（材料学专业论文）矿物掺合料对高性能混凝土力学性能和耐久性的影响.pdf

浙江下业人学硕 卜 学位论文摘要 摘要 v 5 6 7 5 3 6 本文对矿渣 粉煤灰和膨胀剂以不同比例掺入高性能混凝土后对 其力学性能和耐久性能产生的影响进行了论述 研究内容主要包括掺 矿物掺合料的高性能混凝土随水胶比 配合比 以及养护条件等因素 不同 抗压强度 劈拉强度 抗折强度和弹性模量等力学性能以及干 燥收缩 抗氯离子渗透和抗冻性等耐久性能的变化规律 同时结合矿 物掺合料的水化机理 阐述了掺合料对混凝土微结构的改善作用以及 混凝土高性能化的有效途径 试验结果表明 t 掺入矿渣使混凝土早期强度下降 后期强度 增大 干缩率下降 抗氯离子渗透能力 抗碳化能力提高 z 同时 掺入粉煤灰和矿渣 后期出 现优势互补效应 提高了混凝土的强度 虽然复掺以后混凝土早期干燥收缩率有所增大 但后期增长缓慢 仍 然具有较好的耐久性能 3 u e a 膨胀剂掺入后 高性能混凝土早 期强度降低 后期强度提高 早期干燥收缩率不但没有减小反而有所 增大 4 养护条件会直接影响掺合料的改性作用 潮湿养护能使掺 合料更好的发挥抑制干燥收缩的能力 使膨胀剂真正起到补偿收缩的 作用 5 高性能混凝土受预压后 抗氯离子渗透能力下降 掺膨胀 剂的混凝土下降幅度相对较小 关键词 高性能混凝土 矿物掺合料 力学性能 耐久性 浙江 业大学硕 卜 论文 ab s t r a c t abs tract i n t h i s t h e s i s t h e i n fl u e n c e s o f c o m b i n a t i o n s o f s l a g fl y a s h a n d e x p a n s i v e a g e n t a t d i ff e r e n t r a t i o n s o n t h e m e c h a n i c a l p r o p e r ti e s a n d d u r a b i l it y o f h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e w c w e r e s t u d i e d u n d e r t h e fl u c t u a t i o n o f w a t e r b i n d e r r a t i o n m i x p r o p o rt i o n c u r i n g c o n d i t i o n s t h e v a r i a b l e l a w s o f c o m p r e s s iv e s t r e n g t h s p l i t t e n s i l e s t r e n g th fl e x u r a l s t r e n g t h e l a s t i c m o d u l u s d ry i n g s h r i n k a g e c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y a n d fr o s t r e s i s t a n c e we r e d i s c u s s e d t h e r e s u l t s in d i c a t e d t h a t s l a g a d d e d t o h p c c o u l d d e c r e a s e e a r ly s t r e n g t h a n d d ryin g s h r in k a g e h o w e v e r 2 8 d a y s s t r e n g t h c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y c a r b o n i z a t i o n r e s i s t a n c e w e r e i m p r o v e d t h e d o m i n a n t c o m p l e m e n t a t i o n e ff e c t w as s h o w e d w h e n t h e p r o p o rt i o n o f s l a g a n d fl y a s h w a s a p p r o p r i a t e e a r l y s t r e n g t h o f h p c a d d e d w i t h e x p a n s i v e a g e n t d e c r e a s e d b u t d ryin g s h r i n k a g e w a s s t i l l g r e a t we f o u n d i t n e c e s s a r y f o r h p c t o p r o l o n g t h e w a t e r c u r i n g a g e w h i c h c o u l d c o n t r o l d ry i n g s h r in k a g e m o r e e ff e c t i v e l y a ft e r h p c w a s c o m p r