性进一步改善 能够实现废物资源化的要求 但粉煤灰由其 组成和结构的优势 效果明显要优于钢渣 适量磷石膏对混凝土的坍落度 经时损失有良好的改进效果 f d n 高效减水剂由于其突出的分散作用 减水增强效果优于普通木钙减水剂的效果 旋窑生产的水泥 高标号普通 水泥配置的塑性混凝土 其技术性能明显优于立窑生产的水泥 低标号和 混合材掺量较大的水泥 以适量普通粘土取代一定量的膨润土增塑剂 对 塑性混凝土的强度及坍落度无明显不良作用 但因蒙脱石含量减少 混凝 土的弹性模量有所增加 由塑性混凝土微观结构可知 水泥水化产物能够 形成完整的骨架 粉煤灰等二次水化产物 膨润土颗粒及砂石均匀分布在 骨架颗粒空隙间 总体结构较均匀 但以膨润土颗粒为基础 可将其视为 多相非均质复合材料有限元体 则其内部细小空隙多 受荷载后应力应变 增长较快 但主要是结构中空隙逐步闭合 骨料受力并不大 混凝土变形 良好但结构不易破坏 膨润土颗粒的吸水肿胀特性还能进一步密实混凝土 结构 增加其抗渗性 关键词 塑性混凝土工业废渣组分材料配合比 微观结构 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p l a s t i cc o n c r e t ei sak i n do fn e w t y p ec o n c r e t em a t e r i a l w h i c hh a sv e r y l o we l a s t i cm o d u l u sa n dg o o dc h a r a c t e r i s t i co fp l a s t i cd e f o r m a t i o n t h e r e f o r e n o t o n l y i tc a n g u a r a n t e ee n o u g h m e c h a n i c a l s t r e n g t h b u t a l s o a n t i p e r m e a b i l i t y i n t h e h y d r o e l e c t r i cp r o j e c t o fw a t e rc o n s e r v a n c yi tu s e d w i d e l y a n d r e c e i v e st h ec o n c e m d a yb yd a y t o o t h i sp a p e rc a r r i e so u tf o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k i nv i e wo ft h ec u r r e n t s i t u a t i o nt h a tu s e se x t e n s i v e l yt op l a s t i cc o n c r e t eb u tt h et e c h n o l o g i c a la n d b a s i cr e s e a r c ho ft h e o r yi ss t i l ln o te n o u g h a n dt h ep r a c t i c a lu s ec o n d i t i o ni n a c c o r d a n c ew i t hd i f f e r e n ta r e ac h a n g eg r e a t e r f i r s tw e e x p l o r e dt h ei n f l u e n c eo f t h eb i n d i n gm e d i u ma n ds e t m o d i f y i n g a g e n t m a d eb yt h ei n d u s t r i a lb y p r o d u c tc o m p o s e do ff l ya s h s t e e ls l a g p h o s p o g y p s u m e t c o nt h ep l a s t i cc o n c r e t e a n dm a d e a no p t i m i z a t i o np r o b e o nf e a s i b i l i t y o nt h i sb a s ew ec a r r i e do nt h eo p t i m i z a t i o nr e s e a r c ha b o u tt h e p l a s t i cc o n c r e t ec o m p o n e n t m a t e r i a l sa n dm i xr a t i od e s i g n a n dp r o b e di n t ot h e i n f l u e n c el a ww i t hs u c hk e ym i xr a t i op a r a m e t e r sa sd i f f e r e n tq u a l i t yc e m e n t d i f f e r e n ta d d i t i o n a g e n