大掺量普通细度矿渣粉绿色高性能混凝土的研究

摘要

本文讨论了建筑工程材料可持续发展战略的实施对混凝土材料发展方向的要求，认为绿色高性能混凝土是将材料性能的获得与节约资源、能源和保护环境等因素共同考虑时，混凝土材料发展的必然方向。阐述了绿色高性能混凝土的涵义，提出了发展绿色高性能混凝土应采取的措施。 分析了水淬高炉矿渣作为水泥混合材和混凝土掺合料使用的现状，认为矿渣单独磨细作为混凝土掺合料使用不仅比较便利，而且能对混凝土材料的性能产生更多益处。 自行制备了比表面积分别为340、420、460、510、620、710、820和1100m2/kg的八种磨细矿渣粉。各种细度矿渣粉等量替代部分水泥(0％-80％)后对胶砂(W/B=0.44)强度影响的试验结果表明：随着矿渣粉对水泥替代率的增加，胶砂早期(1天和3天)抗压强度比线性降低，而28天强度不仅与矿渣粉替代率有关，也与矿渣粉细度存在一定关系。根据胶砂抗压强度比与各种细度矿渣粉替代率之间的二次回归方程，计算得出使胶砂28天抗压强度比最大时所对应的各细度矿渣粉的替代率分别为13.3％、24.8％、29.3％、30.9％、34.9％、34.7％、38.1％和40.0％。试验发现，掺矿渣粉胶砂的长期(如720天龄期)强度与矿渣粉细度的关系不如28天龄期时明显。 对掺矿渣粉胶砂强度的发展规律与W/B的关系进行了试验研究，发现低W/B的掺矿渣粉胶砂早龄期的抗压强度比比高w/B者更低，说明掺矿渣粉的低w/B混凝土的早期强度更应受到关注。试验还发现，在水胶比较低(如<0.32)且矿渣粉掺量<40％的情况下，掺矿渣粉胶砂的长期强度先随矿渣粉细度增大而提高，但当矿渣粉细度超过某个值后，强度却随细度增大而呈降低趋势，这说明在低水胶比混凝土中掺用超细磨(比表面积800m2/kg以上)矿渣粉对长期强度不利。 将矿渣粉在混凝土中的作用界定为活性、微集料填充、减水和界面增强四大效应。提出了水泥强度指数、矿渣粉活性效应、微集料填充效应、减水效应和界面增强效应的试验和计算方法，对比了比表面积为420m2/kg的B2矿渣粉分别等量替代30％和60％水泥时四种作用效应的大小及变化规律。试验表明，当B2矿渣粉对水泥替代率为60％，1天龄期时矿渣粉的微集料填充效应为负值，仅起微弱的减水和活性作用，3天龄期时以微集料填充效应为主，而矿渣粉的活性效应从7天龄期开始才转变为最主要的作用效应。矿渣粉的活性效应对其微集料填充效应和界面增强效应均有很大影响，因此作者提出，增强矿渣粉早期活性效应是提高浆体早期强度和增强界面效应、加快大掺量普通细度矿渣粉混凝土早期强度发展的最有效措施。 