掺矿粉混凝土性能的研究

黑龙江建筑职业技术学院毕业论文1第一张 绪 论1.1 引言混凝土是当今用量最大的人造材料，也是建筑业发展的最重要的组成部分。我国混凝土产量已经是世界最大产量国，年产混凝土近6亿m 3 。建筑、桥梁、水利、隧道等工程中往往都是采用大体积混凝土结构。而这些大体积混凝土的共同点是：结构厚实、体积大、工程条件复杂、施工技术要求高。在大体积混凝土中，混凝土由水泥水化热早期温差及昼夜气温温差所引起的温度应力产生的温差裂缝较为普遍。如何采取有效措施防止混凝土温度裂缝的产生，是大体积混凝土施工中的急需解决的问题。由于大体积混凝土结构的截面尺寸较大，所以由外载荷引起裂缝的可能性很小。但在水泥水化反应过程中释放的水化热产生的温度变化和混凝土收缩的共同作用，将会产生较大的温度应力和收缩应力，这是大体积混凝土结构出现裂缝的主要原因。掺矿粉代替部分水泥可以降低水泥水化热、提高混凝土的抗渗性，所以大体积混凝土的一个很重要的技术突破即是掺加包括矿粉在内的矿物掺合料 1。矿粉（即磨细矿渣微粉）是将水淬粒化高炉矿渣经过粉磨后达到规定细度的一种粉体材料，它既可用作等量取代熟料生产高掺量矿渣水泥，也可作为混凝土的掺合料取代部分水泥。在大体积混凝土中，掺入此掺合料，可以改善新拌混凝土的流变性能，降低水化热，防止裂缝的出现 2。掺入磨细矿渣粉能较好地提高混凝土的强度，其机理是矿渣在二次水化反应中吸收大量的CH晶体，使混凝土，尤其是在界面区的CH晶粒变小、变少，由于CH被大量吸收掉，从而促进了C 3S、C 2S的水化反应速度，改善了混凝土的微结构，提高了水泥石与骨料界面粘结强度及改善了水泥浆体的孔结构，从而提高了混凝土的密实性，使掺矿粉混凝土的早期强度少受或不受影响，而后期强度因矿粉不断水化使强度增长较多。取代水泥量越大，则混凝土后期强度增长率也越大 3。掺入矿粉, 混凝土拌合物坍落度损失会减小，且随着掺量的增大，坍落度损失减小更趋明显，这是由于矿粉的微集料效应、分散效应、形貌效应等自身物理功能效应所产生的一种对混凝土的增塑作用之故 4。混凝土中单掺矿粉后， 混凝土早期强度都相应降低， 且随着掺量的黑龙江建筑职业技术学院毕业论文2增加降低越多。1.2 目的和意义现代混凝土正朝着高强度、高性能方向发展，除了在混凝土中掺入高效减水剂、磨细粉煤灰，提高水泥用量和强度等级外，掺矿粉是提高混凝土强度和性能的又一个有效途径。优质的活性矿渣微粉具有很好的胶凝作用，能促进混凝土强度的发展、减少水泥用量、降低混凝土水化热，并可减少混凝土拌合物用水量、增加流动度、抑制碱骨料反应等作用。矿渣是炼铁过程中排出的工业废料，每炼1t钢铁约有0.3t的矿渣，其主要化学成分是SiO 2、Al 2O3、CaO、MgO等。由于它具有潜在水硬性而被广泛用为水泥的混合材或掺合料。经水淬急冷后的矿渣，其中玻璃体含量多，结构处在高能量不稳定状态，潜在活性大，但须经磨细才能使其潜在活性发挥出来 5。掺入磨细矿渣粉不仅可以等量取代混凝土中的水泥，而且可使混凝土的每项性能获得显著改善，如：降低水化热、提高耐久性、抑制碱集料反应以及大幅度提高长期强度 6。总而言之，采用矿渣微粉代替部分水泥，在建筑领域是一项有很强生命力的新型材料和工艺。对炼铁厂而言，能解决大量高炉矿渣堆放占地、污染环境的问题。同时，对混凝土搅拌站而言，矿渣性能优越、后期强度高、价格低廉，是提高强度，降低成本的好选择。