硅灰混凝土性能及约束收缩开裂的研究（可编辑）

硅灰混凝土性能及约束收缩开裂的研究（可编辑） 论文题目: 硅灰混凝土性能及约束收缩 开裂研究 入学时间: 作者姓名: 曼曼生窆且 高巍 研究方向: 领域启称:建筑与土木工程 直丝篚遇趟? 职 称: 拯 指导教师: 夔 奎蚕蝰 职 称: 副指导教师: 直缍王程』堕 奎苤竖 论文提交日期: 曼圣生?旦 论文答辩日期: 曼圣生鱼旦曼旦 授予学位日期: : 声 明 本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文,除了所列参考文献和 世所公认的文献外,全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有 呈交于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名: 澎簇, 日 期:加限芬?弦, .. :白纯眦 : 矿 、‘./出壅叠拉太堂亟?堂僮论塞 摘要 摘要 硅灰是冶炼硅及硅铁合金过程中排放出的固体废弃物,它作为一种高活性的矿物掺 合料掺入混凝土中,不仅使得工业废料得到再利用,而且对提高混凝土的强度、抗冻性、 抗渗性、抗腐蚀性都有显著的作用。混凝土材料作为当今最大宗的建筑材料,为人类物 质文明作出贡献的同时,也因其对能源的消耗和环境的污染对社会经济的可持续发展和 人类自身的生存构成严重的威胁。硅灰混凝土作为一种新型的绿色高性能混凝土为解决 这一矛盾提供了一条有效的途径,其应用前景非常广阔。硅灰混凝土的研究有着重要的 工程应用价值。 本文首先对硅灰的性能及其作用机理进行了分析,然后采用试验方法研究了硅灰混 凝土的力学性能和约束收缩开裂性能,主要成果如下: .对硅灰性能进行了分析,探讨了硅灰在混凝土中的作用机理主要表现在三个方面: 火山灰效应、微粒填充效应、界面效应。 .采用试验方法,研究了水胶比和硅灰掺量对混凝土抗压、抗折强度的影响,试验 结果表明:掺入硅灰后混凝土的强度得到提高,当硅灰掺量在%~%之间时,混凝土强 度会随硅灰掺量的增加而增大,当硅灰掺量超过%时,混凝土强度会下降。 .采用约束收缩试验方法,利用圆环法研究了水胶比和硅灰掺量对混凝土早期收缩 开裂的影响,试验结果表明:对于水胶比为.的混凝土在各龄期裂 缝开裂程度都大于 水胶比为.的混凝土,当硅灰掺量在‰%时,混凝土开裂程度随硅 灰掺量的增加 而增大。对于硅灰混凝土早期收缩开裂现象本文提出了几点抑制 措施。 关键词:硅灰,混凝土,火山灰效应,抗压强度,抗折强度,收缩,开 裂 . , . ,,, , ?. ., . , . : . : . , . : % %.%. . ..%~ . %, . . , : ,, , , 出壅型挂太堂亟?堂僮论塞 目显 目录 绪论.......?...?..?.?.......... .课题研究的背景??.. .国内外研究现状??.. .本课题的研究意义?.. .本课题研究的主要内容. 硅灰基本性能研究.?...??.?..硅灰的形成和种类?.. .硅灰的物理化学性质? .硅灰的作用机理??. .硅灰对混凝土性能的影响??.. .硅灰混凝土的应用?.. .本章小结?. 硅灰混凝土的力学性能研究?......?.... .试验原材料与配合比? .试验方法?. .混凝土抗压强度实验结果及分析.. .混凝土抗折强度实验结果及分析.. .本章小结?. 硅灰混凝土的开裂性能研究??..?...?.?.... .混凝土收缩分类??. .硅灰混凝土收缩开裂机理分析?. .试验方法与配合比?.. .抑制硅灰混凝土自收缩的方法?. .本章小结?.出苤科技太堂亟?堂僮论塞 目丞 结论与展望.?.....................?.. .结论??.. .展望??.. 致谢?.........?..........??........ 参考文献..?.......??.................些盔型壹这兰兰亟? 堂僮金塞. 壁丝堡??. . ?.........??..............??.........??........... ......?.?.?.....??...?..??......??......? .......??........??.........??.............??.....?.... .??..................?.........?.?.?....?:.. .??. .??...?.......??....... ..........??..?.....?.?.?.....??.......... ...?...?.......??........?......??..........?.?.....??. .....?.?.....??.....??.?...??......?......?.... . ....?..........??.....??......??......??............?.. ......??........ ..?..?...............?.??....?.......?......??.......?? .. . .?.......??...........??. . ....?........??......?... .?.?.......??.??.....?.........??... .? .???..?....... . .......?.?...??.....?...??...........?....??........... ...??......??..?.. .?...?..?..