范文一:复合矿物掺合料活性指数检测方法的研究
复合矿物掺合料活性指数
检测方法的研究
阮炯正,王欢欢,朱会荣
(吉林建筑大学 材料学院,吉林 长春 13011)8
摘要:介绍了一种混凝土复合矿物掺合料活性指数的检测方法,采取复合矿物掺合料等体积替代水泥检测混凝土复合矿物掺 合料的活性指数,按此方法检测可以合理地解决复合矿物掺合料因密度波动对复合矿物掺合料活性指数产生的影响,进而可以将 不同矿物掺合料的活性指数检测方法统一,有利于扩大工业废弃物资源利用的范围,便于复合矿物掺合料产品标准的设立及应用。
关键词:复合矿物掺合料;活性指数;检测方法;等体积替代
中图分类号TU502: 文献标识码:A 文章编号1001:-702(X201)308-0005-04
Study on detection method of activity index of concrete composite admixture
RUAN Jiongzhen,WANGg Huanhuan,ZHU Huirong
(College of Material,sJilin Jianzhu Universit,Changchuyn 13011,Jili8n,China)
Abstract:A new detection method of activity index of concrete composite admixture is described. Specifically ,cement is re, placed with an equal volume of compound mineral admixture to detect activity index of concrete composite admixture. negative The effects in activity index measurement due to density change of compound mineral admixture can be eliminated with this method , and then,different detection methods of concrete composite admixture can be unified ,which is benefit for resource utilization of industrial wast,eand contributes to establishment and application of standards in concrete composite admixture product.
Key word:sconcrete composite admixtur;activity e inde;detection x metho;replaceddwith an equal volume
标准,对矿物掺合料的生产、使用起到了积极的促进作用。因0 引言 不同矿物掺合料复合掺配使用会产生相互补充促进的作用,
更能有效地提高混凝土的性能以及经济效益。所谓的复合矿 随着高性能混凝土技术在我国大范围地推广,人们已经逐物掺合料是指由 2 种或 2 种以上矿物掺合料按一定比例复合 渐意识到混凝土矿物掺合料的使用已经不仅仅是取代部分水 后的粉体材料,由此产生了胶凝材料的复合效应,如诱导激活 泥、节约能源以及减少工业废渣对环境影响的问题,它已经成 效应、表面微晶化效应和界面耦合效应等,克服了单一矿物掺 为现代混凝土的重要组成部分,是提高混凝土耐久性不可或缺 合料的诸多不足,大量实验证实,由粉煤灰和矿渣等矿物构成 的技术手段之一。为此我国相继出台了 GBJ 148—199《0粉煤 的复合矿物掺合料替代一定数量水泥时,水泥胶砂抗压强度
甚至可以比其中任何一种单独使用还能提高 15%以上,利用 灰混凝土应用技术规范》、JG/T 3048—199《8混凝土和砂浆用
不同性能掺合料配制具有不同功能的复合矿物掺合料,拌制 天然沸石粉》、GB/ T1804—6200《0用于水泥和混凝土中的粒 不同性能要求的混凝土,如抗渗混凝土、抗裂混凝土等。所以, 化高炉矿渣粉、GB/ T1873—62002高强高性能混凝土用矿 》《矿物掺合料复合使用必将会成为混凝土掺合料技术今后的发 物外加剂》、CECS 207:200《6高性能混凝土应用技术规》、 程展方向,为此,如何生产和合理使用复合矿物掺合料提出了更 JGJ 55—201《1普通混凝土配合比设计规》等一系列规范及程 高的技术要求。 可以预期,未来混凝土生产要充分有效地运用复合矿物
掺合料技术,解决提高混凝土性能与生产效益的矛盾,但在推 基金项目:吉林省科技发展计划项目(20096037)
收稿日期:2013-01-15 广和使用复合矿物掺合料时,存在一个长期困扰混凝土技术 作 者 简 介 :阮 炯 正 ,男 ,1956 年 出 生 ,吉 林 长 春 人 ,教 授 。 工作者的问题,即如何合理评定复合矿物掺合料的活性指数,
? 5 ? N EW BU ILDIN G M ATERIAL S
阮炯正~等:复合矿物掺合料活性指数检测方法的研究
目前世界各国普遍采用单一矿物掺合料的活性指数检测方法同其密度也不同,若复合矿物掺合料采用同样的质量替代水
泥,必然会导致胶浆体积不同,因此用不同体积的胶浆制备胶 来检测复合矿物掺合料活性指数,常用的做法是将符 ISO 合砂试件来评定复合矿物掺合料的活性指数不够合理,这也可 的胶砂强度试件与掺有一定复合矿物掺合料以等质量取代水 能是我国至今还没有出台关于复合矿物掺合料应用技术规范 泥的胶砂试件的抗压强度相比,以这 2 个强度的比值定义为 的原因之一 。复合矿物掺合料活性指数,因为复合掺合料的密度波动幅度 为了说明等体积法和等质量法检测复合矿物掺合料活性 很大,所以按规定质量的矿物掺合料掺入水泥评定复合掺合 指数的不同,可以假设复合矿物掺合A 由 90%料的粉煤灰 和料活性不够合理,特别是密度变化幅度很大的掺合料如粉煤 10%的矿渣组成,复合矿物掺合B 由 10料 %的粉煤灰和90% 灰,在日本标准中,活性试验胶浆是粉煤灰等质量取25% 代 的矿渣组成,这 2 种复合矿物掺合料均符合我国目前关于复
水泥。在英国标准中试验方法要求粉煤灰等质量取代 30%水 合矿物掺合料的定义。
泥。美国标准 ASTM C 311要求等体积取代 35%的水泥(如果 若复合矿物掺合料均采用等质量取50%水泥来代 评定 3粉煤灰密度在 2.2:2.3 g/cm,等量取 代25%),在法国标准中 这 2 组复合掺合料的活性指数,实际上掺入的复合掺合料体 试验方法要求火山灰等质量取代 25%。美国粉煤灰掺合料活 3积相差很大。假设粉煤灰的表观密度为 2.2 g/cm,矿渣的表观 性检测标准中,考虑了因粉煤灰密度的不同代替水泥而采用 33密度为 2.8 g/c,m硅酸盐水泥的表观密度3.1 为g/c ,m水泥用 规定体积是合理的。至于复合矿物掺合料因其密度变化更具 量按照 GB/T 17671—199《9水泥胶砂强度检验方ISO)法法》(
有不确定性,所以至今未见复合矿物掺合料活性指数的检测 规定的 450 计算g 。
