王瀟瀟開題報告(2011.3.18)

1、開題報告開題報告粉煤灰、石粉對輕骨料混凝土粉煤灰、石粉對輕骨料混凝土影響的試驗研究影響的試驗研究申 請 人：王蕭蕭 指導教師：申向東 教授 報告時間：2011年3月報報 告告 內內 容容 選題研究背景和意義選題研究背景和意義 國內外研究現狀國內外研究現狀 存在的問題存在的問題 研究內容和方案研究內容和方案 試驗結果分析試驗結果分析 試驗結論試驗結論 進一步試驗進一步試驗1. 選題研究背景和意義選題研究背景和意義 在21世紀以至更長的時期內，混凝土材料仍是最主要的建筑材料，但是普通混凝土有自重大、保溫隔熱性能差等缺點，影響了它在某些工程領域中的應用。隨著現代土木工程結構日益朝著高聳、大跨、重載的

2、方向發(fā)展，以及建造各種新型特種結構需求的增加，普通混凝土自重大的缺點也日益明顯，限制了混凝土結構在高層建筑、大跨度橋梁、海洋浮式采油平臺等結構物中的應用，因此發(fā)展輕集料混凝土就變得尤為樂觀，但是目前針對現有的研究還未完全。 輕骨料是一種多功能、可持續(xù)發(fā)展的新型建筑材料。我國天然輕集料極為豐富，在吉林、山西、遼寧、內蒙古、海南等地蘊藏量都很大。但目前天然輕骨料應用技術水平落后，特別是在充分利用現代加工技術和復合技術方面，天然輕骨料的應用更為落后。 1.1 選題研究背景1. 選題研究背景和意義選題研究背景和意義 粉煤灰是火力發(fā)電廠排放量最大的一種固體工業(yè)廢棄物之一，目前我國年排放量超過3.75億噸

3、，對環(huán)境造成嚴重的污染。國內外對粉煤灰的研究，主要是在普通混凝土中摻入從而替代部分水泥。內蒙古地區(qū)天然浮石資源豐富，品種齊全，天然輕骨料、工業(yè)廢料輕骨料和人造輕骨料的原料豐富，主要用于水工建筑物，道路工程等等。但由于天然輕骨料應用時間比較短，對各方面的性能及應用技術尚且不足。天然輕骨料給人們的印象是：容重變化大、強度較低、吸水率較高，這些結構與物理性能特點也為其大量推廣應用帶來一定的阻力。粉煤灰的摻入可以在一定程度緩解其缺點，粉煤灰對輕骨料的包裹性，可以減少用水量，從而在一定程度增加混凝土的強度、和易性和耐久性，并且也可用提高輕骨料混凝土的抗凍性，對北方嚴寒地區(qū),尤其是常年處于水中的橋梁墩臺的

4、粉煤灰輕骨料混凝土的使用有一定的參考價值和意義。1.2 選題研究意義1. 選題研究背景和意義選題研究背景和意義 天然浮石是一種多孔玻璃質火山噴出巖，內蒙古地區(qū)可利用的火山資源豐富，分布廣泛，蘊藏著大量的天然浮石，使得天然輕骨料原料豐富。輕骨料混凝土由于孔隙率大、低密度，抗凍、保溫性好，近些年被廣泛使用1。目前，在北方嚴寒地區(qū)的水工建筑物中，尤其是常年處于水中的橋梁墩臺中得到廣泛應用。隨著施工工藝的不斷改進，連續(xù)不間斷的施工技術已很成熟，泵送混凝土的需求量愈來愈大。但是由于輕骨料孔隙率大，吸水率高，飽和性太大，滿足不了泵送混凝土高坍落度的要求，對在工程中的應用帶來了一定的阻力。石粉具有填充和包裹

5、作用，可以一定程度的減小輕骨料的孔隙率，從而改善其和易性及抗壓強度，對工程上的應用帶來了一定的參考價值和意義。 國內外對石粉的研究，大部分是在普通混凝土中摻入石粉代替細集料，由于輕骨料的應用時間比較短，所以石粉對輕骨料混凝土的力學性能研究尚且不足。本文以石粉代替部分河砂，研究不同摻量石粉對輕骨料混凝土的和易性、抗壓強度、抗折強度和軸心抗壓強度的影響，并從微觀角度進行分析。2. 國內外研究現狀國內外研究現狀2.1 國外研究現狀最早研究粉煤灰在混凝土中應用的是美國加洲理工學院的R.E.Davis，1893年他首次發(fā)表了關于粉煤灰用于混凝土的研究報告。到本世紀五、六十年代，粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，其

