粉煤灰、石粉对轻骨料混凝土影响的试验研究-开题报告书课件

开题报告粉煤灰、石粉对轻骨料混凝土影响的试验研究申请人：王萧萧指导教师：申向东教授报告时间：2011年3月开题报告粉煤灰、石粉对轻骨料混凝土申请人：王萧萧1报告内容选题研究背景和意义国内外研究现状存在的问题研究内容和方案试验结果分析试验结论进一步试验报告内容选题研究背景和意义21.选题研究背景和意义

在21世纪以至更长的时期内，混凝土材料仍是最主要的建筑材料，但是普通混凝土有自重大、保温隔热性能差等缺点，影响了它在某些工程领域中的应用。随着现代土木工程结构日益朝着高耸、大跨、重载的方向发展，以及建造各种新型特种结构需求的增加，普通混凝土自重大的缺点也日益明显，限制了混凝土结构在高层建筑、大跨度桥梁、海洋浮式采油平台等结构物中的应用，因此发展轻集料混凝土就变得尤为乐观，但是目前针对现有的研究还未完全。轻骨料是一种多功能、可持续发展的新型建筑材料。我国天然轻集料极为丰富，在吉林、山西、辽宁、内蒙古、海南等地蕴藏量都很大。但目前天然轻骨料应用技术水平落后，特别是在充分利用现代加工技术和复合技术方面，天然轻骨料的应用更为落后。

1.1选题研究背景1.选题研究背景和意义31.选题研究背景和意义

粉煤灰是火力发电厂排放量最大的一种固体工业废弃物之一，目前我国年排放量超过3.75亿吨，对环境造成严重的污染。国内外对粉煤灰的研究，主要是在普通混凝土中掺入从而替代部分水泥。内蒙古地区天然浮石资源丰富，品种齐全，天然轻骨料、工业废料轻骨料和人造轻骨料的原料丰富，主要用于水工建筑物，道路工程等等。但由于天然轻骨料应用时间比较短，对各方面的性能及应用技术尚且不足。天然轻骨料给人们的印象是：容重变化大、强度较低、吸水率较高，这些结构与物理性能特点也为其大量推广应用带来一定的阻力。粉煤灰的掺入可以在一定程度缓解其缺点，粉煤灰对轻骨料的包裹性，可以减少用水量，从而在一定程度增加混凝土的强度、和易性和耐久性，并且也可用提高轻骨料混凝土的抗冻性，对北方严寒地区,尤其是常年处于水中的桥梁墩台的粉煤灰轻骨料混凝土的使用有一定的参考价值和意义。1.2选题研究意义1.选题研究背景和意义1.2选题研究意义41.选题研究背景和意义天然浮石是一种多孔玻璃质火山喷出岩，内蒙古地区可利用的火山资源丰富，分布广泛，蕴藏着大量的天然浮石，使得天然轻骨料原料丰富。轻骨料混凝土由于孔隙率大、低密度，抗冻、保温性好，近些年被广泛使用[1]。目前，在北方严寒地区的水工建筑物中，尤其是常年处于水中的桥梁墩台中得到广泛应用。随着施工工艺的不断改进，连续不间断的施工技术已很成熟，泵送混凝土的需求量愈来愈大。但是由于轻骨料孔隙率大，吸水率高，饱和性太大，满足不了泵送混凝土高坍落度的要求，对在工程中的应用带来了一定的阻力。石粉具有填充和包裹作用，可以一定程度的减小轻骨料的孔隙率，从而改善其和易性及抗压强度，对工程上的应用带来了一定的参考价值和意义。国内外对石粉的研究，大部分是在普通混凝土中掺入石粉代替细集料，由于轻骨料的应用时间比较短，所以石粉对轻骨料混凝土的力学性能研究尚且不足。本文以石粉代替部分河砂，研究不同掺量石粉对轻骨料混凝土的和易性、抗压强度、抗折强度和轴心抗压强度的影响，并从微观角度进行分析。1.选题研究背景和意义天然浮石是一种多孔玻璃质火山喷出岩，52.国内外研究现状2.1国外研究现状最早研究粉煤灰在混凝土中应用的是美国加洲理工学院的R.E.Davis，1893年他首次发表了关于粉煤灰用于混凝土的研究报告。到本世纪五、六十年代，粉煤灰作为一种工业废料，其活性性能被进一步研究和推广，不仅仅是为了节约水泥，更主要是为了改善和提高混凝土的性能。美国加洲大学Mehta教授指出，应用大掺量粉煤灰(或磨细矿渣)，是今后混凝土技术进展最有效、也是最经济的途径。国外

粉煤灰2.国内外研究现状2.1国外研究现状最早研究粉煤灰在混凝62.国内外研究现状2.1国外研究现状在日本，从20世纪末石灰石粉已开始广泛应用于高流动性混凝土和高性能喷射混凝土。德国开发生产了石灰石粉掺量6%~20%的石灰石硅酸盐水泥(Pandlirnestonecemeni)，欧洲水泥试行标准ENV197己将石灰石波特兰水泥列为一种单独类型的水泥品种，在欧洲标准ENV197一1992中，复合的普通硅酸盐水泥的石灰石粉取代比率定在6%~10%和21%~35%(质量分数)。国外法国生产此品种水泥已有较长的历史，产量也最多，已有品种标准CPJ45R和CPJ55R，可复掺亦可单掺石灰石粉，单掺石灰石粉掺量为10%~25%

掺入石粉的普通混凝土2.国内外研究现状2.1国外研究现状德国开发生产了石灰石72.国内外研究现状2.1国外研究现状G.Kakall、S.Tsivilis、E.Aggeli和M.Bati的研究证明石灰石粉并非完全惰性。国外内川浩(UchiKawa)研究了CaCO3对C3S单矿早期水化的作用掺入石粉的普通混凝土2.国内外研究现状2.1国外研究现状国外掺入石粉的普通混82.国内外研究现状2.2国内研究现状