山东科技大学学位论文 绪论 绪论 .课题研究的背景 以水泥为胶凝材料的混凝土是当今最大宗的建筑材料之一,和其它建筑材料相比混 凝土有成本低、可模性好、耐久、耐火、便于就地取材等优点,因此,它被广泛的用于 铁路、公路、大坝、桥梁、机场、港口码头等各类工程之中,在过去的一百年间,混凝 土为人类的物质文明发展立下了不可磨灭的功绩。但是,随着时 代的发展混凝土材料所 存在的问题也越来越突出。 首先是对环境的污染和生态的破坏,据估算每生产的水泥熟料,就会排放出 的二氧化碳以及大量的有害气体女、等,众所周知,是导致温室效应 并导致地球变暖的主要气体之一,而放出的、等有毒气体则是产生“酸雨”现象 的主要原因,而且,在这一过程中如果收尘设施不佳还会排放出大量粉尘,造成雾霾天 气损害人体健康;其次是对自然资源的消耗,大量的砂石骨料是混凝土的生产必备原材 料,石子的开采,河沙的开挖都会造成自然资源的短缺;另外,水泥工业还是耗能大户, 生产吨水泥耗电约千瓦时。并且,混凝土在产生、运输过程中的产生的噪声也成为 城市的一大公害。 水泥工业的发展与地球资源、地球环境的容量有限性以及地球生态系统的安全性形 成了尖锐的矛盾,对社会经济的可持续发展和人类自身的生存构成严重的威胁。随着社 会的发展人们的环保意识越来越高,对混凝土的性能提出了更高 要求,混凝土不再仅仅 要求其作为结构材料的功能,而是在尽量不给环境增加负担的基础上,研究和发展对保护 环境、对人类与自然的协调能起到积极作用的环保型混凝土,绿色高性能混凝土以其节 约资源和能源具有良好的强度和耐久性等优点,为人类改善生存环境,实现可持续发展 提供了有效的途径,它是混凝土的发展方向,是混凝土的未来。 硅灰是硅铁和硅金属生产中的工业尘埃,如果不经收集就排放出去会对环境造成一 定的危害,但是经过收集后的硅灰可以作为一种高活性的矿物掺合料替代部分水泥配制 出强度高、耐久性好的绿色高性能混凝土,目前已经成为生产绿色高性能混凝土的一种 典型方法。而且我国是硅工业大国作为副产品硅粉的潜在资源也是巨大的,所以硅灰有 着良好的应用前景。面对水泥工业给人类带来的能源的消耗和环境的污染,积极的研究绪论 山东科技大学学位论文 和推广硅灰混凝土在工程上的应用不失为一种有效的解决方法。 .国内外研究现状 ..土木工程与混凝土 土木工程伴随着人类社会的进步而发展起来,远古时代,人们就开始修筑简陋的房 舍、道路、桥梁和沟洫,以满足自身生活和生产的需要。后来,人们为了适应战争、生 产和生活以及宗教传播的需要,兴建了城池、运河、宫殿、寺庙以及其他各种建筑物。 在现代社会,随着人类生存环境的改变和对物质需求的增加,在世界各地出现了现代化 规模宏大的工业厂房、摩天大厦、核电站、高速公路和铁路、大跨度桥梁、大直径运输 管道、长隧道、大运河、大堤坝、大飞机场、大海港以及海洋工程等等。土木工程促进 了人类文明的进步并且成为其重要的组成部分,它在很大程度上反映了它所处时代的经 济、文化、宗教、科技面貌,是人类发展历史的见证者之一【。 我们今天最为广泛使用的硅酸盐水泥源于英国泥水工人阿斯普丁 于 年发明的波特兰水泥,这种水泥是由石灰石并配合一定量的粘土在一起煅烧而成的, 因为它的颜色类似于英国岛所产的石材的颜色,所以被命名为水泥【】。 水泥的化学成分包含氧化钙、二氧化硅、氧化铁和氧化铝,其中 氧化钙和二氧化 硅所占的比例较大,这些成分能与水发生反应生成坚硬的固体,因此它也是一种水硬性 胶凝材料。由于这种材料通过人工配料,其化学成分可得到一定程度的控制,品质较为 均匀,强度及耐久性得到一定的提高,因此水泥发明后,在世界范围内受到广泛欢迎, 并大量应用到各类工程之中,硅酸盐水泥的出现为人类开始大规模生产人造石材奠定了 基础。年成立的唐山启新洋灰厂是我国第一个水泥生产工厂,开启的我国生产水泥 的历史。 混凝土是人造建筑材料,是由水泥、石子、沙子加水拌合后经过凝结硬化而形成的 人造石材。由于混凝土便于就地取材,价格低廉,易于成型,相对耐久等优点,故而混 凝土使用范围不断扩大,使用量急剧增加,但是,混凝土本身也存在重大缺陷。人们在使 用过程中发现混凝土和天然石材一样,虽然它们的抗压性能很好,但是其抗拉性能却非常 差,混凝土的抗压拉度通常只有其抗压强度的/。正是由于这种原因使得混凝土在许 多工程上受到了限制,人们开始寻求解决方法。世纪钢铁工业得到发展,有人开始将 钢筋加入混凝土中制作钢筋混凝土板、梁等一些小型构件,这种将钢筋加到混凝土中以 ’山东科技大学学位论文 绪论 弥补纯混凝土抗拉强度较差的方法是混凝土发展史上起决定性的发明,这是混凝土技术 的重大进步,也正是因为这种技术使得混凝土得到更加广泛的应用。 随后,人们发现将钢筋加入混凝土中虽能提高混凝土抗拉强度,但是却不能很好改 善混凝土构件较差的抗裂性能。这是因为混凝土的极限拉应变非常小,使得钢筋混凝土 构件在荷载远远小于极限荷载作用下就会产生开裂现象。由于裂缝的存在使得构件中的 钢筋容易受到腐蚀,从而限制了其在恶劣环境中的使用。为了改善钢筋混凝土抗裂性能 的不足,一方面可以增加钢筋用量或是加大混凝土构件的截面,但这样做就增大了建筑 成本。