方法的相关报道。 复合矿物掺合 A 的体积料45:×045%?2.2+45×50%?2.8 = 3 100.0 cm;复合矿物掺合 B 的体积料45:0×45%?2.8+45×5%01 等体积替代水泥检测复合矿物掺合料 33 ?2.2=82.5 cm这 2 组复合掺合料产生 17.5 cm的体积差别, 。活性指数的可行性 3若以实际替代的水泥体积:45×050%?3.1=72.5 cm,则造成的 目前我国矿物掺合料规范介绍活性指数的检测方法具体 相对体积差异可达 24.1,存在这样大的体积差异依然采用% 为:粉煤灰等质量取30代%水泥 ,矿渣等质量取50%水代 泥 等质量取代水泥评定复合掺合料活性指数显然不够合理。若 制备胶砂试件,与不掺矿物掺合料的水泥胶砂试件的标准抗
复合矿物掺合料采用等体积替代水泥来评定复合掺合料的活 压强度进行比较得到。目前我国还没有出台复合矿物掺合料
性指数则可以很好地解决上述问题。 活性指数的检测方法,这主要是因为采用等质量取代水泥
检测复合矿物掺合料活性指数的做法不符合实际,复合矿 按目前规范要求的粉煤灰活性指数检测时,粉煤灰按水
物掺合料的表观密度变化幅度较大,在掺入相同质量矿物 泥质量的 30%替代水泥评定掺合料活性指数,细磨矿渣活性
掺合料时胶浆体积却大不相同,故不能客观地评定出复合 指数检测时,细磨矿渣按水泥质量50%的替代水泥评定掺合 矿物掺合料的活性指数,进而影响复合矿物掺合料相关规 料活性指数,一般会认为矿渣的活性指数相对较高,但如果换 范的制定和推广,如电厂粉煤灰的密度可以在很大范围内 成等体积替代水泥计算,则两者的体积相差就不那样大了,这 3(2.0:2.6 g/cm)波动,在掺入相同质量粉煤 135( g即等灰质 3里也假定粉煤灰的表观密度为 2.2 g/c,矿渣的表观密度为m 量取代 30%水泥)时,因粉煤灰密度的不同掺入的粉煤灰体 32.8 g/c,m掺入水 泥50%质量的矿 225渣 ,g掺入水 50泥%质 3 33 积分别为 67.5 cm和 52.0 cm,若以 52.0 cm为基准两者相 3量的矿渣体积 225/2.8=83.3,掺入水 cm 30泥%质量的粉煤 灰3 差 29.8,%以 67.5 c为基准两者相m2差3.0 ,%所以评定掺 3135 ,g掺入水泥 30%质量粉煤灰的体积 135/2.2=61.3。 两cm 有粉煤灰等的复合矿物掺合料的活性指数,采用掺入规定 者的质量差相差 40%,体积差相 26差%,所以能进一步说明 质量复合矿物掺合料检测其活性指数的方法不够合理,由 按等体积替代水泥检测掺合料活性指数更符合客观实际情 于矿物复合掺合料代替水泥的本质主要是利用矿物掺合料 况。 的活性及填充效应,由掺有矿物掺合料的水泥石扫描电镜
2 矿物掺合料活性指数检测的具体方法 照片里可以了解到,水泥石中的矿物掺合料仅在矿物掺合
料颗粒外表面很薄的表面层与水泥浆体中的碱性溶液发生 检测混凝土复合矿物掺合料活性指数,可以具体通过以 水化反应生成一系列针状水化产物,针状水化晶体包裹层 下技术方法实现。首先制备对比胶砂试件和受检胶砂试件。对 随时间而不断增加而密实,保证了硬化水泥石的强度不倒 比胶砂试件按 GB/T 17671—1999 制备,将胶砂试件放在标准 缩,从而取得了替代水泥的效果。复合矿物掺合料的组成不 养护箱内养护 28 d后测试胶砂强度 。受检胶砂试件首先按
13,8 20新型建筑材料 6 ? ?
阮炯正~等:复合矿物掺合料活性指数检测方法的研究
g 水,搅拌成型制得胶砂试。标准养件 28护 d后 ,对比胶 砂GB/T 208—199《4水泥密度测定方》测试所用水泥的密法 d 度C
33(g/cm)及复合矿物掺合料的密度 d(g/cm)。设复合矿物掺合 F 试件实测抗压强 R为度 47.7 MP,受检胶砂试件a的实测抗 0
料替代水泥体积为 X%时,X 的取值范围为水泥体积压强30度%: 的 R为 45.3 MP,所以,复合矿物a掺合料的活性指数 1
50%,则受检胶砂试件的水泥用量450×(1-为X)%,复合矿物K =R/R=0.95。 10
掺合料用量为 450g×X%×d/d按 GB/T 176711999 制备受 。—F C3 实验检验及分析 检胶砂试件,按 GBT 2419—200《5水泥胶砂流动度测定方
法》 测试胶砂流动度,控制拌合用水量使胶砂流动度在为比较复合矿物掺合料活性指数检测采用等质量代替水 (180?2) mm,采用符合此流动度范围的胶砂用水量为受检胶泥与等体积代替水泥方法的不同,用粉煤灰和矿渣粉按不同 砂试件拌 合用水。在标准养护箱内养护 28 d,分别测试对比胶比例配制出不同性质的复合矿物掺合料,50按水泥质%替 量
砂试件抗 压强度R及受检胶砂试件抗压强代水泥以及按水泥体积 R,复合矿物掺度 50%替代水泥,进行验证实验。 0 1
合料活性 指数 K=R/R。 实验材料:试验用硅酸盐水28 d抗压 泥 强 度42.5 MP,a 10
33以复合矿物掺合料代替水泥体 40%抗折强为例积,度介绍等体积 8.1 MPa,密度 3.1 g/c;m矿渣粉密 2.8度 g/c;m粉煤
3法检测混凝土复合矿物掺合料活性指数的方灰密度法。按上述方 2.33 g/c。m制备复合矿物掺合料所需的粉煤灰和矿渣
3法,测得硅酸盐水泥的密度 d=3.15 g/,c复合矿物掺合料m比例分别为 1?1、4?1、1?4、3?7、6?4、4?6。试验时调整用水量使流 C
3的密度 d=2.47 g/。cm称量 450×(1-40%)=270 g动度 硅酸盐基本不变的前提下成型水 ,经标准条件养护到28 时测d 试 F
泥及复合矿物掺合料 450 ×g40%×2.47/3.15 =g141,加入 235 强度,计算活性指数,结果分别见表 1、表 2。
表 1 复合矿物掺合料等质量代替水泥的实验配合比和活性指数检测结果
实验配合比/g 流动度 抗折强度 抗压强度 m(粉煤灰)? 活性指数 m(矿渣) /mm /MPa /MPa 水泥 粉煤灰 矿渣 砂 水
0?1 0 225 225 1350 230 180 8.5 33.2 0.78
1?0 315 135 0 1350 230 181 8.8 45.0 1.05
1?1 225 112.5 112.5 1350 230 180 9.5 39.1 0.92
4?1 180.0 45.0 225 1350 245 181 11.5 45.9 1.08
1?4 45.0 180.0 225 1350 230 180 9.6 49.1 1.15
3?7 225 67.5 157.5 1350 225 179 9.8 47.8 1.03
4?6 225 135.0 90.0 1350 230 180 5.2 47.0 1.10 6?4 225 90.0 135.0 1350 230 179 8.5 48.1 1.13
表 2 复合矿物掺合料等体积代替水泥的实验配合比和活性指数检测结果
实验配合比/g 流动度 抗折强度 抗压强度 V(粉煤灰)? 活性指数 V(矿渣) /mm /MPa /MPa 水泥 粉煤灰 矿渣 砂 水
0?1 225 0 203.2 1350 225 180 8.0 41.1 0.96