自1956年之后，我国先后在水工结构中加入粉煤灰，如刘家峡、和山、陈村、黄河，欧阳海灌渠，以及台湾的雾社坝等，且取得降低了水化热、性能改变、水泥节省的优良效果。在也曾使用在民用与工业建筑的钢筋混凝土建筑物、构筑物，比如桂林砂河电厂的梁、板、柱等地下工厂的钢筋混凝土中加入10%～25%的原状灰。

洪锦样、蒋林华等人在研究人工砂中石粉对混凝土性能影响及作用机理时，通过XRD、TG、SEM技术分析了其作用机理，还通过正交试验研究了石粉含量5%、15%和24%对混凝土强度的影响，结果表明，在24%范围内，石粉含量越高，混凝土强度也越高。田建平、周明凯、蔡基伟以C60机制砂混凝土为试验对象，对比研究了3.5%、7%、10.5%、14%(质量分数)4个不同石粉掺量下分别选择不同粉煤灰(FA)掺量(0、11%、17%)配制的机制砂混凝土的强度。结果表明，11%掺量的粉煤灰与7%含量的石粉产生了良好的复合叠加效应，使混凝土获得了最佳强度。当粉煤灰的掺量为零时，随着石粉含量的增加，其抗压强度呈较大的递增趋势，石粉含量14%的混凝土较石粉含量3.5%的混凝土28d抗压强度增加了13.3MPa，很好地证明了石粉在混凝土中的增强效果。

2.国内外研究现状2.2国内研究现状自1956年之后，9不同粉煤灰掺量（替代水泥）对轻骨料混凝土的抗压强度、耐久性的影响并得出最佳掺量在国内外研究中，还没有将石粉作为掺量掺入轻骨料混凝土的研究石粉是否能够有效的提高轻骨料混凝土的强度石粉对轻骨料混凝土力学性能的影响石粉对轻骨料混凝土耐久性的影响

一研究背景、现状及主要技术路线3.存在的问题不同粉煤灰掺量（替代水泥）对轻骨料混凝土的抗一研104.研究内容和方案4.1研究内容

不同掺量粉煤灰轻骨料混凝土的强度试验研究不同龄期抗压强度的对比冻融循环作用下，轻骨料混凝土耐久性的影响冻融前后应力-应变的关系曲线石粉对轻骨料混凝土力学性能的研究

石粉掺量对轻骨料混凝土工作性能的影响石粉掺量对轻骨料力学性能（抗压、抗折、轴心抗压强度）的影响石粉掺量对轻骨料混凝土耐久性的影响SEM扫描电镜试验4.研究内容和方案4.1研究内容不同掺量粉煤灰轻骨料混114.研究内容和方案4.2研究方案4.2.1

试验材料水泥：冀东P.O42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料：内蒙古锡林郭勒蒙浮石集料；细集料：天然河沙，细度模数2.56，含泥量2%，堆积密度1465kg/m3，含水率：1.987%，颗粒级配良好；粉煤灰：呼和浩特市金桥热电厂Ⅰ级粉煤灰；减水剂：RSD-8型高效减水剂，以β-萘酸钠甲醛高缩聚物为主要成分的高级减水剂，掺量为3%,减水率20%，对钢筋没有锈蚀作用。石粉：用X射线荧光光谱仪对石粉的化学成分进行分析水：普通自来水。

4.研究内容和方案4.2研究方案4.2.1试验材料水泥124.研究内容和方案4.2研究方案4.2.2

试验方案—粉煤灰对轻骨料混凝土的影响通过对掺入粉煤灰轻骨料混凝土的性能的试验研究，试验内容为粉煤灰轻骨料混凝土抗压、抗冻能力方面的试验；选择LC40强度等级轻骨料混凝土作为本实验的基准混凝土，增加粉煤灰的掺量作为试验组。粉煤灰的掺量按水泥质量的百分比计算，分别为15%（FA组）,20%（FB组）,30%（FC组），45%（FD组），60%（FE组）。基准混凝土配合比及材料用量试验材料数据见表1。表1

基准混凝土配合比及材料用量

4.研究内容和方案4.2研究方案4.2.2试验方案—粉134.研究内容和方案4.2研究方案4.2.3

试验方案—石粉对轻骨料混凝土的影响通过对掺入石粉轻骨料混凝土的性能的试验研究，试验内容为石粉轻骨料混凝土抗压、抗冻能力方面的试验；以粉煤灰掺量20%作为基准混凝土，石粉的掺量按砂子质量的百分比计算，分别为10%（PA组）,20%（PB组）,30%（PC组），40%（PD组），50%（PE组）。基准混凝土配合比及材料用量试验材料数据见表2。表2

基准混凝土配合比及材料用量

4.研究内容和方案4.2研究方案4.2.3试验方案—石14四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.1不同掺量粉煤灰轻骨料混凝土的强度试验研究试验结果四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国15图1

