石灰石粉与辅助性胶凝材料在水泥基材料中的协同效应

摘要

为了降低自然资源的消耗量、二氧化碳的排放量和成本，水泥和混凝土企业常使用粉煤灰和矿粉等辅助性胶凝材料部分取代水泥。但这些辅助性胶凝材料存在资源分布不均、产量相对有限和品质波动范围大等问题。石灰石价格低廉、成分稳定，可以在水泥和混凝土生产过程中用石灰石粉部分取代水泥，具有显著的经济效益与社会效益。
　　石灰石粉对水泥基材料的水化硬化、微观结构和耐久性能有影响。石灰石粉和含铝相的辅助性胶凝材料在水泥基材料中存在着协同效应。许多学者对石灰石粉在水泥基材料中的作用机理和宏观性能方面做过大量的研究，但大部分研究仅定性分析石灰石粉在水泥基材料中作用机理和宏观性能。鉴于此，本文采用三角锥正交设计法，研究石灰石粉与粉煤灰和矿粉在水泥基材料中水化硬化、微观结构和耐久性能等方面的协同效应。
　　首先，本文研究了石灰石粉对水泥基材料水化硬化和微观结构的影响，从石灰石粉的比表面积、掺量以及与辅助性胶凝材料的协同作用等因素，定量地分析了石灰石粉对水泥基材料的净浆流动性、水化热特性、强度、水化产物和孔结构的影响，计算了石灰石粉在不同水泥基材料体系下的物理填充作用和化学结合量，并探讨了石灰石粉比表面积、掺量以及与辅助性胶凝材料的协同作用对水泥基材料水化产物和微观结构的影响，为掺石灰石粉水泥基材料的胶凝材料组成设计提供理论基础。研究结果表明，在掺有石灰石粉的水泥基材料体系中，水泥基材料水化过程受石灰石粉的物理填充作用和化学作用的影响。当石灰石粉比表面积为650 m2/kg、掺量为10％时，水泥基材料的净浆流动度和强度均达到峰值。当石灰石粉比表面积或者掺量越大时，石灰石粉的晶核效应越明显，加速期出现的时间越短，加速期的曲线斜率越大。和单掺石灰石粉相比，当复掺石灰石粉和辅助性胶凝材料时，水泥基材料的水化速度更快，总放热量更多，粉煤灰、矿粉和石灰石粉有协同作用，石灰石粉的反应活性得到提高。石灰石粉比表面积或者掺量越大，生成碳铝酸钙新相的时间越短。相比于单掺石灰石粉，复掺石灰石粉和粉煤灰/矿粉，水泥基材料的180天龄期孔隙率分别降低了12.7%和26.5%，CaCO3在90d龄期的反应比例均提升4倍左右，石灰石粉的化学反应程度得到很大提升，促进了碳铝酸钙新相的生成。随着石灰石粉比表面积的增大（500 m2/kg→950 m2/kg），CaCO3在3天龄期标准化学作用比例增大（1.15%→2.95%），增幅达到2.5倍。相比于单掺50%的石灰石粉，当复掺25%石灰石粉和25%矿粉时，石灰石粉在180天龄期的标准化学作用比例从4.29%增大到21.63%，提高了4倍。
　　本文也研究了石灰石粉的比表面积、掺量以及与辅助性胶凝材料的协同作用对混凝土强度、抗碳化性和抗氯离子渗透性等方面的影响。研究结果表明，石灰石粉掺量为10%、比表面积为650 m2/kg时，混凝土的强度、抗碳化性和抗氯离子渗透性达到最优。石灰石粉和粉煤灰复掺，石灰石粉掺量在5%-15%之间、粉煤灰掺量小于10%时，形成一个极值区域；石灰石粉和矿粉复掺，石灰石粉掺量在5%-15%之间、矿粉掺量大于25%时，形成一个极值区域。在这些极值区域，混凝土的强度、抗碳化性和抗氯离子渗透性最优。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2研究目的和意义

1.3研究方法和内容

第2章 文献综述

2.1石灰石粉在水泥基材料中的作用机理

2.2石灰石粉对水泥基材料耐久性的影响

2.3本章小结

第3章 原材料及实验方法

3.1主要原材料及其性能

3.2配合比设计

3.3试验方法

第4章 在水泥净浆中的协同效应

4.1前言

4.2石灰石粉对净浆流动度的影响

4.3石灰石粉对水化热的影响

4.4石灰石粉对净浆强度的影响

4.5石灰石粉反应比例分析

4.6石灰石粉对水化产物的影响

4.7石灰石粉对孔结构的影响

4.8物理填充作用和化学结合量分析

4.9本章小结

第5章 在混凝土中的协同效应

5.1前言

5.2石灰石粉对混凝土强度的影响

5.3石灰石粉对抗碳化性的影响

5.4石灰石粉对抗氯离子渗透性的影响

5.5确定胶凝材料组成

5.6本章小结

结论与展望

参考文献

致谢