岩石基矿物掺合料对水泥基胶凝材料性能影响研究

摘要

在机制砂和碎石等集料的生产过程中产生的岩石基矿物掺合料按化学成分的不同可分为钙质和硅质两大类，开展岩石基矿物掺合料对水泥基胶凝材料性能的影响研究，对其加以利用，不仅能减少水泥用量，改善水泥基胶凝材料性能，还能降低环境污染，具有很好的技术经济效益。同时，为岩石基矿物掺合料在工程中的广泛应用奠定理论基础。
　　本文依托国家自然科学基金项目“新型岩石基矿物掺合料体系的理论基础与工程应用研究（项目编号51278497）”，主要针对水泥-岩石基矿物掺合料胶凝体系物理力学性能和耐久性等问题进行了研究。分析了钙质岩石基矿物掺合料和硅质岩石基矿物掺合料分别对水泥凝结时间、胶砂流动性、强度性能和抗硫酸盐侵蚀性能的影响规律。主要研究内容和成果如下:
　　1.研究了岩石基矿物掺合料对水泥凝结时间和流动性的影响
　　(1)石灰石粉和大理石粉显著缩短了水泥净浆的初凝和终凝时间，且随其掺量的增加，水泥的凝结时间呈逐渐减小的趋势;水凝胶砂的流动度随石灰石粉和大理石粉的掺加而得以改善，且石粉掺量越多，水凝胶砂流动度越大。随白云石粉掺量的增加，水泥净浆的初凝和终凝时间均较基准组有所延长;白云石粉掺量较低时，水泥胶砂的流动度较基准组显著提高，但随其掺量的增加，水泥胶砂的流动度逐渐降低。
　　(2)花岗岩石粉和石英石粉的掺入对水泥净浆的初凝、终凝的影响规律一致，即水泥净浆的初凝、终凝时间均较基准组显著缩短;随花岗岩石粉掺量的增加，水泥凝结时间呈逐渐增大的趋势。玄武岩石粉的掺加使得水泥的初凝、终凝时间均较基准组缩短，且随玄武岩石粉掺量的增加，凝结时间逐渐减小。花岗岩、玄武岩和石英石粉对水泥胶砂流动度的影响一致，当其掺量较小时，能有效提高水泥胶砂的流动度，但随其掺量的增加，水泥胶砂流动度逐渐降低。
　　2.研究了岩石基矿物掺合料对水泥胶砂强度的影响
　　(1)石灰石粉、白云石粉和大理石粉三种钙质岩石基矿物掺合料能提高水泥胶砂早龄期强度，且试件的抗折强度随掺合料掺量的增加呈先增大后降低的趋势，当掺量为5％时，水泥胶砂强度达最大;但水泥胶砂后期强度则随掺合料掺量的增加而逐渐降低，且均低于基准组。当钙质岩石基矿物掺合料掺量一定时，随其细度的增大，水泥胶砂强度大致呈先增大后降低的趋势。
　　(2)花岗岩石粉、玄武岩石粉及石英石粉三种硅质岩石基矿物掺合料的掺入使得水泥胶砂各龄期强度均低于基准组，且掺量越大，强度降低越显著。花岗岩石粉和石英石粉等量取代水泥时，水泥胶砂试件抗折强度随其掺量的增加而逐渐降低，早龄期抗压强度随掺量的增加呈先增大后降低的趋势;掺玄武岩石粉的水泥胶砂试件抗折、抗压强度均随其掺量的增加呈先增大后降低的趋势，当玄武岩石粉掺量为10％时，水泥胶砂强度达最大。
　　3.研究了岩石基矿物掺合料对水泥胶砂孔结构的影响
　　适量掺量的钙质岩石基矿物掺合料能降低水泥胶砂早龄期的质量吸水率和平均孔径，水泥胶砂14d至56d龄期的质量吸水率和平均孔径均高于基准组，且随钙质岩石基矿物掺合料掺量的增加而逐渐增大。硅质岩石基矿物掺合料的掺入增大了水泥胶砂各龄期的孔隙率，且掺量越多，孔隙率越大。
　　4.研究了岩石基矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响
　　钙质和硅质岩石基矿物掺合料的掺入均对混凝土28d龄期时的抗氯离子渗透性能产生不利影响，混凝土的电通量随掺合料掺量的增加呈逐渐增大的趋势，且均高于基准组。
　　5.研究了掺石灰石粉水泥净浆在低温硫酸盐侵蚀下的破坏及其作用机理
　　掺石灰石粉的水泥净浆试件浸泡于低温(5℃)环境下不同浓度的Na2SO4溶液以及5％MgSO4溶液中时，均发生了碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀，且随着腐蚀时间的延长和硫酸钠浓度的增加，净浆表面的腐蚀破坏加剧。这是由于溶液中的SO42-通过孔隙渗透至水泥石内部，直接与水泥石中的Ca(OH)2或C-S-H凝胶反应生成CaSO4·2H2O，在低温环境下，C-S-H凝胶与CaSO4·2H2O、石灰石粉和水直接反应生成碳硫硅钙石。当溶液浓度均为5％时，浸泡于MgSO4溶液中的净浆试件比Na2SO4溶液中的试件腐蚀更为严重。这是因为该过程不仅发生了外部的SO42-渗透至水泥石内部生成碳硫硅钙石的反应，还生成了Mg(OH)2，导致了C-S-H凝胶的分解，进一步促进了碳硫硅钙石的生成反应。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩石基矿物掺合料对混凝土工作性能的影响