轻骨料混凝土的抗压强度与龄期的关系Fig.1TherelationforLWAC

compressivestrengthandage四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.1不同掺量粉煤灰轻骨料混凝土的强度试验研究5.1.1抗压强度分析总体分析：不同掺量的粉煤灰在轻骨料混凝土中所起得作用不同，其抗压强度增长规律也不相同。当粉煤灰掺量在0%~20%时，尤其在掺量15%，20%早期强度与不掺粉煤灰的轻骨料混凝土强度相差不大，因为粉煤灰取代部分水泥，降低了水泥的浓度，减缓了前期水泥水化强度；由于粉煤灰水化反应一般在14天左右，即与水泥的水化产物CH产生二次水化反应，使得混凝土水化过程均衡、平稳，并且粉煤灰可以将轻骨料混凝土中的轻骨料包裹住，粉煤灰中活性成分反应生成的水化硅酸钙C-S-H凝胶，能够填塞轻骨料的孔隙，从而增强轻骨料混凝土的密实度，使得后期强度增长较大，这时，随着粉煤灰掺量和龄期的增加，轻骨料混凝土的抗压强度的发育趋于对数关系。当粉煤灰掺量大于20%时，本试验为30%~60%时，随着掺量的增加，轻骨料混凝土的抗压强度反而降低，这时由于粉煤灰掺量过大，超过了轻骨料混凝土的包裹量，在二次水化作用后，多余的粉煤灰颗粒形成一层界面覆盖在浆体周围，造成混凝土内部产生多层界面，使得内部稳定性变差，直接影响了混凝土的强度，造成掺量与强度成反比，并且使得后期抗压强度增长相对15%~20%掺量的比较小，强度发育比较平缓，呈现非线性的二次多项式。图1轻骨料混凝土的抗压强度与龄期的关系四桩基础高层剪力16图2不同冻融次数后的抗压强度

Fig.2

Thecompressivestrengthafteranumberofdifferentfreeze-thaw四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.1.2冻融后的抗压强度分析总体分析：由于在负温度下的条件下，水会结成冰造成体积膨胀，会产生一定的膨胀力，这与轻骨料混凝土在反复冻融后强度降低的特征相似。即轻骨料混凝土中的内部孔隙和毛细孔道中的水结成冰产生体积膨胀，当这种膨胀力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土中会产生微细的裂缝，在反复的冻融作用下，混凝土中内部的微细裂缝越来越多，并逐渐扩大，从而造成混凝土强度降低，并且混凝土表面产生剥落。掺入不同量的粉煤灰对轻骨料混凝土的抗冻性能会有不同的影响，当掺入15%~30%时，在反复冻融后混凝土的强度大于不掺粉煤灰的强度，可以分两方面解释：①在混凝土中用粉煤灰部分代替水泥，能吸收水泥水化生成的氢氧化钙而改善界面结构，使之不致与因浸析而扩大冰冻产生过多的裂缝；②粉煤灰的二次水化作用产生的填充效应，可以使截留空气量和泌水量减少，改善混凝土的孔结构，降低混凝土的孔隙率，从而增加了密实度。当粉煤灰掺量超过30%时，粉煤灰代替水泥的量增加，粉煤灰过多使得混凝土产生多层界面造成稳定性较差，再加上轻骨料自身强度也不高，经过多次冻融后，混凝土孔隙逐渐增多，裂缝逐渐扩大，密实度越来越低，所以混凝土的强度随着掺量的增加而减少。图2不同冻融次数后的抗压强度四桩基础高层剪力墙结构附17图3冻融前轻骨料混凝土应力—应变曲线Fig.3Thestress-straincurveofLWACbeforefreeze-thaw图4冻融后轻骨料混凝土应力—应变曲线Fig.4Thestress-straincurveofLWACafterfreeze-thaw四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.1.3冻融前后应力-应变关系曲线冻融前后轻骨料混凝土应力-应变全曲线相似，由上升段和下降段组成，并含有比例极限点、临界应力点、峰值点、反弯点和收敛点。由图3分析：不同掺量粉煤灰轻骨料混凝土的应力-应变曲线形状类似，上升段接近直线，当到达峰值应力时，曲线斜率减小为零，但没有水平段，随后曲线下降，下降段比较陡，当应力为峰值的20%左右时，曲线趋于水平。图4分析：冻融后的应力-应变曲线的上升段较平缓，趋于抛物线形式；当到达峰值应力时，曲率减小为零，随后下降，下降段也较平缓，最后趋于直线。掺量≤20%时，曲线的斜率变大，下降段变陡，这是由于一定掺量的粉煤灰发生的水化反应一定程度的增加了混凝土的弹性模量；随粉煤灰的增加掺量>20%时，曲线上升段的斜率较小，下降段变得越缓。由于冻融造成轻骨料混凝土内部的损失，冻融后的峰值点都比未冻融降低，在上升段和下降段中，冻融后应力-应变曲线比未冻融的曲线缓，并且割线模量变小。图3冻融前轻骨料混凝土应力—应变曲线18四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.2石粉对轻骨料混凝土力学性能的研究试验结果四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国19四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.2石粉对轻骨料混凝土力学性能的研究5.2.1石粉掺量对轻骨料混凝土工作性能的影响由表2可见，随着石粉掺量的增大，轻骨料混凝土的坍落度呈现先增大后减小的趋势。当石粉掺量由10%增加30%，轻骨料混凝土的坍落度分别增加了55，70，50mm。掺入少量的石粉后，在新拌混凝土起到相当于滚珠作用，减少了砂与砂之间的摩擦而改善混凝土的和易性，并使得石粉、水泥和粉煤灰三相之间形成填充效应，同时可以改善轻骨料混凝土的孔隙特征，改善浆体-集料截面结构，使其孔隙减少，则孔隙内的水量降低，自由水增加，所以拌和物浆体流动性变大，坍落度增加。