t s a n dp e r c e n t a g e e t c a l l o ft h e s eh a v eo f f e r e d b e n e f i c i a lt e c h n o l o g yt oc o n s u l tt h eb a s i st ot h et e c h n o l o g ys y s t e m a t i z a t i o n a n ds t a n d a r d i z a t i o no ft h e p l a s t i cc o n c r e t e t h r o u g hr e s e a r c h i n g o nt h e d u r a b i l i t yt e s t s f o r i n s t a n c er e s i s t a n c eo f f r e e z i n g r e s i s t a n c e o f l o s i n g r e s i s t a n c eo f p e r m e a b i l i t ya n d s oo n a n dr e l e v a n tm i c r o s t r u c t u r e w ea l s oh a v e p r o b e di n t ot h es t r u c t u r ep r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i co ft h ep l a s t i c c o n c r e t e a n dc a r r i e do nc o r r e s p o n d i n ge x p l a n a t i o na b o u tt h em e c h a n i s mo f i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf a c t o r s t h em a i na c h i e v e m e n ti ts u m su pt ob e r i g h t a m o u n tf l ya s ha n ds t e e ls l a gr e p l a c i n gc e m e n ta sp l a s t i cc o n c r e t eb i n d i n g m e d i u m sc a nm e e tt h ei n d e xt e q u i r e m e n to fs t r e n g t h a n di m p r o v et h ei n t e r n a l s t r u c t u r eo fc o n c r e t et om a k eag o o dp r o g r a m so ni t sp l a s t i cd e f o r m a t i o na n d r e s i s t a n c eo fp e r m e a b i l i t y a n dt h u s w ec a nr e a l i z ea b o l i s h i n gt h es o u r c e r e q u i r e m e n to fg o o d sa n dm a t e r i a l s b u tb e c a u s e o ft h e a d v a n t a g eo fi t s i t 武汉理工大学硕士学位论文 c o m p o n e n t sa n d s t r u c t u r e t h er e s u l t o ft h e f l y a s hs h o u l db e o b v i o u s l y s u p e r i o rt os t e e ls l a g r i g h ta m o u n tp h o s p o g y s u m h a v ea g o o di m p r o v e m e n t r e s u l tt od e l a y e ds l u m pl o s s o w i n gt oo u t s t a n d i n gd i s p e r s i n gf u n c t i o n t h e e f f e c t i v e n e s so fr e d u c e w a t e r s t r e n g t h o ff d n a h i g hr a n g w a t e r r e d u c e s u p e r i o r s t on o r m a lc e m e n t t h et e c h n i c a l p r o p e r t i e s o ft h e p l a s t i c c o n c r e t e d i s p o s e db yt h ec e m e n tp r o d u c e di nr o t a r yk i l na n do r d i n a r yc e m e n t o fh i g