6、活性性能被進一步研究和推廣，不僅僅是為了節(jié)約水泥，更主要是為了改善和提高混凝土的性能。美國加洲大學Mehta教授指出，應用大摻量粉煤灰(或磨細礦渣)，是今后混凝土技術進展最有效、也是最經濟的途徑。國外 粉煤灰2. 國內外研究現狀國內外研究現狀2.1 國外研究現狀在日本，從20世紀末石灰石粉已開始廣泛應用于高流動性混凝土和高性能噴射混凝土。德國開發(fā)生產了石灰石粉摻量6%20%的石灰石硅酸鹽水泥(Pandlirnestonecemeni)，歐洲水泥試行標準ENV197己將石灰石波特蘭水泥列為一種單獨類型的水泥品種，在歐洲標準 ENV197一1992中，復合的普通硅酸鹽水泥的石灰石粉取代比率定在6%

7、10%和21%35%(質量分數)。國外法國生產此品種水泥已有較長的歷史，產量也最多，已有品種標準CPJ45R和CPJ55R，可復摻亦可單摻石灰石粉，單摻石灰石粉摻量為10%25% 摻入石粉的普通混凝土2. 國內外研究現狀國內外研究現狀2.1 國外研究現狀G.Kakall、S.Tsivilis、E.Aggeli和M.Bati的研究證明石灰石粉并非完全惰性。國外內川浩 (UchiKawa)研究了CaCO3對C3S單礦早期水化的作用摻入石粉的普通混凝土2. 國內外研究現狀國內外研究現狀2.2 國內研究現狀 自1956年之后，我國先后在水工結構中加入粉煤灰，如劉家峽、和山、陳村、黃河，歐陽海灌渠，以及

8、臺灣的霧社壩等，且取得降低了水化熱、性能改變、水泥節(jié)省的優(yōu)良效果。在也曾使用在民用與工業(yè)建筑的鋼筋混凝土建筑物、構筑物，比如桂林砂河電廠的梁、板、柱等地下工廠的鋼筋混凝土中加入10%25%的原狀灰。 洪錦樣、蔣林華等人在研究人工砂中石粉對混凝土性能影響及作用機理時，通過XRD、TG、SEM技術分析了其作用機理，還通過正交試驗研究了石粉含量5%、15%和24%對混凝土強度的影響，結果表明，在24%范圍內，石粉含量越高，混凝土強度也越高。田建平、周明凱、蔡基偉以C60機制砂混凝土為試驗對象，對比研究了3.5%、7%、10.5%、14%(質量分數)4個不同石粉摻量下分別選擇不同粉煤灰(FA)摻量(0

9、、11%、17%)配制的機制砂混凝土的強度。結果表明，11%摻量的粉煤灰與7%含量的石粉產生了良好的復合疊加效應，使混凝土獲得了最佳強度。當粉煤灰的摻量為零時，隨著石粉含量的增加，其抗壓強度呈較大的遞增趨勢，石粉含量14%的混凝土較石粉含量 3.5%的混凝土28d抗壓強度增加了 13.3MPa，很好地證明了石粉在混凝土中的增強效果。 不同粉煤灰摻量（替代水泥）對輕骨料混凝土的抗 壓強度、耐久性的影響并得出最佳摻量 在國內外研究中，還沒有將石粉作為摻量摻入輕骨 料混凝土的研究 石粉是否能夠有效的提高輕骨料混凝土的強度 石粉對輕骨料混凝土力學性能的影響 石粉對輕骨料混凝土耐久性的影響 一 研究背景