当石粉掺量为40%，50%时，轻骨料混凝土的坍落度明显降低，与未掺石粉相比，分别降低了60mm，100mm。由于石粉颗粒多棱角、表面粗糙，并且颗粒内部微裂缝较多，当过多的石粉掺入后，石粉的以上缺点将显露出来。同时，因为石粉比表面积高于河砂，较大的替代率增加混凝土中粉状颗粒含量，这些都将增大细集料的总比表面积，从而增加用水量，导致轻骨料混凝土的坍落度大幅度降低。另一方面，过多的石粉增加浆体的粘滞性，使混凝土拌和物的黏聚性增加，从而降低了混凝土拌和物的坍落度，减少了混凝的离析泌水。四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国20四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.2.2石粉掺量对轻骨料混凝土抗压强度的影响图1不同掺量石粉的抗压强度与龄期关系图2石粉掺量与抗压强度的关系从图1不同掺量石粉的抗压强度与龄期关系可以看出，随着养护龄期的增加，轻骨料混凝土强度发育总体呈现线性增加的趋势。随着石粉的掺入，轻骨料混凝土的强度均得到了一定程度的提高，并且石粉掺量30%的抗压强度始终保持最大值，但增加的幅度比较小，相对提高约14.55%，18.20%，25.30%，5.30%，10.10%。当石粉掺量低于30%时，随着石粉的增加，抗压强度随之增加。这是因为石粉颗粒不仅可以填充轻骨料孔隙，也可以填充轻骨料-水泥石界面的空隙，从而提高轻骨料混凝土的密实度，使结构致密，改善了混凝土的强度。当石粉掺量大于30%时，抗压强度则有所降低，这是由于过多的石粉掺入，石粉颗粒粒径相比河砂小，则细集料中粗颗粒的含量相对偏少，使得轻骨料混凝土的级配不合理、细骨料作用减弱，从而减弱了轻骨料混凝土的骨架支撑作用，造成抗压强度降低。根据图2石粉掺量与轻骨料混凝土抗压强度的关系分析，轻骨料混凝土不同龄期的发育趋势基本相似且抗压强度随掺量的增加均呈现先增加后减少的趋势。随着石粉的掺入，轻骨料混凝土的早期强度增长幅度较大，3d抗压强度增长幅度最为显著，其次是7d抗压强度，增加幅度相对平缓。在不同龄期明显看到掺量大于30%时，抗压强度出现下降趋势。本次试验表明，石粉可以有效的提高轻骨料混凝土的早期抗压强度，原因在于石粉可以加速C3S的水化作用[4]，由于C3S是水泥石强度的决定因素，所以轻骨料混凝土的早期强度得到了提高。四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国21四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.2.3石粉掺量对轻骨料混凝土抗折强度的影响根据图3所示，掺入石粉试件的抗折强度相对未掺石粉的抗折强度分别提高了15.5%，19.4%，25%，11.8%，4.2%。轻骨料混凝土的抗折强度随着石粉掺量的增加呈现抛物线形式，且石粉掺量30%的抗折强度最大，与抗压强度的影响规律基本一致。轻骨料混凝土抗折并非只沿骨料与水泥砂浆界面破坏，在试验过程中可以明显地看到断裂面处轻骨料呈90º左右的剪切破坏，这与普通混凝土不同，轻骨料混凝土抗折破坏是先将水泥石破坏，当水泥石不足以承担压力后，由于轻骨料本身的强度较低，所以在外界压力作用下，骨料也被剪切破坏。当石粉掺量小于30%时，由于石粉对骨料与水泥石的改善，造成抗折强度随着石粉的增加而增加；当掺量超过30%时，过多的石粉降低了水泥石的强度和轻骨料与水泥砂浆过渡区黏结性能，从而降低了轻骨料混凝土的抗折强度。图7轻骨料混凝土抗折破坏后的截面图3轻骨料混凝土抗折强度与石粉掺量的关系四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国22四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.2.3石粉掺量对轻骨料混凝土轴心抗压强度的影响由于棱柱体比立方体试件能更好地反映混凝土柱体的实际抗压能力，因此，fc是结构混凝土最基本的强度指标。如图4石粉轻骨料混凝土的fc与fcu基本相同，都是随着掺量的增加呈现先增加后减小趋势。同时可以发现，两者之间有一定的线性关系。在掺量小于30%时，fc/fcu（α）为0.84~0.86之间；掺量大于30%时，α稍微降低，在0.80~0.82之间。总体都比普通混凝土(0.76)高，主要是因为轻骨料混凝土孔隙率大、材质疏脆,在轴向荷载的作用下,轻骨料混凝土立方体试件横向约束作用较普通混凝土弱,导致立方体抗压强度与棱柱体抗压强度相比增加不多,表现为轻骨料混凝土的fc/fcu值较普通混凝土略大[1]。但由于石粉的掺入使得轻骨料孔隙得到一定的改善，并且石粉起到了骨料的粘结作用，使得横向约束作用略增大，从而造成了α减小。图4轻骨料混凝土fc、fcu与石粉掺量的关系四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国23四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.2.4不同掺量石粉的微观结构形态分析从图5未掺石粉的SEM照片看出，在28d龄期时，颗粒表面和周围有水化产物，但是颗粒仍清晰可见，砂颗粒周围有明显的孔隙，所以颗粒之间的粘结力相对较小，结构整体相对比较松散。

