水泥-粉煤灰-矿粉-偏高岭土四元胶凝材料氯离子固化机理研究

本文在水泥、粉煤灰和矿粉组成的三元胶凝材料基础上掺入第四元矿物掺合料偏高岭土,利用X射线衍射(XRD)和热重分析(TGA/DTG)定性分析了四元胶凝材料水化产物与氯离子固化能力的关系,并在此基础上利用TGA/DTG和Rietveld外标法定量分析不同形态氯离子固化量。研究表明,掺入偏高岭土能够增加体系早期水化反应速率,促进粉煤灰和矿粉早龄期水化,增加了四元胶凝材料水化AFm相(单硫型水化硫铝酸钙)和C-S-H凝胶含量。同时也增加了体系中铝钙摩尔比,使得单硫型硫铝酸钙(Ms)在碳酸盐存在的条件下更加倾向于转化为半碳型碳铝酸钙(Hc)。氯离子等温吸附结果表明,AFm相含量与氯离子固化能力呈正相关。Rietveld外标法结果表明,掺入偏高岭土后四元体系的氯离子化学固化能力提高,物理吸附能力降低,与三元体系相比,氯离子化学固化量提高了94.16%,物理吸附量降低了7.62%,TGA/DTG定量结果表明Rietveld定量分析具有可行性。     

煤系偏高岭土对混凝土力学性能及微观结构的影响机理

将600目(23μm)和1 000目(13μm)煤系偏高岭土按照0%、5%、10%、15%(质量分数)的掺量分别掺入混凝土,通过强度测试、XRD、TG-DTG、SEM-EDS和氮吸附试验等研究了煤系偏高岭土细度和掺量对混凝土力学性能和微观结构的影响。结果表明：偏高岭土的掺入显著提高了混凝土的力学性能,当偏高岭土细度为1 000目、掺量为15%时,混凝土的抗压强度最大,90 d抗压强度达到了81 MPa;水化产物主要由氢氧化钙、钙矾石、类水滑石及水化硅酸钙(C-S-H)凝胶等组成,掺入偏高岭土并未改变水化产物种类,但是增加了水化产物中C-S-H凝胶的产生量,同时降低了氢氧化钙的含量。偏高岭土与水泥水化产物氢氧化钙发生二次水化生成C-S-H凝胶,提高混凝土致密性,这是偏高岭土能够增强混凝土力学性能的主要原因。     

“水泥-速凝剂-水”系统的水化反应特征及凝结硬化机理研究现状

速凝剂是喷射混凝土不可缺少的化学外加剂,但目前对速凝剂速凝及硬化作用机理方面的认识存在分歧和争议.本文从“水泥-速凝剂-水”系统的角度出发,综述分析了不同类型的速凝剂对“水泥-速凝剂-水”系统水化反应特征的影响和其快速凝结硬化的机理.明确了水化产物中的水化硫铝酸盐在充水孔隙中的快速形成是实现速凝的主要原因.高硫型水化硫铝酸钙(AFt)向低硫型水化硫铝酸钙(AFm)的晶型转化导致硬化浆体孔隙率增加,并延缓硅酸盐矿物的水化,是铝酸盐类速凝剂引起喷射混凝土后期强度降低的原因.水泥的化学组成对“水泥-速凝剂-水”系统的水化进程和凝结硬化具有重要的影响.喷射工艺的高剪切作用会加速AFm形成,抑制硅酸盐矿物的水化,对掺加碱性速凝剂的喷射混凝土强度发展有不利影响.     

纳米二氧化硅改性混凝土宏观性能及微观调控机理分析

系统研究了纳米SiO2对水泥净浆流动性、水泥砂浆强度、混凝土强度和动弹性模量、混凝土渗透性能的影响,并采用X射线衍射(XRD)分析了不同掺量纳米SiO2对混凝土不同水化阶段水化产物的影响规律,同时借助电镜扫描(SEM)分析了水化产物微观结构受到的影响,从宏观性能和微观机理两方面探讨了纳米SiO2对水泥基材料的影响.结果表明,纳米SiO2会影响水泥水化尤其是早龄期水化速度,从而提高混凝土和砂浆强度,提高混凝土的抗渗性能,降低混凝土的动弹性模量.一定范围内,随着纳米SiO2掺量的增加,水泥水化产物受影响的程度逐渐增大,通过XRD和SEM分析水化产物微观结构变化规律,发现与宏观力学性能和耐久性能吻合较好.纳米SiO2本身的特性(粒径大小、表面活性、分散性能等)决定其对水泥水化过程和产物的影响程度.     