1?0 315 101.5 0 1350 235 181 8.7 44.9 1.06
1?1 84.6 101.6 225 1350 230 180 8.0 38.8 0.91
4?1 135.3 40.6 225 1350 235 180 7.7 49.0 1.15
1?4 225 33.8 162.6 1350 230 181 9.8 47.2 1.11
3?7 225 50.7 142.3 1350 225 180 9.0 43.1 1.12
4?6 101.5 81.3 225 1350 235 181 8.2 42.5 1.00
6?4 225 67.6 121.9 1350 225 181 8.4 47.2 1.11
从表 1、表 2 可以看出,采用不同比例配制的复合掺合料 随复合掺合料配制比例的不同,采用等质量和等体积替代
水泥测试复合掺合料的活性指数也有波动,但采用等体积代替 活性指数多大于其单掺时的活性指数,具有明显的超叠加效
水泥测得的活性指数波动幅度较小,计算其标准差为0.0864, 应。
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阮炯正~等:复合矿物掺合料活性指数检测方法的研究
小于等质量代替水泥测得的活性指数标准差 0.12。3以等质量 合料工业化生产和推广应用。有利于配制不同性能要求的混
凝土专用复合矿物掺合料。 代替水泥测得的活性指数为基准 30,两者相%,从而证差明 (2)因可利用的矿物掺合料种类太多,不便一一建立标准, 了采用等体积代替水泥测定复合掺合料的活性指数更稳、定 但有了复合矿物掺合料标准则可以充分利用各类资源,包括 更具合理性。 那些低活性掺合料如煤矸石油页岩渣硅藻土沸腾炉渣等, 、、、
甚至可以是基本没有活性的石英砂硅灰石各种工业尾矿等 、、4 结语 都有可能被综合利用。
采用等体积替代水泥检测复合矿物掺合料活性指数的(3)采用等体积替代法检测复合矿物掺合料活性指数方 方法,可以解决多年来困扰人们如何合理评定混凝土复合 法,可以统一目前各种矿物掺合料活性指数的检测方法,使各 矿物掺合料活性指数的问题,解决了复合矿物掺合料因其 种矿物掺合料的活性具有可比性。 密度波动的不确定性至今没有适合复合矿物掺合料活性指
数的检测方法,解决了等质量替代水泥检测复合矿物掺合
料活性指数不符合实际的问题,有利于复合矿物掺合料相
参考文献: 关规范的制定和复合矿物掺合料的推广应用,克服了单一
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范文二:高活性掺合料
高活性掺合料 项目建议书
高活性掺合料
项目建议书目录
第一章 项目背景
目前资源与能源的相对紧张是经济快速发展的瓶颈。活性掺合料
作为良好的混凝土矿物添加剂,不仅可节约水泥用量,并且对废弃物具有很好的消纳作,其废弃物利用率可达到90%以上。一方面,消耗废弃物,避免环境污染,另一方面,节约资源,同时改善混凝土性能,提高混凝土耐久性。
掺合料的使用,可改善混凝土和易性,提升混凝土的长期性能,
主要原理在于稀释并反应其中的氢氧化钙,使混凝土结构更密实,不易发生侵蚀破坏,是提高混凝土耐久性的重要手段。
宜昌地区磷资源丰富,而在磷资源利用过程中产生废弃已经成为
制约宜昌经济发展的重大问题。另外,火电厂存在的粉煤灰同样无法高效利用。利用磷资源废弃及粉煤灰制备高活性掺合料具有较好的市场前景,可缓解目前掺合料不足的局面,同时消纳固体废弃物,节约水泥,降低成本。
高活性掺合料 项目建议书
第二章 项目产品介绍
在混凝土拌和物制备时,为了节约水泥、改善混凝土性能、调节
混凝土强度等级,而加人的天然的或者人造的矿物材料,统称为混凝土掺合料。
用于混凝土中的掺合料可分为活性矿物掺合料和非活性矿物掺合料两大类。非活性矿物掺合料一般与水泥组分不起化学作用,或化学作用很小,如磨细石英砂、石灰石、硬矿渣之类材料。活性矿物掺合料虽然本身不水化或水化速度很慢,但能与水泥水化生成的Ca(OH)反应,生成具有水硬性的胶凝材料。如粒化高炉矿渣,火山灰质材料、粉煤灰、硅灰等。
通常使用的掺合料多为活性矿物掺合料。由于它能够改善混凝土拌和物的和易性,或能够提高混凝土硬化后的密实性、抗渗性和强度等,因此目前较多的土木工程中都或多或少地应用混凝土活性掺合料。特别是随着预拌混凝土、泵送混凝土技术的发展应用,以及环境保护的要求,混凝土掺合料的使用将愈加广泛。
活性矿物掺合料依其来源可分为天然类、人工类和工业废料类。
本项目以粉煤灰、黄磷渣粉和硅粉等几种活性矿物掺合料为主。 粉煤灰是由燃烧煤粉的锅炉烟气中收集到的细粉末,其颗粒多呈球
高活性掺合料
项目建议书 形,表面光滑。粉煤灰有高钙粉煤灰和低钙粉煤灰之分,由褐煤燃烧形成的粉煤灰,其氧化钙含量较高(一般大于10%) ,呈褐黄色,称为高钙粉煤灰,它具有一定的水硬性;由烟煤和无烟煤燃烧形成的粉煤灰,其氧化钙含量很低(一般小于10%) ,呈灰色或深灰色,称为低钙粉煤灰,一般具有火山灰活性。
低钙粉煤灰来源比较广泛,是当前国内外用量最大、使用范围最广的混凝土掺合料。用其做掺合料有两方面的效果。
(1)节约水泥。一般可节约水泥10%~15%,有显著的经济效益。
(2)改善和提高混凝土的下述技术性能:①改善混凝土拌和物的和易性、可泵性和抹面性;②降低了混凝土水化热,是大体积混凝土的主要掺合料;③提高混凝土抗硫酸及硫酸盐侵蚀的性能;④提高混凝土抗渗性;⑤抑制碱集料反应。
化学成分及主要技术性能
粉煤灰的化学成分因煤的品种及燃烧的条件不同而存在一定的差异,但其主要的成分还是SiO2、A12O3和Fe2O ,等,它们的总含量约占粉煤灰质量的75%以上。下表给出了我国一些产煤地区煤种的粉煤灰化学成分及烧失量的统计指标
高活性掺合料 项目建议书 粉煤灰的主要技术指标包括细度、密度、颗粒形貌、需水量比、活性及烧失量等。粉煤灰的粒径一般为0.001一o .05mm 。通常以通过0.045mm 的方孔筛余量来评定粉煤灰的细度,有时也用比表面积表示。一般普通粉煤灰的比表面积为200—300平方/kg ,而磨细后的粉煤灰一般为300—700平方/kg 。
国家标准GBl596-91《用于水泥和混凝土中的煤煤灰》将粉煤灰分为三个等级,各等级细度等指标要求见下表。
粉煤灰的细度一般愈小,其活性就愈大,对馄凝土的作用效果愈好。
世界经济的发展推动着中国技术的进步。我国加入世贸促进了中国在各个领域的技术发展。粉煤灰利用率在美、日、欧等发达国家均已达100%。我国北京、上海、广州等发达城市粉煤灰的利用率达90%,全国平均利用率为40%,而在相当一部分边远落后地区利用率仍为空白。
我国经济高速发展的势头推动着粉煤灰应用的进程。我国经济实力日益状大,国家、地方每年都有相当多的特大型建筑工程。工程越大,混凝土方量越大,粉煤灰是大方量混凝土首选的材料,因为它的性能水化热低,后期强度高,耐久性好,节约水泥量大,实属两全齐美。大工程能用,小工程更可以用。所以社会的发展,技术的进步,改变着人们因循守旧的观念。
目前宜昌地区无活性掺合料,混凝土方量约800万立方,单方混凝土用量100kg ,每年市场容量约80万吨。