另外还可以提高钢筋强度等级和混凝土强度,但高强度的钢筋其强度并不能得到 充分发挥,一般热扎钢筋即可满足允许裂缝宽度下要求的钢筋强度;混凝土强度等级提 高可以增大抗压强度但是抗拉强度增加却很小,所以这些都不是行之有效的方法。人们 了解到混凝土的这种特性后,想到如果能在在混凝土受拉区预先施加压应力,当混凝土 开始工作时这种压应力就能部分或全部抵消受拉区的拉应力,从而降低了裂缝出现的几 率,使混凝土在满足正常使用极限状态的情况下能够承受更大的荷载,基于这种想法, 人们在混凝土结构承受荷载之前在其受拉区配上钢筋或钢筋束,通过张拉钢筋或钢筋束 产生的弹性回缩作用,使得混凝土中产生压应力。人们根据这种原理发明了预应力混凝 土,预应力混凝土的发明迸一步拓展了混凝土的应用范围,为混凝土的大量使用开辟了 道路。 混凝土至今已有多年的历史,在过去的多年中,混凝土为城市的发展及大量人 口的安置起着巨大作用,同时混凝土也是人类与自然界进行物质与能量交换活动中消费 量最大的一种建筑材料。据不完全统计,世界水泥年产量已超过 亿吨。随着时代的发 展诸如大跨桥梁、高层建筑、海底隧道、海上平台、堤坝、核反应堆及毒废物处理工程 等重要及恶劣环境下的工程,普通混凝土已不能适应形势的发展,其主要缺陷有两点: 自重大、强度低,普通混凝土的表观密度约为/,而强度只有, 单位质量所能提供的强度,即材料质量比强度很低,见表. 表.钢材、木材、普通混凝土的质量比强度 .,, 材料 表观密度/?。 抗压强度/ 质量哪/.?。. 低碳钢 . 木材松 顺纹. 普通混凝土山东科技大学学位论文 绪论 耐久性不足。一般混凝土工程使用年限仅~年,很多工程在使用~年 后就需要维修或重建,我国混凝土工程的总量及单项工程量都变得越来越大,如南水北 调工程、三峡工程,如此大的工程如果因混凝土耐久性不足损坏重建,会给社会带来巨 大的经济压力。据美国分析调查表明,美国的混凝土基础设施整 体完善,其工程总价值 约万亿美元,可是由于混凝土耐久性不足,每年所需要的维护和重建费用在亿美元 左右。美国万座公路桥梁中已有万座损坏平均每年 座桥梁部分或完全坍塌, 修复这些桥梁需要亿美元。 鉴于普通混凝土对自然资源和能源的巨大消耗,给社会带来了极大的经济压力,已 不符合可持续发展的要求,于是高性能混凝土就此产生并得到迅速发展。 ..高性能混凝土 据蒋家奋考证,由于挪威盛产硅灰,所以在年由挪威学者首先提出了高性能混凝 土的研究。经研究发现掺入硅灰后的混凝土在其强度、抗渗性、抗氯离子扩散性,等方 面都得到了提高,从而其耐久性能但也增大了开裂风险也得到了改善。上个世纪九 十年代初期,在全世界范围内掀起了研究高性能混凝土材料的热潮。与此同时我国也开 始引进了高性能混凝土这个概念,有关高性能混凝土的研究成果不胜枚举,时至今日仍吸 引着大批的研究者。 对于高性能混凝土的定义,各国学者,甚至各个学者有其自己的理解和表述方式,至 今都没有一个公认的定义。 美国战略公路研究项目对高性能混凝土的定义是【】: 矿/?.: 次冻融循环,相对动弹性模量?%; 浇筑混凝土后内强度,,时强度,,时强度?; 年美雪对高性能混凝土的定义是:高强混凝土是满足某一特定用途和环境 而制定的具有特殊性能组合的均质性良好的混凝土。例如下面这些特性:混凝土长期力 学性能好;具有良好的施工性能;体积稳定性、韧性好;密实度高,抗渗性能好在恶劣 环境下具有较长的寿命。 日本学者偏重于混凝土的高工作性高流动性、可浇注性和良好的粘聚性冈村的 观点是:高流态的自密实混凝土就是高性能混凝土,混凝土设计基准强度一般要达到 相当于我国的。除水泥外混凝土材料中还应掺有粉煤灰、矿粉以及膨 坐查型垫奎兰兰垡笙奎 堡丝 胀剂等。 国内方面,蒲心诚教授认为高性能混凝土应该符合个方面的要求:?良好的施工性 能,要满足流动性高、粘聚性好、不离析、不分层;?很好的体积稳定性,即收缩小、 徐变低;?较高的强度。强度低的混凝土不能认为是高性能混凝土这是因强度是混凝土 最基本的使用性能;?良好的耐久性。他认为,不能因为某种性能好,满足了工程某种功 能要求的混凝土称为高性能混凝土,否则,高性能混凝土涵盖太广,也就失去了高性能混 凝土的意义【】。 冯乃谦教授认为,高性能混凝土是‖/.,混凝土的体积稳定性良好,并且矿 物质超细粉和高效减水剂是必须含有的组成材料,抗压强度不小于;冻害地区 次冻融循环相对动弹模量不小于%;混凝土天的 小时总导电量要小于 。并且必须保证施工要求的塌落度损失和一定的流动性【。 己故吴中伟院士认为高性能混凝土是以耐久性为主要设计指标,在低水胶比的前提 下,通过优选原材料水、水泥、集料,并掺以足够数量的高效外加 剂和矿物细掺合 料,采用现代混凝土技术制作的混凝土。针对不同的用途要求高性能混凝土应在其耐久 性、强度、工作性、适用性、经济性等性能方面加以有重点的保证【。 综上所述,高性能混凝土应有以下几个方面的重要性能:?高强度。从年代低强 度混凝土年代中等强度混凝土,在到现在的高强度、超高强度混凝土,一直以来, 如何获取高强度混凝土一直是科研工作者努力的方向。无可非议的是强度永远是混凝土 最重要的指标;?高耐久性。在满足混凝土较高强度的同时,一定不能忽略混凝土的耐 久性,它主要表现在具有良好的抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性;?高体积稳定性。