生态型稻壳灰超高性能水泥基复合材料的制备及机理分析

摘要

生态型超高性能水泥基复合材料(ECO-UHPFRCC)采用矿物掺合料多元复合技术，充分发挥优势互补效应，有效降低了UHPFRCC的成本。本文在前人研究的基础上，研究采用稻壳灰替代硅灰以提高ECO-UHPFRCC性能的可行性。对制备得到的稻壳灰进行活性测试，并系统分析了稻壳灰对水泥基材料的流动性能、力学性能、微观结构以及水化的影响，揭示了稻壳灰对ECO-UHPFRCC性能影响的规律。
　　对制备得到的稻壳灰性能测试，采用X射线衍射技术分析物相、扫面电镜分析稻壳灰结构、电导率以及热分析测试稻壳灰的反应活性。结果表明:稻壳灰650℃灼烧1h能够得到主要成分为无定形SiO2的灰分。稻壳灰为片状、蜂窝状多孔结构，层片结构由几十到几百个纳米的SiO2颗粒堆积而成。稻壳灰活性的源于无定形SiO2的灰分以及其内部特有的多孔结构。稻壳灰早期活性指数大于硅灰，随着龄期延长火山灰反应，稻壳灰和硅灰28d活性指数接近。
　　对不同稻壳灰掺量的低水胶比浆体进行流动度试验和流变学分析。结果表明:稻壳灰掺入后低水胶比浆体粘度以及屈服应力增加，而硅灰在不大于10％掺量能够降低浆体粘度和屈服应力;20％硅灰、稻壳灰复合掺量下，稻壳灰硅灰各10％掺量净浆屈服应力以及粘度值最低，从优势互补的角度应该选择稻壳灰和硅灰复掺。20％硅灰、稻壳灰复合掺量下，砂浆流动性随着砂胶比增大而下降;钢纤维掺量0％增加到2％，钢纤维对流动性的影响不大。当钢纤维掺量大于2.0％后，浆体流动度快速下降，钢纤维掺量基准体积掺量定为2％。
　　对硅灰和稻壳灰复掺掺量、钢纤维体积率和砂胶比对UHPFRCC的抗折抗压强度的影响进行分析。综合试验结果，在85℃蒸汽养护条件下制得的最高抗压强度为199MPa，其配合比为0.165水胶比、30％掺量粉煤灰、10％掺量硅灰、10％稻壳灰、3％体积率钢纤维、1.0砂胶比。稻壳灰部分替代硅灰能够明显提高超高性能水泥基复合材料抗压强度。
　　断裂韧性试验表明:10％掺量稻壳灰和10％掺量硅灰复掺提高了水泥基材料的断裂韧度、断裂能;20％固定复掺量下，R10SF10体系具有最低屈服应力和粘度值，屈服应力小有利于纤维的良性能取向而提升试件弯折性能。纤维体积掺量1％增大到2％，基体的断裂能增大超过100％，纤维体积掺量大于2％增强效应不明显。
　　形貌以及孔结构分析结果表明:UHPFRCC的基体与集料及基体与钢纤维之间都没有明显界面过渡区;稻壳灰和硅灰复掺后，UHPFRCC小毛细孔减少、凝胶孔增多，超高性能水泥基材料基体有非常高的密实度。水泥水化热实验和基于XRD定量分析结果表明稻壳灰能够提高早期水泥水化程度，复掺稻壳灰、硅灰对水泥水化程度提高更明显。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 生态型超高性能水泥基复合材料

1．3 稻壳灰在水泥基材料中的应用

1．3．1 稻壳灰的性能

1．3．2 稻壳灰对水泥水化以及微结构衍变的影响

1．3．3 稻壳灰对混凝土强度的影响

1．4 UHPFRCC的微观机理研究现状

1．5 本课题研究的内容

第二章 原材料、配合比及试验方法

2．1 原材料性能

2．1．1 水泥

2．1．2 硅灰

2．1．3 粉煤灰

2．1．4 稻壳灰

2．1．5 细集料

2．1．6 高效减水剂

2．1．7 超细钢纤维

2．1．8 拌合水

2．2 试验配合比

2．3 成型工艺

2．4 试验方法

第三章 稻壳灰活性分析

3．1 稻壳灰制备工艺分析

3．1．1 稻壳灰燃烧时间

3．1．2 稻壳灰微观形貌

3．1．3 球磨时间对颗粒粒径的影响

3．2 稻壳灰活性分析

3．2．1 电导率

3．2．2 热分析

3．2．3 需水量以及力学性能

本章小结

第四章 UHPFRCC的流变性能

4．1 硅灰、稻壳灰对浆体流变性能的影响

4．1．1 硅灰、稻壳灰对浆体流动度的影响

4．1．2 硅灰、稻壳灰对浆体稠度的影响

4．1．3 硅灰、稻壳灰对净浆粘度的影响

4．2 砂胶比对浆体流动性能的影响

4．3 钢纤维掺量对浆体流动性能的影响

4．4 本章小结

第五章 UHPFRCC的静载力学性能

5．1 UHPFRCC的抗折、抗压强度

5．1．1 稻壳灰、硅灰复掺配合比研究

5．1．2 稻壳灰、硅灰对砂浆以及UHPFRCC强度的影响

5．1．3 钢纤维掺量对UHPFRCC强度的影响

5．1．4 砂胶比对UHPFRCC强度的影响

5．1．5 以抗压强度指标的UHPFRCC配比

5．2 断裂性能

5．2．1 钢纤维体积率对UHPFRCC断裂性能的影响

5．2．2 矿物掺合科对UHPFRCC断裂性能的影响

5．2．3 砂胶比对UHPFRCC断裂性能的影响

5．3 本章小结

第六章 UHPFRCC的微结构与水化机理研究

6．1 微观结构分析

6．1．1 扫描电镜形貌分析

6．1．2 EDS能谱分析

6．1．3 X-CT纤维分布分析

6．2 孔结构分析

6．2．1 压汞法(MIP)基本原理

6．2．2 掺合料对孔结构的影晌

6．2．3 龄期对孔结构的影响

6．2．4 养护制度对孔结构的影响

6．3 水泥水化热分析

6．3．1 硅酸盐水泥的水化热曲线

6．3．2 水化热样品制备与试验方法

6．3．3 掺合料对水泥水化热的影响

6．4 基于全谱拟合Rietveld方法的水化程度分析

6．4．1 Rietveld方法基本原理

6．4．2 水泥中各物相含量分析

6．4．3 掺合料对净浆水化程度的影响

6．5 本章小结

第七章 结论、创新点与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

致谢