选定了凡理论上能对矿渣一水泥浆体系早期活性起激发作用的28种化学物质，通过试验对比了它们对掺有60％普通细度矿渣粉的净浆1、3、7和28天强度的影响，发现所选取的各种物质对浆体早期强度发展均有不同程度的促进作用。比较而言，对浆体早期强度发展促进作用较好的化学物质有CaCl2、BaCl2、NaF等卤盐，以及硫酸盐、水玻璃、碳酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐与K2Cr2O7、Na2S2o3两种强氧化剂，但它们对浆体后期强度的影响却大相径庭。对于各种碱类和盐类物质来说，其阳离子的影响不容忽视。化学物质的掺量对浆体强度发展也有较大影响。 全面讨论了混凝土外加剂与水泥适应性的概念及其影响因素，通过试验对比了矿渣粉、Ⅱ级粉煤灰、沸石粉和硅灰四种掺合料分别以不同百分率等量替代部分水泥后，对减水剂的塑化效果和浆体流动性保持性的影响，发现掺Ⅱ级粉煤灰、沸石粉或硅灰时，均引起减水剂塑化效果减弱和浆体流动性损失增大(尤其是掺加沸石粉和硅灰者)。而随着矿渣粉掺量增加，减水剂塑化作用增强，浆体流动性损失减小。在矿渣粉与高效减水剂双掺情况下，矿渣粉所带来的辅助减水率可达10％左右，作者分析了产生此现象的机理。试验还表明，随着矿渣粉替代水泥百分率的增加，引气剂作用效果增强。达相同引气量情况下，矿渣粉替代60％水泥时混凝土中引气剂的掺量可比纯水泥混凝土减少12.5％-16.3％。 研制了一种专用于大掺量普通细度矿渣粉泵送混凝土的WZ外加剂。掺WZ外加剂能够消除普通细度矿渣粉大量替代水泥(替代率为60％左右)后对混凝土早期强度所产生的负面效应。通过掺WZ外加剂的措施配制出水泥用量仅为120kg/m３和240kg/m3的大流动性普通强度混凝土和高强混凝土，这种混凝土具有良好的保水性和坍落度保持性，适于集中搅拌和泵送施工。WZ外加剂对混凝土中配筋无锈蚀危害，掺WZ外加剂所配制的大掺量普通细度矿渣粉混凝土具有良好的抗渗、抗冻、抗碳化、耐腐蚀和抵抗碱集料反应的性能，其收缩率小于普通水泥混凝土。通过化学结合水测定、XRD和SEM等手段对WZ外加剂的作用机理进行了研究。 提出了用以评价大掺量矿物掺合料混凝土绿色化水平的量化指标—水泥28天强度贡献率。试验结果表明：保持混凝土坍落度为20+2cm，胶凝材料总量取300-600kg/m３时，不掺外加剂的纯水泥混凝土中水泥28天强度贡献率为0.0600-0.0836MPa/kg，掺木钙减水剂者为0.0653-0.0964MPa/kg，而掺高效减水剂的混凝土其水泥28天强度贡献率约比不掺者提高20％。采用掺WZ外加剂的措施配制的大掺量普通细度矿渣粉混凝土不仅具有较好的强度发展规律和优良的耐久性，而且水泥28天强度贡献率比纯水泥混凝土提高2.0倍左右，表明其具有较高的绿色化水平。

