硅酸盐水泥-硅灰复合胶凝材料低温水化特征研究

摘要

混凝土在冬季施工中如果遭受早期冻害会使混凝土的物理力学性能指标遭受严重损害，对混凝土耐久性十分不利，混凝土早期冻害是低温混凝土研究的重要问题之一。本文从混凝土在低温条件下的早期性能研究为切入点，以硅酸盐水泥为基础组分，以硅灰为胶凝材料掺加组分，利用亚硝酸钠维持低温溶液活性，选定5℃～-10℃的低温环境，以力学性能、水化产物组分、水化产物含量、微观形貌、孔径特征以及水化速率六个指标作为复合胶凝材料早期水化性能的表征参数，建立复杂因素下硅酸盐水泥-硅灰复合胶凝材料低温水化特征的分析方法，完善从低温复合材料的前端起始反应开始进行其内部水化过程的动态研究方法并建立低温水化动力学模型，进一步阐明低温混凝土中复合胶凝材料的水化反应机理，为低温混凝土的研究奠定理论基础。论文的主要研究内容如下:
　　(1)研究不同硅灰掺量（0、2％、5％、8％、10％和12％）对复合胶凝材料水化性能的影响，结果表明，硅灰的掺入可以有效地提高复合胶凝材料在低温条件下的力学性能，促进Ca(OH)2的消耗，有效改善水化产物分布，填补结构中的孔隙，降低复合胶凝材料的总孔隙率，这种改善效果随着硅灰掺量增加而越加明显，在硅灰掺量达到8％时，效果最佳，如抗压强度可以提高16％、总孔隙率降低7％，当硅灰掺量超过8％以后，改善效果逐渐减弱，所以低温下硅酸盐水泥中的硅灰掺量不宜过大。
　　(2)研究不同温度（5℃、0℃、-5℃和-10℃）对复合胶凝材料水化性能的影响，结果表明，温度的降低不仅会带来复合胶凝材料抗压和抗折强度的显著下降，水化产物中Ca(OH)2含量的降低，而且还会使复合胶凝材料总孔隙率增加，有害孔数量增大，晶体之间的连接薄弱，尤其是从5℃降低到0℃时，复合胶凝材料的上述性能指标变化最为明显，7d抗压强度降低率可达29％，多害孔数量增加率达到27％，同时还会抑制硅灰的火山灰活性，温度越低情况越明显。
　　(3)研究不同溶液环境（8.5％亚硝酸钠溶液和纯水溶液）对复合胶凝材料水化性能的影响，结果表明，在5℃水化初期时，复合胶凝材料在纯水溶液环境下的抗压及抗折强度均要高于在亚硝酸钠溶液环境中的，而在水化14d时，同硅灰掺量的复合胶凝材料在亚硝酸钠溶液环境中的Ca(OH)2含量却均高于在纯水溶液环境中的，但复合胶凝材料在亚硝酸钠溶液环境中的水化产物较纯水溶液环境中的要薄、颗粒大、之间的连接不均匀，总孔隙率较大，结构密实度较小。虽然亚硝酸钠掺量较大时会增加溶液的表面张力，但是可以维持5℃～-10℃时水的活性，利于复合胶凝材料的水化，尤其是动力学研究。
　　(4)通过测试低温下复合胶凝材料的水化放热量，研究盐溶液环境中不同条件下复合胶凝材料水化反应的动态特征，优选水化动力学方程及计算机程序，计算反应速率常数K、反应级数n和表观活化能Ea，建立低温下复合胶凝材料的水化动力学模型，结果表明，低温下，硅酸盐水泥-硅灰复合胶凝材料水化过程可以划分为三个阶段NG、I和D，不同硅灰掺量的复合胶凝材料的反应级数n均是介于1.2～1.6之间的非整数，表示低温下的复合胶凝材料的水化反应为复杂的为基元反应;而硅灰的掺入可以降低水化后期的放热总量，增加加速期的水化放热速率，减小反应级数n，增大不同阶段的水化速率常数K;温度的降低却会使复合胶凝材料的水化诱导期延长，二次放热峰降低、滞后，反应级数n和速率常数K值也随着降低;而不同硅灰掺量的复合胶凝材料的不同水化阶段表观活化能差值均较小。
　　本文采用宏观性能测试和微观结构分析相结合、水化产物的定性分析与定量分析相结合及水化过程的分析与动力学方程建立相结合的方式，对复杂因素下硅酸盐水泥-硅灰复合胶凝材料低温水化特征进行分析，从宏-细观角度，深入开展不同硅灰掺量、不同低温条件和不同溶液环境条件下复合胶凝材料水化性能及微观机理研究，采用全程恒低温养护，从水化初始阶段进行动态数据采集，建立了低温下基于Krstulovic-Dabic方程的硅酸盐水泥-硅灰复合胶凝材料水化动力学模型，探究复合胶凝材料在低温环境中的水化控制因素、动态特征及水化动力学反应机理，为低温混凝土的研究提供了理论支撑。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 研究的背景