hg r a d e o b v i o u s l ys u p e r i o r st ot h ep l a s t i cc o n c r e t ed i s p o s e db yt h e c e m e n tp r o d u c e di ns h a f tk i l n o fl o wg r a d ea n dh a v i n gl a r g ea d m i x t u r e d o s a g e r e p l a c i n g b e n t o n i t ep l a s t i c i z i n ga g e n to fac e r t a i na m o u n tw i t hr i g h t a m o u n to r d i n a r yc l a yd o s en o th a v eo b v i o u sb a df u n c t i o no nt h es t r e n g t ha n d s l u m p m a i n t a i n i n g o ft h e p l a s t i cc o n c r e t e b u t b e c a u s eo ft h e m o n t m o r i l l o n i t e s r e d u c i n g t h e e l a s t i cm o d u l u si n c r e a s e st os o m ee x t e n t f r o mt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ep l a s t i cc o n c r e t e w ek n e wt h ec e m e n th y d r a t i o n p r o d u c tc a nf o r mt h ei n t a c tf r a m e w o r k a n dt h es e c o n d a r yh y d r a t i o np r o d u c t s u c ha sf l ya s h t h ep a r t i c l eo fb e n t o n i t ea n ds a n de v e nt od i s t r i b u t ea m o n gt h e s p a c eo ft h ef r a m e w o r kp a r t i c l e a n dt h ee n s e m b l ea r c h i t e c t u r ei s e v e n b u t b a s e do nb e n t o n i t ep a r t i c l e w ec a nr e g a r di ta st h ef i n i t ee l e m e n to fu n e v e n c o m p o s i t e s ot h e r e i sm u c ht i n y s p a c ei n s i d e a n d t h es t r e s s m e e t i n ga n e m e r g e n c yi n c r a s s a t e sv e r yf a s tl o a d i n g b u tt h es t r u c t u r ei nt h es p a c ec l o s e p r o g r e s s i v e l ym a i n l y a g g r e g a t e r e c e i v e sl e s s s t r e n g t h a n dt h ec o n c r e t e d e f o r m a t i o ni sw e l lb u tn o td e s t r o y e de a s i l y t h ec h a r a c t e r i s t i co fb e n t o n i t e p a r t i c l ee x p a n s i o n a f t e ra b s o r b i n gw a t e ra l s oc a nc l o s ek n i tc o n c r e t es t r u c t u r e f u r t h e ra n di n c r e a s e si t sa n t i p e r m e a b i l i t y k e y w o r d s p l a s t i cc o n c r e t e i n d u s t r i a lb y p r o d u c t c o m p o n e n tm a i l e r s m i x r a t i o m i c r o s t r u c t u r e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 1 高性能塑性混凝土摄念的科学舍义与发展 经过1 0 0 多年来的发展 混凝土已成为用量最大 用途最为广泛的建筑材 料 随着社会和科学技术的发展 