1.3 国内外矿粉的研究及应用情况1862年德国人发现水淬矿渣具有潜在的活性后,矿渣长期作为水泥混合材使用。1865年德国开始生产石灰矿渣水泥。随着矿渣硅酸盐水泥良好的耐久性及应用价值不断为人们所认识,19世纪初在欧洲得到了广泛的应用。1958年南非将水淬矿渣烘干磨细，首次将矿粉用于商品混凝土中。进入20世纪60年代，随着预拌混凝土工业的兴起和发展，矿渣粉作为混凝土的独立组分得到了广泛应用。20世纪90年代在东南亚、我国台湾、香港和北京、上海等地也得到了广泛的应用 7。目前,国外一些发达国家已将掺有矿粉的混凝土普遍用于各类建筑工程。黑龙江建筑职业技术学院毕业论文3西欧掺有矿粉的水泥约占水泥总用量的20%；荷兰矿粉掺量65%70%的水泥约占水泥总销量的60%,几乎各种混凝土结构都采用此种水泥；英国矿粉的每年销售量已达到100多万吨;美国、加拿大现在也将矿粉掺入水泥中应用于各种建筑工程；在日本、新加坡、东南亚地区矿粉普遍地应用于商品混凝土和掺入水泥中。美国1982年发布了混凝土和砂浆用的磨细粒化高炉矿渣标准(ASTMC989-82) ,并于1989年进行了修订。澳大利亚、加拿大、英国等在1980年-1986年期间也相继制定了矿粉的材料标准。日本在1986年由土木学会制定了混凝土用矿渣粉标准草案,于1995年3月正式修订为日本的国家工业标准(JISA6206-1995) ,日本1988年还制定了掺高炉矿渣粉的混凝土的设计与施工指南(草案)。这些标准的制定和实施极大地推动了矿粉混凝土技术的研究,并促使矿粉混凝土技术得到了令人瞩目的发展 8。在我国,矿渣运用的历史久远,但都是作为活性混合材添加在水泥熟料中,成为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥。随着国际上对矿粉研究地不断深入和大规模地开发利用,我国20世纪80年代改革开放的力度不断加大,预拌混凝土的崛起与发展以及政府日益注重的环境保护,自20世纪90年代起,我国开始了矿粉的特性及应用研究工作。1998年上海市实施地方标准混凝土和砂浆用粒化高炉矿渣微粉,1999年粒化高炉矿渣微粉在混凝土中应用技术规程制定颁布。2000年国家标准用于水泥和混凝土的粒化高炉矿渣粉(GB/T18046-2000) 颁布实施，矿渣粉的应用技术逐渐成熟，并被广泛接受和使用。2002年国家标准高强、高性能混凝土用矿物外加剂颁布，在该标准中正式将矿渣微粉命名为“矿物外加剂”纳入混凝土第六组分。从此，在世界范围内,矿粉在预拌混凝土中的运用越来越广泛。人们对矿粉在混凝土中运用的研究也逐步深入 9。矿渣在我国的运用也已有40多年的历史,但长期以来一直作为水泥混合料使用，直到20世纪90年代,我国开始了矿粉的特性及运用研究工作 10。应用实践发现：磨细矿粉作为普通混凝土掺合料可取代水泥用量一般在20%40%。矿粉混凝土与普通混凝土相比，具有降低水化热峰值，延迟峰温发生的时间，优化内部孔隙结构的优点。同时矿粉混凝土中由于水泥用量的降低和矿粉本身对碱的吸收，使整个混凝土体系内的Ca(OH) 2减少，提高混凝土抗渗性、抗冻性、抗腐蚀能力，抑制碱集料反应，提高后期强度 11。黑龙江建筑职业技术学院毕业论文4目前，磨细矿渣作为一个独立的产品出现在建筑市场，广泛运用于商品混凝土中。