e s s e d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y w a s d e c l i n e d k e y wo r d s h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e mi n e r a l a d m i x t u r e me c h a n i c a l p r o p e rt i e s d u r a b i l i t y 浙江工业人学硕 七 学位论文第一章绪 论 第一章绪论 1 1 高性能混凝土概述 2 0 0 0 年前 罗马人用石灰一 火山灰胶凝材料建造了许多大型的建筑物 如 万神殿 古罗马竞技场 引水渡槽 桥梁 围堰和灯塔等建筑物和构筑物 它们 具有极好的耐久性 有的至今还可使用 1 9 世纪 3 0 年代 硅酸盐水泥研制成功 并逐步取代石灰一 火山灰胶凝材料的地位 这是由于石灰一 火山灰胶凝材料凝结缓 慢 早期强度低 天然材料品质的差异而不易控制其质量 不能适应资本主义兴 起后大工业 交通运输和军事设施发展的需要 2 0 世纪 3 0 年代到 6 0 年代 普 通减水剂得到广泛的应用和较快的发展 用水量的减少可使得由 砂 石 水泥和 水组成的混凝上材料变得更密实 5 0 年代到 8 0 年代初 高效减水剂的研制成功 并在许多国家得到广泛的应用 所生产的早强水泥颗粒越来越小 比表面积越来 越大 通过增加单方水泥用量和降低水灰比 高强混凝土的配制变得可能 然 而高效减水剂的应用可以提高混凝土的坍落度 减少用水量 但并不能改善混凝 土的粘聚性和抗离析性 水泥细度变小增加了水化热的产生 使混凝土早期裂缝 出 现 因此 8 0 年代前后 混凝土耐久性问 题越来越尖锐 因混凝土材质劣化和 环境等因素的侵蚀作用 出现混凝土建筑物破坏失效甚至崩塌事故 8 0年代中 后期及 9 0 年代初 高强高性能混凝土提法被普遍接受 它的含义是高强度 高 工作度 流态 可泵 高体积稳定性 硬化过程不开裂 收缩徐变小 和高耐 久性 高强高性能混凝土的配制采用 双掺 技术 即在砂 石 水泥和水这些 组成成分的基础上使用外加剂 减水剂 增粘剂 引气剂等 及矿物外掺料 硅 粉 粉煤灰 矿渣等 9 0 年代中后期 人们认为将耐久性放在第一位的高性能 混凝土的提法更为合适 高强混凝土是高性能混凝土的一种 高性能混凝土未必 一定是高强混凝土 高性能混凝土主要着眼于工作性 长期力学性能 早强性能 韧性 体积稳定性 抗冻融 抗除冰盐 抗磨损 抗氯离子渗透 收缩和徐变等 方面 浙江下业人学f j 学位论文 第一章绪 论 互 1 1 1高性能混凝土的定义 1 9 9 0 年5 月美国国家标准与技术研究院 n i s t 和美国混凝土协会 a c i 召开会议 首次提出高性能混凝土 h p c 这个名词 认为h p c是同时具有某 些性能的匀质混凝土 这个名词出 现至今也只有1 3 年 不同国家 不同学者依 照各自的认识 实践 应用范围和目的要求的差异 对高性能混凝土有各自 不同 的定 义和解释 吴中 伟教授d 1 认为高性能混凝土是一种新型高 技术制作的 混凝 土 它以耐久性作为设计的主要指标 针对不同用途要求 高性能混凝土对下列 性能有重点的予以保证 耐久性 工作性 适用性 强度 体积稳定性 经济性 为此 高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比 选用优质原材料 并除水泥 水 集料外 必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂 妇 1 2高性能混凝土的研究现状 很多 国 家都 对高 性能 混 凝土 进 行了 大 量的 研 究开 发 工 作 2 6 1 其目 的 是 使 其得以在土建工程中推广应用 推广范围愈宽 效益就愈大 1 日本早在2 0 世纪6 0 年代就能较容易地制成c 6 0 c 8 0 的高强混凝土 并建成了数十座高强混凝土铁路桥 但h p c的应用也只局限在道路 桥梁及水 工建筑范围 而且h p c拌和料中一般掺有大量的活性材料 如矿碴 粉煤灰等 以降低水化热 满足h p c施工要求 2 挪威结合北海海洋石油开发的需要 是较早对 h p c开展研究的国家之一 至今己建造数十个海洋采油平台 成功地经受了非常恶劣的海洋环境 1 9 8 6年 开始对高强混凝土材料进行研究 为了提高结构的耐久性 挪威所有的桥梁混凝 土必须掺粉煤灰或硅粉 水胶比不得超过0 4 3 法国自1 9 8 6 年起就进行了h p c研究并建造示范工程 1 9 8 9 年法国建造了 伊沃纳 y v o n n e 河桥 由 于采用c 7 0 的h p c 并采用体外预应力索的结构形式 使混凝土的用量减少 3 0 自 重降低 2 4 4 德国自1 9 9 0 年以来 在许多工程中采用了c 8 5 高强混凝土 1 9 9 5 年德国 提出了高强混凝土的结构指南 并把它作为德国混凝土结构规范d i n 0 4 5 的补充 5 1 9 9 3年美国联邦公路管理局发起了 在全国公路桥梁建设中推广应用 h p c 的计划 1 9 年美国公路与运输协会和美国联邦公路管理局联合成立了h p c工 浙lt业大学硕 1 学位i e 文 第一章绪 论 