表现为 具有高弹性模量、低收缩与徐变、低温度变形;?优良的工作性能。优良的工作性要求 新拌混凝土具有良好的流动性以利于混凝土充分填充在钢筋的间隙和模板的角隅,优良 的工作性还可以保证混凝土体系达到较高的匀质性和粘聚性能可以保证混凝土坍落度损 失小、凝结时间适当以及各组分不分离、不离析等。 ..绿色高性能混凝土 年中国需要水泥达亿,约占世界水泥产量的%,再创历史新高,我国 水泥产量已连续年位居世界第一,这样大的水泥工业,不论是给自然资源带来的消 耗,还是对环境的污染都是巨大的。山东科技大学学位论文 绪论 表.年产亿水泥的消耗与对环境负荷 .. 消耗与排 标煤 电 石灰石 粉尘 放 万 亿 亿 万 亿 万 万数量. . 如表.中数字所示,年产亿吨水泥就要耗电千瓦时、消耗.亿吨的石灰石, 而在我国优质石灰石的剩余储量将在数十年内用尽,而、、气体与粉尘的 排放量也十分惊人,它们造成的温室效应,酸雨、雾霾天气给人类的生存环境带来灾难 性影响。 自然环境是人类发展的基础,建筑材料是人与自然相互作用的媒介之一,它在很大 程度上影响着人与自然的和谐统一。混凝土的生产与使用给人类和地球带来了不可忽视 的副作用,在混凝土生产和使用过程中资源的过度开发与废弃以 及其造成的环境污染和 生态破坏,与地球资源、地球环境的容量有限性以及地球生态系统的安全性形成了尖锐 的矛盾,对社会经济的可持续发展和人类自身的生存构成严重的威胁。不仅在我国,在 世界范围内水泥工业必须进行改造,必须走与环境相容的可持续发展道路。 过去,由于人们技术水平有限,而且环保意识普遍不高,造成了资源的极大浪费以 及环境的严重污染,但是只要我们能够从过去的错误中吸取经验和教训,遵循辩证唯物 主义认识论的正确规律,采用科学的方法认真的进行研究和试验,就会逐渐认识到混凝土 存在的各种性质,就能使混凝土长期作为最大宗的建筑材料并且真正成为一种性能优异 的可持续发展的建筑材料。 随着混凝土技术的发展提出了“绿色高性能混凝土”的概念。绿色高性能混凝土为 人类改善生存环境,实现可持续发展提供了有效的途径,它是混凝土的发展方向,是混 凝土的未来。 我国混凝土研究专家吴中伟院士第一次提出了绿色高性能混凝 土 曲 ,缩写为的概念。绿色的涵义随着认识的提高而扩大,可归 纳为: 有利于环境; 耗能少,节约资源和能源; 可持续发展,不但满足当代人的需要,而且还能满足后代人的需要【; 同时,他指出绿色高性能混凝土应该具有以下几个特点:坐奎型垫查堂兰堡垒奎 堡堡 大量节约熟料,这样就可以减少有害气体的排放以及原材料的损耗,有利于环境 保护。 大量利用工业废渣作为细掺合料,替代部分水泥熟料,减少工业废渣排放对环境 造成的污染。 充分发挥高性能混凝土的优势,使得结构断面得到减小,耐久性增加使得使用 年限变长等达到减少混凝土用量,的目的从而减少对能源和资源的消耗。 使绿色高性能混凝土的含义更广。把对现在的绿色高性能混凝土 的强度的最小值 从降至左右;使绿色高性能混凝土的应用范围更广,可收到更大的环境与 技术经济效益。 硅灰是硅铁和硅金属生产中的工业尘埃,硅灰混凝土就是利用工业废料生产绿色高 性能混凝土的一种典型方法,将硅灰作为一种高活性的矿物掺合料掺入普通硅酸盐水泥 之中,生产出强度高,耐久性优良的绿色高性能混凝土。 ..硅灰混凝土国外的研究现状 硅灰的研究开始于斯堪的纳维亚国家,尽管在上个世纪五十年代人们对硅灰在混凝 土中的作用进行了初步的研究并获得了一定的成果,但是直到七十年代才在工程中有了 实际的应用【】,在年,挪威第一个使用硅灰混凝土营建了北海油田的钻井平台【】, 并且在混凝土强度、耐久性和施工三个方面取得了良好的效果。年,挪威又在伏诺 维斯坝上正式采用了硅灰混凝土筑坝【,坝体混凝土中掺硅灰%,改善了混凝土的性能, 减少了裂缝发生,年该坝建成,观测结果表明:除峡谷基础底部有一些小裂缝外, 没有发现其它裂缝。年代初加拿大在魁北克地区建造了硅灰混凝预制厂【】,拌 万 立方米高标号混凝土,对大体积硅灰混凝土作了试验研究,并将硅灰混凝土在桥梁、道 路和高层建筑物中进行了试用。年美国对奥里夫尼河上的卡查坝消力池 用硅灰混凝土进行了修补,而且效果良好【】。世界上其它一些国家也都陆续加紧了对硅 灰混凝土的研究和应用。 年,..确等人将硅灰掺入混凝土中,研究硅灰对混凝土的断裂性能 的影响,研究结果表明:与未掺硅灰的混凝相比,掺有%硅灰的混凝土其直接抗拉强 度增加了%~%,抗弯和抗压强度增长了%~%,但是硅灰对混凝土的动态弹性 模量几乎没有影响,脆性有所增加。 年,.对在不同水胶比.、.、.、.、不同硅灰掺量山东科技大学学位论文 绪论 ‰%下水泥砂浆强度随龄期、、、发展进行了研究,结果发现, 硅灰对提高水泥砂浆早期、强度较显著,在水胶比是.的情况下对于硅灰掺 量为.%的水泥砂浆强度增长最大。在同样水胶比下后的强度增长 明显放缓, 但是当水胶比为.时,掺有硅灰的水泥砂浆后的强度仍有可观的增加,这依赖于 在各龄期内仍有一定量的水分。另外还发现,硅灰水泥砂浆的早期强度与后期强度之比, 在当水胶比为.时有最大值。 年,..等人研究了硅灰掺量对水泥浆体的微观结构和强度的影响, 硅灰掺量从%。%之间变化,水胶比为.,试件孔结构采用水银压孔方法试验,微 观结构利用扫描电子显微镜观测,研究结构表明;掺入硅灰后改善了水泥石的微观结构, 提高了其力学性能,但是硅灰与水接触后容易发生聚团现象,在水泥石中仍有一部分未 水化的硅灰,所以其性能得不到充分发挥。 