10、、現狀及主要技術路線3. 存在的問題存在的問題4. 研究內容和方案研究內容和方案4.1 研究內容 不同摻量粉煤灰輕骨料混凝土的強度試驗研究 不同齡期抗壓強度的對比 凍融循環(huán)作用下，輕骨料混凝土耐久性的影響 凍融前后應力-應變的關系曲線 石粉對輕骨料混凝土力學性能的研究 石粉摻量對輕骨料混凝土工作性能的影響 石粉摻量對輕骨料力學性能（抗壓、抗折、軸心抗壓強度）的影響 石粉摻量對輕骨料混凝土耐久性的影響 SEM掃描電鏡試驗4. 研究內容和方案研究內容和方案4.2 研究方案4.2.1 試驗材料水泥：冀東P.O42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料：內蒙古錫林郭勒蒙浮石集料；細集料：天然河沙，細度模數2.56

11、，含泥量2%，堆積密度1465kg/m3， 含水率：1.987%，顆粒級配良好；粉煤灰：呼和浩特市金橋熱電廠級粉煤灰；減水劑：RSD-8 型高效減水劑，以-萘酸鈉甲醛高縮聚物為主要成分 的高級減水劑，摻量為3%,減水率20%，對鋼筋沒有銹蝕作用。石粉：用X射線熒光光譜儀對石粉的化學成分進行分析水：普通自來水。 4. 研究內容和方案研究內容和方案4.2 研究方案4.2.2 試驗方案粉煤灰對輕骨料混凝土的影響 通過對摻入粉煤灰輕骨料混凝土的性能的試驗研究，試驗內容為粉煤灰輕骨料混凝土抗壓、抗凍能力方面的試驗；選擇LC40強度等級輕骨料混凝土作為本實驗的基準混凝土，增加粉煤灰的摻量作為試驗組。粉煤灰

12、的摻量按水泥質量的百分比計算，分別為15%（FA組）,20%（FB組）,30%（FC組），45%（FD組），60%（FE組）?；鶞驶炷僚浜媳燃安牧嫌昧吭囼灢牧蠑祿姳?。表表1 基準混凝土配合比及材料用量基準混凝土配合比及材料用量 4. 研究內容和方案研究內容和方案4.2 研究方案4.2.3 試驗方案石粉對輕骨料混凝土的影響 通過對摻入石粉輕骨料混凝土的性能的試驗研究，試驗內容為石粉輕骨料混凝土抗壓、抗凍能力方面的試驗；以粉煤灰摻量20%作為基準混凝土，石粉的摻量按砂子質量的百分比計算，分別為10%（PA組）,20%（PB組）,30%（PC組），40%（PD組），50%（PE組）?；鶞驶炷?/p>

13、配合比及材料用量試驗材料數據見表2。表表2 基準混凝土配合比及材料用量基準混凝土配合比及材料用量 四 樁基礎高層剪力墻結構附建人防地下室傾覆機理第十七屆全國結構工程學術會議第十七屆全國結構工程學術會議5. 試驗結果分析試驗結果分析5.1不同摻量粉煤灰輕骨料混凝土的強度試驗研究試驗結果圖1 輕骨料混凝土的抗壓強度與齡期的關系Fig.1 The relation for LWAC compressive strength and age四 樁基礎高層剪力墻結構附建人防地下室傾覆機理第十七屆全國結構工程學術會議第十七屆全國結構工程學術會議5. 試驗結果分析試驗結果分析5.1不同摻量粉煤灰輕骨料混凝土

14、的強度試驗研究5.1.1 抗壓強度分析總體分析：不同摻量的粉煤灰在輕骨料混凝土中所起得作用不同，其抗壓強度增長規(guī)律也不相同。當粉煤灰摻量在0%20%時，尤其在摻量15%，20%早期強度與不摻粉煤灰的輕骨料混凝土強度相差不大，因為粉煤灰取代部分水泥，降低了水泥的濃度，減緩了前期水泥水化強度；由于粉煤灰水化反應一般在14天左右，即與水泥的水化產物CH產生二次水化反應，使得混凝土水化過程均衡、平穩(wěn)，并且粉煤灰可以將輕骨料混凝土中的輕骨料包裹住，粉煤灰中活性成分反應生成的水化硅酸鈣C-S-H凝膠，能夠填塞輕骨料的孔隙，從而增強輕骨料混凝土的密實度，使得后期強度增長較大，這時，隨著粉煤灰摻量和齡期的增加