总之,人类进入21世纪后,在抓混凝土性能质量的提高,经济效益的增长和环保造福人类三股洪流的驱动下,以粉煤灰为主料的本专利技术产品的市场必然是广阔的,前景是辉煌的。
高活性掺合料产业的发展现状和趋势,市场的供需现状、市场规模和发展潜力,高活性掺合料技术与研发状况,高活性掺合料产业链,包括生产商、供应商、服务商和终端用户等进行了系统、全面的调查、分析和预测,确定生产规模如下:
1、 粉煤灰型高和性掺合料150,000-200,000吨/年;
2、 黄磷渣粉型高和性掺合料50,000-100,000吨/年。
结合本项目生产设计规模,需要建设用地70亩,新建厂房及办公楼48000M2。
一、 对磷工业废气物和粉煤灰进行物理活化和化学活化。
物理活化,即对粉体进行超细化处理,增加其表面活性,从而提高其水化能力,在水泥水化的碱性环境下发挥其高胶凝特性。
化学活化,即采用化学激发剂激发起反应活性,从达提高其胶凝效率,达到增强的效果。
二、 高效减水剂对超细微珠表面改性
利用高效减水剂对掺合料进行表面改性,并研究高效减水剂在超细微珠表面的吸附及释放特性,从而利用高活性掺合料控制浆体流动性,使混凝土具有更好的流动性。
三、 高活性掺合料的功能化设计 利用化学外加剂对高活性掺合料进行改性,从引气、增强等多手段增加活性掺合料的功能性,使配制的混凝土具有良好的工作性和强度,提高其耐久性和防侵蚀能力,同时代替水泥降低成本。
高活性掺合料项目投资经济效益情况:
生产销售30万吨高活性掺合料,产品成本120元/吨,售价200~300元/吨,利税约3000万元。
高活性掺合料项目投资社会效益情况:
我国在快速发展经济的同时,伴随的是在环境保护和资源利用方面付出的沉重代价。坚持经济的可持续发展之路,必须大力倡导和发展环境保护与节能减排。
产品将难以利用的废弃物变废为宝,是绿色环保产品,正迎合了世界绿色低碳的发展理念,响应了国家科技创新的发展战略。
该产品可以大幅度降低工程成本,并且有长期增强性、抗裂性、耐磨性、抗渗性、耐蚀性和经济性六大性能特点。
该项目若顺利投产,能创造100~150人的就业机会,同时每年可消化废弃物30万吨以上。
一、该项目完全符合国家相关法律法规,以及国家对建筑行业提出高标准要求的政策精神,为建设行业的发展创造良好的环境,将成为建筑材料高新技术、绿色环保技术推广的平台。
二、该项目立论充分,建设方案和技术路线先进可靠,利国、利民,绿色环保无污染,因此项目前景广阔、生命力强。
三、该项目建成后,可消化宜昌区域内废弃物30万吨以上,为社会提供更多就业岗位,创造更多财富,此项目将会有较好的发展趋势及前景。
范文三:活性矿物掺合料对超高性能水泥基材料的影响
第25卷第4期2008年10月
深圳大学学报理工版
JOURNAI。OFSHENZHENUNIVERSITYSCIENCEANDENCINEERING
VoL25No.4
0rt.2008
文章编号:1000-2618(2008)04—0338—07
【材料科学】
活性矿物掺合料对超高性能水泥基材料的影响
张秀芝,孙伟,戎志丹,张倩倩
(东南大学材料科学与工程学院,江苏省土木工程材料重点试验室,南京211189)
摘要:通过复掺粉煤灰和硅灰,制备一种抗压强度超过200MPa的超高性能水泥基复合材料(UHPCC),采用扫描电镜、微区能谱分析、x射线衍射、汞压入法和差示扫描量热分析等现代测试手段,研究了活性矿物掺合料对UHPCC微观结构及性能的影响.实验结果表明,UHPCC水泥石主要以低mc。/m补结构致密的C—S—H凝胶和许多未水化颗粒组成;活性矿物掺合料的火山灰效应使水泥浆体与集料间界面过渡区得以改善;矿物掺合料的微集料效应使体系颗粒级配优化,致使基体内部结构致密,总孔隙率减小,孔尺寸得到细化,孔结构得以优化,材料性能得以提高.
关键词:超高性能水泥基复合材料;微观结构;粒径分布;界面过渡区中图分类号:TU
528
文献标识码:A
?
高效活性矿物掺合料是现代混凝土配制中除水泥、集料、水和高效减水剂外不可缺少的重要组分…,其3大效应(即火山灰效应、微集料效应和密实填充效应)不仅赋予混凝土更好的工作性能、更高的强度、更高的体积稳定性,而且在提高混凝土密实度,改善混凝土界面区结构,提高混凝土耐久性方面也起到重要作用.在水泥基材料中掺加矿物掺合料,还有利于降低混凝土材料成本,节约水泥熟料用量,促进建筑行业的可持续发展.近年来由于特殊工程和结构的需要,具有高强度、高韧性和高耐久性的超高性能水泥基材料(ultra—high
formancecementitious
per.
艺条件和标准养护制度,在掺加硅灰的基础上掺加35%粉煤灰,制备出抗压强度超过200MPa,具有较高韧性和高性价比的超高性能纤维增强水泥基材料(UHPFRCC),并采用SEM、EDS、XRD和MIP等现代分析测试手段,研究矿物掺合料对UHPCC微观结构与性能的影响.
1
原材料与试验设计
1.1原材料
水泥:江南小野田P?Ⅱ52.5,28d抗压强度为75.6MPa,抗折强度为9.6MPa.粉煤灰:南京热电厂生产,比表面积720m2/kg.水泥与粉煤灰的化学组成见表1.硅灰:比表面积22
000m2/kg,
posites,UHPCC)已经成
为国内外研究热点心引.高效活性矿物掺合料是UHPCC不可缺少的重要组分,它与高效减水剂复合,在UHPCC的结构形成中起着重要作用.传统UHPCC具有一定的使用局限性,如活性粉末混凝土(reactive般在800~1
powder000
SiO:质量分数为95.5%.集料:普通河砂,最大粒径2.5mm,连续级配,细度模数2.36.高效减水剂:Grace公司的Super—1000N型聚羧酸高效减水剂,固体含量为40%,减水率为45%.纤维:鞍山市昌宏钢纤维厂生产,直径为0.175mm,长度为13mm,长径比75,弹性模量为200GPa,密度为7.8g/cm3,断裂伸长率为3.5%,抗拉强度为2
3】0MPa.
concrete,RPC),其水泥用量一
kg/m3,并掺加粒径小于600斗m
的磨细石英砂,通过热养护或高压蒸养,达到200MPa或800MPa强度旧】.这种复杂的成型工艺限制了材料的广泛使用,且水泥的高用量容易引起混凝
土较大收缩,影响材料耐久性能.本文采用普通工
收稿日期:2008?03.14;修回日期:2008.07.01
基金项目:国防科亡委国防基础“f一直”资助项日(A1420060186)
作者简介:张秀芝(1974一),女(汉族),黑龙iI:省伴木斯市人,尔南大学博f:研究生.E-mail:zhangxz74@126.corn通讯作者:孙伟(1935.),女(汉族),中国上程院院士,东南大学教授、博士生导师.E-mail:sunwei@∞ILeduca
第4期张秀芝,等:活性矿物掺合料对超高性能水泥基材料的影响
339
表1水泥与粉煤灰的化学组成(质量分数)
TablelThe
chemicalpositionsofflyash
and
cement/%
1.2配合比
将水泥、粉煤灰、硅灰和砂等原材料,按配合比倒入搅拌机,预拌3rain,使粉体充分混合,分两次将配好的水和高效减水剂混合溶液加入,继续搅拌至所需工作状态.试样配合比及相应工作性能如表2.