人们对混凝土材料的性能提出了越来越高的 要求 至2 0 世纪8 0 年代末提出了高性能混凝土这一全新的概念 高性能混凝土 h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e h p c 最初是基于混凝土的高 强和耐久性提出的新概念混凝土 不同学者对其定义有不同的解释 美国国家标准与技术研究所 n i s t 与美国混凝土协会 a c l 认为 高 性能混凝土是指性能具有某些特定要求的匀质混凝士 必须采用优质材料配制 和严格的制备工艺所得的便于浇捣 不离析 力学性能稳定 早期强度高 具 有韧性和体积稳定性以及耐久性等性能的混凝土 中国土木工程学会高强与高性能混凝土专业委员会指出 高性能混凝土是 以耐久性和可持续发展为基本要求 并适合工业化生产的混凝土 著名材料科学家吴中伟院士认为 高性能混凝土是一种新型的高技术混凝 土 是在大幅提高普通混凝土性能的基础上 采用现代混凝土配置技术生产的 以耐久性为主要设计指标的混凝土 针对不同用途的要求 高性能混凝土对下 列性能有重点予以保证 耐久性 工作性 适用性 强度 体积稳定性 经济 性 日本的小泽一雅等认为 高性能混凝土应具有高工作性 低温升 低干缩 率 高抗渗性和足够的强度 虽然以上对高性能混凝土的定义不尽相同 但究其本质而言 高耐久性和 高工作性无疑是高性能混凝土的主要标志 l 高性能塑性混凝土是指在一定的受力条件下 相对普通混凝土而言 具有 适当的机械强度和高的变形能力与低的弹性模量 以塑变能力强和高抗渗性为 特征的新型混凝士 塑性混凝土主要应用于各种水工建 构筑物的坝基防渗墙建设和病险坝体 修复处理 2 良好的抗渗性是塑性混凝土技术的主要追求目标 同时考虑到混 凝土与周围的士体的衔接以及适应周围土体的沉陷与变形 塑性混凝土还需具 有低的弹性模量和适当的强度指标 一般将塑性混凝土的弹性模量指标设计为 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 0 0 m p a 左右 与一般岩土接近 4 从混凝土的组成来讲 如此低的弹性模 量不能大量配用水泥 而需多使用柔性掺合料 如膨润土等 由于水泥量少 必然带来混凝土强度的降低 本文将探讨如何保证塑性混凝土具有适当的力学 强度 以适应其使用过程中的安全性和稳定性 因此 将塑性混凝土的2 8 d 强度确定为3 5 m p a 对于普通混凝土的抗渗性能 目前国标采用抗渗标号 来衡量 即s 1 1 2 这表示混凝土可承受的水压为o 1 m d a 一1 3 m p a s 1 0 h 一1 s 为抗渗标号 h 为渗水时的压力 但这种方法对于塑性混凝土的实际 应用环境条件难以精确反映 故本文采用水工混凝土对于塑性混凝十渗透量的 表述方法 引进渗透系数k 其取值为k i x l 0 1 7 c m s 1 i 1 0 1 5 即以 横截面积计算 每m 2 混凝土每小时渗水量在3 6 至3 6 c m 3 之间 1 2 国内外塑性混凝土技术发展现状及问题 塑性混凝土目前主要应用于江河围堰和土石坝基的防渗墙体等水工建筑 上世纪5 0 年代初期混凝土防渗墙技术起源于意大利 6 最初只用作于土石坝 基础的防渗墙 目前在水利水电工程中广泛用于土石坝基防渗 混凝土闸基防 渗 挡土墙及各种地下工程中 取得了良好的效果 1 2 1 传统刚性混凝土防渗墙存在的主要问题 刚性混凝土防渗墙作为水工建筑的防渗措施 虽然起到了一定的作用 但 也暴露出一些突出问题1 7 l 1 应力集中造成墙体破坏 刚性混凝土防渗墙的弹性模量一般在 1 2 1 0 5 m p a 以上 大于周围 覆盖地基弹性模量的数十倍乃至百倍 极高的弹性模量使其允许变形量极 小 且变形应力集中于墙体 建于松散 透水土体中的防渗墙在地基中会 与土体联合受力 当工程投入运行时 墙体顶部及侧面都会受到巨大的压 力 两侧面由此产生很大的摩擦力 致使墙体发生的变形和应力比设计值 高出很多 因而墙体易出现裂缝 防渗作用降低 严重时会使防渗墙遭到 破坏 大坝的安全受到威胁 2 防渗墙体顶部与周围土体的沉陷差别大 墙体的顶部与坝体的底部紧密 连接很困难 武汉理工大学硕士学位论文 3 刚性混凝土防渗墙的钢材用量大 工程的造价高 1 2 2 塑性混凝土防渗墙与刚性混凝土防渗墙的比较优势 塑性混凝土的优良性能主要取决于它的以下特性 1 塑性混凝土具有很低的弹性模量 而且对于绝大多数的土体来说 都可以通过优化塑性混凝土的配合比 设计出与其弹性模量相近的塑性混凝土 防渗墙 2 塑性混凝土的极限应变值比刚性混凝土大得多 一般刚性混凝七的 受压极限应变值为e t n a x 0 0 8 一0 3 而塑性混凝土在无侧限条件下 其极 限应变值大都超过1 超过前者几倍甚至几十倍 因而塑性混凝土的抗裂性 能好 塑性混凝土防渗墙体在相同的受力情况下 基本不产生拉应力 而且压 应力一般不超过1 m p a 因而能很好的适应其周围土体的变形 不产生变形破 坏 烈 3 在三向受力条件下 塑性混凝土强度会有很大的提高 而且几乎随 周围压力呈直线增长 这就意味着随着周围压力的增加 塑性混凝土防渗墙的 安全度反而能提高 4 塑性混凝土墙体的水泥 钢材用量均显著减少 造价比刚性混凝土 