年,..研究了硅灰中的含量对控制混凝土中碱硅反应的影响。 硅灰已成为配制高性能混凝土的一种途径,由于硅灰价格较贵,这促使人们考虑用低 含量小于%的硅灰掺入混凝土中的可行性,试验中用掺量为%、%、%、% 的不同品质含量分别为%和%的硅灰分别替代等量水泥配制混凝土,结果 表明,低于标准含量的硅灰掺入后不能够控制混凝土中的碱硅反应。 年,...等人【】研究了混凝土力抗钢筋锈蚀能力随不同硅灰掺量%、 %、%、不同水胶比的影响。研究结果表明随着硅灰掺量增加混凝土的电阻率变大, 在水胶比为.,硅灰掺量为%的情况下,电阻率增大了倍,这说明混凝土中掺入 硅灰后钢筋的抗锈蚀能力增强。 年,..研究了在掺入高效减水剂保持混凝土流动性一致的前提下, 在不同硅灰掺量%%以及不同水胶比.~.下对混凝土抗压强度和水化 热大小的影响。研究结果表明:硅灰掺量在不大于%时对混凝土都起积极作用,在 %~%时作用最佳,另外硅灰对提高混凝土后期强度的作用有限。采用半绝热法在温 度为?时对其进行连续天的测量,结果表明,混凝土加入硅灰后在初期硅灰表现 出较高的活性,促进了水化反应的进行。硅灰与水泥水化产物发生火山灰反应,提高了 混凝土的强度,增加了早期水化热量,综合考虑混凝土强度和水 化热的积累作者提出硅 灰最优掺量在%附近。 年,.等人口研究了波斯湾地区在炎热海洋环境中硅灰对氯离子在 混凝土中的扩散系数的影响。通过分析试件在个月,个月和个月来氯离子的扩散 坐銮型垫奎堂堂篁笙茎 堕堡 系数结果表明当硅灰掺量为.%时,氯离子的扩散系数得到降低,当硅灰掺量再增大时 对降低混凝土中氯离子的扩散作用不明显。 年, 对硅灰混凝土的渗透性做了研究,研究表明:混凝土结构耐 久性的退化,主要取决与混凝土的抗渗透能力,硅灰能显著改善混凝土的抗渗透能力, 是因为硅灰细化了混凝土中的孔径,减少了的含量,强化了水泥石与粗骨料间 过渡区界面结构,增加了混凝土的密实性。基于微观结构模型,通过考虑水胶比、硅灰 掺量、水化程度等主要因素的影响,开发了预测硅灰混凝土渗透能力的程序,通过程序 计算出的渗透率的值与现有文献验证,随后,对硅灰对混凝土渗透性能的影响进行评估。 年, 等【进行了硅灰对混凝土干燥收缩和抗冻性能的影响的研究,通过试 验结果表明,硅灰的掺入不利于混凝土的干燥收缩,与不掺硅灰的混凝土相比,掺有硅 灰的混凝土的干缩应变加大,而且随硅灰掺量的增加而增大,与此同时其抗冻性能也的 到显著改善,而且与硅灰掺量成正相关。 ..硅灰混凝土国内的研究现状 硅灰在我国的研究起步比较晚,上个世纪八十年代,首先由水电部第十工程局和东 北勘测设计院科研所第一次将硅灰混凝土运用于渔子溪二级电站的厂房中,通过实际应 用发现,掺有%~%的硅灰混凝土早期强度得到提高,对于掺有硅灰为.%的喷射混凝 土经检测表明其回弹量得到一定程度的降低。水利水电科学研究院对硅灰混凝土的抗空 蚀、抗冲磨以及硅灰水泥灌浆材料的性能进行了一系列的研究,并成功将其应用在潘家 口大坝修补工程、二滩水电站基础灌浆工程以及四川耿达电站泄洪洞修复工程中。南京 水利科学研究院在葛洲坝二江闸和映秀湾电站的闸底板修补工程以及龙羊峡泄洪道、大 伙房水库工程中都采用了硅灰混凝土,使用效果良好。年,在安康组织召开了第一 次全国性的硅灰混凝土会议“硅灰混凝土研究和应用技术”学术交流会,并组织编写了 《硅灰品质标准》进一步推动了硅灰混凝土的研究和应用。 年,同济大学杨全兵【对高性能混凝土的自收缩机理进行了研究,结果表明: 水胶比降低,混凝土内部的湿度也降低,自收缩值增大;但在用硅灰取代部分水泥掺入 后,混凝土内部湿度明显降低,自收缩值变大。 年,巴恒静、高小建【通过平板式约束收缩开裂试验方法研究了约束条件下硅 灰混凝土的早期开裂情况。结论如下:掺硅灰混凝土比不掺硅灰混凝土开始出现裂缝的 时间提前,出现的裂缝长度、宽度增大,裂缝条数多。硅灰掺量从%增加到%时,混 堕笙 坐奎型垫奎堂兰垡笙茎 凝土表面开始出现裂缝时间缩短,但裂缝宽度和数量并没有增加。 年,王文军等人【】将纳米硅灰应用于水泥土的改性研究。通过室内无侧限抗压 强度试验,探讨了龄期及纳米硅灰掺量对水泥土强度的影响;通过对水泥石试验和纳 米硅灰水泥土的测试,研究了纳米硅灰对水泥浆的改性效果和改性机理,分析了纳米 硅灰水泥土的微结构特点及微结构形成过程,提出纳米硅灰水泥土的主要固化机理为:火 山灰反应、填充效应、离子交换反应和水泥的凝结硬化。 年,薛航【】对硅灰混凝土在道路中的应用作了研究,通过对硅灰混凝土的强度 和经济性两方面的综合分析表明:硅灰在硅灰路面混凝土中的掺量存在一个最优值。掺 加~/的硅灰可以在提高混凝土抗折强度、极限拉应变、耐磨性能和抗冻性能的 同时还可以节约 %的材料费用,从而说明硅灰路面混凝土可实现良好的环境效益和经 济效益。 年,王铁锋等人【】进行了硅灰对轻骨料混凝土的耐久性能影响的研究,实验结 果表明,与普通轻骨料混凝土相比适量的硅灰可以增强轻骨料混凝土的抗冻性能,而且 其抗渗性能增强十分显著,但是也会引起混凝土较大的的收缩,对于硅灰掺量为%,龄 期为年的轻骨料混凝土,收缩率高出普通轻骨料混凝土%。 年,曾庆军等人【系统研究了掺入纳米硅灰的水泥土的强度和抗腐蚀能力,将 掺入量为%%的纳米硅灰的水泥土试件,分别放入纯水和硫酸盐溶液中进行养护,对 其进行无侧限抗压强度对比试验,得出纳米硅灰掺量对水泥土抗腐蚀能力及强度的影响。 