表2
UHPCC配合比
Table2
MixtureproportionsoftheUHPCC
nlixtur酷andfluidity
2
试验方法
2.1工作性能测试
按照GB/T2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行砂浆流动度测试.2.2力学性能
抗压强度与弯曲强度均采用40mm×40
mm×
160
mm试件,抗压强度按GBl7671—1999执行.
采用CTM一5105电子万能试验机测试弯曲强度,按照三分点加载,加荷速度为0.8mm/min.所有试件均采取标准养护(温度20±2。C,湿度>
90%),养护龄期为28d和90d.
2.3微观测试
微观性能分析是从试件中心位置取出几块lem3大小颗粒,浸泡在无水乙醇中,终止水化后,经烘干、喷金等处理,进行SEM和MIP试验.从与水泥砂浆配合比相同的净浆试样取1cm3大小颗粒,终止水化后,与无水酒精研磨至0.08mm以下,经真空干燥后进行XRD和热分析试验.采用荷兰FEI生产的Sirion场发射扫描电镜进行试验.XRD试验采用Cu靶,工作电压45kV,电流为35
mA.波长A=1.54A.测量的2口角度扫描范围选取50一80。,扫描步长为0.020.采用美国TA公司生产的SDTQ600(即SimultaneousDSC—TGA)热分析仪进行热分析试验,升温速度为100C/min.
3结果分析与讨论
3.1
活性掺合料对基本力学性能的影响
由表3看出,与单一水泥浆体相比,基体中掺
加粉煤灰后,其28d强度低于不掺任何掺合料的纯硬化水泥浆体,90d强度有一定提高.为弥补早期强度偏低现象,选取硅灰和粉煤灰双掺进行试验.
与肘。和鸩相比,UHPCC的28d和90d强度均有
一定提高.硅灰作为一种活性微集料掺入UHPCC
中,在水泥水化早期便与CH发生火山灰反应,降
低水化产物C—S—H中的m。。/m野,增加材料的最终强度,其水化大部分集中在早期,有利于弥补由于掺加粉煤灰引起的早期强度低的缺点.粉煤灰的火山灰反应较慢,对于材料后期性能提高和结构改
善起到积极作用.?因此,利用粉煤灰与硅灰双掺制备UHPCC,通过次递水化效应,UHPCC在早期和
后期均具有较高的强度与韧性.表3还显示,UH—PCC的弯压比较低,说明材料的脆性较大,这在一定程度上限制了材料的使用范围.为提高UHPCC的韧性,扩大材料的使用范围,通常加入一定体积分数的微细钢纤维.微细钢纤维体积分数为3%时,FRUHPCC的28d和90d抗压强度分别为未掺加纤
维UHPCC的160%和165%;28d和90d极限弯曲强度分别为未掺加纤维时的3.2倍和3.7倍;掺加微细纤维后,复合材料的弯压比提高了2倍多,说明微细微纤维对于UHPCC具有优异的增强与增韧性效果.因此通过加入大量掺合料和适量的钢纤维,
深圳大学学报理工版
表3超高性能水泥基复合材料基本力学性能
Table3
第25卷
MechanicalpropertiesofUHPCC
采用标准养护制度和普通成型工艺,可以制得高强度和高韧性的UHPFRCC.
3.2活性掺合料对UHPCC水化产物的影响
3.2.1
X衍射结果与分析
A和1.49
水泥XRD图在晶面距d值分别为3.04A、
2.78A、2.74A、2.18A、1.77A、1.63
A时有较高的吸收峰;口一C:S在d值分别为2.80A、2.74A、2.78A、2.61A、2.73A和1.98A时有吸收峰;y—C3S在d值分别为2.76A、2.74A、
2.59A、3.02A和2.18A时有吸收峰;此外还有
0
10
20
30
40
50
60
708090
c,A和c。AF特征峰存在,但含量少不明显.C,A和C,S水化速度较快,一般集中在早期,在XRD图的峰中很少出现.硬化水泥石由C—S—H凝胶
2一,(o)
(a)28dXRD分析
和未水化颗粒组成.由图1可见,肘,、鸩和UH—
PCC在28d时均可看到明显CH峰,90d时M,也有明显CH峰.UHPCC在水化28d和90d后都存在一定的未水化水泥,但随龄期增长,未水化水泥量明显减少.通过3种水泥基材料XRD图谱对比可以看出,CH峰在掺加了粉煤灰后明显降低,在UHPCC浆体试样90d的XRD谱图中几乎没有CH峰存在,说明UHPCC中的CH晶体因二次火山灰反应已很少甚至没有.在水泥基材料中,一般认为CH是界面过渡区的薄弱环节,不仅是外界侵蚀性介质导致混凝土微结构劣化的诱因,而且由于自身的晶体取向性,往往会造成材料本身的缺陷.因此,消除CH不仅增强了水泥基体与集料的界面性能,对材料耐久性也十分有利.由图中可以看出,在2p为30。,d为2.5—3.1A时存在一个馒头峰,掺人活性矿物质掺合料后馒头峰的面积增大,说明活性矿物掺合料的加入增加了无定形C—S—H凝胶的量.
3.2.2
图1
Fi昏1
O
lO
20
30
4()
u磁以一。。。…。坐
50
60
70
8090
28/(。)
(b)90dXRD分析
UHPCC的XRD分析
XRD
spectrum
ofUHPCC
为硬化水泥石中非蒸发水的吸热峰,420—450℃为CH的分解吸热峰,600—800。C为碳酸钙分解的吸热峰.由图2可看出,纯水泥样品在400—4500C有明显吸热峰,而UHPCC样品中CH分解峰非常弱。特别是当水化90d后,几乎没有CH的分解峰存
在.TG曲线图的平台也逐渐消失,说明随着掺合
活性掺合料对硬化水泥浆体水化行为的影响
料的加入和养护龄期的增长,UHPCC中化学结合水量减少,这一结果与XRD谱图结果相符.说明
由水泥体系的热分析理论可知,100℃左右时
第4期
张秀芝,等:活性矿物掺合料对超高性能水泥基材料的影响
掺加活性掺合料后,由于活性掺合料的二次火山灰反应,水泥基体中的CH几乎不存在.活性矿物掺合料对CH数鼍的影响来自两方面:①随矿物掺合料掺量增加,浆体中水泥的质量分数降低,由水泥
水化产生的CH相应减少;②硅灰、粉煤灰参与水
化反应会消耗CH.
堡
彝众咖瞧
温度,℃
(a)不同样品90dTG分析
o
I∞
●
堇
避
蕤
温度,℃
㈣不同样品90dDSC图
图2
ImPCC热分析谱图
Analysisresultsof
thermogravimetry
3.2.3
活性掺合料对UHPCC微现形貌的影响
UHPCC的硬化水泥石主要由水化产物、未完全水化水泥颗粒和粉煤灰颗粒组成.未完全水化颗粒镶嵌在水化产物C—S—H中间,且相互填充,形成结构致密的基体.C—s—H形貌对水泥石性能有极其重要的影响.由图3(a)可见,UHPCC的体系结构密实,未完全水化的水泥、粉煤灰颗粒填充在c—s—H之间,起到骨架作用,同时凝胶与颗粒间、基体与集料间的界面无明显界限,说明整
个体系的ITZ得到了改善,使复合材料的整体性能
得到了提高.在放大10000倍时,可以看出C—S—H大部分为小而不规则的颗粒,结构致密.由图3(b)可见,水化产物中si元素含量明显增加.在大掺量加入粉煤灰和硅灰后,UHPCC主要以
m。。/m。i比较低的水化产物为主,水泥石结构极其致密.因为C—S—H拥有巨大的表面积和粘附能力,不仅使水化物彼此牢固粘结,且与未水化水泥、粉煤灰颗粒以及粗、细骨料颗粒更加牢固粘结,因此水化产物自身性能提高,使c—S—H凝胶与集料间的粘结强度也得到了改善.