从图6石粉掺量20%的SEM照片分析，可以明显的看出混凝土的结构更为密实，颗粒之间的孔隙基本已被胶凝物质充填。水泥石的水化产物生成板状结晶，并且成为牢固连生的结晶聚集体，改善了水泥石之间的过渡界面；并且大量的结晶体成为密集的毡状堆积物，从而提高了黏结强度，有利于界面的黏结，对过渡区也有增强作用。这与前面的强度试验相符合，掺入一定量石粉的轻骨料混凝土强度有所增加。从图7石粉掺量50%的SEM照片分析，可以看到混凝土结构密实度下降，虽然生成了胶凝物，但并没有将颗粒之间的孔隙填满，仍然存在比较多的孔隙，孔隙率相对图7有所升高，对轻骨料混凝土的强度有负作用。并且还可以看到颗粒之间有大量的纤维状水化产物，但是在轻骨料混凝土中乱向分布密度过大，形成了空间网络“空包”形式，所以对强度起到负效应。因此从微观结构角度出发，石粉掺量过高时，强度反而降低，这与前面的试验结果相符。图5PO组28天SEM照片图6PB组28天SEM照片图7PE组28天SEM照片四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国24结论在轻骨料混凝土中掺入一定量的粉煤灰可以提高混凝土的抗压强度，改善轻骨料混凝土的抗冻性、耐久性。粉煤灰掺量为20%时，抗压强度最佳。四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议6.试验结论冻融循环后，不同掺量粉煤灰的轻骨料混凝土的抗压强度随着冻融循环次数的增加而减少，15%~20%掺量的损失相对较小并且随着掺量的增加强度损失逐渐减小；超过30%的掺量后，随着掺量的增加损失逐渐增大，强度损失也逐渐增大。在冻融循环试验中，对于天然浮石轻骨料混凝土20%为最佳粉煤灰掺量。轻骨料混凝土100次冻融前后的应力-应变全曲线总体形状相似，但由于冻融造成的损失，峰值应力与相应的未冻融相比明显减小。结论在轻骨料混凝土中掺入一定量的粉煤灰可以提高混凝土的抗25结论当石粉掺量小于30%时，轻骨料混凝土的坍落度明显增大。石粉掺量大于30%时，坍落度随着石粉的增加而减少，大量的石粉可以改善轻骨料混凝土的黏聚性、保水性和泌水性，但是坍落度明显降低。四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议6.试验结论石粉对轻骨料混凝土的早期抗压强度有较大的影响。石粉掺入30%时的抗压强度始终保持为最大值，当掺量小于30%，抗压强度随着掺量增加而增加；当掺量大于30%，抗压强度随着掺量增加而减小。石粉对轻骨料混凝土抗折强度的影响与对抗压强度影响规律基本相似，掺量30%为分界值，小于30%的掺量与抗压强度成正比，大于30%的掺量与抗折强度成反比。石粉掺量30%的抗折强度比未掺提高25%。

随着石粉的掺入，轻骨料混凝土fc/fcu比值降低。结论当石粉掺量小于30%时，轻骨料混凝土的坍落度明显增大。石26下一步试验冻融试验：石粉掺量对轻骨料混凝土耐久性影响表面破坏形态质量损失相对动弹模损失四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议7.进一步试验纳米级硅粉对轻骨料混凝土的影响下一步试验冻融试验：石粉掺量对轻骨料混凝土耐久性影响四桩27七致谢谢谢！第十七届全国结构工程学术会议致谢七致谢谢谢！第十七届全国结构工程学术会议致谢28开题报告粉煤灰、石粉对轻骨料混凝土影响的试验研究申请人：王萧萧指导教师：申向东教授报告时间：2011年3月开题报告粉煤灰、石粉对轻骨料混凝土申请人：王萧萧29报告内容选题研究背景和意义国内外研究现状存在的问题研究内容和方案试验结果分析试验结论进一步试验报告内容选题研究背景和意义301.选题研究背景和意义

在21世纪以至更长的时期内，混凝土材料仍是最主要的建筑材料，但是普通混凝土有自重大、保温隔热性能差等缺点，影响了它在某些工程领域中的应用。随着现代土木工程结构日益朝着高耸、大跨、重载的方向发展，以及建造各种新型特种结构需求的增加，普通混凝土自重大的缺点也日益明显，限制了混凝土结构在高层建筑、大跨度桥梁、海洋浮式采油平台等结构物中的应用，因此发展轻集料混凝土就变得尤为乐观，但是目前针对现有的研究还未完全。轻骨料是一种多功能、可持续发展的新型建筑材料。我国天然轻集料极为丰富，在吉林、山西、辽宁、内蒙古、海南等地蕴藏量都很大。但目前天然轻骨料应用技术水平落后，特别是在充分利用现代加工技术和复合技术方面，天然轻骨料的应用更为落后。

1.1选题研究背景1.选题研究背景和意义311.选题研究背景和意义

粉煤灰是火力发电厂排放量最大的一种固体工业废弃物之一，目前我国年排放量超过3.75亿吨，对环境造成严重的污染。国内外对粉煤灰的研究，主要是在普通混凝土中掺入从而替代部分水泥。内蒙古地区天然浮石资源丰富，品种齐全，天然轻骨料、工业废料轻骨料和人造轻骨料的原料丰富，主要用于水工建筑物，道路工程等等。但由于天然轻骨料应用时间比较短，对各方面的性能及应用技术尚且不足。天然轻骨料给人们的印象是：容重变化大、强度较低、吸水率较高，这些结构与物理性能特点也为其大量推广应用带来一定的阻力。粉煤灰的掺入可以在一定程度缓解其缺点，粉煤灰对轻骨料的包裹性，可以减少用水量，从而在一定程度增加混凝土的强度、和易性和耐久性，并且也可用提高轻骨料混凝土的抗冻性，对北方严寒地区,尤其是常年处于水中的桥梁墩台的粉煤灰轻骨料混凝土的使用有一定的参考价值和意义。1.2选题研究意义1.选题研究背景和意义1.2选题研究意义321.选题研究背景和意义天然浮石是一种多孔玻璃质火山喷出岩，内蒙古地区可利用的火山资源丰富，分布广泛，蕴藏着大量的天然浮石，使得天然轻骨料原料丰富。轻骨料混凝土由于孔隙率大、低密度，抗冻、保温性好，近些年被广泛使用[1]。目前，在北方严寒地区的水工建筑物中，尤其是常年处于水中的桥梁墩台中得到广泛应用。随着施工工艺的不断改进，连续不间断的施工技术已很成熟，泵送混凝土的需求量愈来愈大。但是由于轻骨料孔隙率大，吸水率高，饱和性太大，满足不了泵送混凝土高坍落度的要求，对在工程中的应用带来了一定的阻力。石粉具有填充和包裹作用，可以一定程度的减小轻骨料的孔隙率，从而改善其和易性及抗压强度，对工程上的应用带来了一定的参考价值和意义。国内外对石粉的研究，大部分是在普通混凝土中掺入石粉代替细集料，由于轻骨料的应用时间比较短，所以石粉对轻骨料混凝土的力学性能研究尚且不足。本文以石粉代替部分河砂，研究不同掺量石粉对轻骨料混凝土的和易性、抗压强度、抗折强度和轴心抗压强度的影响，并从微观角度进行分析。1.选题研究背景和意义天然浮石是一种多孔玻璃质火山喷出岩，332.国内外研究现状2.1国外研究现状最早研究粉煤灰在混凝土中应用的是美国加洲理工学院的R.E.Davis，1893年他首次发表了关于粉煤灰用于混凝土的研究报告。到本世纪五、六十年代，粉煤灰作为一种工业废料，其活性性能被进一步研究和推广，不仅仅是为了节约水泥，更主要是为了改善和提高混凝土的性能。美国加洲大学Mehta教授指出，应用大掺量粉煤灰(或磨细矿渣)，是今后混凝土技术进展最有效、也是最经济的途径。国外