15、，輕骨料混凝土的抗壓強度的發(fā)育趨于對數關系。當粉煤灰摻量大于20%時，本試驗為30%60%時，隨著摻量的增加，輕骨料混凝土的抗壓強度反而降低，這時由于粉煤灰摻量過大，超過了輕骨料混凝土的包裹量，在二次水化作用后，多余的粉煤灰顆粒形成一層界面覆蓋在漿體周圍，造成混凝土內部產生多層界面，使得內部穩(wěn)定性變差，直接影響了混凝土的強度，造成摻量與強度成反比，并且使得后期抗壓強度增長相對15%20%摻量的比較小，強度發(fā)育比較平緩，呈現非線性的二次多項式。 圖2 不同凍融次數后的抗壓強度 Fig.2 The compressive strength after a number ofdifferent fr

16、eeze-thaw四 樁基礎高層剪力墻結構附建人防地下室傾覆機理第十七屆全國結構工程學術會議第十七屆全國結構工程學術會議5. 試驗結果分析試驗結果分析5.1.2 凍融后的抗壓強度分析總體分析：由于在負溫度下的條件下，水會結成冰造成體積膨脹，會產生一定的膨脹力，這與輕骨料混凝土在反復凍融后強度降低的特征相似。即輕骨料混凝土中的內部孔隙和毛細孔道中的水結成冰產生體積膨脹，當這種膨脹力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土中會產生微細的裂縫，在反復的凍融作用下，混凝土中內部的微細裂縫越來越多，并逐漸擴大，從而造成混凝土強度降低，并且混凝土表面產生剝落。摻入不同量的粉煤灰對輕骨料混凝土的抗凍性能會有不同的影響

17、，當摻入15%30%時，在反復凍融后混凝土的強度大于不摻粉煤灰的強度，可以分兩方面解釋：在混凝土中用粉煤灰部分代替水泥，能吸收水泥水化生成的氫氧化鈣而改善界面結構，使之不致與因浸析而擴大冰凍產生過多的裂縫；粉煤灰的二次水化作用產生的填充效應，可以使截留空氣量和泌水量減少，改善混凝土的孔結構，降低混凝土的孔隙率，從而增加了密實度。當粉煤灰摻量超過30%時，粉煤灰代替水泥的量增加，粉煤灰過多使得混凝土產生多層界面造成穩(wěn)定性較差，再加上輕骨料自身強度也不高，經過多次凍融后，混凝土孔隙逐漸增多，裂縫逐漸擴大，密實度越來越低，所以混凝土的強度隨著摻量的增加而減少。 圖3 凍融前輕骨料混凝土應力應變曲線

18、Fig.3 The stress-strain curve of LWAC before freeze-thaw圖4 凍融后輕骨料混凝土應力應變曲線Fig.4 The stress-strain curve of LWAC after freeze-thaw四 樁基礎高層剪力墻結構附建人防地下室傾覆機理第十七屆全國結構工程學術會議第十七屆全國結構工程學術會議5. 試驗結果分析試驗結果分析5.1.3 凍融前后應力-應變關系曲線凍融前后輕骨料混凝土應力-應變全曲線相似，由上升段和下降段組成，并含有比例極限點、臨界應力點、峰值點、反彎點和收斂點。由圖3分析：不同摻量粉煤灰輕骨料混凝土的應力-應變曲線

19、形狀類似，上升段接近直線，當到達峰值應力時，曲線斜率減小為零，但沒有水平段，隨后曲線下降，下降段比較陡，當應力為峰值的20%左右時，曲線趨于水平。 圖4分析：凍融后的應力-應變曲線的上升段較平緩，趨于拋物線形式；當到達峰值應力時，曲率減小為零，隨后下降，下降段也較平緩，最后趨于直線。 摻量20%時，曲線的斜率變大，下降段變陡，這是由于一定摻量的粉煤灰發(fā)生的水化反應一定程度的增加了混凝土的彈性模量；隨粉煤灰的增加摻量20%時，曲線上升段的斜率較小，下降段變得越緩。由于凍融造成輕骨料混凝土內部的損失，凍融后的峰值點都比未凍融降低，在上升段和下降段中，凍融后應力-應變曲線比未凍融的曲線緩，并且割線模