作小组以实施h p c在公路工程中的应用 c 6 我国自2 0 世纪7 0 年代起开始发展高强与高流动混凝土 1 9 8 0 年建成的红 水河铁路斜拉桥的预应力混凝土箱梁就是采用的高坍落度高强混凝土 近年来建 成的一些著名桥梁多采用高强混凝土 如上海杨浦大桥 武汉长江二桥等均采用 c 5 0 掺粉煤灰泵送混凝土 汕头海湾大桥主梁采用c 6 0 混凝土 目 前上海 北京 有供应 c 8 0以上商品混凝土的能力 但是 我国传统的高强混凝土仅注重于强 度 而随着抗压强度的提高 混凝土的脆性增大 应力应变曲线发生变化 随着 强度增高 水泥用量随之加大 收缩徐变也相应增大 使高强混凝土在桥梁结构 中的应用产生一定的难度和限制 因此低水平的重复追求混凝土的高强度 并不 是高性能混凝土的发展方向 而h p c的发展必须由研究部门和产业部门联合 引进高科技 进行有计划的系统研究 才能帮助产业获得经济增长 1 1 3存在的问题和展望 1 1 3 1存在的问题 由于h p c的研究与应用在世界范围内从8 0 年代才开始 主要研究成果还不 太成熟 实际应用也比 较少 各国 学者对它的认识也不尽相同 2 7 1 综合归纳起 来主要有以下几个问题 1 配合比设计和施工质量的计算机化 传统的配合比设计己经不适用于h p c 如何建立科学的设计方法 是 h p c 发展的关键技术之一 高性能混凝土对原材料质量和施工管理水平都比普通混凝 土更加敏感 采用计算机技术 提高自 动化程度无疑是提高混凝土质量和工作效 率的必经之路 但是目前 不少人围绕计算机化试图建立数学模型 但多数人所 根据的数据量不足 以至都有实用的局限性 在现阶段急需做的是 尽快建立原 材料的数据库 并逐渐扩展和扩大 建立可靠和易于操作的系统 2 h p c耐久性的评定问题 外掺料和外加剂是h p c不可缺少的组分 矿物细掺料和水泥之间 复合外 加剂之间的相容性 以及如何更好地发挥叠加效应等问 题 过去很少研究 此外 它们对混凝土耐久性和其它性能的影响都无法用单一性检测方法来评判 所以在 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪 论 这些方面都需要系统的研究 还是有很大的潜力可以挖的 3 h p c的韧性 普通混凝土的韧性问题可通过纤维 聚合物的掺入得到一定的改善 但是 随着混凝土强度的提高 断裂韧性 结构延性会降低 所以这些矛盾如何解决还 需要花大力气研究 尽管h p c还存在一些问题 但还是一种很有发展前途的新 型混凝土 h p c还将进一步发展 以 满足装配化的要求 达到快速 省力 节 能降耗 减少现场是湿作业 改善劳动条件的目的 并满足严酷环境以及地下 深水作业 不透气 防辐射 隔绝离子迁移的高密实性 超轻 隔热 保湿隔声 等一系列综合要求 1 1 3 2高性能混凝土的发展前景 h p c具有优良的耐久性 工作性和强度 在最近十多年中已经被工程界所 接受 并认为是新型高技术混凝土 是今后混凝土的发展方向 h p c在工程应 用的推广中 首先面临的是h p c较普通混凝土要高的造价 由于材料成本以及 质量控制严格 h p c的价格必然会高于普通混凝土 但是如果从工程总造价上 进行比较 就会发现其实h p c的应用可以令其它方面更加经济 比如节省钢筋 加快模板周转等等 所以我们相信当人们树立起安全 环保的概念以后 h p c 的市场将会更大 目 前 对于h p c的设计规程和验收标准还未取得统一 各国 各地区和不同学者对 h p c涵义的理解和见解也不完全一致 求h p c必须具有高强度 那么很可能会限制 和经济合理等条件对 h p c的性能有所侧重 h p c的应用范围 多数人认为如果要 目前应根据用途 它的强度标号可以向中等标号适当 延伸 但以不损及混凝土内部结构的发展高耐久性为度 将工作性放在首位 扩 大h p c的强度范围 使h p c得到更广泛的推广 h p c不仅在性能上对传统混凝土有很大突破 在节约资源 能源 改善劳动 条件 经济合理等方面 尤其对环境 有着十分重大的意义 因此是一种可持续 发展的 绿色材料 绿色高 性能混凝土 1 8 1 这一概念的提出 进一步指明了 混凝土的 发 展方向 也使混凝土工作者明确提高h p c的 绿色含量 节约能源 减少环境破坏 是下一步的工作目标 浙江工业人学硕 学位论文第一章绪 论 妇 2高性能混凝土的矿物掺合料 1 2 1 粉煤灰 1 2 1 1简 介 粉煤灰也叫飞灰 f l y as h 是由 燃煤热电 站烟囱收集的灰尘 一般来说 粉煤灰比水泥还细 且含有大量的球状玻璃体 粉煤灰的化学成分是由原煤 的成分和燃烧条件而决定 s i 0 和a 12 0 3 是粉煤灰中的主要活性成分 它主 要的化学成分见表1 l 0 表 1 1我国一些地区粉煤灰的化学成分 质量 成分s i o 2a 1 2 0 3f e z 0 3 ca o 一 mg 0 i n a 2 ok 2 0s 0 3 均值5 0 6 2 7 17 12 81 20 51 30 3 范围3 3 9 5 9 7 1 6 5 3 5 11 5 1 9 70 8 1 0 40 7 1 90 2 1 10 6 一 9 0 飞 1 粉煤灰在国内己经用了许多年 但一般只把它看作一种 经济 的掺合料 并且以 普通混凝土的配比为基础来试验确定它的最佳掺量 从试验室到使用以 取代 