1.4 矿粉作用的原理火山灰效应：矿渣改变了胶结料与集料的界面粘结强度，普通混凝土的浆体与集料的界面粘结受水化产物 Ca(OH)2定向排列的影响而强度降低。矿渣微粉吸收水泥水化时形成的 Ca(OH)2，并进一步水化生成更多有利的 C-S-H 凝胶，使界面区的 Ca(OH)2晶粒变小，改善了混凝土的微观结构，使水泥浆体的孔隙率明显下降，强化了集料界面粘结力。从而提高了混凝土的耐久性。微集料效应：混凝土体系可理解为连续级配的颗粒堆积体系，粗集料间隙由细集料填充，细集料间隙间由水泥颗粒填充，水泥颗粒间的间隙则由更细的颗粒填充。矿渣微粉可起到填充水泥颗粒间隙的微集料作用，从而改善了混凝土的孔结构，降低了空隙率，并减少了最大孔径的尺寸，使混凝土形成了密实充填结构和细观层次的自紧密堆积体系，防止了泌水、离析，改善了混凝土的耐久性 12。矿渣微粉主要成分包括 SiO2 、CaO、Al 2O3 ,而矿渣微粉在混凝土中产生胶凝性的反应不完全是火山灰反应,要使矿渣微粉的活性发挥必须具备一定的碱性环境。在混凝土水化过程中水泥水化会生成的 Ca(OH)2 可作为碱性激发剂;另外水泥及矿渣微粉中均有部分石膏可形成硫酸盐激发剂。一方面在碱性环境中矿渣分散、溶解,并形成水化硅酸钙和水化铝酸钙,另一方面Ca(OH)2 存在的条件下, 石膏能与矿渣中的活性 Al2O3化合生成硫铝酸钙,上述两类作用相互促进,使矿渣微粉活性充分激发,由此得到较高的胶凝强度,并使混凝土的结构相当致密。混凝土在承受荷载这前已存在着微裂缝,这是由水泥石的收缩引起,掺入矿渣微粉后,混凝土对集料的约束作用比单纯水泥的约束作用大,它超过水泥石与集料的粘结强度,所以掺入矿渣微粉及粉煤灰会提高混凝土的抗折强度。对混凝土减水效果及坍落度损失的影响：(1) 矿渣复合粉煤灰颗粒直径黑龙江建筑职业技术学院毕业论文5显著小于水泥且圆度较大,它在新拌水泥浆中具有轴承效果,可增大水泥浆的流动性,在混凝土中能够提高坍落度；矿渣掺合料可显著降低水泥浆的屈服应力,由于初始屈服应力相对较小,使屈服应力值在较长的时间内维持在较低的水平上,使水泥浆处于良好的流动状态,并表现为新拌混凝土坍落度增大,还可有效地控制混凝土的坍落度损失。(2) 混凝土坍落度损失与水泥水化动力学有关。随着水化时间的推移,水泥水化产物的增长,使混凝土体系的固液比例增大,自由水量相对减少,凝聚趋势加快,致使混凝土坍落度值下降落较快,在高温及干燥条件下这种现象更甚。矿渣复合粉煤灰掺合料属于活性掺合料,但与水泥熟料相比则为低水化活性胶凝材料。大掺量的矿渣复合掺合料取代水泥后存在于新拌混凝土中,有稀释整个体系中水化产物的体积比例的效果,可以减缓胶凝材料体系的凝聚速率,从而可使新拌混凝土的坍落度损失获得抑制 13。1.5 商品混凝土的发展前景商品混凝土的应用实现了工业化生产，提高了施工机械化程度和劳动生产率。商品混凝土的水泥、砂、石等原材料采用电子秤计量，传输带传输进搅拌设备，然后用搅拌运输车运送至使用地点；在施工现场浇筑采用泵车、输送管泵送至工程所需部位。这一系列的生产、运输到使用过程均实现了机械化，大大减少了劳动力的消耗，减轻了劳动强度。商品混凝土具有一整套完善合理的生产工艺和准确的秤量计量装置，可以避免水泥、砂、石等原材料的浪费，减少损耗；另外，商品混凝土掺入粉煤灰等掺和剂和各种外加剂来改善其性能，降低了水泥用量，同时也有效利用了水泥熟料。商品混凝土搅拌站实施文明施工，具有显著的环境效益。