生态型偏高岭土超高性能水泥基复合材料的制备及机理分析

摘要

辅助性胶凝材料是高性能混凝土中必不可少的一部分，其中硅灰的使用较为广泛。然而，硅灰是冶金工业收集下来的一种工业副产物，其产量和质量都不太稳定，远远不能满足混凝土工程发展的需要，寻找新型优质矿物掺合料迫在眉睫。偏高岭土由高岭土人工煅烧生成，具有较高的火山灰活性和稳定的质量。在国外，从20世纪80年代人们已开始对偏高岭土在混凝土领域的应用研究。在我国，偏高岭土的作用近十年来开始逐渐被人们重视，研究将其作为矿物掺合料掺入混凝土中一度成为热点。虽然偏高岭土作为辅助性胶凝材料在水泥基复合材料中的应用得到了广泛的研究，但是在超高性能水泥基复合材料中的应用研究较为少见。
　　本文针对目前偏高岭土在水泥基复合材料中的研究现状，系统研究了偏高岭土在3d、7d、28d、56d的火山灰活性指数，并且研究了在粉煤灰、硅灰、偏高岭土三元复掺条件下偏高岭土替代水泥或硅灰对水泥基复合材料的新拌性能、力学性能、微观结构、水泥水化的影响及其微结构形成机理分析。可以得到以下结论:
　　火山灰活性测试结果表明，偏高岭土的火山灰活性比硅灰高，尤其在28d反应龄期，并且7d反应龄期前，偏高岭土和硅灰的火山灰活性指数分别为36.9和22.6，活性都比较低。
　　新拌性能测试结果表明，由于偏高岭土颗粒形貌的不规则性，随着偏高岭土替代水泥的量的增大和偏高岭土替代硅灰的量的增大，浆体的流动度逐渐降低;掺加偏高岭土可有效抑制成型振捣中钢纤维的下沉，有利于钢纤维在砂浆中均匀分散，并且10％偏高岭土掺量钢纤维的分散最佳。
　　力学性能测试表明，对于素砂浆，偏高岭土的掺入降低了材料的抗折强度，却可提高抗压强度;对于钢纤维增强砂浆，10％偏高岭土掺量下砂浆的抗折、抗压强度最大;弯曲韧性和断裂能试验表明，偏高岭土掺量为20％时弯曲韧性和断裂能最优，但综合考虑新拌浆体的工作性能，偏高岭土的最佳掺量为10％;在85％蒸汽养护条件下，试验所得抗压强度最高为210.4MPa，其配合比为0.17水胶比、10％掺量偏高岭土、10％掺量硅灰、20％掺量粉煤灰、3％体积率钢纤维、1.0砂胶比。
　　微观性能分析测试结果表明，10％左右的孔隙率是材料具有超高性能的重要原因之一;偏高岭土的掺入提高了砂浆的孔隙率，细化了浆体的孔径;XRD Rietveld全谱拟合法分析了不同配比的水泥水化程度，结果表明水泥的最终水化程度在60％左右。偏高岭土可以提高水泥的水化程度，显著降低Ca(OH)2的含量;纳米压痕试验表明，随着偏高岭土掺量的增大，超高密度C-S-H凝胶含量增大。正是由于偏高岭土的加入使孔径得到细化、纤维分散更均匀、基体同钢纤维之间的粘结力的提高才使得复合材料具有更加优异的力学性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高岭土资源

1．1．1 国内分布

1．1．2 国外分布

1．2 偏高岭土在水泥基复合材料中应用的国内外研究现状

1．2．1 偏高岭土对混凝土工作性能的影响

1．2．2 偏高岭土对混凝土力学性能的影响

1．2．3 偏高岭土对混凝土耐久性能的影响

1．2．3 偏高岭土对混凝土微观性能的影响

1．3 本课题研究内容

第二章 原材料、配合比和试验方法

2．1 原材料

2．1．1 水泥

2．1．2 偏高岭土

2．1．3 粉煤灰

2．1．4 硅灰

2．1．5 河砂

2．1．6 钢纤维

2．1．7 减水剂

2．1．8 拌合水

2．2 配合比

2．3 试验方法

2．3．1 成型方法

2．3．2 力学性能测试

2．3．3 差示扫描量热测试

2．3．4 XRD测试

2．3．5 纳米压痕测试

2．3．6 扫描电镜测试

2．3．7 水化热测试

2．3．8 压汞测试

2．3．9 X-CT测试

第三章 偏高岭土火山灰活性研究

3．1 偏高岭土火山灰活性的测定方法

3．1．1 国标(GBT 18736-2002)法

3．1．2 常温NaOH浸泡法

3．1．3饱和ca(OH)2溶液浸泡法

3．1．4 氢氧化钙-掺合料浆体法

3．2 试验结果及分析

3．2．1 国标法

3．2．2 氢氧化钙-掺合料浆体法

3．3 本章小结

第四章 UHPFRCC的新拌性能

4．1 偏高岭土对基体流动度的影响

4．2 钢纤维掺量对流动度的影响

4．3 浆体的流变性能

4．4 钢纤维的分散

4．4．1 X-CT测试结果

4．4．2 钢纤维分布影响因素分析

4．5 本章小结

第五章 UHPFRCC的静载力学性能

5．1 抗折、抗压强度

5．1．1 偏高岭土替代水泥对砂浆强度的影响

5．1．2 偏高岭土替代硅灰对砂浆强度的影响

5．1．3 偏高岭土对纤维增强砂浆强度的影响

5．1．4 钢纤维掺量对砂浆强度的影响

5．1．5 水胶比对砂浆强度的影响

5．1．6 砂胶比对砂浆强度的影响

5．1．7 试验中强度的最大值

5．2 弯曲韧性和断裂能

5．2．1 弯曲韧性和断裂能的评定方法

5．2．2 偏高岭土替代水泥对砂浆的弯曲韧性和断裂能的影响

5．2．3 偏高岭土替代硅灰对砂浆的弯曲韧性和断裂能的影响

5．3 本章小结

第六章 UHPFRCC的微观性能分析

6．1 基于全谱拟合Rietveld方法的水化程度分析

6．1．1 水泥中各物相的含量

6．1．2 偏高岭土替代水泥对水泥水化的影响

6．1．3 偏高岭土替代硅灰对水泥水化的影响

6．2 孔结构分析

6．2．1 偏高岭土替代水泥对浆体孔结构的影响

6．2．2 偏高岭土替代硅灰对浆体孔结构的影响

6．3 水化热分析

6．4 纳米压痕测试分析

6．4．1 纳米压痕的测试原理

6．4．2 样品的制备与加载制度的选择

6．4．3 纳米压痕测试结果

6．5 本章小结

第七章 结论、创新点和展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文清单