(a)UHPCC微观结构
o.9
一
。-
萑o.7.
UAl
2
嫠o.5,
.U
霞
罂0.2。O
Ca
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Au
●■。.
.』
▲
山
0
2
4
6
8lO1213
E,keV
(b)UHPcc微区能谱分析
图3
UHPCC养护90d水化产物形貌及能谱分析
Fie.3
MicrostructureandchemiscalponentsofUHPCC
如图4所示,钢纤维与水泥浆体的界面粘结相对紧密,界面处有水化产物产生,增强了钢纤维与水泥基体的粘结强度.由于界面过渡区改善,纤维与水泥石间的界面过渡区不再薄弱,复合材料的各种宏观性能得以提高.这是由于加入硅灰后,改善了硬化浆体中水化产物的结构,大大提高了水泥浆体与集料和纤维界面区的粘结强度旧4J.
图4钢纤维与水泥基体界面处SEM图
Fig.4
SEMofITZbetweensteelfiberand
matrix
深圳大学学报理工版第25卷
3.3活性掺合料粒径分布对UHPCC孔径的影响
3.3.1
UHPCC的孔结构
孔是水泥基材料微结构的重要组成部分,总孔隙率及各种孔径分布对材料的宏观力学性能及耐久性能都有极大影响.混凝土中总孔隙率、孔径大小和连通性等不仅影响了材料的力学性能,对其抵抗有害物质入侵的能力也有重要影响.28d和90
d
UHPCC的总孔隙率和平均孑L径分别为8.184%、0.046“m和3.821%、0.038“m.图5为UHPCC在不同龄期的孔径分布图.与普通混凝土相比,UHPCC的总孔隙率很低,随着水化龄期延长,混凝土中孔径趋于细化,结构也更加密实.由图5可知,UHPCC的最可几孔径在30nm左右,与普通水泥基材料相比,对强度有害的大孔径(>100
nm
的孔)显著减少.UHPCC样品在28d出现大于10斗m的孔,属于气孔范畴,可能是由于水胶比较低,且掺有大量粉煤灰,水泥浆体的粘度增大,用普通的振动台不易将气体排出.随着掺合料火山灰反应,大孔趋于细化,UHPCC
90
d样品的大孔逐渐
减少,最可几孔径变小,总孔隙率也相应减小.
UHPCC90
d的总孔隙率为3.821%,远远低于普通
混凝土,而且影响强度与耐久性的大孔减少,小孔明显增多,孔结构更加细化,因此其宏观力学性能得到改善.由于有害孔的减少,无害孔增多,有害物质入侵混凝土内部的难度增大,速度减慢,入侵量减少,因此有利于材料耐久性的提高.
.f
l∞
lg
鼍
一宝
{
'
fL径/nm
图5不同龄期不同水胶比下UHPCC孔径分布微分曲线
Fi晷5
TheporosityofUHPCCatdifferentages
3.3.2粉体颗粒分布对孔结构的影响
颗粒连续堆积理论方程为U(D)=100(D/D£)“.
(1)
其中,u(D)为与粒径D对应的颗粒筛余量,仇为体
系中最大颗粒的直径,n为分布模数.
由式(1)可知最紧密堆积要求小于10斗m的颗粒含量达到40.55%【8J.水泥粉体中由于缺乏这部分微细颗粒,使得粗颗粒之间的间隙没有足够的
细颗粒填充,造成实际的水泥粉体中存在比较大的
空隙率.如果在水泥粉体中引入部分超细颗粒,则粗颗粒间的空隙就能被充分填充,不仅空隙率得到降低,孔结构也更加合理.大孔减少,使得细化以后的孔隙更容易被水化产物填充,从而使水泥浆体的结构更加密实旧j.本试验分别采用HOLES激光粒度分布仪和德国新帕泰克有限公司纳米粒度仪对粉体粒度分布进行分析,结果见图6.拌水前水泥粉体的堆积状态与水化水泥浆体性质有密切关系,如果使胶凝材料颗粒形成良好的级配,从而能够紧密地填充,有效降低水泥浆体的孔隙率,改善孑L结
堡
梧求警蛙惫耪
粒径尺寸/“m(a)水泥颗粒分布
堡
挺惫雕蛙器酶
粒径尺寸,肛m㈣粉煤灰粒径分布
冰
梧容器故求器
粒径尺寸/rim(c)硅灰粒径分布
图6粉体颗粒分布
Fig,6
Thedistributionof
powder
第4期张秀芝,等:活性矿物掺合料对超高性能水泥基材料的影响
343
构,势必也对混凝土的性能起到改善作用¨引.由图6可以看出,在水泥基体系中,水泥颗粒平均粒径~般在10~20“m,粉煤灰平均粒径为4—6
Ixm,
取向,界面过渡区得到明显的改善,整个复合材料
体系性能得以提高.参考文献:
[1]Mehta
PK,MonterioPJ
硅灰平均粒径一般在0.3—0.5斗m,比粉煤灰小一个数量级,这样在超高性能水泥基浆体中,通过不同粒级的粉煤灰与硅灰双掺,充分改善混凝土材料中胶凝材料部分(水泥、粉煤灰和硅灰三元体系)的颗粒级配,大幅度改善胶凝材料颗粒之间的填充性,使水泥石结构致密度和抗渗性均得以提高.