20、量變小。四 樁基礎高層剪力墻結構附建人防地下室傾覆機理第十七屆全國結構工程學術會議第十七屆全國結構工程學術會議5. 試驗結果分析試驗結果分析5.25.2石粉對輕骨料混凝土力學性能的研究石粉對輕骨料混凝土力學性能的研究試驗結果試驗結果四 樁基礎高層剪力墻結構附建人防地下室傾覆機理第十七屆全國結構工程學術會議第十七屆全國結構工程學術會議5. 試驗結果分析試驗結果分析5.2石粉對輕骨料混凝土力學性能的研究5.2.1 石粉摻量對輕骨料混凝土工作性能的影響由表2可見，隨著石粉摻量的增大，輕骨料混凝土的坍落度呈現先增大后減小的趨勢。當石粉摻量由10%增加30%，輕骨料混凝土的坍落度分別增加了55，70，5

21、0mm。摻入少量的石粉后，在新拌混凝土起到相當于滾珠作用，減少了砂與砂之間的摩擦而改善混凝土的和易性，并使得石粉、水泥和粉煤灰三相之間形成填充效應，同時可以改善輕骨料混凝土的孔隙特征，改善漿體-集料截面結構，使其孔隙減少，則孔隙內的水量降低，自由水增加，所以拌和物漿體流動性變大，坍落度增加。 當石粉摻量為40%，50%時，輕骨料混凝土的坍落度明顯降低，與未摻石粉相比，分別降低了60mm，100mm。由于石粉顆粒多棱角、表面粗糙，并且顆粒內部微裂縫較多，當過多的石粉摻入后，石粉的以上缺點將顯露出來。同時，因為石粉比表面積高于河砂，較大的替代率增加混凝土中粉狀顆粒含量，這些都將增大細集料的總比表面

22、積，從而增加用水量，導致輕骨料混凝土的坍落度大幅度降低。另一方面，過多的石粉增加漿體的粘滯性，使混凝土拌和物的黏聚性增加，從而降低了混凝土拌和物的坍落度，減少了混凝的離析泌水。四 樁基礎高層剪力墻結構附建人防地下室傾覆機理第十七屆全國結構工程學術會議第十七屆全國結構工程學術會議5. 試驗結果分析試驗結果分析5.2.2 石粉摻量對輕骨料混凝土抗壓強度的影響圖1 不同摻量石粉的抗壓強度與齡期關系圖2 石粉摻量與抗壓強度的關系從圖1不同摻量石粉的抗壓強度與齡期關系可以看出，隨著養(yǎng)護齡期的增加，輕骨料混凝土強度發(fā)育總體呈現線性增加的趨勢。隨著石粉的摻入，輕骨料混凝土的強度均得到了一定程度的提高，并且石

23、粉摻量30%的抗壓強度始終保持最大值，但增加的幅度比較小，相對提高約14.55%，18.20%，25.30%，5.30%，10.10%。當石粉摻量低于30%時，隨著石粉的增加，抗壓強度隨之增加。這是因為石粉顆粒不僅可以填充輕骨料孔隙，也可以填充輕骨料-水泥石界面的空隙，從而提高輕骨料混凝土的密實度，使結構致密，改善了混凝土的強度。當石粉摻量大于30%時，抗壓強度則有所降低，這是由于過多的石粉摻入，石粉顆粒粒徑相比河砂小，則細集料中粗顆粒的含量相對偏少，使得輕骨料混凝土的級配不合理、細骨料作用減弱，從而減弱了輕骨料混凝土的骨架支撐作用，造成抗壓強度降低。根據圖2石粉摻量與輕骨料混凝土抗壓強度的關

24、系分析，輕骨料混凝土不同齡期的發(fā)育趨勢基本相似且抗壓強度隨摻量的增加均呈現先增加后減少的趨勢。隨著石粉的摻入，輕骨料混凝土的早期強度增長幅度較大，3d抗壓強度增長幅度最為顯著，其次是7d抗壓強度，增加幅度相對平緩。在不同齡期明顯看到摻量大于30%時，抗壓強度出現下降趨勢。本次試驗表明，石粉可以有效的提高輕骨料混凝土的早期抗壓強度，原因在于石粉可以加速C3S的水化作用4，由于C3S是水泥石強度的決定因素，所以輕骨料混凝土的早期強度得到了提高。四 樁基礎高層剪力墻結構附建人防地下室傾覆機理第十七屆全國結構工程學術會議第十七屆全國結構工程學術會議5. 試驗結果分析試驗結果分析5.2.3 石粉摻量對輕