为出发点 以适应于水泥的条件来判断粉煤灰的效果 所以 在重要工程 中粉煤灰不能多掺 但是 近二十多年来 英国 加拿大和美国等国家积极开发 研究高掺量粉煤灰混凝土 并采用新的拌合物配合比 确定方法 粉煤灰在其中看 作是第四组分 即除了水泥 骨料和水以外的另一种成分 这种方法中粉煤灰用 量较大 以使其更好地发挥作用 国外已把高掺量粉煤灰混凝土用于混凝土坝 电站储油罐 污水处理厂 船坞滑台 公路路面 机场跑道 预应力混凝土高架 桥和许多特种结构 包括高强度混凝土工程 互 1 2 1 2粉煤灰的 粉体效应 粉煤灰由于其本身的化学成分 结构和颗粒形状等特征 在混凝土中可产生 下列三种效应 总称为粉煤灰的 粉体效应 19 1 1 活性效应 粉煤灰中含c a o很少但含有大量的活性s i0 2 和a 1 2 0 3 它们既无独立的水硬 浙江丁业大学硕 学位论文 第一章绪 论 性 也 无 潜 在的 水 硬性 能 它 们的 活 性 能 在 常 温 下 被 水 泥水 化 时 析出 的c a o h 2 激活 和它产生二次反应 火山灰反应 生成具有胶凝性能的水化硅酸钙和水 化铝酸钙 如果对水化产物再做进一步的研究 就会发现水泥水化产物主要是钙 硅比 为1 6 1 9 的高碱度水化硅酸钙 c s 1 5 者 和游离石灰 1 0 a b b依留 辛 等 研究了 合 成的 水化硅酸 钙晶 须的 抗拉强 度 i 1 研究 表明 低碱度水化硅酸 钙晶 须的 抗拉强度为1 3 0 0 m p a 而高 碱度水化硅酸钙晶 须的 抗拉强 度 仅是低碱度水 化硅酸钙晶须抗拉强度的一半 而且低碱度水化硅酸钙的稳定性也高于高碱度水 化硅酸钙 所以掺入粉煤灰后 通过二次反应不但能减少或消除游离石灰 还可 以 生成强度更高 稳定性更优的低碱度水化硅酸钙 粉煤灰的掺入也能改善水泥 石与 集料界面结构 关于水泥石与 集料界面的微观结构模型己 提出了 很多 11 2 1 因为界面的微观结构会对混凝土的强度 耐久性和渗透性产生显著影响 所以界 面的改进值得重视 用粉煤灰替代部分的水泥由于它的颗粒细化作用使界面更加 密 实 同 时 有效 抑制c a o h 2 在界面上的 富 集 提高了 界面的 粘结强 度 2 形态效应 粉煤灰在高温燃烧过程中形成的粉煤灰颗粒 绝大多数为玻璃微珠 过去认 为这种颗粒小 需水性大的掺料 似乎不会增大而只会减小流动性 但事实上 在高效减水剂的协同作用下 小的圆球形颗粒的表面覆盖一层表面活性物 使颗 粒之间产生静电斥力 由于粉煤灰的颗粒较小 能在水泥颗粒之间起到 滚珠 作用 使水泥浆体的流动性增加 更重要的是 没有掺入掺料的浆体中 由于水 泥粒子之间的空隙未被固定颗粒填充 处于水泥颗粒表面的水分较少 而填充于 水泥颗粒空隙中的填充水很多 当粉煤灰的微细粒子填充于水泥粒子之间的空隙 之中时 将原来填充于空隙之中的水置换出来 成为自由水 粒子之间的隔水层 加厚 因此混合料的流动性增大 从表 1 2 中可以 看出 在混凝土中不掺活性矿 物掺料时 混合料的流动性很小 随着粉煤灰的掺入 流动性增加 在掺量为 9 2 3 区间内则大幅度增加 3 微集料效应 人们在研究混凝土材料时 十分注意粗细集料的颗粒级配 使粗细颗粒互相 有良 好的填充 以减少集料的空隙率 但人们往往忽视了混凝土材料中胶凝材料 部分 水泥十 掺合料 的颗粒级配问题 通常水泥颗粒间的填充性并不好 如果 浙江工业人学顿 卜 学位论文 第一章绪 论 在水泥中掺入超细矿物掺料 如超细粉煤灰和超细矿渣 则可大幅改善胶凝材料 颗粒的填充性 粉煤灰的掺入还能改善凝胶体的孔结构 减小孔径的同时减少了 有害 孔的 数量 1 4 1 提高 水泥石的 致密 度 抗渗性 和强 度 表1 2 1 3 1 粉煤灰 对混凝土流 动性的影响 胶凝材料用量 k g m 3 水胶 比活性矿物掺料水泥用量 坍落度 mm 抗压强度 mp a 名称掺量 0 u 3天2 8 天 6 0 00 2 6 5 粉 煤 灰 01 0 0 4 25 3 刃 7 3 2 99 1 l a g5 3 17 6 7 1 78 3 1 0 64 9 6 7 8 3 2 37 72 0 5 4 3 57 6 3 3 0 7 o1 9 04 0 2 7 0 1 互 1 2 1 3粉煤灰对高性能馄凝土力学性能的影响 1 强度 因为粉煤灰具有显著的活性效应 粉煤灰中的大量活性成分与水泥水化产物 c a o h 发生火山 灰反应 生成 c s h 凝胶 使界面粘结强度得到相应提高 所 以 掺 粉 煤灰的 混凝土 后期强度高 根 据m a s a o k u r o d a 的 试验结果 4 1 见 下图 可 以看到掺入粉煤灰的界面强度在前期比较低 这主要是因为掺入粉煤灰的混凝土 早期水化速度慢 上述作用的发挥需要一定的时间 所以从图上我们可以看到粘 结强度逐渐增大 2 8天强度明显高 于不加粉煤灰的混凝土 另有试验表明 1 6 1 当粉煤灰掺量为 4 0 时 混凝土的 2 8天抗压强度为 5 0 1 m p a 5 6天抗压强度为 6 8 9 m p a 增长3 8 也就是说 随着粉煤灰掺量的增加 后期强度增长值提高 同时也发现混凝土的抗折和劈拉强度的变化规律也具有后期增长较快的特点 所 有 文 献 资 料 的 结 果 都 较 为 一 致 i6 19 1 浙江工业人学硕 l 学位论文 第一章绪 论 对比组山 尸 