传统的混凝土现场搅拌式生产法需要大的骨料堆放场地、水泥库以及一整套搅拌运输设备，同时现场搅拌也造成粉尘、噪声污染；而商品混凝土的水泥、砂石等原材料均分类堆放在集中搅拌站，施工现场用地减少，改变了过去砂、石到处乱堆，道路不通，尘土飞扬，泥浆四溢和下水管道堵塞等不文明脏乱施工现象。虽然一般商品混凝土较现场搅拌混凝土销售单价高 20左右，但从总的社会效益来看，应用商品混凝土节省了许多单位的费用支出，如节省砂、黑龙江建筑职业技术学院毕业论文6石运输费，水泥中转库租用或搭设费用，现场施工单位搅拌混凝土管理费等14。随着国家房地产业的蓬勃发展，中国预拌混凝土的产量逐年提高。但是预拌混凝土占混凝土总量的比例还是较低，与世界各国相比，存在着差距。我国目前预拌混凝土所占比例只有 20%，随着国家对环境和能源的关注，我国预拌混凝土占混凝土总量的比例将有显著的提高，2010 年预计将达到40%，实际产量将增长一倍以上。20002005 年复合增长率为38.38%，2006 2008 年复合增长率为 19.28%，8 年复合增长率为 28.48%。未来几年混凝土行业仍将处于高速增长期。据权威部门的预测，未来 10 年甚至更长一段时间内，中国建材工业发展速度将高于国民经济发展速度34 个百分点，到 2010 年，建材工业产值预计达到 1 万多亿元，成为国民经济的重要增长点 15。黑龙江建筑职业技术学院毕业论文7第二章 试验原材料及实验目的2.1 试验原材料2.1.1 水泥试验采用的水泥为淮安市海螺水泥有限公司生产的 P.O 42.5 水泥。该水泥初凝时间为 146min，终凝时间为 256min。水泥胶砂强度如下表：表 2-1 水泥的胶砂抗折强度/MPa、2.1.2 矿粉采用淮钢新型建筑公司粒化高炉矿渣粉，各项指标如表 2-3。表 2-3 矿粉质量指标密度g/cm3比表面积m2/kg烧失量%含水量%流动度比%活性指数 7天%活性指数 28 天%2.8 350 0.72 040 98 78 97 2.1.3 粗集料粗集料为普通碎石，其表观密度和堆积密度分别为 2720kg/m3和1545kg/m3 。其筛分析试验数据见表 2-4。表 2-4 石子的筛分析试验筛孔孔径/mm 累计筛余百分率/%31.5 4抗折 3d 28d1 5.7 10.42 5.6 9.43 6.0 9.8平均 5.8 9.9黑龙江建筑职业技术学院毕业论文826.5 2719 7116 929.5 994.75 992.1.4 细集料细集料为普通河砂，其表观密度和堆积密度分别为 2765kg/m3和1440kg/m3，细数模度为 2.8，属于中砂。2.1.5 外加剂试验采用江苏镇江万邦新型建材有限公司生产的缓凝高效泵送剂 WL-Y1。技术指标如表 2-5。表 2-5 技术指标2.1.6 拌和用水可饮用自来水。2.2 实验目的2.2.1 设计目的通过向素混凝土中加入矿粉来对其性能进行研究，在素混凝土中掺入矿粉可减少水泥用量，节省能耗，并改善混凝土的性能。开展本实验旨在研究掺 量 1.0%2.0%密 度 1.176g/mL含 固 量 30%混凝土减水率 15%水泥净浆流动度 210mm黑龙江建筑职业技术学院毕业论文9掺矿粉混凝土综合、全面性能，并在技术研究的基础上，指导矿粉的工程应用，从而为矿粉在混凝土中的合理利用提供技术理论基础和指导，进一步提高矿粉混凝土的应用技术水