廢渣特性及其多元復(fù)合對(duì)水泥基材料高性能的貢獻(xiàn)與機(jī)理.pdf

1、本文首先針對(duì)人壩混凝土使用性能與特點(diǎn)，充分論證了三峽二期工程人壩混凝土摻用Ⅰ級(jí)低鈣粉煤灰，不僅不會(huì)帶來負(fù)面效應(yīng)，而且有效提高了混凝土的抗裂性、體積穩(wěn)定性和耐久性，這將有利于提高三峽大壩的服役壽命，并揭示了產(chǎn)生這一結(jié)論的細(xì)觀和微觀機(jī)理。但是，低鈣粉煤灰特有的低活性、低CaO含量使得混凝土的早期強(qiáng)度和抗碳化性能隨粉煤灰摻量增加而降低。對(duì)三峽大壩這類設(shè)計(jì)強(qiáng)度齡期長(zhǎng)(90d)、保護(hù)層厚的非配筋結(jié)構(gòu)，這并不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。但對(duì)于大量的其它配筋結(jié)構(gòu)

2、用高性能混凝土而言，低鈣粉煤灰降低混凝土早期強(qiáng)度和抗碳化能力卻是急待解決的關(guān)鍵技術(shù)和理論問題。 本文針對(duì)上述問題，通過對(duì)四種不同活性、不同CaO含量工業(yè)廢渣，即磨細(xì)礦粉、高鈣粉煤灰、超細(xì)低鈣粉煤灰、Ⅰ級(jí)低鈣粉煤灰對(duì)水泥基材料減水效果、早期強(qiáng)度和抗碳化能力的影響規(guī)律及機(jī)理的研究，提出可以在不使用任何化學(xué)激發(fā)劑和特殊工藝的情況下，通過降低水膠比，充分發(fā)揮不同性質(zhì)廢渣復(fù)合所具有的互補(bǔ)效應(yīng)，使低鈣粉煤灰應(yīng)用于結(jié)構(gòu)混凝土存在的主要問題得到

3、有效解決。進(jìn)一步研究了不同性質(zhì)廢渣及其復(fù)合對(duì)低水膠比水泥基材料體積穩(wěn)定性的影響規(guī)律，探討了水泥基材料化學(xué)減縮、干燥收縮和自生收縮問的定性和定量關(guān)系，提出了能夠正確評(píng)估不同性質(zhì)廢渣對(duì)低水膠比水泥基材料自生收縮影響程度的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用單純形重心設(shè)計(jì)方法在混凝土力學(xué)性能和廢渣復(fù)合比例、齡期間建立了定量的數(shù)學(xué)解析式，從而提高了多元復(fù)合廢渣混凝土配合比設(shè)計(jì)的科學(xué)性，并實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土性能的科學(xué)預(yù)測(cè)。最后提出了能夠正確模擬不同性質(zhì)廢渣復(fù)合產(chǎn)生的疊

4、加效應(yīng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)(漿體孔隙率)和性能(混凝土抗壓強(qiáng)度)貢獻(xiàn)的數(shù)學(xué)模型。 1.低鈣粉煤灰摻量對(duì)大壩混凝土性能的影響：由于低鈣粉煤灰的減水效應(yīng)及水化7d開始發(fā)生的火山灰反應(yīng)細(xì)化孔徑和密實(shí)界面結(jié)構(gòu)作用，粉煤灰大壩混凝土的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率、折壓比、抗凍性均隨粉煤灰摻量的增加而提高，干縮應(yīng)變值則隨粉煤灰摻量的增加而降低，并可用回歸方程來定量描述粉煤灰摻量和齡期與干縮應(yīng)變值、抗凍性指標(biāo)的關(guān)系。這充分說明通過大摻量I級(jí)低鈣粉煤灰，并復(fù)合使用高

5、效減水劑和引氣劑，可以在低水泥用量、低用水量，低水膠比的情況下，配制出具有高抗裂性、體積穩(wěn)定性和耐久性的水工高性能混凝土，且不存在“缺鈣”的問題。但是，粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度和抗碳化性能隨粉煤灰摻量的增加而降低。 2.廢渣減水特性及其互補(bǔ)效應(yīng)：廢渣取代水泥量較高時(shí)，廢渣的減水效果按高鈣粉煤灰、磨細(xì)礦粉、Ⅰ級(jí)低鈣粉煤灰、超細(xì)低鈣粉煤灰的順序降低。廢渣的減水效果與其自身的顆粒形貌、玻璃體活性、密度、比表面積、堆積密度、平均粒徑等參數(shù)

6、有密切的關(guān)系。高鈣粉煤灰和低鈣粉煤灰或磨細(xì)礦粉復(fù)合時(shí)，高鈣粉煤灰優(yōu)異的減水效果可彌補(bǔ)其它廢渣單獨(dú)取代水泥時(shí)對(duì)新拌漿體流動(dòng)性的負(fù)面影響，提高其它廢渣在復(fù)合膠凝材料中所占的比例。磨細(xì)礦粉與高效減水劑復(fù)合使用時(shí)表現(xiàn)出來的減水效果使得它和超細(xì)低鈣粉煤灰復(fù)合時(shí)也表現(xiàn)出互補(bǔ)效應(yīng)，粉煤灰改善了礦粉泌水性大的問題，而礦粉也改善了超細(xì)粉煤灰比表面積大帶來的漿體粘度增加的問題。 3.廢渣早期活性及其互補(bǔ)效應(yīng)：廢渣早期活性高低是影響水泥基材料早期強(qiáng)度