防渗墙体明显要低 鉴于塑性混凝土防渗墙上述突出优点 国外自2 0 世纪6 0 年代以来逐步得到了广泛的应用 我国也于2 0 世纪8 0 年代开始应用 目前已 用于三峡大坝工程 1 2 3 国内外塑性混凝土技术的发展 自2 0 世纪6 0 年代以来 国际上对塑性混凝土进行了相关的研究工作 并 成功建造了一批塑性混凝土防渗墙工程 8 i 表1 1 主要用于坝基和土石围 堰防渗墙和病险坝防渗处理 国际材料和水工工程界对塑性混凝土防渗墙技术 予以很高的关注 第1 4 1 5 1 7 届国际大坝学术会议上发表了多项相关成果 在工程实践中 很多工程都取得了令人满意的效果 如日本国的只见坝工程 阿根廷的亚西雷塔坝 西班牙的阿尔翁坝 法国的伟尔内依坝等 其中阿根廷 的亚西雷塔水电工程的防渗墙总长为4 7 o k m 总面积为9 0 万吖 堪称世界防 渗墙之最 此外日本国的只见坝工程 其塑性混凝土防渗墙首次掺加了膨润土 武汉理工大学硕士学位论文 作增塑剂 其变形与冲击层地基十分接近 现场实验结果表明 墙体与周围冲 击层的相对沉陷差值仅为几毫米 结构稳定性非常好f 7 国外塑性混凝土防渗墙的技术特点是 1 多数塑性混凝土防渗墙是作为正式建筑物用于心墙土石坝及坝基防渗 2 墙深多数达到4 0 m 或更深 最深者达7 0 m 3 墙厚为0 4 1 2 m 多数为0 6 m 和o 8 m 4 水力比降为1 6 9 2 不等 范围很大 5 水泥用量大多低于l o o k g m 1 6 墙体弹性模量均不大 仅3 0 0 m p a 左右 7 防渗墙渗透系数设计值为1 0 一6 一1 0 c m s 建成后均达到设计要求 表1 1 国外已建成的塑性混凝土防渗墙 建成坝高防渗墙最墙厚防渗面 1 7 程名称国名坝型 时间 m 大深度 1 1 1 m 积 m 亚曲雷塔坝阿根廷心墙土石坝3 8 02 5 0 0 69 0 0 0 0 0 阿尔翁坝醴班牙 1 9 6 6 心墙土石坝 3 0 03 2 00 7 韦尔内依坝法国1 9 8 2土石坝4 2 05 0 0 1 21 3 0 0 0 勒阿弗尔港法国港工基础 阿贾电站意大利电站前池围堰 新欣迪耶坝伊拉克 1 9 8 7 闸基 电站基 1 6 51 6 90 64 0 4 4 布龙巴赫坝西德1 9 8 5土坝4 0 04 0 0 0 61 2 5 0 0 杰巴坝尼日利亚 1 9 8 2 心墙土坝4 0 07 0 0 0 83 6 4 0 0 只见坝日本1 9 8 8心墙堆石坝2 1 0 3 7 0 0 国内塑性混凝土及其防渗墙技术的试验研究和工程实践始于2 0 世纪8 0 年代 先后在水口水电站主围堰 册田水库南副坝 十三陵抽水蓄能电站尾水 围堰 小浪底水利枢纽上游围堰 三峡工程二期围堰等工程中成功的建造了一 批塑性混凝土防渗墙 表1 2 也取得了很好的效果 与国外情况相比 国内已建成的塑性混凝土防渗墙的主要特点是 1 多数用于临时工程 2 墙厚多为o 8 m 最厚为1 o m 三峡工程 3 墙体的渗透系数均在l o m s 左右 抗渗性能优于国外报道的情况 武汉理工大学硕士学位沦文 4 模强比小 力学性能优越 5 墙深最大达7 4 m 三峡工程二期围堰防渗墙 表1 2 国内已建成的塑性混凝土防渗墙 工程建成坝坝 覆盖防渗墙墙墙 堰 堰 层厚最大面 名称时间型高度 深度厚积 m m m m 时 十三陵抽水蓄能电站尾水围堰心墙堆彳i 坝2 02 03 1 60 85 0 0 0 0 册田水库南副坝1 9 9 l均质土坝1 0 52 03 300 81 1 5 7 0 水u 电站主嗣堰1 9 9 0堆石围堰4 4 0081 7 7 9 5 0 小浪底水利枢纽 游嗣堰1 9 9 4堆石渣围堰 4 0 一7 0 7 4 00 81 3 8 3 2 0 三峡工程二期围堰1 9 9 8堆石围墙9 08 2 51 o8 5 1 0 0 0 1 3 课题提出的意义与目的 塑性混凝土是近2 0 年来在我国迅速发展的一种新型水工建筑材料 它的 高性能主要体现在具有较高的变形性能和较低的弹性模量及其高抗渗特性 作 为一种新型高性能混凝土材料 它在科学的组成 结构及不同应用环境对其技 术性能的综合影响等方面均还未得到全面系统的研究 多是局限在某一个具体 工程的特定条件 对于其普遍的内在机理和规律的认识十分有限 以至于至今 还没有一个正规塑性混凝土的技术规范问世 这将不利于充分发挥塑性混凝土 的突出技术与经济优势 另外随着我国经济的高速发展 每年要增加大量的粉 煤灰 钢渣和磷石膏等工业废弃物 如不有效利用 必将造成严重的环境污染 这类副产品或具有潜在的水硬活性 或具有调凝激发作用 通过合理匹配与优 化能否作为塑性混凝土的组分材料 既取代水泥和石膏等优质资源 降低材料 成本 又能改善和提高塑性混凝土的品质与性能 都是十分有意义的课题 故 本课题的主要目的和意义在于以研究塑性混凝土材料理论为前提 通过组分材 料的优选及配合比优化的过程 探索充分利用上述各种废弃物的技术途径 使 塑性混凝土的各项指标得到提高 材料成本有效降低 环境得到改善 从而为 资源的优化配置 经济和社会的和谐发展以及混凝土材料科学的创新研究作出 有益的探索 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 