粉煤灰2.国内外研究现状2.1国外研究现状最早研究粉煤灰在混凝342.国内外研究现状2.1国外研究现状在日本，从20世纪末石灰石粉已开始广泛应用于高流动性混凝土和高性能喷射混凝土。德国开发生产了石灰石粉掺量6%~20%的石灰石硅酸盐水泥(Pandlirnestonecemeni)，欧洲水泥试行标准ENV197己将石灰石波特兰水泥列为一种单独类型的水泥品种，在欧洲标准ENV197一1992中，复合的普通硅酸盐水泥的石灰石粉取代比率定在6%~10%和21%~35%(质量分数)。国外法国生产此品种水泥已有较长的历史，产量也最多，已有品种标准CPJ45R和CPJ55R，可复掺亦可单掺石灰石粉，单掺石灰石粉掺量为10%~25%

掺入石粉的普通混凝土2.国内外研究现状2.1国外研究现状德国开发生产了石灰石352.国内外研究现状2.1国外研究现状G.Kakall、S.Tsivilis、E.Aggeli和M.Bati的研究证明石灰石粉并非完全惰性。国外内川浩(UchiKawa)研究了CaCO3对C3S单矿早期水化的作用掺入石粉的普通混凝土2.国内外研究现状2.1国外研究现状国外掺入石粉的普通混362.国内外研究现状2.2国内研究现状

自1956年之后，我国先后在水工结构中加入粉煤灰，如刘家峡、和山、陈村、黄河，欧阳海灌渠，以及台湾的雾社坝等，且取得降低了水化热、性能改变、水泥节省的优良效果。在也曾使用在民用与工业建筑的钢筋混凝土建筑物、构筑物，比如桂林砂河电厂的梁、板、柱等地下工厂的钢筋混凝土中加入10%～25%的原状灰。

洪锦样、蒋林华等人在研究人工砂中石粉对混凝土性能影响及作用机理时，通过XRD、TG、SEM技术分析了其作用机理，还通过正交试验研究了石粉含量5%、15%和24%对混凝土强度的影响，结果表明，在24%范围内，石粉含量越高，混凝土强度也越高。田建平、周明凯、蔡基伟以C60机制砂混凝土为试验对象，对比研究了3.5%、7%、10.5%、14%(质量分数)4个不同石粉掺量下分别选择不同粉煤灰(FA)掺量(0、11%、17%)配制的机制砂混凝土的强度。结果表明，11%掺量的粉煤灰与7%含量的石粉产生了良好的复合叠加效应，使混凝土获得了最佳强度。当粉煤灰的掺量为零时，随着石粉含量的增加，其抗压强度呈较大的递增趋势，石粉含量14%的混凝土较石粉含量3.5%的混凝土28d抗压强度增加了13.3MPa，很好地证明了石粉在混凝土中的增强效果。

2.国内外研究现状2.2国内研究现状自1956年之后，37不同粉煤灰掺量（替代水泥）对轻骨料混凝土的抗压强度、耐久性的影响并得出最佳掺量在国内外研究中，还没有将石粉作为掺量掺入轻骨料混凝土的研究石粉是否能够有效的提高轻骨料混凝土的强度石粉对轻骨料混凝土力学性能的影响石粉对轻骨料混凝土耐久性的影响

一研究背景、现状及主要技术路线3.存在的问题不同粉煤灰掺量（替代水泥）对轻骨料混凝土的抗一研384.研究内容和方案4.1研究内容

不同掺量粉煤灰轻骨料混凝土的强度试验研究不同龄期抗压强度的对比冻融循环作用下，轻骨料混凝土耐久性的影响冻融前后应力-应变的关系曲线石粉对轻骨料混凝土力学性能的研究

石粉掺量对轻骨料混凝土工作性能的影响石粉掺量对轻骨料力学性能（抗压、抗折、轴心抗压强度）的影响石粉掺量对轻骨料混凝土耐久性的影响SEM扫描电镜试验4.研究内容和方案4.1研究内容不同掺量粉煤灰轻骨料混394.研究内容和方案4.2研究方案4.2.1

试验材料水泥：冀东P.O42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料：内蒙古锡林郭勒蒙浮石集料；细集料：天然河沙，细度模数2.56，含泥量2%，堆积密度1465kg/m3，含水率：1.987%，颗粒级配良好；粉煤灰：呼和浩特市金桥热电厂Ⅰ级粉煤灰；减水剂：RSD-8型高效减水剂，以β-萘酸钠甲醛高缩聚物为主要成分的高级减水剂，掺量为3%,减水率20%，对钢筋没有锈蚀作用。石粉：用X射线荧光光谱仪对石粉的化学成分进行分析水：普通自来水。