掺粉煤灰和偏高岭土对高强混凝土不同温度下力学性能的影响

通过掺加粉煤灰和偏高岭土制备高强混凝土,研究了其在400℃、600℃、800℃、1000℃高温热处理后的力学性能变化,并与相同强度等级的混凝土进行对比,分析其在高温混凝土领域的应用优势.试验结果表明:普通高强混凝土经600℃热处理后,表观裂纹已经非常明显,而掺粉煤灰和偏高岭土的高强混凝土表观破坏温度为800℃;掺粉煤灰与偏高领土高强混凝土的高温力学性能出现先增长后迅速降低的现象,抗压强度最大值达到125.2 MPa,而普通高强混凝土高温处理后力学性能不断下降;普通高强混凝土随着热处理温度升高,浆体中的水化产物硅钙石、氢氧化钙不断分解,结构劣化严重,而掺粉煤灰和偏高岭土后浆体中会形成大量的耐高温相,而此过程会改善浆体中产生的部分结构缺陷,大幅度延缓力学性能退化,在1000℃热处理后浆体向陶瓷转变;掺粉煤灰和偏高领土的高强混凝土与相同强度等级的混凝土相比,在高温领域内的有着更加明显的优势,应用前景广阔.     

超细粉煤灰和偏高岭土对高强混凝土耐热性能的影响

以普通硅酸盐水泥为主要胶凝材料,超细粉煤灰和偏高岭土作为辅助胶凝材料制备了高强混凝土,研究了其在400℃热处理前后的力学性能,分析了浆体物相组成、断面形貌的变化.结果 表明,超细粉煤灰和偏高岭土的引入可以明显改善高强混凝土受热条件下的力学性能,同时引入30wt％超细粉煤灰和5wt％偏高岭土可制备出常温抗压强度、残余强度分别为87.18MPa、109.72 MPa的高强混凝土.微观分析发现,在热处理过程中,未掺加辅助胶凝材料的试样浆体中氢氧化钙和硅钙石分解,浆体结构劣化,力学性能退化明显;掺加超细粉煤灰可以改善试样浆体的孔结构,且超细粉煤灰可在高温下与氢氧化钙及其分解产生的氧化钙反应生成更多的硅钙石以及耐高温矿物相,改善了加热过程中由于氢氧化钙和部分硅钙石分解而产生的结构缺陷,进而提升材料耐热性能,使得混凝土热处理后的残余强度不降反升;在掺加超细粉煤灰的同时复掺偏高岭土,可以在常温下水化生成更多的水化硅酸钙凝胶,使得粉煤灰微珠与浆体的界面结合更加紧密,并在高温下进一步加快水化反应速率,在浆体中生成大量硅钙石、钙铝榴石与蓝晶石三种耐高温物相,进而大幅度提升混凝土的耐热性能,使得混凝土高温残余强度更高.     

海水对高贝利特硫铝酸盐水泥水化过程和力学性能的影响

研究了海水拌和与海水养护条件下高贝利特硫铝酸盐水泥(HB-CSA)和普通硅酸盐水泥(OPC)胶砂的抗压强度和抗折强度,采用等温量热法、X射线衍射分析法和热重分析法表征了两种水泥的水化过程和水化产物,分析了海水对HB-CSA水化过程和力学性能的影响。结果表明:海水拌和未明显影响HB-CSA的早期水化过程,海水拌和与海水养护未改变其主要水化产物类型;海水拌和显著加快了OPC的早期水化,海水中的氯盐与OPC的水化产物反应,导致水化氯铝酸钙(Friedel盐)的生成。海水拌和与海水养护对HB-CSA的抗压强度影响较小,但降低了OPC的后期抗压强度。海水养护对HB-CSA和OPC抗折强度的提高较为明显,钙矾石(AFt)含量的增加是抗折强度提高的主要原因。HB-CSA的水化产物中未见Ca(OH)₂和单硫型水化硫铝酸钙(AFm),避免了海水侵入后过量CaSO₄·2H₂O和AFt生成造成的混凝土膨胀开裂和强度下降的危害。     