课题研究的内容 方法和目标 1 4 1 研究内容 根据理论和工程实际需要的要求 本课题所展开的主要研究内容如下 1 不同工业废渣及其掺入比对塑性混凝土胶结材性能的影响 主要探讨粉煤灰和钢渣掺入后对胶结材的物理力学性能的影响 确定各 自的最优掺量范围 2 不同因素对塑性混凝土主要技术性能的影响 通过水胶比 砂率 增塑剂掺量等因素的变化和混凝土配合比的调整 探讨对塑性混凝土力学性能 塑性变形性能和抗渗性能影响的规律 明 确对不同技术指标的主要影响因素 3 组分材料优选及其对塑性混凝土性能的影响 通过选用不同的水泥品种 不同外加剂种类和替代物 探讨其对塑性混 凝土性能的影响 进一步优化塑性混凝土的材料组成 4 塑性混凝土耐久性的探讨 优良的耐久性是各种混凝土材料都要追求的关键性能 通过对试样相关 的耐久性试验与检测 为延长塑性混凝土的使用寿命提供一定的技术依 据 5 通过数理统计和回归分析方法 建立塑性混凝土优化配合比曲线图 为 实际工程应用提供快捷的设计依据 1 4 2 研究方法和技术路线 1 采用化学分析 物理力学性能检验和x r d s e m 等材料结构显微分析 方法对各种组分材料的组成和性能特点进行检测和评价 为其优化配合 奠定基础 2 通过单因素和多因素正交实验和回归分析等方法 明确不同影响因素的 重要程度 探求塑性混凝土在不同条件下的最优配合比范围 对建立具 有一般性指导意义的工艺技术参数规范提供有价值的参考 3 全面考察不同的水泥品种 不同废渣单掺和复合 不同的外加剂等作为 组分材料的变化对塑性混凝土技术性能和耐久性的影响 探讨其作用机 理 确定相应的最佳应用条件 武汉理工大学硕士学位论文 4 综合总结各种相应的研究成果 使高性能塑性混凝土的组成结构 技术 性能指标 配置技术规范等内容的研究取得明显的提高 也为塑性混凝 土应用在更广泛的领域里拓展起到良好的促进作用 武汉理工大学硕士学位论文 第二章高性能塑性混凝土的结构原理与主要原材料的评价 2 1 高性能塑性混凝土的结构原理 高性能塑性混凝土具有弹性模量低 极限变形大 模强比小的技术特点 对于改善防渗墙体的应力状态具有重要的意义 通过原材料和配合比的优化 塑性混凝土的弹性模量可以接近地基的相应值 其模强比只有1 0 0 3 0 0 在 满足抗压条件时 基本不出现抗拉应力 5 2 1 可避免墙体开裂 对于防渗墙 的整体抗渗性和耐久性十分有利 从宏观组成看 塑性混凝土与普通混凝土具 有一定的相似性 即都含有胶结材如水泥 粉煤灰 水 集料如砂 石等 但 塑性混凝土中还含有增塑剂一膨润土 其组成中水泥比例较小 砂率较大 用 水量也较大 这些组成特点导致水泥水化产物减少 结构上胶结材形成的网状 连生物较单薄 因此 塑性混凝土的强度和弹性模量会比普通混凝土的相应值 显著降低 不过在塑性混凝土中 水化产物仍然能够生成足够完整的骨架 在 渗水条件下 能够粘结绝大部分的土料颗粒 抵抗一定的渗水压力 使土料颗 粒不被渗水压力带走p j 从结构而言 刚性混凝土的组成是基于逐级填充原理 即水与胶材组成 水泥浆 水泥浆填充砂的空隙组成水泥砂浆 水泥砂浆填充石子的空隙组成混 凝土 混凝土初凝后 结构逐步固结硬化 随着水泥的不断水化 混凝土结构 越来越致密 强度快速增长 硬化后受力 一般对于普通混凝土只产生弹性变 形 卸载后混凝土的变形会自动恢复 除非混凝土受力过大而破坏 失效 对 于塑性混凝土而言 配比中石子的用量较少 砂的用量较大 但一般砂的粒径 较粗 故不属于灰浆料 而仍属于混凝土的范畴 在塑性混凝土中 水与胶材 及膨润土共同组成水泥泥浆 浆体中还包含极细的膨润土颗粒 膨润土几乎不 与水泥等胶材发生化学反应 这种水泥泥浆握裹砂和少量石子 组成塑性混凝 土i 膨润土是含蒙脱石大于8 5 的一种纯净的优质粘土 其具有特别突出的 吸水膨胀性 粘结性 可塑性和润滑性等 因此是塑性混凝土的首选增塑剂1 2 增塑剂的主要使用原理可概括如下 膨润土细颗粒掺在塑性混凝土中硬化后会 形成性质不同的有限元体 该有限元体可视为含有许多缺陷和空隙的多相非均 质复合材料 当其承受荷载时 首先塑性混凝土中的空隙受压变形 此时应力 武汉理上火学坝士字位论 c 增长缓慢 而变形增长较快 当荷载增加到某一值时 缺陷和空隙基本闭合 骨料开始承受荷载 而此时塑性混凝土并不出现破坏 在这一过程中 塑性混 凝土比普通混凝土在同等荷载条件作用下变形要大得多 因而塑性混凝土的弹 性模量比普通混凝土也低得多 从微观结构上看 膨润土具有复杂的网状结构 由两层硅氧四面体和一层铝氧八面体构成 这一特殊的硅铝结构使其具有优异 的离子交换性和吸水膨胀性 1p o 另外由于其结构中舢3 可被m 9 2 所取代 使每一层复网层并不呈现电中性 而是带负电荷 因此 复网层之问存在斥力 使略带正电荷的水化 f 离子易于进入 又由于水的极化和氢键的作用 水亦进 入层间 使之产生膨胀 因此塑性混凝土在渗水压力作用下 具有较好的吸水 肿胀性能 肿胀后的膨润土颗粒填充于塑性混凝土中的空隙 抑制水分子的通 过 从而具备良好的抗渗性 这就是塑性混凝土优于刚性混凝土作防渗墙的主 要原因所在1 1 1 4 6 1 2 2 实验原材料及品质评价 水泥 分别选用武汉市叠峰水泥厂生产的3 