结果表明,随着纳米硅灰掺量的增多水泥土抗腐蚀性能以及强度会变大,并且在硫酸盐 环境下比在纯水环境中纳米硅灰的火山灰效应会更明显,所以养护在硫酸盐溶液中纳米 硅灰水泥土强度比相同配比下养护在纯水中水泥土强度要高%%。 年,杨国庆、袁培【】等对不同硅灰掺量%、%、%对中等强度的混凝 土力学性能影响的试验研究,研究表明:抗压强度提高明显,当硅灰掺量为%时,混凝 土早期抗压强度增长明显,后期抗压强度增长较少,而硅灰掺量为%时,结论正好相 反;抗折强度提高显著,当硅灰掺量为%时,混凝土的早、后期强度比硅灰掺量为% 时有小幅的增长,而硅灰掺量为%时的后期强度则明显低于掺量为%和%时; 年,杨文武、钱觉时【等对在海洋环境下,硅灰对混凝土的抗氯离子扩散性以 及抗冻性进行了试验研究,通过研究表明:掺如硅灰只能提高混凝土的抗氯离子扩散性, 而对混凝土的抗海水冻融性能没有影响;但是在同时掺入硅灰和引气剂的情况下能同时 提高混凝土的抗冻和抗氯离子扩散性能;并且认为在硅灰掺量为%左右时对混凝土的 些銮型垫奎堂堂垡坠苎 堑笙 抗氯离子扩散和抗海水冻融综合性能作为最佳值。 年,莫志凡、林春娇【】等对拉会大桥预应力混凝土连续刚构桥采用的高性 能硅灰混凝土进行了试验研究,主要研究硅灰掺量对高性能混凝土的工作和易性、 抗氯离子渗透和抗碳化的影响。试验结果表明:掺入适量硅灰后不但能显著提高混凝土 抗碳化性能和抗氯离子渗透性能,而且改善了高性能混凝土的和易性。通过试验确定了 硅灰掺量为.%,此时制备的用于拉会大桥的高性能混凝土各方面性能都比较优 异,能满足设计和规范的要求。 年,王磊、杨华全【】等采用核磁共振谱和红外光谱研究了硅灰改善混凝土抗冲 磨性能的微观机理。结果表明硅灰的火山灰反应除了改变了水化硅酸钙的聚合度外,还 改变了胶体结构的分布,当硅灰与水接触后,硅灰颗粒中的共价键在碱性 环境中会发生断裂形成的水化硅酸根单体,它能够与水泥水化产生的氢氧根离子、钙离 子以及水化硅酸钙结合,形成聚合度更高的水化硅酸钙。从分子尺度上硅灰优化了水化 硅酸钙结构,使得水化硅酸钙结构有序性增强,从微米尺度上硅灰的火山灰反应增加了 水化硅酸钙堆积结构的密实度,改善了混凝土中浆体的性质,使浆体的胶凝性更强。这 样就从水化硅酸钙层面解释了硅灰改善混凝土强度以及抗冲磨性能的机理。 从国内外学者的研究成果归纳可以看出,对硅灰混凝土的研究还不是特别深入。硅 灰对混凝土的作用机理往往至从宏观角度加以说明,缺乏精确性的研究。水胶比、硅灰 掺量是影响混凝土强度的两个重要因素,现在我们只知道硅灰掺量大致在%~%之间 为合适值,但具体多少是最优掺量却没有明确的结论。硅灰混凝土的收缩是限制硅灰混 凝土在实际工程中全面推广的重要原因,硅灰掺入量是多少才能保证在限制硅灰混凝土 收缩率的前提下又不影响其它性能,也没有合理答案。另外,也没有找到有效的途径来 抑制硅灰混凝土的收缩。以往对硅灰混凝土在强度、抗渗性、抗冻性等方面的研究只限 制在单因素条件下,但其实际应用环境确是复杂的,因此,考虑在多因素交互作用下的 结果是非常必要的,也更具有现实意义。 .本课题的研究意义 首先,对硅灰混凝土的研究符合我国可持续发展战略,顺应时代发展的潮流。硅灰 作为冶炼硅铁和硅金属过程中产生的工业废料,加以收集后可作为高活性的矿物掺合料 配制混凝土,它的重新利用不仅减少了对环境的二次污染,保护了人体健康,而且为混 山东科技大学学位论文 绪论 凝土的绿色化提供了一条途径;另外,硅灰的掺入减少了水泥的用量,从而节约了生产 水泥所需的能源、资源消耗,并减少了水泥生产造成的粉尘、噪 声、水及空气环境污染, 尤其是减少了温室效应气体的排放,不仅改善了水泥厂的周边环境,还对减缓世界 气候恶化起到积极的作用。 其次,对硅灰混凝土的研究有着非常显著的经济效益。随着时代的发展混凝土工程 应用的环境也越来越复杂、恶劣,例如在我国沿海地区的混凝工程要面临海风、海水的 侵蚀,在东北地区要面对较低的温度下的冻害影响,很多工程在使用~年后就需要 维修或重建,我国混凝土工程的总量及单项工程量都变得越来越大,如此大的工程如果 因混凝土耐久性不足损坏重建,会给社会带来巨大的经济压力。将硅灰替代部分水泥配 制出的混凝土内部孔隙大量减少,孔径趋于细化,界面结构得到改善,界面过渡区得到 缩小,有效地提高了混凝土的耐久性,延长了混凝土结构的服务年限降低维修或重建费 用。 .本课题研究的主要内容 本课题通过实验研究方法,对硅灰混凝土的抗压强度、抗拉强度和开裂性能进行了 研究,主要研究内容如下: .研究硅灰对混凝土性能的影响以及在混凝土中的作用机理。 .研究不同水胶比、不同硅灰掺量对混凝土抗压强度、抗拉强度的影响。 .研究硅灰混凝土的收缩分类以及收缩开裂机理分析。 .研究不同水胶比、不同硅灰掺量对混凝土开裂性能的影响,并对抑制混凝土早期 开裂的方法作了探讨。硅灰基本性能研究 山东科技大学学位论文 硅灰基本性能研究 .硅灰的形成和种类 硅灰是工厂在冶炼硅或硅铁合金时排放出的一种工业废弃物,这种物质呈细微的颗 粒状而且质量很轻,如果不经过回收直接排放出去,很容易在空气中发生漂浮,对环境 产生一定的危害。但是经过收尘器回收之后,由于其含有大量的无定形的活性二氧化硅 颗粒,并且这种颗粒比表面积非常大,所以它具有很高的活性。目前硅灰经常被用于大 坝、水库、飞机场、高层建筑等工程中。