基于自收缩性能的复合硅酸盐水泥优化设计及机理研究

发布时间：2018-03-12 22:52

  本文选题：复合水泥　切入点：体积稳定性　出处：《华南理工大学》2014年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：利用工业废渣作为辅助性胶凝材料生产复合水泥，不仅消除了废渣堆积和处理过程所造成的环境负荷，还可显著降低水泥生产过程中资源、能源消耗和CO2排放量。更重要的是，利用辅助性胶凝材料与水泥熟料在组成、水化活性等特性上的差异，可改善复合水泥浆体的体积稳定性，进而提高混凝土结构的耐久性和服役寿命，而这些优异性能是硅酸盐水泥基材料所不具备的。目前，众多学者研究了辅助性胶凝材料种类、掺量对复合水泥浆体变形的影响，虽获得了一些实用性较强的研究成果，但均未从本质上揭示复合水泥浆体变形的影响因素及作用机理。本文通过调控辅助性胶凝材料颗粒分布改变复合水泥浆体初始堆积状态和水化进程，研究了复合水泥浆体变形的影响因素及作用机理，以期建立基于体积稳定性的复合水泥优化设计方法。 研究了粒度对硅酸盐水泥、矿渣、粉煤灰浆体变形的影响，为调控和优化复合水泥浆体变形奠定基础。结果表明：随胶凝材料粒径的减小，硅酸盐水泥、矿渣、粉煤灰的化学收缩逐渐增加，细粒度区间（D50=1.88μm）水泥的14d化学收缩为7mL/100g，约为粗粒度区间（D50=34.07μm）水泥的两倍。当胶凝材料粒度相同时，硅酸盐水泥的化学收缩远高于矿渣的化学收缩，而矿渣的化学收缩远高于粉煤灰的化学收缩。例如：D50=1.88μm水泥14d的化学收缩（7mL/100g），比D50=1.80μm矿渣14d化学收缩（2.8mL/100g）大。随水胶比的减小，硅酸盐水泥浆体的自收缩逐渐增大。随粒径的减小，硅酸盐水泥浆体的自收缩大幅度增加。例如，在标准稠度下，粗粒度区间（D50=34.07μm）硅酸盐水泥浆体的14d自收缩为300μm/m，中粒度区间（D50=8.40μm）硅酸盐水泥浆体的14d自收缩为1200μm/m左右，而细粒度区间（D50=1.88μm）硅酸盐水泥浆体的14d自收缩为4000μm/m左右，说明粒度对硅酸盐水泥浆体的自收缩具有非常显著的影响。 按照水泥熟料与辅助性胶凝材料优化匹配原则，将细粒度区间（D50=1.88μm）、中粒度区间（D50=8.40μm）和粗粒度区间（D50=34.07μm）水泥熟料替代为相应粒度区间辅助性胶凝材料，制备了低熟料用量级配复合水泥，同时参照工业化生产过程，将不同粒度区间辅助性胶凝材料直接掺入到硅酸盐水泥中，制备了参比复合水泥。对比研究了辅助性胶凝材料粒度对两种复合水泥浆体变形的影响： （1）矿渣-硅酸盐水泥体系中，随着矿渣粒度的减小，参比复合水泥的强度逐渐增大，其化学收缩和自收缩大幅度增加（特别是水化早期）。当在硅酸盐水泥中掺入33%（体积比）细粒度区间（D50=1.88μm）矿渣时，参比复合水泥浆体的自收缩较硅酸盐水泥浆体的几乎没有降低。采用细粒度区间矿渣替代细粒度区间水泥熟料，制备的级配复合水泥早期强度虽然略低于硅酸盐酸水泥，但是其28d强度却高于硅酸盐水泥的。虽然该级配复合水泥的化学收缩略高于硅酸盐水泥的，但其早期和后期自收缩却远低于参比复合水泥的自收缩。例如，参比复合水泥（PII+Gf）浆体的3d和14d自收缩分别约为1500μm/m和2000μm/m，级配复合水泥（GCC）浆体的3d和14d自收缩分别约为800μm/m和1500μm/m。因此，在保证复合水泥力学性能的前提下，级配复合水泥浆体早期变形远低于硅酸盐水泥和参比复合水泥，非常有利于改善复合水泥基材料塑性收缩开裂和耐久性。 （2）粉煤灰-硅酸盐水泥体系中，随粉煤灰粒度的减小，参比复合水泥的3d强度均较低且变化不大，但是其28d强度却逐渐增大，但仍远低于硅酸盐水泥的强度；级配复合水泥3d强度逐渐减小，28d强度变化不大。值得注意的是，粉煤灰大幅度降低了复合水泥的化学收缩和自收缩。硅酸盐水泥浆体的14d自收缩为1700μm/m，而级配复合水泥（FCC）浆体的14d自收缩仅为500μm/m，说明粉煤灰的掺入虽然降低了复合水泥的强度，但显著改善水泥浆体的变形。 为改善复合水泥浆体的体积稳定性，对复合水泥的组成进行了优化设计。在细粒度区间复合掺入矿渣和粉煤灰，可在保证复合水泥力学性能的前提下，显著改善级配复合水泥浆体的体积稳定性。例如，（2/3G+1/3F）CF复合水泥的早期强度虽然较低，但其28d强度（45Mpa）较高，接近硅酸盐水泥28d的强度，特别是其早期化学收缩和自收缩远低于硅酸盐水泥的，说明级配复合水泥的体积稳定性得到了显著改善。其机理在于：硅酸盐水泥浆体早期强度发展快、后期强度高，同时其早期收缩也较大，在塑性阶段易出现开裂，进而影响其耐久性和服役寿命。参比复合水泥浆体虽然收缩量较低、收缩速率较慢（与硅酸盐水泥浆体相比），但其强度发展较慢、后期强度也较低，其强度和收缩发展趋势与硅酸盐水泥浆体的基本一致，因此，参比复合水泥的体积稳定性并未得到本质改善。与硅酸盐水泥浆体相比，级配复合水泥浆体的强度发展也较快、后期强度较高，但其收缩量较小、收缩速率较慢，因此，，级配复合水泥的体积稳定性得到了显著改善。本研究成果为改善复合水泥基材料的体积稳定性奠定了基础，有利于混凝土结构耐久性和服役寿命的提高，具有重要的学术价值和实际意义。
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【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ172.71

【参考文献】

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本文编号：1603656