25、骨料混凝土抗折強度的影響根據圖3所示，摻入石粉試件的抗折強度相對未摻石粉的抗折強度分別提高了15.5%，19.4%，25%，11.8%，4.2%。輕骨料混凝土的抗折強度隨著石粉摻量的增加呈現拋物線形式，且石粉摻量30%的抗折強度最大，與抗壓強度的影響規(guī)律基本一致。輕骨料混凝土抗折并非只沿骨料與水泥砂漿界面破壞，在試驗過程中可以明顯地看到斷裂面處輕骨料呈90左右的剪切破壞，這與普通混凝土不同，輕骨料混凝土抗折破壞是先將水泥石破壞，當水泥石不足以承擔壓力后，由于輕骨料本身的強度較低，所以在外界壓力作用下，骨料也被剪切破壞。當石粉摻量小于30%時，由于石粉對骨料與水泥石的改善，造成抗折強度隨著石粉的

26、增加而增加；當摻量超過30%時，過多的石粉降低了水泥石的強度和輕骨料與水泥砂漿過渡區(qū)黏結性能，從而降低了輕骨料混凝土的抗折強度。圖7 輕骨料混凝土抗折破壞后的截面 圖3 輕骨料混凝土抗折強度與石粉摻量的關系四 樁基礎高層剪力墻結構附建人防地下室傾覆機理第十七屆全國結構工程學術會議第十七屆全國結構工程學術會議5. 試驗結果分析試驗結果分析5.2.3 石粉摻量對輕骨料混凝土軸心抗壓強度的影響由于棱柱體比立方體試件能更好地反映混凝土柱體的實際抗壓能力，因此， fc是結構混凝土最基本的強度指標。如圖4石粉輕骨料混凝土的fc與fcu基本相同，都是隨著摻量的增加呈現先增加后減小趨勢。同時可以發(fā)現，兩者之間

27、有一定的線性關系。在摻量小于30%時，fc/fcu（）為0. 840. 86之間；摻量大于30%時，稍微降低，在0.800. 82之間?？傮w都比普通混凝土(0.76)高，主要是因為輕骨料混凝土孔隙率大、材質疏脆,在軸向荷載的作用下,輕骨料混凝土立方體試件橫向約束作用較普通混凝土弱,導致立方體抗壓強度與棱柱體抗壓強度相比增加不多,表現為輕骨料混凝土的fc/fcu值較普通混凝土略大1。但由于石粉的摻入使得輕骨料孔隙得到一定的改善，并且石粉起到了骨料的粘結作用，使得橫向約束作用略增大，從而造成了減小。 圖4 輕骨料混凝土fc、fcu與石粉摻量的關系四 樁基礎高層剪力墻結構附建人防地下室傾覆機理第十七

28、屆全國結構工程學術會議第十七屆全國結構工程學術會議5. 試驗結果分析試驗結果分析5.2.4 不同摻量石粉的微觀結構形態(tài)分析從圖5未摻石粉的SEM照片看出，在28d齡期時，顆粒表面和周圍有水化產物，但是顆粒仍清晰可見，砂顆粒周圍有明顯的孔隙，所以顆粒之間的粘結力相對較小，結構整體相對比較松散。 從圖6石粉摻量20%的SEM照片分析，可以明顯的看出混凝土的結構更為密實，顆粒之間的孔隙基本已被膠凝物質充填。水泥石的水化產物生成板狀結晶，并且成為牢固連生的結晶聚集體，改善了水泥石之間的過渡界面；并且大量的結晶體成為密集的氈狀堆積物，從而提高了黏結強度，有利于界面的黏結，對過渡區(qū)也有增強作用。這與前面的強度試驗相符合，摻入一定量石粉的輕骨料混凝土強度有所增加。從圖7石粉摻量50%的SEM照片分析，可以看到混凝土結構密實度下降，雖然生成了膠凝物，但并沒有將顆粒之間的孔隙填滿，仍然存在比較多的孔隙，孔隙率相對圖7有所升高，對輕骨料混凝土的強度有負作用。并且還可以看到顆粒之間有大量的纖維狀水化產物，但是在輕骨料混凝土中亂向分布密度過大，形成了空間網絡“空包”形式，所以對強度起到負效應