我国对硅灰的研究历史还不长,但却是一个硅 工业大国,作为副产品硅灰的潜在资源也是巨大的。 ..硅灰的形成 在硅铁合金的冶炼过程中,石英石主要成分为会被生铁还原成单质硅,在 电炉?的高温下会有一部分硅以硅蒸汽的形式溢出进入烟道内,当硅蒸汽遇到烟道 中的氧气会生成一氧化硅,一氧化硅被排放到空气中再次与氧气发生反应生成二氧化硅 烟雾,由于空气中的温度较低,二氧化硅受冷凝结成细小的圆珠状颗粒,在经过收尘器 收集就是硅灰,形成过程见图.,通硅铁冶炼获得副产品硅灰的过程中发生的化学反 应有【】: . 气 . 气 . . 气 . 气 .硅灰基本性能研究 山东科技大学学位论文 : : 墅丛鳖塑 董扭 一一硅链金金 生鲑 图.硅灰形成示意图 .. 在冶炼过程中,会有一部分和以气体的形式散发出去,在上升过程中会遇到 空气中的氧气并发生氧化作用形成二氧化硅灰尘,其反应即: 气粉尘 气气 因为电炉中的温度非常高,原料中的其他一些物质也会以蒸汽的形式从烟道中散发 出去,在散发过程中会被氧化形成粉尘,但是这一部分物质的量是非常小的,所以在硅 铁生产过程中收集起来的细微粉尘粉尘是主要成分。 ..硅灰的种类 当生产的合金种类改变时,或原材料有变化时,硅灰的化学成分也发生变化。如果 合金中的含量较高,生产出的硅灰含有的的量也会比较高。不同硅灰的化学成 分如表.。 表.不同硅灰的化学成分 . . . . 白色 % % % .% % 泌 ~ .?. .?. .~. . . .. .?. .~. . . .. .. .?旬. . . .. .?. .~. . . .加. .?旬. .~. . .?. .~. .. . 山东科技大学学位论文 硅灰基本性能研究 .~. .~. .?. . . . .. .?. . 【 . .. . .~. .?. .. 烧失量 . .硅灰的物理化学性质 ..硅灰的化学成分 硅灰的主要成分是,一般占%~%,绝大部分是无定形二氧化硅,非晶态 含量越多,硅灰火山灰活性越大,一般来说作为混凝土掺合料的硅灰,含量低 于%它对混凝土的作用就很弱了。其它成分含量都比较少,氧化铁、氧化钙、氧化硫 的含量会随矿石的成分不同略有变化,一般不超过%,烧失量约为.‰%。 几个国家硅灰的化学成分【】见表.,由表.可以看出,含量平均为.‰ 其它氧化物含量为%左右,烧失量为.%。 表.不同国家地区硅灰的化学成分% . 国别烧失量 挪威 .. .?旬. .~. .. .?. .. .. .?. ~ .?. .~. .. .. .~. .. 瑞典 . . . . . . . 美国 .? .? .? .? .? .? .? .? 加拿大 ? . . . . . . . . . . . . 日本 . . . . . . ~ 英国 澳大利 . . . . 亚 上海 . . . . . . . . . . . 唐山 . . . . . . . 太原 . 北京 . . . . . .硅灰基本性能研究 山东科技大学学位论文 ..硅灰的化学性质 当硅灰与水接触后,由于比表面积极大对水具有较强的吸附能力, 硅灰表层会迅速 被水溶解,溶解了的硅灰会在水中积聚成团形成硅凝胶,水泥水 化产物之一会 和硅凝胶发生二次反应生成水泥石的主要物质水化硅酸钙,这一 过程除了使得水泥石中 有害物质含量明显减少,降低了混凝土发生碱骨料反应的几率外,而且还细化 了的晶粒,取向度得以降低,使界面薄弱区减少甚至消失,改善了混凝土的界 面结构:另外,硅凝胶还会和另外一种水泥水化产物高碱性的水化硅酸钙凝胶反应生成 低碱性的水化硅酸钙凝胶,使得硬化后的水泥石强度得到提高。 ..硅灰的物理性质 硅灰的颜色会随着含碳量不同从银白色变化到深灰色,硅灰的颗粒极其细微,呈球 形,最细颗粒小于.,平均粒径为.~.肛,约为水泥粒径的/,是一种 超细粉,图.是硅灰颗粒粒径分布曲线图【刚。 / // / 更 \ ./ 蛔 缸 梨 磉 蘸 /。 . . . . . . 粒径/ 图.硅灰粒径分布图 .. 硅灰与粉煤灰、矿渣以及水泥的物理性能比较见表.: 山东科技大学学位论文 硅灰基本性能研究 表. 硅灰与其它材料物理性能 . 项目 密度/ 烧失量% 比表面积/ .~. ~ 硅灰 粉煤灰 .~. ~ 矿渣 .~. .~. ~ 水泥 由表.可以看出硅灰的密度在./左右,堆积密度为.~./, 由于硅灰密度很小只有水泥的/,相对体积很大,所以硅灰运输是 很不方便 的,目前常用的方法有袋装运输,水化制浆运输,采用增密方法密 实后运输。硅灰 比表面积可达到~/,约为水泥的~倍,由于较大的比表面积使 %,需水量比为%。 其火山灰活性指标高达 硅灰是从蒸气受冷得到的,在这一过程中,硅灰由气相变为液相再转变成固相,在 相态的转变过程中,硅灰颗粒会受到表面张力的作用,在表面张力的作用下硅灰颗粒大 多都会呈圆球状。当硅灰作为掺合料加入拌合物中,硅灰颗粒就能起到滚珠的作用,这 样就能减少物料之间的摩擦力,使之在相同用水量的前提下能够具有相对优良的施工性 能。因为硅灰由气相变成固相这一过程是非常迅速的,温度梯度变化很大,生成的 来不及形成晶体,/旷%都呈现为玻璃态,由图.硅灰的射线衍射图谱显示为典 型的玻璃态特征的弥散峰,显然硅灰属无定形矿物。 口 图.硅灰的图谱.. 硅灰基本性能研究 山东科技大学学位论文 .硅灰的作用机理 ..硅灰的填充效应 人们在研究混凝土材料时,十分注意粗细集料的颗粒级配问题,级配好的集料具有 很好的填充性,但是人们通常会忽视混凝土中胶凝材料之间的颗粒级配问题。 