2 5 矿渣硅酸盐水泥 3 2 5 普通硅酸 盐水泥 湖北华新水泥股份有限公司生产的3 2 5 普通硅酸盐水泥 4 2 5 普通 硅酸盐水泥 水泥性能见表2 1 表2 1 水泥的物理性能 蔫涂翌日 抗折强度 m p a 抗压强度 m p a 凝结时间 s 0 3 m g o l o s s 3 d 2 8 d3 d2 8 d初凝终凝 g b l 3 4 仁1 9 9 9 2 5 5 5 1 0 3 2 5 4 5 r a i n 4 5 m i a 4 5 m i a l o b 3 5 50 50 3 华新3 2 5 普硅水泥3 37 21 3 9 3 4 11 5 8 r a i n 4 h 4 3 m i n 2 2 髓39 7 g b l 7 5 一1 9 9 9 3 5 6 5 1 6 4 2 j 4 5 m i a 1 0 h 35 50 5 0 4 华新4 2 5 普硅水泥4 78 5 2 1 55 7 61 5 5 r a i n4 h 1 5 m i n1 6 32 1 21 8 6 钢渣 采用武钢第三炼钢厂转炉后期渣制备的钢渣微粉 其密度为3 1 9 t m 3 经 垫坚堡三查堂堡主堂堡堕三 x r d 图2 1 分析表明 其主要矿物为b c 2 s c 3 m s 2 r o 化学成分 和比表面积见表2 2 表2 2 钢渣的化学成分及物理分析 s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3 c a o m g o卜c a o 比表面积 m 饥g 1 3 2 63 5 22 0 3 94 2 26 4 63 1 74 0 0 图2 1 钢渣x r d 分析图 粉煤灰 选用武钢自备电厂的二级粉煤灰 化学成分见表2 3 s e m 分析图见图 2 2 从图中可知粉煤灰主要由细小的球型玻璃珠组成 还有一些不规则的碎 屑 多孔体及碳粒等 表2 3 粉煤灰的化学成分 s i 0 2 a 1 2 0 3 f e 2 0 3 c a o m 9 0 l o s s 5 4 0 12 8 9 1 5 3 16 9 31 2 76 2 1 图2 2 粉煤灰扫描电镜图 1 0 堕堡墨兰盔堂堡主堂堡堡壅 膨润土 选用湖南醴县宏达化工厂生产的膨润土 其主要矿物为蒙脱石 土的密度 为2 7 5 9 c m 3 膨润土矿物组成和化学成分见表2 4 x r d 图谱见图2 3 表2 4 膨润土矿物及化学成分 矿物组成 化学成分 蒙脱石石英方解石 s i 0 2f e 2 0 3a 1 2 0 3 c a 0 m g o 8 0 41 5 44 2 5 8 47 1 3 1 7 2 21 8 61 1 5 禽 b 量i b 曼 是b h a 等 蠢 l j 岫 一从娃矗咖蝴己k 图2 3 膨润土x r d 分析图 砂 选用河砂为原料 按j g j 5 2 9 2 对砂进行物理检测 结果见表2 5 表2 5 砂的物理性能检测表 细度模数含水量 表观密度 k g m 3 堆积密度 k g m 3 2 6 82 2 22 6 0 01 4 3 3 碎石 选用碎石作为粗集料 粒径在5 2 0 咖之间 采用连续级配 减水剂 选用武钢浩源化工厂生产的木钙和f d n 高效减水剂 f d n 成分检测及性能 见表2 6 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 表2 6 f d n 高浓高效减水剂技术参数表 1 主要成分b 奈磺酸甲醛缩合物 2 外观黄色粉末 3 细度 0 3 1 5 r a m 筛余物 l 4 p h 值 1 溶液 卜1 0 5 研e 酸钠含量 3 6 水泥静浆流动度 m m 2 4 0 7 掺量 0 4 1 2 8 减水率 1 4 3 0 3 d 1 5 0 9 抗压强度比 7 d 1 4 0 2 8 d1 3 0 一1 5 0 红祜土 实验选用武汉市青山区白玉山地区的红粘土作为增塑剂膨润土的替代物 其 x r d 分析如图2 4 a 蒙脱石 b i 二英 b a 掌 笔名ib b 瞄 墨要翼 枝且髓二帕l l 山舢 图2 4 红粘土x r d 分析图 由图2 4 可以看出 红粘土含有方解石 特征衍射峰为3 1 4 9 1 石英 特征衍射峰为3 3 3 3 7 2 2 7 8 0 2 1 2 4 1 l 8 1 6 6 蒙脱石 特征衍 射峰为1 4 4 8 8 5 4 4 6 1 5 2 5 3 2 8 1 9 7 7 8 1 6 6 7 8 伊利石 特征衍射峰 为9 9 5 8 0 2 5 5 7 9 武汉理工大学硕士学位论文 磷石膏 选用武汉无机盐化工厂的副产品磷石膏 经烘干磨细使用 磷石膏化学成 分见表2 7 表2 7 磷石膏化学成分表 l 紫 结晶水溶性s 0 3c a of e 2 0 3a l z 0 m g o s i 0 烧失 水p 2 0 5量 i 2 2 77 8 20 2 54 0 6 72 3 1 51 3 7o 2 80 0 94 5 22 3 7 2 3 主要矿物掺料与外加剂的基本性质分析 2 3 1 粉煤灰的基本性质 粉煤灰是从火电厂煤粉锅炉烟道气体中收集的以s i 0 2 和p d 2 0 3 