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结
语
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胶比较低,存在大量未水化固体颗粒,未水化颗粒与水化产物及集料间相互胶结,具有非常致密的微观结构,与普通混凝土相比,总孑L隙率明显减小,其孔径集中分布在30nm以下,同时孔径得到了细化,小孔增加,有害孔降低.④基体相与集料相以及与增强纤维之间的界面过渡区无明显CH聚集和
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Zhi-dan,andZhANGQian-qian
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SoutheastUniversity
Nanjng
211189
P.R.China
Abstract:Theultrahighperformancecementitious
posites(UHPCC)containinghighvolumefractionofbinary
深圳大学学报理工版
第25卷
reactivemineral
admixtures(silicon
fume
andflyash‘),whosepressive.strengthexceeded200MPa,wag
8lie
prepared.Thehydrationproducts,microstructureandpore—structureofUHPCCinvestigatedbyX—raydiffraction
(XRD),differential
dispersionX—ray
scanning
calorimetric—thermogravimetry(DSC),scanning
mercury
intrusion
electron
microscope(SEM),energy
mechanism
of
ultra-high
analysis(EDSA)and
and
dense
porosimetry(MIP).The
performanceinUHPCCisdiscussed.Theresultsshow.thatthehardenedmatrixismainlyposedofunhydratedcementitiousps
C-S—Hgel
withlow
Ca/Si
ratio.The
pore
structurein
hardenedmatrixis
matrixand
amount
optimized.Thediameteroftheporesislessthan30
aggregate
nm.TheInterfacial
Transition
Zone(ITZ)between
isimprovedbythe
pozzolanicreactionandmicro—fillingeffect
ofmineral
admixtures.The
of
calcium
hydroxide(CH)crystalintheseITZsislessthanthatintheordinary
concrete.The
soundpositionand
thepactmicrostructureofthehydrationproductsgivetheexcellentmechanicalpropertiesofUHPCC.Keywords:ultra—hightransition
zone
performancecementitiousposites;microstructure;psizedistribution;interfacial
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【中文责编:坪梓;英文责编:卫栋】
活性矿物掺合料对超高性能水泥基材料的影响
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
张秀芝, 孙伟, 戎志丹, 张倩倩, ZHANG Xiu-zhi, SUN Wei, RONG Zhi-dan,ZhANG Qian-qian
东南大学材料科学与工程学院,江苏省土木工程材料重点试验室,南京,211189深圳大学学报(理工版)
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY(SCIENCE & ENGINEERING)2008,25(4)2次
参考文献(20条)
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引证文献(2条)
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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_szdxxb200804002.aspx
范文四:活性矿物掺合料对超高性能水泥基材料的影响
第25卷第4期
2008年10月
深圳大学学报理工版
JOURN AL OF SHE NZHEN UN I V ERS IT Y S C IE NCE AND E NGI N EER I NG
Vol 125No 14Oct 12008
文章编号:100022618(2008) 0420338207
【材料科学】
活性矿物掺合料对超高性能水泥基材料的影响
张秀芝, 孙 伟, 戎志丹, 张倩倩
(东南大学材料科学与工程学院, 江苏省土木工程材料重点试验室, 南京211189)
摘 要:通过复掺粉煤灰和硅灰, 制备一种抗压强度超过200MPa 的超高性能水泥基复合材料
(UHPCC ) , 采用扫描电镜、微区能谱分析、X 射线衍射、汞压入法和差示扫描量热分析等现代测试手段, 研究了活性矿物掺合料对UHPCC 微观结构及性能的影响. 实验结果表明, UHPCC 水泥石主要以低
m Ca /mSi 、结构致密的C -S -H 凝胶和许多未水化颗粒组成; 活性矿物掺合料的火山灰效应使水泥浆体与集
料间界面过渡区得以改善; 矿物掺合料的微集料效应使体系颗粒级配优化, 致使基体内部结构致密, 总孔隙率减小, 孔尺寸得到细化, 孔结构得以优化, 材料性能得以提高.
关键词:超高性能水泥基复合材料; 微观结构; 粒径分布; 界面过渡区中图分类号:TU 528 文献标识码:A 高效活性矿物掺合料是现代混凝土配制中除水泥、集料、水和高效减水剂外不可缺少的重要组[1]
分, 其3大效应(即火山灰效应、微集料效应和密实填充效应) 不仅赋予混凝土更好的工作性能、更高的强度、更高的体积稳定性, 而且在提高混凝土密实度, 改善混凝土界面区结构, 提高混凝土耐久性方面也起到重要作用. 在水泥基材料中掺加矿物掺合料, 还有利于降低混凝土材料成本, 节约水泥熟料用量, 促进建筑行业的可持续发展. 近年来由于特殊工程和结构的需要, 具有高强度、高韧性和高耐久性的超高性能水泥基材料(ultr a 2high per 2for m ance cementiti ous composites, UHPCC ) 已经成为国内外研究热点
[225]
艺条件和标准养护制度, 在掺加硅灰的基础上掺加35%粉煤灰, 制备出抗压强度超过200MPa, 具有较高韧性和高性价比的超高性能纤维增强水泥基材
料(UHPFRCC ) , 并采用SE M 、EDS 、XRD 和M I P 等现代分析测试手段, 研究矿物掺合料对UH P CC 微观结构与性能的影响.
1 原材料与试验设计
111 原材料
水泥:江南小野田P
Ⅱ5215, 28d 抗压强度
为7516MPa, 抗折强度为916MPa . 粉煤灰:南京热电厂生产, 比表面积720m 2/kg . 水泥与粉煤灰的化学组成见表1. 硅灰:比表面积22000m /kg, Si O 2质量分数为9515%.集料:普通河砂, 最大粒径215mm , 连续级配, 细度模数2136. 高效减水剂:Grace 公司的Super -1000N 型聚羧酸高效减水剂, 固体含量为40%, 减水率为45%.纤维:鞍山市昌宏钢纤维厂生产, 直径为01175mm , 长度为13mm , 长径比75, 弹性模量为200G Pa, 密度为718g/c m , 断裂伸长率为315%, 抗拉强度为2310MPa .
3
2
. 高效活性矿物掺合料是
UHPCC 不可缺少的重要组分, 它与高效减水剂复合, 在UHPCC 的结构形成中起着重要作用. 传统UHPCC 具有一定的使用局限性, 如活性粉末混凝土(reactive powder conc r e te, R PC) , 其水泥用量一般在800~1000kg/m, 并掺加粒径小于600μm 的磨细石英砂, 通过热养护或高压蒸养, 达到200MPa 或800MPa 强度[3]. 这种复杂的成型工艺限制了材料的广泛使用, 且水泥的高用量容易引起混凝土较大收缩, 影响材料耐久性能. 本文采用普通工
3
收稿日期:2008203214; 修回日期:2008207201基金项目:国防科工委国防基础“十一五”资助项目(A 1420060186) 作者简介:张秀芝(19742) , 女(汉族) , 黑龙江省佳木斯市人, 东南大学博士研究生. E 2ma i l :z hang xz 74@1261c om
通讯作者:孙 伟(19352) , 女
(汉族) , 中国工程院院士, 东南大学教授、博士生导师.