4.研究内容和方案4.2研究方案4.2.1试验材料水泥404.研究内容和方案4.2研究方案4.2.2

试验方案—粉煤灰对轻骨料混凝土的影响通过对掺入粉煤灰轻骨料混凝土的性能的试验研究，试验内容为粉煤灰轻骨料混凝土抗压、抗冻能力方面的试验；选择LC40强度等级轻骨料混凝土作为本实验的基准混凝土，增加粉煤灰的掺量作为试验组。粉煤灰的掺量按水泥质量的百分比计算，分别为15%（FA组）,20%（FB组）,30%（FC组），45%（FD组），60%（FE组）。基准混凝土配合比及材料用量试验材料数据见表1。表1

基准混凝土配合比及材料用量

4.研究内容和方案4.2研究方案4.2.2试验方案—粉414.研究内容和方案4.2研究方案4.2.3

试验方案—石粉对轻骨料混凝土的影响通过对掺入石粉轻骨料混凝土的性能的试验研究，试验内容为石粉轻骨料混凝土抗压、抗冻能力方面的试验；以粉煤灰掺量20%作为基准混凝土，石粉的掺量按砂子质量的百分比计算，分别为10%（PA组）,20%（PB组）,30%（PC组），40%（PD组），50%（PE组）。基准混凝土配合比及材料用量试验材料数据见表2。表2

基准混凝土配合比及材料用量

4.研究内容和方案4.2研究方案4.2.3试验方案—石42四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.1不同掺量粉煤灰轻骨料混凝土的强度试验研究试验结果四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国43图1

轻骨料混凝土的抗压强度与龄期的关系Fig.1TherelationforLWAC

compressivestrengthandage四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.1不同掺量粉煤灰轻骨料混凝土的强度试验研究5.1.1抗压强度分析总体分析：不同掺量的粉煤灰在轻骨料混凝土中所起得作用不同，其抗压强度增长规律也不相同。当粉煤灰掺量在0%~20%时，尤其在掺量15%，20%早期强度与不掺粉煤灰的轻骨料混凝土强度相差不大，因为粉煤灰取代部分水泥，降低了水泥的浓度，减缓了前期水泥水化强度；由于粉煤灰水化反应一般在14天左右，即与水泥的水化产物CH产生二次水化反应，使得混凝土水化过程均衡、平稳，并且粉煤灰可以将轻骨料混凝土中的轻骨料包裹住，粉煤灰中活性成分反应生成的水化硅酸钙C-S-H凝胶，能够填塞轻骨料的孔隙，从而增强轻骨料混凝土的密实度，使得后期强度增长较大，这时，随着粉煤灰掺量和龄期的增加，轻骨料混凝土的抗压强度的发育趋于对数关系。当粉煤灰掺量大于20%时，本试验为30%~60%时，随着掺量的增加，轻骨料混凝土的抗压强度反而降低，这时由于粉煤灰掺量过大，超过了轻骨料混凝土的包裹量，在二次水化作用后，多余的粉煤灰颗粒形成一层界面覆盖在浆体周围，造成混凝土内部产生多层界面，使得内部稳定性变差，直接影响了混凝土的强度，造成掺量与强度成反比，并且使得后期抗压强度增长相对15%~20%掺量的比较小，强度发育比较平缓，呈现非线性的二次多项式。图1轻骨料混凝土的抗压强度与龄期的关系四桩基础高层剪力44图2不同冻融次数后的抗压强度

Fig.2

Thecompressivestrengthafteranumberofdifferentfreeze-thaw四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.1.2冻融后的抗压强度分析总体分析：由于在负温度下的条件下，水会结成冰造成体积膨胀，会产生一定的膨胀力，这与轻骨料混凝土在反复冻融后强度降低的特征相似。即轻骨料混凝土中的内部孔隙和毛细孔道中的水结成冰产生体积膨胀，当这种膨胀力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土中会产生微细的裂缝，在反复的冻融作用下，混凝土中内部的微细裂缝越来越多，并逐渐扩大，从而造成混凝土强度降低，并且混凝土表面产生剥落。掺入不同量的粉煤灰对轻骨料混凝土的抗冻性能会有不同的影响，当掺入15%~30%时，在反复冻融后混凝土的强度大于不掺粉煤灰的强度，可以分两方面解释：①在混凝土中用粉煤灰部分代替水泥，能吸收水泥水化生成的氢氧化钙而改善界面结构，使之不致与因浸析而扩大冰冻产生过多的裂缝；②粉煤灰的二次水化作用产生的填充效应，可以使截留空气量和泌水量减少，改善混凝土的孔结构，降低混凝土的孔隙率，从而增加了密实度。当粉煤灰掺量超过30%时，粉煤灰代替水泥的量增加，粉煤灰过多使得混凝土产生多层界面造成稳定性较差，再加上轻骨料自身强度也不高，经过多次冻融后，混凝土孔隙逐渐增多，裂缝逐渐扩大，密实度越来越低，所以混凝土的强度随着掺量的增加而减少。图2不同冻融次数后的抗压强度四桩基础高层剪力墙结构附45图3冻融前轻骨料混凝土应力—应变曲线Fig.3Thestress-straincurveofLWACbeforefreeze-thaw图4冻融后轻骨料混凝土应力—应变曲线Fig.4Thestress-straincurveofLWACafterfreeze-thaw四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.1.3冻融前后应力-应变关系曲线冻融前后轻骨料混凝土应力-应变全曲线相似，由上升段和下降段组成，并含有比例极限点、临界应力点、峰值点、反弯点和收敛点。由图3分析：不同掺量粉煤灰轻骨料混凝土的应力-应变曲线形状类似，上升段接近直线，当到达峰值应力时，曲线斜率减小为零，但没有水平段，随后曲线下降，下降段比较陡，当应力为峰值的20%左右时，曲线趋于水平。图4分析：冻融后的应力-应变曲线的上升段较平缓，趋于抛物线形式；当到达峰值应力时，曲率减小为零，随后下降，下降段也较平缓，最后趋于直线。掺量≤20%时，曲线的斜率变大，下降段变陡，这是由于一定掺量的粉煤灰发生的水化反应一定程度的增加了混凝土的弹性模量；随粉煤灰的增加掺量>20%时，曲线上升段的斜率较小，下降段变得越缓。由于冻融造成轻骨料混凝土内部的损失，冻融后的峰值点都比未冻融降低，在上升段和下降段中，冻融后应力-应变曲线比未冻融的曲线缓，并且割线模量变小。图3冻融前轻骨料混凝土应力—应变曲线46四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.2石粉对轻骨料混凝土力学性能的研究试验结果四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国47四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.2石粉对轻骨料混凝土力学性能的研究5.2.1石粉掺量对轻骨料混凝土工作性能的影响由表2可见，随着石粉掺量的增大，轻骨料混凝土的坍落度呈现先增大后减小的趋势。当石粉掺量由10%增加30%，轻骨料混凝土的坍落度分别增加了55，70，50mm。掺入少量的石粉后，在新拌混凝土起到相当于滚珠作用，减少了砂与砂之间的摩擦而改善混凝土的和易性，并使得石粉、水泥和粉煤灰三相之间形成填充效应，同时可以改善轻骨料混凝土的孔隙特征，改善浆体-集料截面结构，使其孔隙减少，则孔隙内的水量降低，自由水增加，所以拌和物浆体流动性变大，坍落度增加。

