井壁混凝土用低熟料胶凝材料性能及其微结构研究

发布时间：2018-02-20 21:51

本文关键词： 低熟料井壁混凝土绝热温升水化产物孔结构　出处：《北京科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：井壁混凝土强度高,体积大,胶凝材料多由高强度等级水泥(52.5水泥及以上)和矿井专用外加剂组成,水泥用量大(单方水泥用量一般都高于400kg/m3)。近年来,水泥的颗粒越磨越细,比表面积也越来越大。造成井壁混凝土在浇筑过程中,水化速度快,水化热大,水化温度高,存在较大的温度应力。井壁混凝土强度表现为早期高,后期强度增长乏力,浇筑过程中体积稳定性不良,易开裂,严重影响了井壁混凝土的耐久性。本文通过对内蒙某矿井井壁混凝土施工过程中的温度监测以及黄淮地区某矿井井壁混凝土的腐蚀破坏分析,在了解井壁混凝土及其所用胶凝材料特点的基础上,提出采用“低比表面积,低熟料用量；高比表面积,高矿物掺合料量,优化SO_3含量,一体化复合外加剂”的技术路线制备适于井壁混凝土的低熟料胶凝材料。对这种低熟料胶凝材料及其硬化体的力学性能、体积稳定性发展规律进行了研究。对其水化放热特性、绝热温升以及温度应力进行了试验研究,在基于低熟料胶凝材料组成和水化放热特性的基础上,优化和建立低熟料胶凝材料水化放热量计算方法,结合试验数据对混凝土的绝热温升和温度应力进行了数学计算。对低熟料胶凝材料井壁混凝土在侵蚀环境下的抗侵蚀性能进行了研究。采用压汞法、低温氮气吸附法对低熟料胶凝材料硬化体的微观孔结构特征和发展规律进行了研究,结合XRD、TG-DTA和SEM对其水化生成物和水化形貌进行了观察和分析。主要研究结论如下：(1)高强度大体积井壁混凝土在浇筑入模后24h,温度迅速攀升,超过80℃,过高的温度产生大的应力梯度,对混凝土的体积稳定性造成剧烈影响。黄淮地区矿井井筒服在役近30年后,SO_4~(2-)、Cl~-、Na~+、HCO_3~-离子给井壁混凝土造成了溶解性和结晶性腐蚀,水化产物中的CH、AFt被耗尽,C-S-H被分解,生成了Na_2SO_4、NaCl等结晶体,在混凝土外侧生成了无胶凝性的硅胶和结晶度差的CaCO3。(2)以“低比表面积,低熟料用量;高比表面积,高矿物掺合料量,优化SO_3含量,一体化复合外加剂”的技术路线制备井壁混凝土用低熟料胶凝材料,熟料用量(比表面积310m~2/kg)40%,粉煤灰20%,矿渣粉20%,石灰石粉20%,外加剂1.3%条件下,90d胶砂抗压强度最低46MPa,抗折强度7.6MPa。熟料用量70%,粉煤灰10%,矿渣粉20%,外加剂0.7%条件下,90d胶砂抗压强度高达63MPa,抗折强度9.2MPa。C30、C50、C70低熟料胶凝材料井壁混凝土长龄期最低强度为36.9MPa,57.3Mpa,78.5MPa,优于同样龄期条件下的普通水泥混凝土。低熟料胶凝材料硬化体强度随龄期发展持续增长。低熟料胶凝材料胶砂试件180d收缩率在0.06～0.09%之间,混凝土3d非接触收缩率在0.008～0.024%之间,接触式收缩率在0.039～0.071%之间,收缩率较低。低熟料胶凝材料井壁混凝土的开裂时间和裂缝宽度要晚于和小于对应强度等级的普通水泥混凝土,表现出更好的体积稳定性。(3)不同系列低熟料胶凝材料72h最大放热速率为5.07,4.77,3.80J/gh,累计放热量为210,181,155J/g,低于传统井壁混凝土用胶凝材料的最大放热速率(10.04,7.82,9.70J/gh)和累计放热量(293,256,259J/g)。C30、 C50、C70的144h绝热温升值为46℃,51℃和58℃低于对应强度等级的普通水泥混凝土1～6℃,温度—应力关系表明,低熟料胶凝材料混凝土的开裂产生的温度应力为0.7-1.2MPa。采用基于低熟料胶凝材料的水化放热量计算方法对井壁混凝土的绝热温升和温度-应力进行了模拟计算,计算结果与试验结果基本一致。(4)低熟料胶凝材料井壁混凝土在侵蚀环境中的抗硫酸盐侵蚀性、抗碳化性、抗氯离子渗透性更加优异。(5)180d低熟料胶凝材料浆体孔结构,200nm以上大孔降低显著,从3d的最高比例75%降低至16%,20nm以下微孔增多明显,从3d最低比例8%增至最高25%,平均孔径随着龄期的增长逐渐降低,从3d的18nm左右降低至180d的7-9nm,孔形貌为典型的平行板壁狭缝状开口毛细孔。低熟料胶凝材料井壁混凝土的孔隙率,孔径分布更为合理,孔体积,孔面积及平均孔径均低于普通水泥混凝土。低熟料胶凝材料的水化产物界面结构更加密实且水化产物中能够发现C_3S和C_2S,水化仍在持续进行,水化生成物C-S-H为Ⅲ型C-S-H,水化产物中Ca(OH)_2量降低明显。
[Abstract]:Based on the characteristics of low specific surface area , low clinker consumption , high specific surface area , high mineral admixture , high specific surface area and high specific surface area , this paper studies the microstructure and hydration morphology of concrete with low specific surface area , low clinker consumption , high specific surface area , high mineral admixture , and high specific surface area . The results show that the compressive strength of 90d cement is lower than that of ordinary cement concrete with low specific surface area , low clinker consumption , high specific surface area , high mineral admixture content and optimized SO _ 3 content . ( 5 ) The pore size distribution is more reasonable , the pore volume , the pore area and the average pore size are lower than that of ordinary cement concrete . The hydration products interface structure of the low - clinker cementing material is more compact and the hydration products can find C _ 3S and C _ 2S . The hydration products C - S - H are of type III C - S - H , and the amount of Ca ( OH ) _ 2 in the hydrated product is reduced .

【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD262

【参考文献】