E 2ma il:
sunw e i @se u 1edu 1cn
h ttp://j o urna l . s z u. e du. cn
范文五:邹伟斌高活性超细矿物掺合料在水泥混凝土中的应用
高活性超细矿物掺合料及其在水泥、混凝土中的应用
在高强水泥及及高强度等级、高性能混凝土制备过程中,采用比表面积 600-800m2/kg,甚至 1000m2/kg以上(中位粒径<5um )的超细天然火山灰质或="" 人工火山灰质高活性微粉,能够起到类似于硅灰的作用,可显著提高水泥强度、="" 降低水化热;能够有效减少混凝土开裂、防止碱="" —="" 骨料反应(aar="" )="" 、使其微观="">5um>
粉煤灰属于人工火山灰质(硅铝质)材料,其基本物理、化学特性如下: 1. 粉煤灰的外观特性、化学成分、矿物组成及其机械力化学活化(磨细) 1.1外观特性
1.1.1粉煤灰外观类似水泥,颜色在乳白色到灰黑色之间变化。
1.1.2粉煤灰的颜色是一项重要的质量指标,可以反映含碳量的多少和差异。 1.1.3在一定程度上也可以反映粉煤灰的细度,颜色越深,粉煤灰粒度越细, 含碳量越高。
1.1.4粉煤灰有低钙粉煤灰和高钙粉煤灰之分。通常高钙粉煤灰(CaO >10%) 的颜色偏黄 , 低钙粉煤灰(CaO <>
1.1.5粉煤灰颗粒呈多孔型蜂窝状组织,比表面积较大,具有较高的吸附活性, 颗粒的粒径范围为 0.5~300μm 。并且珠壁具有多孔结构,孔隙率高达 50%— 80%,有很强的吸水性。
1.2、化学成分
粉煤灰物理化学性质波动比较大, 主要由煤质的不同、 锅炉技术参数不同、 技术管理水平不同等因素所致。
由于煤产地与煤质及燃烧工艺不同,粉煤灰的主要化学成分大致范围为: SiO 2:33%— 63%; Al 2O 3:16%— 40%; Fe 2O 3:1.5%— 6%; CaO :2%— 18%; MgO :1.5%— 4%; Na 2O :0.5%— 2.5%; K 2O :0.3%— 2%; TiO 2:0.3%— 1.6%及微量残炭等。
1.3、微观性能
粉煤灰的显微结构主要是其颗粒形状、内部结构及物相种类等特性。
1.3.1 漂珠
漂珠一般呈乳白色, 密度小于 1g/cm3, 粒径 15μm — 180μm , 以玻璃相为 主,空心球,漂于水面,玻璃相内有残存气体包裹。在熔融态时,因表面张 力的作用,在最终收缩过程中,产生复合结构的微珠(即子母珠) 。有呈定向 针状莫来石集合体和交织状的针状莫来石晶体。
1.3.2 沉珠(硅铝质玻璃微珠)
一般呈灰白色,粒径小于 50μm ,密度为 1.8-2.7g/cm3可沉于水底。 SiO 2和 Al 2O 3的总和通常在 80%以上,珠体形成的温度为 1300℃ -1400℃左 右,其物相主要为玻璃相、莫来石及少量鳞石英晶体析出,莫来石的含量与 晶体的程度高于石英。
如果对微珠进行轻度溶蚀, 使壳层玻璃体溶解, 可清晰见到从珠壁向内生
长的针状莫来石晶体,并且大微珠内还包裹着更小的微珠(见图一) 。 也有微珠在玻璃质珠壁上析出莫来石和鳞石英, 其玻璃基质有很多气孔出 现。
1.3.3 海绵体玻璃体(也称不规则微珠)
当煤粉粒子较粗或锅炉温度低于 1300℃时,煤粉中的铝硅酸盐黏土矿物来 不及完全液化,通过固 -液相反应和快速冷却而形成的。
在液相粘度较大所形成的硅铝玻璃体表面极为粗糙,具有大量微孔的近似 圆形的海绵体的不规则微珠。
该微珠呈乳白色 -灰色,粒径小。含硅量高,有少量的莫来石等。
1.3.4 磁珠
也称高铁微珠,呈黑色,粒径为 50μm 左右,导电,并显磁性,密度为 3.8— 4.2 g/cm3。
该珠体是由富铁组成的粉煤灰溶体从高温快速冷却,通过表面张力收缩形 成的,成珠后溶体极易析出磁铁矿、赤铁矿和方铁矿等晶体。
1.3.5残炭
残炭的形成是当煤粉过粗或炉温较低时,燃烧不完全形成的一种未燃尽的 残屑。
一般呈黑色,粒度范围较大,密度在 1.5g/cm3左右
表面疏松多孔,有片状残炭、半圆状残炭、多孔球状残炭及无定形残炭和 硅铝微珠连接体。
1.4电厂原状粉煤灰(未粉磨)扫描电镜图像(图一)
1.5超细粉磨后的粉煤灰扫描电镜图像(图二)
采用机械力化学活化 (超细粉磨磨细) , 粉煤灰中的球形玻璃体颗粒由大变小, 当其在强碱性水化体系中,其水化反应速度加快、活性显著提高。
超细粉煤灰的颗粒分布(比表面积 750m 2/kg)见表 1:
2
32μm以下颗粒已占到 95.16%,而≥45μm颗粒比例已很少。
经机械力化学活化 (磨细) 的超细粉煤灰及其在水泥与混凝土中的三大效应: ●①形态效应(物理效应) :
●指粉煤灰颗粒形貌、 粗细、 表面粗糙度、 级配等在混凝土中产生的效应, 主要影响混凝土拌合物的需水量和流变性能。
●在显微镜下显示(图二) ,超细粉煤灰中含有 70%以上的玻璃微珠,粒 形完整,表面光滑,质地致密。这种形态对混凝土而言,无疑能起到减水作用、 致密作用和匀质作用,促进初期水泥水化的解絮作用、改变拌和物的流变性能、 初始结构以及硬化后的多种功能, 尤其对泵送混凝土, 能起到良好的润滑作用 (轴 承效应) 。
●②火山灰效应(化学活性效应) :
●粉煤灰的玻璃体中活性 SiO2及 Al2O3与 CaO 发生硅酸盐化学反应。 ●超细粉煤灰的 “ 活性效应 ” 因粉煤灰系人工火山灰质材料,所以又称之为 “ 火山灰效应 ” 。 这一效应能对混凝土起到增强作用和堵塞混凝土中的毛细孔隙组 织,显著提高混凝土的抗腐蚀能力。
●③微集料效应(物理效应) :
●研究发现:水泥水化后,未水化的粒芯的强度比水化产物的强度还高,且 与凝胶的结合甚好,此称为微集料效应。但用过多水泥,成本太高,可用超 细微粉在一定比例范围内等量取代,降低成本,且能够获得高强度。
●具有玻璃微珠形态的粉煤灰有较高的强度,粉煤灰与水泥浆界面处的强度 高于水泥凝胶。且具有减水作用,用作微集料,可提高水泥浆体强度。 ●掺超细粉煤灰的水泥或混凝土浆体,微观结构形成最紧密堆积,毛细孔隙 更细化、更密实,显著提高了水泥及混凝土的耐久性。
●超细粉煤灰中粒径很小的微珠和碎屑,在水泥中可以相当于未水化的水泥 颗粒,极细小的微珠相当于活泼的纳米材料,能够明显地改善并增加混凝土 及制品的结构强度,显著提高匀质性和致密性。
●以上三种效应相互关联、互为补充,超细粉煤灰的品质及活性越高,各种 效应越显著。
2. 超细粉煤灰在水泥及高强、高性能混凝土中的实际应用案例
2.1超细粉煤灰在水泥中的应用
FA0— 原状粉煤灰; FA1— FA3超细粉煤灰; Slag1— Slag3超细矿渣粉;水泥配 比:熟料:超细粉:石膏 =65:30:5;
表 3 不同细度超细粉水泥强度 (MPa)
表 2、表 3试验数据表明:在成品水泥中掺入 30%比表面积>600m2/kg的超 细粉煤灰,水泥标准稠度需水量无变化、后期强度明显提高,且随掺入超细粉 煤灰比表面积的增加,水泥后期强度提高幅度增大。
2.2超细粉煤灰在混凝土中的应用
超细粉煤灰在高强、高性能混凝土中可等量取代 10-30%的水泥,降低单方 混凝土制造成本。最新试验研究表明:在单方混凝土配比中采用比表面积 680m2/kg的超细粉煤灰 120-180kg/m3、水泥 420-480kg/m3、水灰比 0.25-0.26及加入高效减水剂的前提下,制得 C80— C100级高强混凝土,充分显示出超 细粉煤灰其形态效应、 火山灰效应、及微集料效应的优势。混凝土内部孔隙率 明显降低、亚微观结构更致密、抗压强度显著提高。
超细粉煤灰能够显著降低混凝土需水量、 改善混凝土泵送性能、 提高混凝土 密实性及流动性与塑性、减少泌水与离析及坍落度损失。
采用先进粉磨技术生产的超细粉煤灰高活性微粉,彻底实现了工业废渣由 低级利用向高级利用的转变, 产品活性指数高,理化性能优异,广泛适用于生
产高强水泥及高性能混凝土、耐热混凝土制备,显著降低单位制造成本,提高 经济效益。
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