功能骨料制备及其对水泥基材料体积变形性能的影响

摘要

骨料是混凝土中重要组分之一，约占混凝土体积的75％-80%。一般被人们视为混凝土中惰性填料，仅起到支撑骨架作用，却很少有人关注骨料特性对水泥基材料体积变形性能的影响。本文根据材料设计基本原理，借鉴复合材料和人造轻骨料制备技术、焙烧理论和破碎技术，对骨料进行功能化设计。基于两淮矿区丰富的煤矸石和粉煤灰资源制备出了低热膨胀系数、内部多孔和表面粗糙的功能骨料。研究了烧结体制备及其优化设计。通过原材料配比、发泡组分掺量和烧成温度的调整制备功能骨料，并对功能骨料的膨胀机理进行分析。研究了功能骨料对水泥基材料体积变形的影响，揭示了功能骨料提升水泥基材料体积稳定性能的作用机制。论文进行的主要工作和取得主要结论如下：　　1.烧结体制备及响应曲面法优化设计　　（1）烧结体主要矿物相是莫来石、石英和β-石英。随着煤矸石/粉煤灰比值减小，烧结体的抗压强度和线性收缩率增大；矿物相石英的衍射主峰降低，β-石英的衍射主峰增加，莫来石的衍射峰没有发生显著的变化。烧成温度对烧结体抗压强度和线性收缩率的影响较为显著。在1250℃保温30min条件下，煤矸石/粉煤灰=1:1时，制备出抗压强度、线性收缩率、孔隙率和平均孔径分别为63.88MPa、8.84%、15.28%和203.9nm的烧结体。　　（2）采用响应曲面法拟合体积收缩率、表观密度和真空吸水率的二阶响应曲面模型精确合理，能够用于分析和预测烧结体的性能，且温度-比表面积和温度-Si/Al对烧结体性能交互影响非常显著。综合考虑能耗和烧结体性能，确定性能优异的烧结体的制备参数优化结果：烧结温度为1225~1250℃，煤矸石比表面积为600~640 m2·kg-1，原材料Si/Al为2.5~2.6。　　2.功能骨料制备及其膨胀机理分析　　（1）白云石粉在两种体系功能骨料制备过程中均能够实现膨胀形成内部多孔结构。合适白云石粉掺量和烧成温度下，功能骨料的矿物相均为堇青石、莫来石、钙长石和石英。其中，矿物相堇青石具有低热的膨胀系数和优异的热震性。　　（2）随着白云石粉掺量，煤矸石体系功能骨料的孔隙率和孔径逐渐增大，表观密度和单颗粒抗压强度逐渐减小，堇青石和钙长石含量增大，莫来石含量减小；煤矸石/粉煤灰比值变化对煤矸石-粉煤灰体系功能骨料孔隙率、表观密度和抗压强度的影响不大。烧成温度对两种体系功能骨料组成、结构和性能的影响较为显著。在1250℃保温30min条件下，白云石粉掺量为10%时，制备出了孔隙率达40.71%，表观密度为1528kg/m3，孔径为0.5~1.5mm左右，颗粒抗压强度为5.76MPa的煤矸石体系功能骨料。煤矸石/粉煤灰比值=5:5时，制备出孔隙率可达54.86%，表观密度为1169kg/m3，孔径尺寸在0.1-1.5mm，单颗粒抗压强度为4.78MPa的煤矸石-粉煤灰体系功能骨料。　　（3）功能发泡组分白云石粉实现功能骨料膨胀过程包括两个方面，即在高温条件下白云石分解CO2气体强烈向外逸出和适宜黏度液相对气体的抑制，二者共同作用实现功能骨料的膨胀过程。　　3.功能骨料对水泥基材料体积变形性能的影响　　（1）低水灰比条件下，采用功能骨料替代天然碎石制备混凝土能够有效地抑制混凝土的自身变形量和降低变形速率。功能骨料的多孔结构在混凝土拌合早期吸收部分水分，在后期能够逐渐释放，起到内养护效应，有效地控制了混凝土内部相对湿度的降低和降低速率，降低了毛细管张力。同时，功能骨料表面粗糙的表面形态结构与水泥石之间形成嵌锁结构增强了骨料约束限制水泥石的收缩变形能力，有利于降低混凝土的自身体积变形。　　（2）采用功能骨料等体积部分或全部替代天然河砂制备水泥砂浆，能够延迟早期塑性收缩开裂的时间和降低硬化早期砂浆的干燥收缩，有效降低水泥砂浆塑性阶段水分散失量和蒸发速率。功能骨料表面粗糙形态能够有效的降低硬化塑性阶段砂浆裂纹的扩展和约束限制水泥浆体的干燥收缩。　　（3）采用堇青石含量高的功能骨料和提高功能骨料在水泥基材料中的体积分数可以实现降低水泥基材料的热膨胀系数，提高水泥基材料的热稳定性。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2骨料特性影响混凝土性能的国内外研究现状

1.3 固体废弃物制备人造轻骨料的研究现状

1.4 存在主要问题

1.5 本文研究基本思路与主要内容

第二章 烧结体制备及响应曲面法优化设计

2.1 试验

2.2 原材料化学组成和烧成温度对烧结体组成、结构与性能的影响

2.3 响应曲面法优化烧结体制备参数

2.4 本章小结

第三章 功能骨料制备及其膨胀机理分析

3.1 试验

3.2 煤矸石体系功能骨料

3.3 煤矸石-粉煤灰体系功能骨料

3.5膨胀机理分析

3.6 本章小结

第四章 功能骨料对水泥基材料体积变形性能的影响

4.1 试验

4.2 试验方法

4.3 混凝土自身体积变形

4.4 砂浆塑性收缩和水分蒸发

4.5 砂浆的干燥收缩率与质量损失率

4.6 砂浆线膨胀系数

4.7功能骨料对水泥基材料体积变形的影响机理分析

4.8本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

作者简介及攻读硕士学位期间发表论文和科研工作情况

致谢