掺f a 云 一 油一 洲 之思塑拿万今深 二 勺 a日一 一 二一一j 0 7 1 4 2 1 2 s 龄 期 天 图1 1 掺粉煤灰混凝土和对比 混凝土粘结强度变化曲 线 2 弹性模量 粉煤灰对混凝土弹性模量的影响与对抗压强度的影响相类似 早期偏低 后期逐渐提高 由于粉煤灰的火山灰反应 在整个水化作用过程均进行 生成类 似于托勃莫来石凝胶 使含粉煤灰混凝土比不含粉煤灰混凝土更加密实 提高了 它的弹性模量 1 2 1 4粉煤灰对高性能混凝土耐久性的影响 1 干燥收缩 混凝土千缩的机理比较复杂 一般认为 混凝土的干缩主要由水泥石的收 缩引起 已有水泥收缩理论主要有毛细管张力学说 表面吸附学说 拆开应力学 说 毛细管张力学说认为 在环境湿度小于 1 0 0 时 毛细管内部的水面下降形 成弯液面 在水的表面张力作用下 便会在毛细管中产生附加压力 伴随着水泥 石中相对湿度的进一步降低 半径更小的毛细孔中的水开始蒸发 由开尔文 k e l v i n 方程可知 水泥石处于不断增强的压缩状态中 导致了水泥石的收缩 表面吸附学说认为 在固体表面上吸附气体或蒸汽将减小固体表面张力 所以吸 附水一旦从水泥凝胶中脱离 表面张力就马上增加 胶粒被压缩 拆开压力学说 认为 在任何相对湿度下 水吸附在c s h 凝胶的表面产生一个拆开压力 其值 随湿度增加而增加 在较低的相对湿度下 当折开压力小于范德华力时 微粒就 会聚集引 起体积收缩 综上所述 可以 认为混凝土的千燥是多 种因素造成的 2 0 1 浙江丁业大学硕 卜 学位论文 第一章绪 论 一般认为 存在于胶体和晶体表面的自由 水 当空气相对湿度低于9 8 时 即可 蒸发 而存在于毛细孔中的毛细孔水 当相对湿度低于9 8 时也可开始蒸发 存 在于胶体中的胶孔水及存在于凝胶之间的层间水 当空气相对湿度低于4 0 时 便 开 始 蒸 发 20 1 由于粉煤灰的掺加非常有效改善混凝土的工作性能 在同样的工作性能的情 况下 粉煤灰混凝土的收缩比 普通混凝土为低 m a l h o t r a 等的 试验结果 2 表明 在龄期 4 4 8天后 粉煤灰的收缩应变小于 6 0 0 x 1 0 这通常比普通混凝土低 y a m a t 等的结果 2 2 1 也显示 即使2 8 天强度低于普通混凝土的情况下 粉煤灰混 凝土收缩低于普通混凝土 y u a n 等人的 试验结果 2 3 项 ii 与其他研究者结果不一致 试验结果显示 虽然普通混凝土和粉煤灰混凝土的收缩值相差不大 但除2 0 的 掺量外 其他掺量各龄期粉煤灰混凝土的收缩值都高于普通混凝土 这可能是因 为他们采用的是高钙粉煤灰的缘故 2 粉煤灰对混凝土渗透性的影响 众所周知 混凝土的抗渗性是表达其耐久性的综合指标 尤其是抗氯离子渗 透性 更直接说明混凝土抗氯盐侵蚀及抗钢筋锈蚀的性能 近年来国内外大量报 导说明 12 4 2 5 1 掺粉煤灰的 混凝土由 于微集料作用和火山 灰效应 其抗渗性都得到 明显的提高 比较它们抗渗性差异 一般不采用抗渗标号 而是以渗透系数 k 值测定 参照水工s d 1 0 5 8 2 标准提出的方法 将恒定水压提高到1 2 m p a 恒压 2 4 小时后 做劈裂试验 并测六个试件的渗透高度 取其平均值 代入公式 k m d 2 t h c m s 式中d 平均渗透高度 c m h 恒定水压 取 1 2 m p a 并折算成厘米水性为1 2 x 1 0 x 1 0 0 1 2 0 0 0 c m t 恒压时间 为 2 4 小时 折成秒 为 8 6 4 0 0 秒 m 试件混凝土吸水率 近似取 0 0 3 试验表明 2 6 1 c 5 0 的混凝土掺粉煤灰的混凝土渗透系数k 值为1 1 4 x 1 0 而不掺粉煤灰的对比 混凝土渗透系数k 值为1 3 1 x 1 0 远远大于掺粉煤灰混凝 土 氯离子侵入混凝土直接与水泥水化产物氢氧化钙反应 生成 c a c 1 破坏混凝 浙江工业人学硕士学位论文 第一章绪 论 土结构 并引起钢筋锐化锈蚀 进一步导致混凝力顺筋胀裂 并且在许多 侵蚀性 离子中 以氯离子最小 渗透性最强 危害甚大 因此抗氯离子渗透的能力 常 常又被作为混凝土抗侵蚀性能力的测试重点之一 目 前世界上最流行的评价混 凝土抗氯离子渗透的方法是美国公路局的a a s h o t 2 7 7 2 和a s t h c 1 2 0 2 2 1 的 直流电 量法 其方法是将 1 0 0 mmx 5 0 mm的棍凝土试件在浸水饱和后 装入两侧密闭 的槽内 一端浸入0 3 n的n a o h 溶液中为正极 另一端浸入3 的n a c l 溶液中为负 极 测量在 6 0 v直流电压作用下 6小时通过的电量 库仑 值 用以评价混凝 土的 渗透性 测试结果 2 9 表明 掺 辅 料的 混 凝土都 表现较好的 抗氯离子 渗 透能 力 粉煤灰愈细 其抗氯离子渗透愈好 这种方法存在着明显的缺点 现今受到较多 批评 例如 由于施加了6 0 v 的高电压而产生极化反应 使溶液温度升高 影响 实验结果 实验结果受到混凝土孔溶液化学成分的影响 等等 有些人降低电压 进行实 验 结 果又大大 延长了 实 验时 间 3 0 1 3 碱一集料反应 碱一 集料反应 引起 的破坏 是在有水的条件 下 混凝土 中的碱 n a 2 0 0 6 7 8 k 20 与骨料中某些活性成分反应 生成类似水玻璃的反应物 体 