7、的主要因素。通過環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)對(duì)不同廢渣顆粒早期水化產(chǎn)物和結(jié)構(gòu)形成過程的連續(xù)觀察，以及對(duì)漿體中硅酸鹽和鋁酸鹽產(chǎn)物結(jié)合水量、火山灰反應(yīng)開始消耗CH的時(shí)間及火山灰反應(yīng)程度的計(jì)算分析，得出廢渣早期活性按磨細(xì)礦粉、高鈣粉煤灰、超細(xì)低鈣粉煤灰、I級(jí)低鈣粉煤灰的順序遞減。磨細(xì)礦粉水泥砂漿的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率不如粉煤灰水泥砂漿，但其后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨磨細(xì)礦粉取代水泥量的增加而提高；粉煤灰和磨細(xì)礦粉復(fù)合時(shí)，可以充分發(fā)揮磨細(xì)礦粉對(duì)早期強(qiáng)度和粉煤

8、灰對(duì)后期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，既提高單摻粉煤灰時(shí)材料的早期強(qiáng)度，又可提高單摻磨細(xì)礦粉時(shí)材料后期強(qiáng)度的增進(jìn)率。 4.ESEM對(duì)不同礦物質(zhì)顆粒早期水化過程的觀察表明，早期水化產(chǎn)物首先出現(xiàn)在孔隙中，在礦物顆粒表面出現(xiàn)的時(shí)間遵從水泥、磨細(xì)礦粉、高鈣粉煤灰、低鈣粉煤灰的順序，這一結(jié)論和長(zhǎng)期以來認(rèn)為粉煤灰促進(jìn)水泥早期水化是由于粉煤灰顆粒早期是水化產(chǎn)物成核中心，粉煤灰水泥漿體中水化產(chǎn)物首先在粉煤灰顆粒表面生成的觀點(diǎn)有很大不同。 5

9、.廢渣抗碳化能力及其互補(bǔ)效應(yīng)：影響廢渣水泥基材料抗碳化能力的主要因素是漿體的堿儲(chǔ)備量(用漿體CH含量來表征)、孔隙率和抗?jié)B性，在相同水泥取代量的情況下，磨細(xì)礦粉水泥漿體的堿儲(chǔ)備量遠(yuǎn)高于粉煤灰水泥漿體，高鈣粉煤灰的火山灰反應(yīng)需消耗CH，因此，其漿體中的CH含量并不比低鈣粉煤灰高，孔隙率和滲透性按磨細(xì)礦粉、高鈣粉煤灰、超細(xì)低鈣粉煤灰、I級(jí)低鈣粉煤灰順序提高，因此，抗碳化能力也依此順序降低。通過提高粉煤灰中的CaO含量無法提高水泥基材料的抗碳

10、化能力，而采用磨細(xì)礦粉和粉煤灰復(fù)合是提高廢渣水泥基材料抗碳化能力最經(jīng)濟(jì)有效的方法。 6.廢渣對(duì)低水膠比水泥基材料體積穩(wěn)定性的影響：廢渣取代水泥后，早期自生收縮比基準(zhǔn)水泥材料低，后期對(duì)自生收縮和干燥收縮的作用受到廢渣自身活性和取代水泥量的影響。磨細(xì)礦粉與低鈣粉煤灰復(fù)合可彌補(bǔ)低鈣粉煤灰大摻量取代水泥時(shí)干縮增加過大的問題。高鈣粉煤灰因含有一定量的高活性f-CaO，其在早期水化產(chǎn)生的膨脹將對(duì)自生收縮和干燥收縮產(chǎn)生補(bǔ)償作用，尤其對(duì)自身收

11、縮的補(bǔ)償效果更明顯。因此，采用高鈣粉煤灰和水泥及其他活性膠材組成多元復(fù)合膠材是降低低水膠比水泥基材料自身收縮和干燥收縮的一個(gè)有效措施。水泥基材料所有齡期的自生收縮都比干燥收縮小，但自生收縮在干燥收縮中所占的比例隨加水時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低?；貧w模型能夠很好地反應(yīng)隨時(shí)間延長(zhǎng)，水泥基材料自生收縮在總干燥收縮中所占的比率，系數(shù)a和b分別反映了不同性質(zhì)廢渣及其復(fù)合在早期及隨齡期延長(zhǎng)對(duì)自生收縮和干燥收縮的影響程度。不同性質(zhì)廢渣對(duì)自生收縮產(chǎn)生的正負(fù)效

12、應(yīng)，可通過測(cè)定廢渣水泥基材料各齡期的非蒸發(fā)水量和壓汞曲線，利用模型來評(píng)估。 7.為了提高多元復(fù)合廢渣混凝土配比設(shè)計(jì)的科學(xué)性和實(shí)現(xiàn)對(duì)多元復(fù)合廢渣混凝土性能的科學(xué)預(yù)測(cè)，采用單純形重心設(shè)計(jì)法對(duì)水泥一磨細(xì)礦粉一高鈣粉煤灰、水泥一磨細(xì)礦粉一超細(xì)低鈣粉煤灰、水泥一高鈣粉煤灰一超細(xì)低鈣粉煤灰和水泥一高鈣粉煤灰l級(jí)低鈣粉煤灰四個(gè)系列混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度與其膠凝材料復(fù)合比例、齡期間的定量關(guān)系進(jìn)行了研究。大摻量復(fù)合廢渣高強(qiáng)混凝土在沒