1．2 研究的目的和意义

1．3 低温水泥混凝土的研究现状

1．3．1 国外水泥混凝土冻害研究现状

1．3．2 国内水泥混凝土冻害研究现状

1．4 复合胶凝材料水化研究现状

1．4．1 水泥水化研究现状

1．4．2 硅灰复合胶凝材料的水化研究现状

1．4．3 其他复合胶凝材料的水化研究现状

1．4．4 低温下胶凝材料的水化研究现状

1．5 本文研究内容

2 试验设计

2．1 试验原材料

2．1．1 水泥

2．1．2 硅灰

2．1．3 标准砂

2．1．4 水

2．1．5 外加剂

2．2 试验方案设计

2．2．1 总体方案设计

2．2．2 配合比设计

2．2．3 试验步骤设计

2．3 试验方法

2．3．1 力学性能试验

2．3．2 X射线衍射试验

2．3．3 综合热分析试验

2．3．4 扫描电镜试验

2．3．5 孔结构分析试验

2．3．6 水化热试验

2．4 本章小结

3 硅灰掺量对复合胶凝材料水化性能的影响

3．1 硅灰掺量对复合胶凝材料力学性能的影响

3．2 不同硅灰掺量的复合胶凝材料的XRD分析

3．3 硅灰掺量对复合胶凝材料水化产物中Ca(OH)2含量的影响

3．4 微观机理分析

3．4．1 不同硅灰掺量的复合胶凝材料SEM分析

3．4．2 不同硅灰掺量的复合胶凝材料孔结构分析

3．4．3 硅灰的作用机理

3．5 本章小结

4 温度对复合胶凝材料水化性能的影响

4．1 温度对复合胶凝材料力学性能的影响

4．2 不同温度条件下的复合胶凝材料的XRD分析

4．3 温度对复合胶凝材料水化产物中Ca(OH)2含量的影响

4．4 微观机理分析

4．4．1 不同温度下的复合胶凝材料SEM分析

4．4．2 不同温度下的复合胶凝材料孔结构分析

4．4．3 温度的作用机理

4．5 本章小结

5 溶液环境对复合胶凝材料水化性能的影响

5．1 溶液环境对复合胶凝材料力学性能的影响

5．2 不同溶液环境中复合胶凝材料的XRD分析

5．3 溶液环境对复合胶凝材料水化产物中Ca(OH)2含量的影响

5．4 微观机理分析

5．4．1 不同溶液环境中复合胶凝材料微的SEM分析

5．4．2 不同溶液环境中复合胶凝材料孔结构的分析

5．4．3 亚硝酸钠作用机理

5．5 本章小结

6 低温下复合胶凝材料的水化动力学方程

6．1 复合胶凝材料的水化放热分析

6．1．1 硅灰对复合胶凝材料水化放热总量和水化速率的影响

6．1．2 温度对复合胶凝材料水化放热总量和水化速率的影响

6．2 低温下水化动力学模型的选择

6．2．1 常见的水化动力学模型

6．2．2 Krstulovic-Dabic水化模型的计算方法

6．3 基于Krstulovic-Dabic方程的水化动力学模型计算

6．3．1 计算示例

6．3．2 Matlab计算程序设计

6．4 低温下复合胶凝材料的水化动力学模型

6．4．1 不同硅灰掺量的复合胶凝材料的水化动力学模型

6．4．2 不同低温条件下复合胶凝材料的水化动力学模型

6．4．3 低温下复合胶凝材料的活化能

6．5 本草小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介