积膨胀 致使混凝土产生由里及表的不规则龟裂 裂缝中含有胶状物 旱季时粉 化呈白 色 此种破坏一旦发生 几乎不可治愈 历史上曾 给许多重大工程带来惨 痛的损失 我国 特别是北部地区 水泥的含碱量普遍较高 加之含碱外加剂的 广泛使用 因此混凝土潜在的 碱 集料反应性受到人们的重视 3 11 按集料反 应组分的种类 一般把碱一集料反应分为两类 一类为碱一硅酸反应 是指碱与 集料中活性 s i o 2 反应 生成碱硅凝胶 凝胶吸水肿胀导致混凝土膨胀或开裂 另一类为碱一碳酸盐反应 是指碱与集料中微晶白云石反应生成水镁石和方解 石 在白云石表面和周围基质之间的受限空间内结晶生长 使集料膨胀 进而是 混凝土膨胀开裂 3 2 1 在混凝土中 掺入粉煤灰对碱一集料反应有抑制作用 试验 表明 3 3 1掺3 0 的1 1 级磨细粉煤灰 即 可满足抑制碱一集料反应的工程要求 试 验还发现 几乎任何低钙的矿物细掺料在足够的掺量下都可防止碱一集料反应造 成的 破坏 3 4 1 但是如果掺量太小 则会增加碱一集料的 破坏作用 3 5 1 4 抗硫酸盐侵蚀性 混凝土遇到外界硫酸盐离子 很容易受到腐蚀 原因是硫酸a与水泥水化产 浙江工业大学硕 卜 学位论文 第一章绪 论 物 如c a o h c a h 和c s h 凝胶反 应后 生成膨胀性盐包括钙矶石和石膏 体积膨胀 引起开裂 裂缝又助长了含有硫酸盐和其它离子的侵蚀性水的渗透 进一步 加 速了 混凝土的 破坏 清华 大 学陈 恩义 和廉慧 珍的 研究表明 18 1 掺入 粉煤 灰能够抑制硫酸盐引起的膨胀 但掺入粉煤灰时 并非掺量越大效果越好 他们 认为掺量为 3 0 时为最优 o u y a n g c等人通过实验认为 掺用粉煤灰对砂浆抵 抗内 部 和外 部硫酸 盐侵蚀的 性质均可改善 3 6 1 5 抗碳化性能 粉煤灰混凝土中因为粉煤灰的火山灰反应消耗大量 c a o h 相对普通混凝 土其c a o h 含量比较低 虽然这对抗硫酸盐 海水等侵蚀方面是有利的 但对 粉 煤灰的 抗碳化性能 是不利的 目 前 绝 大多 数的 实 验结 果 3 7 3 8 1 都显示 粉 煤灰 混 凝土的碳化深度都要高于普通混凝土 随粉煤灰掺量增加 粉煤灰的碳化速度也 将增加 因此粉煤灰混凝土的抗碳化性能相对普通混凝土是比较差的 不过目 前 关于粉煤灰混凝土抗碳化性能的研究结果还比 较少 这主要是因为很多情况下钢 筋混凝土与预应力钢筋混凝土限制粉煤灰混凝土的使用或对粉煤灰混凝土使用 要求非常严格 但是随粉煤灰混凝土应用范围扩大 特别是粉煤灰混凝土所具有 的很多优异性能不能因抗碳化性能的不足而不能在一些重要工程中发挥作用 因 此粉煤灰混凝土的碳化问题必将引起人们广泛关注 1 2 2矿渣 1 2 2 1 简 介 矿渣是由炼铁时排出的处于融溶状态的炉渣经急速水淬而成 它含有大量的 c a o 约 3 5 4 8 并含有活性 s i o 2 和a 1 2 0 3 它们本身无独立的水硬性 但在 c a 0 c a s o 的作用下 其潜在的水硬性可以被激发出来 产生缓慢的水化作用 若在 a 2 0 k 0 等碱金属化合物的激发下 会产生强烈的水化作用 形成坚强的 硬化体 这就是所谓的碱矿渣胶凝材料 矿渣的主要化学成分见表 1 2 矿渣和 水泥一样是高性能混凝土必不可少的组分 随着高性能混凝土应用技术的发展和 进步 优质的矿物掺合料的需求量越来越大 浙江丁业大学硕 卜 学位论文 第一章绪 论 表 1 3矿渣的化学成分 主要成分其他成分 s i o a 1伍c a om g 0f et i o 2m n 0s k z o n a o c 1 2 7 4 05 3 33 0 5 01 2 1 1 3 2 31 30 1 9 0 2 6 矿渣中含有钙镁铝黄长石和很少量的硅酸一钙和硅酸二钙等结晶态组分 因 此它具有微弱的自 身水硬性 粒径大于 4 5 4 k n 的矿渣颗粒很难参与水化反应 因 此要求用于高性能混凝土的矿渣粉磨至比表面积超过 4 0 0 0 c 扩 g 以 较充分地发 挥其活性 减小泌水性 粉磨矿渣需要消耗能源 成本较高 矿渣粉磨的越细 掺量越大 则低水胶比的高性能混凝土拌和物越粘稠 因此磨细矿渣的比表面积 不宜过细 应综合考虑其利弊 1 2 2 2矿渣对高性能混凝土力学性能的影响 1 强度 在低水胶比的情况下 矿渣对混凝土强度的影响与高水胶比的情况显著不 同 由于矿渣的水化比纯水泥要慢 需要水泥水化产生的氢氧化钙来激发 在 高水胶比的情况下 绝大部分水泥的水化都能得到充足的水分供应 因而表现为 纯水泥混凝土的早期强度比掺矿渣的混凝土早期强度高 但由于矿渣的潜在活性 作用 矿渣在水泥水化后期 一般在 2 8 天以后 表现出增强作用 于是掺矿渣 混凝土的后期强度常常高于不掺矿渣混凝土后期强度 而当水胶比很低时 水泥 因水分不足而难以充分水化 水泥用量大的混凝土 放热量大 温度升高 影响 了强度的发展 使纯水泥快速水化的优势无法表现出来 而当水泥被一部分矿渣 取代时 由于矿渣的活性较高 能够提高水化产物的质量 而且由于矿渣的水化 比水泥慢 使水泥早期的水化比较充分 因此 掺矿渣混凝土后期强度比不掺矿 渣混凝 土高 而 且早期 强度就可以 超过 对比 混凝土相 应强 度 从强 度 试验结果 3 9 来看完全符合上述规律 混凝土水胶比为0 2 8 掺1 0 矿渣的混凝土3 