为主要成 分 具有火山灰活性的玻璃体细灰 其中氧化硅和氧化铝的总含量一般在6 0 以上 粉煤灰的矿物相主要是铝硅玻璃体 含量一般为5 0 一8 0 是其具有 火山灰活性的主要成分 其含量越多 活性越高 1 2 3 2 此外 还有少量石英 一s i 0 2 和莫来石 3a 1 2 0 3 2s i 0 2 等结晶矿物和未燃净的炭粒 这些成分 含量较多时 粉煤灰的活性下降 2 3 2 钢渣的基本性质 钢渣是炼钢生产过程中的废渣 其产量约占钢产量的2 0 分为平炉渣 转炉渣和电炉钢渣 钢渣的碱度c a o s i 0 2 p 2 0 5 一般大于1 8 它可与水 泥在混凝土中共同水化 生成的混凝土早期强度虽会有所下降 但由于钢渣具 有与矿渣相似的物理性能 并具有耐磨 耐腐蚀 抗冻性好 大气稳定性好 微膨胀和水化热低等特点幽l 可作为混凝土的矿物掺和料使用 2 3 3 减水剂的性质及作用机理 塑性混凝土由于砂率较大 其流动性较差 为此需增大水胶比 因而会导 致塑性混凝土在施工振捣的时候水分泌出 或导致混凝土离析i 因此 既 要保持塑性混凝士的工作稳定性 流动性 又要尽量减少塑性混凝土的用水量 因此研究中使用减水剂来改善塑性混凝土的工作性 减水剂主要是表面活性剂 在水泥浆碱性介质中能分解为带负电荷的阴离 予 其大分子量的阴离子被水泥颗粒表面吸附 形成一层溶剂化薄膜 使水泥 1 3 武汉理工大学坝士学位论文 颗粒之间的凝聚减弱 同时被吸附的阴离子增加水泥颗粒之间的电荷排斥力 促进水泥颗粒分散 水泥浆体的粘度下降 流动性显著改善 加入表面活性剂以后 降低了水的表面张力和水与水泥颗粒之间的界面张 力 使水泥颗粒易于润湿 用水量就会相应减少 反之 在水泥水化凝结过程 中 会产生一些絮凝状结构 其中包裹着较多水 这将降低混凝土拌和物的和 易性1 4 4 i 综上分析 当减水剂加入混凝土以后 可以避免水化产物过快形成絮凝结 构 因此在混凝土具有相同工作性的条件下 其水灰比显著下降 从而产生减 水效果 塑性混凝土由于砂率较大需要较多的水来增加混凝土的流动性 另外 塑 性混凝土中含有较多的膨润土 膨润土有着极强的吸水肿胀性 其吸水总重量 可达自身重量的5 倍以上 因此 课题研究中将着重考察不同减水剂对塑性混 凝土的工作性能的影响 武汉理工大学硕士学位论文 第三章高性能塑性混凝土的配合比优化探索 随着科学技术的发展 高性能混凝土技术的研究与应用领域日益拓展 塑 性混凝土则是近年来迅速发展的新型混凝土品种 塑性混凝土的主要技术特点 在于其独特的低弹模 优异的变形能力和抗渗性能 使其在以抗渗和塑性变形 要求高的各类水工防护工程中显示了突出的优越性 日益引起学术界和工程界 的关注 广泛应用于国内外众多工程 在举世闻名的三峡大坝工程 其二期围 堰及土石坝基的防渗墙工程都成功地应用了塑性混凝土材料i s 与普通混凝土相比 塑性混凝土在技术特性上要求由 刚 转变到 柔 l2 7 这从一个侧面反映出混凝土材料高性能化的发展趋势 即混凝土在现代 社会早己不是一种简单的刚性结构材料 而是能根据具体的应用环境和条件 表现出各种满意的工作性和耐久性的功能材料 由于塑性混凝土对于混凝土材 料领域而言还是一个新生事物 一方面国内外至今还没有成熟完善的相关技术 规范 从其组成材料的选择 合理配合比参数的确定 各种技术和应用性能的 变化规律都必要继续深入的研究 另一方面 由于世界经济的快速发展 各种 工业和生活废弃物日益增多 不但对环境造成严重的污染 而且对人类社会的 可持续发展造成巨大的障碍 水泥混凝土材料是对各种废弃物具有较强消纳能 力的材料种类 通过与不同废料的科学复合 不仅能有效吸纳相应的废渣 还 能够对混凝土材料进行改性 使其对相应的工作环境有更好的适应性 这也是 高性能混凝土科学研究的主要任务之一 基于这些原因 本课题首先对塑性混 凝土进行配合比设计优化的探索 3 1 粉煤灰 钢渣最优掺量的探索 粉煤灰 钢渣在很长一段时间是作为工业废弃物堆放 不仅占用宝贵的土 地资源 而且严重地污染环境 如何将其变废为宝 一直是历久常新的热门课 题 钢渣 粉煤灰都具有一定的潜在水硬活性 在混凝土中的作用与水泥有 一致性 而且其廉价易得 对塑性混凝土的影响研究尚不多见 故首先探索其 作为水泥的替代物对胶凝组分的影响 31 1 实验依据 武汉理工大学硕士学位论文 实验中 拌和物性能检测执行g b 8 0 8 5 普通混凝土拌和物性能实验方 法 力学性能检测执行g b 普通混凝土力学性能实验方法 f 1 3 1 2 立方体抗 压强度实验方法 立方体抗折强度实验方法和静力受压弹性模量实验方法 31 2 实验设备 w e 一1 0 a 型万能材料实验机 试模尺寸1 0 0 1 0 0 1 0 0 m m 强度系数0 9 5 混凝土强制搅拌机 最大粒径5 0 m m h s 一4 型混凝土渗透仪 试模尺寸 上口直径1 7 5 m m 下口直径1 8 5 m m 高1 5 0 m m t m 一2 型混凝土弹性模量测试仪 试模尺寸1 0 0 1 0 0 3 0 0 r a m 3 1 3 实验及结果分析 实验中以不同重量百分比的钢渣 o 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5