我们知道骨料之间的颗粒级配问题是影响所配制混凝土强度的关键因素,水泥平均 粒径为~,硅灰平均粒径为..~.,水泥粒径约是硅灰粒径的倍,那么 在水泥中掺入硅灰就同在石子中掺入沙子一样的道理,根据计算就可以知道每一个水泥 粒子周围就会有十万个硅灰颗粒,这样就会会使得掺合料的颗粒级配更加合理,使混凝 土变得更为密实,抗渗性能更好;另外,硅灰颗粒有较大的比表面积,替代部分水泥之 后使得水泥浆体的粘聚性增大,可以吸附大量的自由水,集料的吸附水膜变薄,阻止了 水分在骨料表面下方聚集,提高了骨料界面区域的密实度。硅灰的这种物理填充作用被 称为“微粒填充”效应。 砂?国 口一/厶 水泥 水泥 掺藏水荆 掺硅粉和减水剂 普通砂浆 图.硅灰作用不意图.. 硅灰在砂浆中的填充效应可以用图.形象的说明,对于左边所示的普通水泥砂浆 来说,由于在水泥颗粒被周围水分包围,在水表面会产生表面张力,这种力迫使水泥颗 粒之间产生一定的缝隙,拌合物凝结硬化之后内部会变得不密实,在普通水泥砂浆中加 入减水剂,会使表面张力消失,水泥颗粒之间的排列变得紧密,但仍有空隙而且对砂粒 的包裹也不够密实,但对于同时加入减水剂和硅灰的水泥砂浆来说,由于硅灰颗粒比水 泥颗粒小得多,它会围绕在水泥颗粒周围使的拌合物颗粒级配更合理,水泥砂浆凝结硬山东科技大学学位论文 硅灰基本性能研究 化后孔隙大幅度减少强度增大。 因为孔是混凝土内部结构重要的组成部分,它在混凝土混凝土中的多少、大小以及 分布情况都会对混凝土自身的性能产生重大的影响。吴中伟院士按孔径对强度的不同影 响将混凝土中的孔进行了分类‘】如表. 表.混凝土中孔的分类 .类别 无害孔 少害孔 有害孔 多害孔 孔径 由表.可以看出,在混凝土中如果能够增加无害孔和少害孔的数量,减少有害孔 尤其是大于的多害孔的数量,就能是混凝土的微观结构得到改善,提高混凝土的 性能。 ..等对水胶比为.,并掺有,%,%的硅灰的硬化水泥石进行水银压 孔试验得到的孔分布曲线见图.。 \, \鼷蛞基峨 孔径/ 图.硅灰砂浆的孔径分布 .. 从图.可以看出,大于以上的孔只占极少部分,大部分孔分布于, 特别是掺入硅灰后,使得孔径分布向着更小孔径的方向移动,掺%的硅灰比掺%的 移动更多,使得硅灰混凝土孔径细化,同时从图中也可以看出掺入硅灰后,总孔隙率也 有所降低。 山东科技大学学位论文 硅灰基本性能研究 ..硅灰的火山灰效应 硅酸盐水泥主要有四种矿物成分组成,即硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸 三钙以及铁铝酸四钙,含量见表.。 表.硅酸盐水泥的矿物成分 .矿物名称 分子式 缩写 含量% 硅酸三钙 硅酸二钙 ~ ~ 铝酸三钙铁铝酸四钙 ?。 水泥中和在含量占水泥矿物成分的%,首先与水发生反应生成钙硅比为 ..的高碱度/.者水化硅酸钙和游离石灰,其反应式如下: 随着水化反应的进行,水化产物之一的含量会逐渐增多,当其达到过饱和 状态时,其中一部分就会析出并且会围绕在水泥颗粒周围使水化反应变慢。将 硅灰替代部分水泥作为配制材料后,由于硅灰中含有大量的高活性的一方面它会与 水泥水化产物之一的发生反应,生成低碱度的水化硅酸钙凝胶,溶液中 的浓度降低,水化反应的速度加快。另一方面硅灰还能与水化水 泥浆体的另一种产物高 碱性水化硅酸钙凝胶..反应,生成低碱性的新硅酸钙凝胶?.,其反应式 如下: ..一..一.. .. 一..低碱性??与高碱性..的组成和性质均不同,与高碱性的..相比,低碱 性的特点是晶粒细小,所以由它衍生出的连生体的接触点会很多,因此低碱性 ..的强度较高;而由高碱性.。粗大晶粒所组成的连生体,其接触点大大减少, 所以其强度较低。并且低碱性水化硅酸钙凝胶体在弱酸溶液中不容易发生分解,因而硅 灰混凝土能够有效地削弱甚至消除发生碱一硅酸反应的危害,它具有一定的抗弱酸腐蚀 能力。 山东科技大学学位论文 硅灰基本性能研究 ..硅灰的界面效应 混凝土是由胶凝材料和粗细骨料胶结在一起的人造石材,我们把骨料与硬化水泥浆 体之间存在着广阔的交界面称之为混凝土的界面过渡区,这部分 区域也是混凝土最薄弱 的环节,所以界面过渡区的好坏成为影响混凝土的强度以及耐久性的重要因素。 近代的研究认为:在混凝土中成型过程中,水泥浆体中水的内聚力通常会小于亲水 集料对水的吸附力,所以在集料的表层会形成一层吸附水膜,这部分区域的水胶比也会 大于水泥浆体自身的水胶比,此外,水泥浆体也会产生泌水,浆体中的水分会向上迁移, 由于集料的阻挡水分会积聚于骨料下方,当水泥浆体凝结硬化后,过渡区的强度就会小 于混凝土其它部分的强度,成为混凝土的薄弱区。而且,对于凝结硬化之后混凝土在其 过渡界面上往往会富集大量的钙矾石以及颗粒较为粗大的板状晶体,钙矾石具 有很大的膨胀性,晶体排列松散强度不高,在外力作用下容易形成裂缝,另外, 在遭受侵蚀时,也往往会从界面过渡区开始。将硅灰作为掺合料加入混凝土中后,由于 硅灰比表面积非常大所以水泥浆体对水吸附能力增强,这样就在一定程度使得骨料表面 的水膜变薄,降低的过渡区域的水胶比使其强度得到提高,同时, 由于硅灰的火山灰效 应减少了的数量,并使其晶粒的尺度得到细化,而较多的硅酸钙凝胶得以填充 在混凝土界面过渡区,增强了水泥石同骨料之间的粘结力,我们将硅灰的这种作用称之 为“界面