天强度高 于不掺矿渣的混凝土 也高于掺4 0 矿渣的混凝土 而到了7 天龄期时 掺4 0 矿渣的混凝土强度己经达到最高 掺矿渣混凝土的后期 2 8天 强度随着矿渣 浙江丁业大学硕 卜 学位论文第一章络 论 掺量的增加而增加 当 矿渣掺量达到4 0 水胶比 为 2 8 时 混凝土的强度能 达到8 7 m p a 用 超 细 矿渣 取 代 部 分 水 泥 在 整 个 掺 量 范围 5 0 内 高 强 混 凝 土 的 劈拉 强 度均 有不 同 程 度的 增长 4 0 而 且当 超 细 矿渣的 掺 量为 3 0 时高 强 混 凝土的劈拉强度达最大值 2 弹性模量 掺矿渣的高性能混凝土的弹性模量 其影响因素与抗压强度的影响因素大体 相同 试验表明 3 6 水胶比 2 5 0 3 5 置换率为5 0 各种细度矿渣的 混凝土的 弹 性 模 量为 3 8 7 4 4 0 x 1 0 4 m p a 相 应 对比 混凝 土的 弹 性 模量为 3 8 6 4 0 3 x 1 少 m p a 含 磨 细 矿渣的 略 有 提高 在相同 置 换 率下 掺 入细 度大的 矿渣的 混 凝 土 弹 性模 量高 也 有试 验表明 4 1 矿渣 掺量 对高 性能 混 凝土的 动 弹性 模量 影 响不大 在整个掺量范围内动弹性模量的值基本保持不变 妇 2 2 3矿渣对高性能混凝土耐久性的影响 i 干燥收缩 含磨细矿渣的混凝土 自 加水拌合后 水化反应较慢 在初期 从混凝土 蒸发的水量比基准混凝土的大 千缩率与硬化收缩率的总和 比基准混凝土大 王昌义等人的试验结果 4 2 表明引气和非引 气的两种磨细矿渣混凝土在水中养护 1 4 d 后 放入恒温干缩室发现两种混凝土均有补偿收缩的能力 它们在水中的湿 胀率是普通混凝土的1 0 倍和8 倍 它们在空气中的干缩率降至普通引气混凝土 的4 9 和 5 7 这就确保了矿渣混凝土的体积稳定性 避免产生收缩裂缝 2 抗氯离子渗透 由于通常的抗渗标号都无法测试高强高性能混凝土的渗透性 其它渗透性方 法又过于复杂 国内外现在都倾向于用氯离子扩散系数和电量来测试和评价混凝 土的渗透性 分析矿渣对混凝土抗氯离子渗透能力的影响机理 发现矿渣对混凝 土的孔径分布 孔的几何形状的改善有很好的作用 矿渣混凝土水化时能产生较 多的c s h凝胶 而c s h凝胶吸附一部分氯化物于其中 并可堵塞扩散 通道 造成氯离子 扩散系数下降 实 验结果 4 3 水 胶比0 2 8 不掺 矿渣的 混凝土氯 离子扩散系数为1 0 0 2 x i o c m 2 s 电 量为1 5 3 6 c 而掺4 0 矿渣的混凝土氯离 子扩散系数只有5 6 x 1 0 c m 2 s 电 量也只有6 4 1 c 由此可见矿渣能显著改善混 浙江工业人学硕 l 学位论文第 章绪 论 凝土的耐久性 3 碱一集料反应 试验结果表明 14 1 1 掺入矿渣对混凝土碱 一集料反 应抑制的效果比 掺粉煤灰 差 效果最好的是硅粉 矿渣掺量达到4 0 的膨胀率才能接近掺 1 0 硅粉的混凝 土的膨胀率 高性能混凝土由于水胶比相对比较低 也较致密 对碱一集料反应 有良 好的抑制作用 掺入矿渣后能够明显减小膨胀率 更好的抑制碱一集料作用 4 抗硫酸盐侵蚀 矿渣加到混凝土中以后 一方面粒子本身填充孔隙 堵塞连通孔通道 提 高混凝土的密实性 另一方面 矿渣水化产生的c s h也进一步密实了混凝土 结构 j g e i s e l e r等人的试验结果发现矿渣掺量越高毛细孔体积越小 4 4 1 因此 使用矿渣可以提高混凝土的密实性 阻碍硫酸盐离子的渗透 增强混凝土对抗硫 酸盐侵蚀的能力 c a o h z 是混凝土中易受侵蚀的组分 掺入矿渣后由于混凝土 中水泥熟料的含量相对减少 水化产物稳定存在的碱度降低 稳定性增强 因此 混凝土中抗硫酸盐侵蚀能力大大提高 由于矿渣水化速度慢 混凝土水化过程中 释放的热量容易散发出去 从而减少温度裂缝 改善抗硫酸盐侵蚀的能力 这一 点对大体积工程尤为重要 j g e i s e l e r等人测量的波特兰水泥和矿渣波特兰水 泥水化放热曲 线证实了 这一点 川 互 1 2 3 膨胀剂 1 2 3 1简 介 膨胀剂在有关规范中被列为 外加剂 但实际上膨胀剂的掺入是等量取代 部分水泥 其掺量己 达1 0 左右 己 不能算作外加剂而应属于细掺料 18 1 在高 性 能混凝土中掺入适量膨胀剂 可在约束条件下有膨胀而产生一定的自 应力 以补 偿水泥的干缩和由于低水胶比造成的 自 生收缩 并在限制的条件下增长强度口 目 前 我国膨胀剂产品主要是钙矶石类的 如u e a和 e a 明矾石膨胀剂等 1 2 3 2 u e a膨胀剂的作用机理 u e a 是由硫铝酸盐水泥熟料加明矾石 石膏共同磨细制成 它的主要化 浙江工业大学顽 学位论文 第一章 绪 论 学成分包括s i q a 1 t 0 c a o s o 产生膨胀的主要化学反应如下 c a 3 s 6 c a o h 2 8 c a s 0 9 0 h 2 0一3 c a 3 c a s o 3 2 h 2 0 2 k a 1 3 s o 2 0 h 6 1 3 c a o h 2 5 c a s o 7 8 h 2 0 4 3 c 3 a 3 c a s o n 3 2 h2 0 2 k o h c凡s 活性较高 在水化初期产生膨胀 u e a 中 加入明 矾石 水化较慢的明 