当石粉掺量为40%，50%时，轻骨料混凝土的坍落度明显降低，与未掺石粉相比，分别降低了60mm，100mm。由于石粉颗粒多棱角、表面粗糙，并且颗粒内部微裂缝较多，当过多的石粉掺入后，石粉的以上缺点将显露出来。同时，因为石粉比表面积高于河砂，较大的替代率增加混凝土中粉状颗粒含量，这些都将增大细集料的总比表面积，从而增加用水量，导致轻骨料混凝土的坍落度大幅度降低。另一方面，过多的石粉增加浆体的粘滞性，使混凝土拌和物的黏聚性增加，从而降低了混凝土拌和物的坍落度，减少了混凝的离析泌水。四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国48四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.2.2石粉掺量对轻骨料混凝土抗压强度的影响图1不同掺量石粉的抗压强度与龄期关系图2石粉掺量与抗压强度的关系从图1不同掺量石粉的抗压强度与龄期关系可以看出，随着养护龄期的增加，轻骨料混凝土强度发育总体呈现线性增加的趋势。随着石粉的掺入，轻骨料混凝土的强度均得到了一定程度的提高，并且石粉掺量30%的抗压强度始终保持最大值，但增加的幅度比较小，相对提高约14.55%，18.20%，25.30%，5.30%，10.10%。当石粉掺量低于30%时，随着石粉的增加，抗压强度随之增加。这是因为石粉颗粒不仅可以填充轻骨料孔隙，也可以填充轻骨料-水泥石界面的空隙，从而提高轻骨料混凝土的密实度，使结构致密，改善了混凝土的强度。当石粉掺量大于30%时，抗压强度则有所降低，这是由于过多的石粉掺入，石粉颗粒粒径相比河砂小，则细集料中粗颗粒的含量相对偏少，使得轻骨料混凝土的级配不合理、细骨料作用减弱，从而减弱了轻骨料混凝土的骨架支撑作用，造成抗压强度降低。根据图2石粉掺量与轻骨料混凝土抗压强度的关系分析，轻骨料混凝土不同龄期的发育趋势基本相似且抗压强度随掺量的增加均呈现先增加后减少的趋势。随着石粉的掺入，轻骨料混凝土的早期强度增长幅度较大，3d抗压强度增长幅度最为显著，其次是7d抗压强度，增加幅度相对平缓。在不同龄期明显看到掺量大于30%时，抗压强度出现下降趋势。本次试验表明，石粉可以有效的提高轻骨料混凝土的早期抗压强度，原因在于石粉可以加速C3S的水化作用[4]，由于C3S是水泥石强度的决定因素，所以轻骨料混凝土的早期强度得到了提高。四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国49四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.2.3石粉掺量对轻骨料混凝土抗折强度的影响根据图3所示，掺入石粉试件的抗折强度相对未掺石粉的抗折强度分别提高了15.5%，19.4%，25%，11.8%，4.2%。轻骨料混凝土的抗折强度随着石粉掺量的增加呈现抛物线形式，且石粉掺量30%的抗折强度最大，与抗压强度的影响规律基本一致。轻骨料混凝土抗折并非只沿骨料与水泥砂浆界面破坏，在试验过程中可以明显地看到断裂面处轻骨料呈90º左右的剪切破坏，这与普通混凝土不同，轻骨料混凝土抗折破坏是先将水泥石破坏，当水泥石不足以承担压力后，由于轻骨料本身的强度较低，所以在外界压力作用下，骨料也被剪切破坏。当石粉掺量小于30%时，由于石粉对骨料与水泥石的改善，造成抗折强度随着石粉的增加而增加；当掺量超过30%时，过多的石粉降低了水泥石的强度和轻骨料与水泥砂浆过渡区黏结性能，从而降低了轻骨料混凝土的抗折强度。图7轻骨料混凝土抗折破坏后的截面图3轻骨料混凝土抗折强度与石粉掺量的关系四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国50四桩基础高层剪力墙结构附建人防地下室倾覆机理第十七届全国结构工程学术会议5.试验结果分析5.2.3石粉掺量对轻骨料混凝土轴心抗压强度的影响由于棱柱体比立方体试件能更好地反映混凝土柱体的实际抗压能力，因此，fc是结构混凝土最基本的强度指标。如图4