1．2．2 岩石基矿物掺合料对混凝土力学性能的影响

1．2．3 岩石基矿物掺合料对混凝土耐久性能的影响

1．3 存在的问题

1．4 研究内容和目标

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究目标

1．5 研究的主要技术途径

2 原材料和试验方法

2．1 原材料

2．1．1 水泥

2．1．2 砂

2．1．3 石

2．1．4 钙质岩石基矿物掺合料

2．1．5 硅质岩石基矿物掺合料

2．1．6 外加剂

2．1．7 水

2．2 试验方法

2．2．1 粒度分布

2．2．2 凝结时间

2．2．3 流动性试验

2．2．4 力学性能试验

2．2．5 孔结构试验

2．2．6 混凝土电通量试验

2．2．7 硫酸盐侵蚀试验

2．2．8 微观性能测试

3 岩石基矿物掺合料对水泥凝结时间和流动性的影响

3．1 试验设计

3．2 钙质岩石基矿物掺合料对水泥凝结时间的影响

3．3 硅质岩石基矿物掺合料对水泥凝结时间的影响

3．4 钙质岩石基矿物掺合料对水泥胶砂流动性能的影响

3．4．1 水泥-石灰石粉胶砂流动性能

3．4．2 水泥-白云石粉胶砂流动性能

3．4．3 水泥-大理石粉胶砂流动性能

3．5 硅质岩石基矿物掺合料对水泥胶砂流动性能的影响

3．5．1 水泥-花岗岩石粉胶砂流动性能

3．5．2 水泥-玄武岩石粉胶砂流动性能

3．5．3 水泥-石英石粉胶砂流动性能

3．6 小结

4 岩石基矿物掺合料对水泥胶砂强度的影响

4．1 试验设计

4．2 钙质岩石基矿物掺合料对水泥胶砂强度的影响

4．2．1 石灰石粉对水泥胶砂强度的影响

4．2．2 白云石粉对水泥胶砂强度的影响

4．2．3 大理石粉对水泥胶砂强度的影响

4．3 硅质岩石基矿物掺合料对水泥胶砂强度的影响

4．3．1 花岗岩石粉对水泥胶砂强度的影响

4．3．2 玄武岩石粉对水泥胶砂强度的影响

4．3．3 石英石粉对水泥胶砂强度的影响

4．4 小结

5 水泥-岩石基矿物掺合料胶凝体系孔结构研究

5．1 试验设计

5．2 钙质岩石基矿物掺合料对水泥胶砂孔结构的影响

5．2．1 石灰石粉掺量对水泥胶砂孔结构的影响

5．2．2 大理石粉掺量对水泥胶砂孔结构的影响

5．3 硅质岩石基矿物掺合料对水泥胶砂孔结构的影响

5．3．1 花岗岩石粉掺量对水泥胶砂孔结构的影响

5．3．2 玄武岩石粉掺量对水泥胶砂孔结构的影响

5．4 小结

6 掺岩石基矿物掺合料混凝土抗氯离子渗透性能研究

6．1 试验设计

6．2 钙质岩石基矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

6．2．1 掺量变化的影响

6．2．2 细度变化的影响

6．3 硅质岩石基矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

6．3．1 掺量变化的影响

6．3．2 细度变化的影响

6．4 小结

7 水泥-石灰石粉胶凝材料在低温硫酸盐侵蚀环境下的性能研究

7．1 试验设计

7．1．1 试件制备

7．1．2 试验内容

7．2 硫酸盐侵蚀溶液的影响

7．2．1 外观变化

7．2．2 微观分析

7．3 不同阳离子的影响

7．3．1 外观变化

7．3．2 微观分析

7．4 小结

8 结论

8．1 主要结论

8．2 有待进一步开展的研究

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果目录

致谢