矾石在水化中期形成钙矾石 使水泥强度的发展和膨胀作用协调起来 使膨胀期 在较长一段时间具有补偿收缩的能力 其化学成分见表1 3 0 表 1 3 u e a 的化学成分 s i o 2a i af e z o ac a om g 0s 0 10烧失量 1 6 5 81 5 0 70 9 83 5 1 53 6 02 4 3 31 6 22 1 2 妇 2 3 3 u e a 膨胀剂对新拌混凝土的影响14 5 1 1 流动度 掺l e a 膨胀剂后流动度有所降低 或者说在相同坍落度时 掺膨胀剂的混凝 土水胶比要增大 而且掺膨胀剂以后坍落度损失也会增加 原因是在水泥水化的 同时膨胀剂也迅速水化生成明矾石或氢氧化钙 与水泥有 争水 的现象 因而 坍落度减小 坍落度损失却增大 膨胀剂的膨胀率与水灰比成正比关系 即水灰 比大时膨胀值大 而水灰比小时膨胀值小 这一点与混凝土强度的发展正好相反口 这主要是由于掺膨胀剂以后膨胀性能与早期强度有关 一般膨胀时间发生在浇筑 后 1 1 4 d 之内 如果混凝土早期强度高就会遏止混凝土的膨胀 但混凝土强度太 低又会因膨胀而损坏 因此标号过小的混凝土不宜使用膨胀剂 2 泌水率 掺u e a 膨胀剂以后泌水率比不掺时低一些 原因可能是早期膨胀而水化较充 分的原因 但总的影响不十分明显 3 含气量 各种膨胀剂并无引气性 因而加入混凝土后 含气量不受影响 4 凝结时间 掺 u e a 膨胀剂使混凝土凝结时间缩短 这主要是因为膨胀剂早期生成了钙矾 石加快了水化速度 缩短了凝结时间 浙江工业人学硕 七 学位论文第一章绪 论 表 1 4 u e a 膨胀剂对新拌混凝土的影响 4 6 u e a 掺量 水泥用量 k g m 初 凝 h 终 凝 h 含气量 泌水性 坍落度损失 经 4 0 m i n 03 6 0 5 0 07 1 02 1 51 0 31 0 0 1 03 6 05 1 07 1 51 606 5 1 23 6 0 4 2 56 2 51 8 507 5 5 钢筋锈蚀 在膨胀剂的原材料中不含氯离子 而且膨胀剂本身均含有一定的 碱性 其 p h 值与水泥相当 因此对钢筋没有锈蚀作用 也不影响对钢筋的握裹 力 1 2 3 4 u e a 膨胀剂对硬化混凝土的影响 1 强度 u e a 膨胀剂掺入后混凝土的自由强度有所下降 在限制条件下 膨胀剂取代 等量 水泥 对混 凝土强 度无明 显不利影响 4 6 1 早期强度 3 d 7 d 略比 不加的 提 高一些 而2 8 d 强度则会略有一些下降 但在养护条件好 如水中养护 的情况 下 则 后期 强度会因 为 混凝土内 部 密实 性增加而提高 试验表明 4 7 在水泥中内 掺 1 0 1 4 u e a 对强度影响不大 u e a内掺含量为 8 1 0 时 膨胀率偏小 强 度有所提高 掺量1 4 1 6 膨胀率提高 强度有所下降 2 抗渗性 抗渗 性的 大小 与 混凝 土的 密 实 性 有 直 接关 系 4 5 1膨胀 剂 在补 偿收 缩的 同 时 会提高混凝土的密实性 由于膨胀剂在水化过程中都要生成大于自身体积的水化 产物 如 u e a中生成钙矾石体积为原来的 1 4 5 是一种针棒状的晶体 随着水 泥石结构的形成过程它逐步的在水泥石构架中搭接延伸有效地堵塞了空隙和切 断了毛细管通路 使结构一步步更加致密而大大降低了渗透系数 提高了混凝土 的抗渗标号 增加了混凝土的耐久性 浙江t业大学硕 丁 学位论文 第一章绪 论 表1 5 u e a 对混凝土抗渗影响 14 5 1 单方混凝土材料用量 k g m 坍 落 度 c m2 8 d 抗 压 m p a 膨胀率 抗渗 标号 水泥u e a h砂石子水初始1 5 后 4 6 85 27 5 21 1 2 82 0 82 01 66 8 5 0 0 2 3s 4 0 3 抗冻性 膨胀剂的掺入 由于增加了混凝土的密实性 其抗冻性能应有所改善 至少 不低于不掺者 4 碱一 骨料反应 u e a 膨胀剂中有明矾成分 而明 矾中k zo 和 n a o 含量可达 2 4 为了减少 和避免碱一 骨料反应 北京市建委曾 规定 每时的 混凝土碱含量应 4 k g m 允 许外加剂带入碱含量 s m 式中e 混凝土的限制膨胀率 s k混凝土极限拉伸变形值 s m 混凝土在限制条件下收 缩总和 二 补偿收缩混凝土的防水抗裂能力 地下建筑物的渗漏一般有 3个原因 混凝土自身不密实 导致抗渗能力 不足 发生渗漏 混凝土开裂漏水 穿墙螺栓 施工缝 穿墙管道等节点 施工不当造成的渗漏 经过多年来的研究 国内外学者普遍认为 补偿收缩混凝 土是解决建筑物渗漏这一难题的有效方法 u e a混凝土膨胀剂是由 硫铝酸钙熟料或硫酸铝熟料与石膏组成的复合膨胀 剂 通常内掺 8 1 2 于水泥中 可拌制成补偿收缩混凝土 在限制条件下 用u e a膨胀剂配制的补偿收缩混凝土在水中 养护期间 可产生一定的膨胀变形 不同膨胀能级的补偿收缩混凝土 其限制膨胀率也不尽相同 一般在 0 0 1 3 一 0 0 4 在混凝土中可引入 0 2 0 7 m p a的 预应力 自 应力 该应力可大致抵 浙江工业大学硕 学位论文 第一章绪 论 抗由于混凝土自身收缩产生的拉应力 并因此推迟了混凝土产生收缩的时间 使 混凝土的抗拉强度得以 进一步增长 当 混凝土开始收缩时 其抗拉强 度己 达到或 基本达到可以抵抗收缩力 从而