复合火山灰材料对超高性能混凝土性能与微观结构的物理化学效应

利用偏高岭土部分及完全(0％、20％、40％、60％、80％、100％)取代硅灰,对比研究了复合火山灰材料对超高性能混凝土性能与微观结构的物理化学效应.结果表明:当硅灰与偏高岭土的混合比例为3/2时,可以获得较好力学性能的超高性能混凝土.这主要是因为:一方面,偏高岭土比硅灰可以更好的促进水泥水化,增加混凝土微结构密实程度;另一方面,偏高岭土的加入会降低超高性能混凝土的流动性,提高其粘度,导致混凝土不致密.     

温度对铝酸盐水泥基三元体系早期水化的影响

采用X射线衍射仪、环境扫描电子显微镜(背散射电子成像)、压汞仪分析了养护温度对铝酸盐水泥-硅酸盐水泥-无水石膏三元体系水化早期的水化相组成、抛光断面微观结构和孔结构等微结构演变的影响。结果表明:无论0℃还是40℃养护,三元体系的主要水化产物始终为水化硫铝酸钙类物相;但养护温度越高,所生成的钙矾石越易向单硫型水化硫铝酸钙转变,且转变得越早,所得硬化浆体的最可几孔径越大。此外,40℃养护3 d后的浆体中还生成了水化钙铝黄长石和三水铝石。     

高活性矿物掺合料混凝土力学性能试验

利用正交试验的方法对高活性矿物掺合料混凝土(以下简称掺合料混凝土)的强度进行试验.研究偏高岭土掺量、超细粉煤灰掺量、硅灰掺量对掺合料混凝土7d、14 d、28 d抗压强度和劈裂抗拉强度的影响,并对数据结果进行系统分析.试验结果表明,偏高岭土对掺合料混凝土早期的力学性能影响最大,力学性能随着偏高岭土掺量的增加而增加.通过多元线性回归,建立不同因素对掺合料混凝土各龄期抗压强度、劈裂抗拉强度的数学表达式,得到偏高岭土和硅灰对掺合料混凝土均为正影响,而超细粉煤灰为负影响的结果.当偏高岭土的掺量为10％(质量分数),超细粉煤灰掺量为15％(质量分数),硅灰掺量为5％(质量分数)时,掺合料混凝土力学性能达到最佳.最后进行微观分析得出,矿物掺合料的复合化具有超叠加效应,能增强掺合料混凝土各龄期的力学性能.     

Compressive behavior of fiber reinforced high-performance concrete subjected to elevated temperatures

In this paper, the effects of elevated temperatures on the compressive strength stress–strain relationship (stiffness) and energy absorption capacities (toughness) of concretes are presented. High-performance concretes (HPCs) were prepared in three series, with different cementitious material constitutions using plain ordinary Portland cement (PC), with and without metakaolin (MK) and silica fume (SF) separate replacements. Each series comprised a concrete mix, prepared without any fibers, and concrete mixes reinforced with either or both steel fibers and polypropylene (PP) fibers. The results showed that after exposure to 600 and 800 °C, the concrete mixes retained, respectively, 45% and 23% of their compressive strength, on average. The results also show that after the concrete was exposed to the elevated temperatures, the loss of stiffness was much quicker than the loss in compressive strength, but the loss of energy absorption capacity was relatively slower. A 20% replacement of the cement by MK resulted in a higher compressive strength but a lower specific toughness, as compared with the concrete prepared with 10% replacement of cement by SF. The MK concrete also showed quicker losses in the compressive strength, elastic modulus and energy absorption capacity after exposure to the elevated temperatures. Steel fibers approximately doubled the energy absorption capacity of the unheated concrete. They were effective in minimizing the degradation of compressive strength for the concrete after exposure to the elevated temperatures. The steel-fiber-reinforced concretes also showed the highest energy absorption capacity after the high-temperature exposure, although they suffered a quick loss of this capacity. In comparison, using PP fibers reduced the energy absorption capacity of the concrete after exposure to 800 °C, although it had a minor beneficial effect on the energy absorption capacity of the concrete before heating.     