目录

文摘

英文文摘

第一章 混凝土材料的可持续发展与绿色高性能混凝土

1.1建筑工程材料的可持续发展

1.1.1可持续发展

1.1.2建筑工程材料与可持续发展

1.2绿色高性能混凝土

1.2.1高性能混凝土

1.2.2绿色高性能混凝土

1.3开发应用绿色高性能混凝土尚需进行的工作

参考文献

第二章 水淬高炉矿渣在建筑工程中应用的回顾与展望

2.1水淬高炉矿渣及其应用

2.2水淬高炉矿渣单独粉磨使用的技术意义

2.2.1矿渣硅酸盐水泥的应用

2.2.2矿渣单独粉磨使用的效益

2.3本文研究目的与研究内容

2.3.1磨细矿渣粉作为混凝土掺合料使用的机遇与挑战——课题的提出

2.3.2本课题研究内容

参考文献

第三章 不同细度矿渣粉对胶砂强度的影响

3.1试验原材料和试验方法

3.1.1试验原材料

3.1.2试验方法

3.2试验方案

3.3试验结果与讨论

3.4小结

参考文献

第四章 水胶比对掺矿渣粉胶砂强度发展的影响

4.1试验原材料和试验方法

4.1.1试验原材料

4.1.2试验方法

4.2试验设计

4.3试验结果与讨论

4.3.1水胶比对掺矿渣粉胶砂1天和3天强度的影响

4.3.2水胶比对掺矿渣粉胶砂7天和28天强度的影响

4.3.3水胶比对掺矿渣粉胶砂长期强度的影响

4.4小结

参考文献

第五章 矿渣粉在混凝土中的作用效应

5.1矿渣粉作为混凝土掺合料的各种作用效应的界定

5.2矿渣粉作用效应定量测试方法的探讨

5.2.1矿渣粉微集料填充、减水和活性效应的测试与表征方法

5.2.2矿渣粉界面增强效应的测试与表征方法

5.3试验原材料与试验方案

5.3.1试验原材料

5.3.2试验方案

5.4试验结果与讨论

5.4.1浆体各龄期抗压强度的测试结果及比较

5.4.2水泥强度指数的计算结果及变化分析

5.4.3矿渣粉在浆体中三大效应的定量计算结果

5.4.4矿渣粉在各龄期浆体中三大效应百分比的对比分析

5.4.5三种浆体的本体强度及其与镜面花岗岩界面压剪强度

5.4.6矿渣粉替代水泥百分率对浆体界面效应的影响

5.5小结

参考文献

第六章 矿渣粉-水泥体系早期活性的化学激发措施

6.1矿渣粉早期活性激发措施的评述

6.1.1矿渣早期活性的激发措施

6.1.2矿渣早期活性的化学激发措施

6.1.3矿渣粉活性激发剂的掺加方法

6.2试验方案

6.3试验原材料及试验方法

6.3.1试验原材料

6.3.2试验方法

6.4试验结果与讨论

6.4.1氢氧化物对矿渣粉-水泥浆体强度的影响

6.4.2硫酸盐对矿渣粉-水泥浆体强度的影响

6.4.3卤盐对矿渣粉-水泥浆体强度的影响

6.4.4硝酸盐和亚硝酸盐对矿渣粉-水泥浆体强度的影响

6.4.5碳酸盐对矿渣粉-水泥浆体强度的影响

6.4.6两种强氧化剂对矿渣粉-水泥浆体强度的影响

6.4.7甲酸钙、三乙醇胺及水玻璃对矿渣粉-水泥浆体强度的影响

6.5小结

参考文献

第七章 矿渣粉与混凝土外加剂相互作用效果研究

7.1混凝土外加剂与水泥的适应性

7.1.1混凝土外加剂与水泥适应性的概念

7.1.2影响减水剂作用效果的因素

7.1.3影响引气剂作用效果的因素

7.2试验原材料和试验方法

7.2.1试验原材料

7.2.2试验方法

7.3试验结果与讨论

7.3.1掺合料对掺高效减水剂净浆流动性及流动性损失的影响

7.3.2矿渣粉与高效减水剂单、双掺情况下混凝土的和易性

7.3.3矿渣粉与减水剂单、双掺时混凝土的坍落度损失

7.3.4矿渣粉与减水剂单、双掺对混凝土和易性的影响机理

7.3.5矿渣粉等量替代部分水泥对引气剂作用效果的影响

7.4小结

参考文献

第八章 大掺量普通细度矿渣粉泵送混凝土外加剂的研制及作用机理

8.1外加剂研制目标

8.2试验原材料及试验方法

8.2.1试验原材料

8.2.2试验方法

8.3试验结果与讨论

8.3.1 S95矿渣粉大量替代水泥时胶砂的抗压强度

8.3.2 WZ外加剂对大掺量S95矿渣粉胶砂性能的影响

8.3.3 WZ外加剂与高效减水剂作用效果的比较

8.3.4 WZ外加剂对大掺量S95矿渣粉混凝土强度的影响

8.3.5 WZ外加剂对大掺量矿渣粉混凝土拌和物性能的影响

8.3.6 WZ外加剂对大掺量矿渣粉混凝土耐久性的影响

8.4 WZ外加剂对矿渣粉-水泥浆体系作用机理的试验研究

8.4.1样品制备方法

8.4.2试样化学结合水的测定分析

8.4.3 XRD图谱及分析

8.4.4 SEM照片分析

8.4.5 WZ外加剂对大掺量矿渣粉混凝土作用机理的探讨

8.5小结

参考文献

第九章 大掺量普通细度矿渣粉混凝土绿色化水平的评价

9.1生态环境材料

9.2绿色建材的概念及分类

9.3绿色建材的评价与量化

9.4掺普通细度矿渣粉混凝土绿色化水平的评价

9.5试验原材料与试验方法

9.5.1试验原材料

9.5.2试验方法

9.6试验设计

9.7试验结果与讨论

9.8小结

参考文献

第十章 结论

致谢