辅助胶凝材料对预应力高强混凝土管桩强度及工艺的影响

为优化混凝土管桩生产工艺,以硅灰(SF)和偏高岭土(MK)作为辅助胶凝材料,研究硅灰和偏高岭土对不同蒸养时间下混凝土抗压强度的影响,并使用X射线衍射(XRD)和扫描式电子显微镜结合能量色散谱(SEM-EDS)分析其水化产物及微观结构。通过Design-Expert8.0软件设计Box-Behnken试验,以硅灰掺量、偏高岭土掺量和蒸养时间三个因素为自变量,蒸养混凝土抗压强度为响应值,构建多因素回归方程模型。结果表明:硅灰掺量为胶凝材料质量分数8%时,对抗压强度略有提高,提高幅度为6.2%,达到83.6 MPa;5%、8%和10%(质量分数)掺量的偏高岭土均可提高蒸养混凝土的抗压强度,蒸养4 h、8 h、12 h时,10%掺量的偏高岭土对混凝土抗压强度的提升幅度依次为15.6%、13.2%和13.6%,蒸养4 h、8 h和12 h对混凝土抗压强度影响不大。XRD和SEM-EDS结果表明,硅灰和偏高岭土均消耗了Ca(OH)₂,提升了水泥早期水化程度,可以改善内部孔结构。通过响应面法建立模型可以预测,当硅灰质量分数为6.6%、偏高岭土质量分数为10%、蒸养时间为8.6 h时,混凝土抗压强度最高,达到104.8 MPa,且具有较高置信度。     

石膏对贝利特-硫铝酸钡钙水泥强度和硬化浆体结构的影响

研究了石膏对贝利特-硫铝酸钡钙水泥强度和硬化浆体结构的影响.结果表明:贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料的矿物组成主要有C3S、C2S、C,A、C4AF和C2.7B1.25A3S;当水泥中石膏掺量为10%时,贝利特-硫铝酸钡钙水泥的3d、7 d、28 d和90 d抗压强度分别达到了45.0、61.9、82.1和85.6 MPa;贝利特.硫铝酸钡钙水泥的水化产物主要有AFt、Ca(OH)2、C-S-H凝胶等,随石膏掺量的增加,AFt的数量逐渐增加,水化后期的Ca(OH)2数量逐渐减少.用XRD和SEM来分析硬化水泥浆体组成和结构.     

超细矿渣粉和偏高岭土对硫铝酸盐水泥水化和强度的影响

掺入矿物掺合料是改善硫铝酸盐水泥(CSA)混凝土凝结硬化性能和降低生产成本的主要技术途径之一。研究了水胶比为0.4时,单掺超细矿渣粉(UFS)、偏高岭土(MK)与复掺超细矿渣粉、偏高岭土对硫铝酸盐水泥凝结时间、流动度、电阻率、抗压强度的影响,并对其1 d、28 d龄期时的水化产物进行XRD半定量分析。结果表明,单掺和复掺缩短了水泥浆体的凝结时间,但单掺偏高岭土时的缩短效果更明显,且水泥浆体的流动度随着超细矿渣粉和偏高岭土掺量的增加而减小。掺入超细矿渣粉、偏高岭土缩短了水泥浆体电阻率变化速率曲线峰值出现的时间,峰值大小与掺量成递减关系。当掺量从0%(质量分数,下同)增大到20%时,单掺超细矿渣粉试样的28 d抗压强度减小了24.7%,单掺偏高岭土试样的28 d抗压强度减小了17.7%,两者复掺试样的28 d抗压强度减小了17.3%。超细矿渣粉和偏高岭土对水泥水化产物没有明显影响,但促进了硅酸二钙(β-C₂S)的早期水化。     

Effect of temperature and aging on the mechanical properties of concrete: Part I. Experimental results

This paper reports the results of curing temperature and aging on the strength and elastic modulus and the Part II paper suggests a prediction model based on these experimental results. Tests of 480 cylinders made of Types I, V, and V cement+fly ash concretes, cured in isothermal conditions of 10, 23, 35, and 50 °C and tested at the ages of 1, 3, 7, and 28 days are reported. According to the experimental results, concretes subjected to high temperatures at early ages attain higher early-age compressive and splitting tensile strengths but lower later-age compressive and splitting tensile strengths than concretes subjected to normal temperature. Even though the elastic modulus has the same tendency, the variation of elastic modulus with curing temperature is not so obvious as compressive strength. Based on the experimental result, the relationships among compressive strength, elastic modulus, and splitting tensile strength are analyzed, considering the effects of curing temperature, aging, and cement type.     

减水剂对硫铝酸盐水泥早期水化影响

研究了聚羧酸系高效减水剂(PCE)和萘系减水剂(FDN)对硫铝酸盐水泥净浆工作性能及力学性能影响,通过XRD和SEM检测手段对水化产物进行表征.结果表明:两种减水剂对硫铝酸盐水泥净浆流动度的影响存在饱和点;相比于FDN型减水剂,PCE型减水剂对硫铝酸盐水泥净浆具有更好的减水效率及分散能力.PCE型减水剂阻碍硫铝酸盐水泥净浆早期水化,并降低硫铝酸盐水泥净浆1 d抗压强度;FDN型减水剂能够加速硫铝酸盐水泥净浆早期水化,缩短初凝和终凝时间,提高硫铝酸盐水泥净浆1d抗压强度.两种减水剂对硫铝酸盐水泥净浆3d后抗压强度及水化产物种类均没有影响.     

高温条件下G级油井水泥原浆及加砂水泥的水化和硬化

利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜研究了80～240℃温度范围内温度、硅砂对G级油井水泥水化硬化的影响,检测和分析了硬化体的水化产物、微观结构和强度,揭示了水化产物组成、微观结构及硬化体抗压强度的变化特点.结果表明:当养护温度超过110℃时,不添加硅砂的水泥原浆的主要水化产物由CSH(Ⅱ),C2SH2,C3S2H3转变为C2SH,硬化体微观结构由三维网络状结构转变为板快状或团块状结构,原浆水泥石抗压强度随温度升高而降低;在相对较高的温度条件下,添加硅砂的水泥主要水化产物则分别转变为C5S6H5,C6S6H(>150℃),C5S5A0.5H5.5,C3.2S2H0.8及其他类型的水化硅酸钙晶体,硬化体的微观结构相应地变为纤维网状、粗框架、短平行针状及团块状,在温度为100～150℃范围时,添加硅砂的水泥硬化体抗压强度随温度升高而增加,而在温度为150～240℃范围时.抗压强度随温度升高而降低.对于温度超过120℃的深井,合理的硅砂加量为30%～40%.     

钢纤维对活性粉末混凝土力学性能的影响

通过测试不同钢纤维掺量活性粉末混凝土(RPC)试件的流动度、28 d标准养护后抗压强度及抗折强度,分析不同钢纤维掺量下,RPC流动度、抗压强度、抗折强度、折压比等性能,并结合文献对比分析在不同配合比下钢纤维掺量对RPC的增强效果,综合考虑RPC流动度与力学性能得出钢纤维最优掺量为2％～3％.     

Mechanical properties of hybrid fiber-reinforced concrete at low fiber volume fraction

Concretes containing different types of hybrid fibers at the same volume fraction (0.5%) were compared in terms of compressive, splitting tensile, and flexural properties. Three types of hybrid composites were constructed using fiber combinations of polypropylene (PP) and carbon, carbon and steel, and steel and PP fibers. Test results showed that the fibers, when used in a hybrid form, could result in superior composite performance compared to their individual fiber-reinforced concretes. Among the three types of hybrids, the carbon-steel combination gave concrete of the highest strength and flexural toughness because of the similar modulus and the synergistic interaction between the two reinforcing fibers.     

Explosive spalling and residual mechanical properties of fiber-toughened high-performance concrete subjected to high temperatures

In this paper, an experimental investigation was conducted to explore the relationship between explosive spalling occurrence and residual mechanical properties of fiber-toughened high-performance concrete exposed to high temperatures. The residual mechanical properties measured include compressive strength, tensile splitting strength, and fracture energy. A series of concretes were prepared using OPC (ordinary Portland cement) and crushed limestone. Steel fiber, polypropylene fiber, and hybrid fiber (polypropylene fiber and steel fiber) were added to enhance fracture energy of the concretes. After exposure to high temperatures ranged from 200 to 800 °C, the residual mechanical properties of fiber-toughened high-performance concrete were investigated. For fiber concrete, although residual strength was decreased by exposure to high temperatures over 400 °C, residual fracture energy was significantly higher than that before heating. Incorporating hybrid fiber seems to be a promising way to enhance resistance of concrete to explosive spalling.