早龄期复合胶凝材料的裂纹扩展阻力分析

研究了不同组成的复合胶凝材料硬化浆体(硅酸盐水泥,硅酸盐水泥 粉煤灰,硅酸盐水泥 矿渣,硅酸盐水泥 硅灰,硅酸盐水泥 硅灰 粉煤灰)早龄期时裂纹扩展阻力的发展,探讨了粉煤灰掺量对裂纹扩展阻力的影响.结果表明:早龄期时,在相同水胶比条件下,掺加硅灰使胶凝材料体系裂纹扩展阻力明显降低,在低水胶比条件下,掺加一定量的粉煤灰能够明显增加体系的裂纹扩展阻力,掺加20%的粉煤灰能使胶凝材料具有较高的裂纹扩展阻力.     

硅烷改性聚羧酸减水剂对水泥-硅灰浆体分散性能影响及机理?

硅灰是超高强混凝土(UHSC)中最难被分散的组分,超高强混凝土性能提升需要硅灰的有效分散.通过自由基反应,将乙烯基三乙氧基硅烷接枝引入了主链结构中,合成了一种含有硅烷基团的聚羧酸减水剂(PCES).采用微坍落度法研究了 PCES 对水泥-硅灰浆体流动性的影响规律.用有机碳分析仪研究了PCES在水泥净浆和硅灰表面的吸附性能.研究结果表明,聚羧酸减水剂分子结构中引入硅烷基团后,分散水泥-硅灰浆体的能力明显提高,在水泥颗粒表面吸附量增加幅度不大,而在硅灰表面的吸附量有较大幅度增加.PCES能够在含有羟基的硅灰表面同时发生物理吸附和化学吸附,硅灰表面吸附更多的减水剂分子后,其空间排斥能增加,这可能是PCES分散能力提升一个机理.相较普通聚羧酸减水剂,硅烷改性的聚羧酸减水剂更适宜配制超高强混凝土.     

基于活性粉末混凝土的水泥相容性实验研究

通过水泥相容性试验,确定了合适的减水剂和硅灰品种,考察了水胶比和硅灰掺量对胶凝材料流动性的影响,研究了水胶比、粉煤灰、硅灰、石英粉、纳米硅等对RPC流动性的影响规律。实验结果表明,采用适当比例的硅灰、粉煤灰和纳米硅,可以提高RPC的流动性,RPC中加入缓凝剂,延缓了拌合物的凝结时间,有利于提高RPC的强度。特别是纳米硅的加入,明显的改善了RPC的流动性。     

普通硅酸盐-硫铝酸盐水泥复合凝胶体系的制备及性能研究

根据设计配比,制备了普通硅酸盐-硫铝酸盐水泥复合凝胶体系。通过改变普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的质量比、水胶比和减水剂用量等参数,采用净浆流动度、凝胶时间、结石率、抗压强度和竖向膨胀率等实验,探究了普通硅酸盐-硫铝酸盐水泥复合凝胶体系的性能影响因素。结果表明,当硫铝酸盐水泥的用量为70%(质量分数)、水胶比为0.5、减水剂用量为0.5‰(质量分数)时,复合胶凝体系的流动度最大,达320 mm,可注性好;其初凝和终凝时间分别为6和14 min,凝胶时间短;其结石率为100%,28 d竖向膨胀率约为0.14%,无需二次注浆;其28 d抗压强度为43 MPa,加固强度高。适量的硅灰和硅渣的掺杂可以提高复合胶凝体系后期的抗压强度、抗折强度和流动度,当硅灰掺量为10%(质量分数)时,复合胶凝体系3和28 d的抗压强度、抗折强度出现了峰值;当硅渣掺量为15%(质量分数)时,复合胶凝体系28 d的抗压强度和抗折强度达到最高;当硅渣掺量为10%(质量分数)时,复合胶凝体系流动度达到334 mm。     

矿物掺合料对聚羧酸减水剂与水泥相容性的影响

高性能减水剂与水泥适应性差会导致混凝土流动性和坍落度损失过快,矿物掺合料将影响高性能减水剂与水泥的相容性。对比研究矿物掺合料种类和掺量对水泥净浆、砂浆和混凝土流动性的影响;采用TOC法测试了矿物掺合料对聚羧酸减水剂吸附量的影响;分析了矿物掺合料影响聚羧酸减水剂与水泥相容性的机理。结果表明,粉煤灰和矿渣对提高水泥净浆流动性具有一定的叠加效应,可用胶砂减水率的加权平均值进行量化;硅灰对水泥浆体流动性的不利影响远大于粉煤灰和矿渣的辅助减水分散作用,不利于改善聚羧酸减水剂与水泥的相容性;粉煤灰和矿渣增加聚羧酸减水剂在水泥体系中的吸附量;粉煤灰和矿渣对聚羧酸减水剂在混凝土中的减水分散效果有改善作用但不显著。     

不同岩性石粉-水泥复合胶凝材料性能研究

为探明石灰岩、花岗岩、石英岩和凝灰岩石粉用作混凝土矿物掺合料的可行性,采用X射线衍射仪、Zeta电位仪和总有机碳分析仪分别测定了不同岩性石粉的矿物组成、Zeta电位和减水剂吸附率,研究了石粉-水泥二元复合胶凝材料和石粉-粉煤灰/矿渣粉-水泥三元复合胶凝材料净浆和胶砂的工作性能和力学性能.结果表明:石粉的矿物组成对Zeta电位和减水剂吸附率影响较大,沸石矿物疏松结构使凝灰岩石粉的Zeta电位和减水剂吸附作用随时间变化明显,云母矿物的插层吸附使花岗岩石粉对减水剂的吸附作用明显.不同岩性石粉对复合胶凝材料浆体工作性能的影响与石粉对减水剂的吸附性能密切相关.不同岩性石粉-水泥复合胶凝材料胶砂的抗压强度比和抗折强度比均高于60％,且石粉增加了水泥胶砂的折压比,提高了胶砂试件的韧性.     

超细镁渣微粉-水泥复合胶凝材料的性能及水化机理

镁合金被誉为“21世纪绿色工程金属结构材料”,我国皮江法炼镁所得镁渣规模庞大、亟待解决，制备建筑材料是消纳镁渣的重要渠道，但国内外相关研究屈指可数，且普遍以镁渣耦合其他固废及水泥制备复合胶凝材料为主，鲜有针对镁渣-水泥简单体系的细致研究，故镁渣水化及其对水泥水化的影响机制尚未明确。本工作通过探究超细镁渣微粉-水泥复合胶凝材料(MS-C)新拌浆体和硬化浆体的性能、组成及结构演化规律，分析超细镁渣微粉对MS-C水化进程的影响机制，进一步揭示镁渣-水泥的协同水化机理。镁渣中的硅酸二钙以低活性γ-C₂S为主，超细粉磨是发挥其填充效应的关键途径，掺入30%的超细镁渣粉使水泥中1 000 nm以上孔含量由7.98%降低至6.83%。在减水剂作用下，MS-C浆体的流动性随超细镁渣微粉掺量的增大而增大，在无减水剂时其作用相反。低掺量超细镁渣微粉的水化及弱胶凝作用可增大其填充效应对强度的贡献，并促进Ca(OH)₂和C-S-H凝胶的生成，使得低超细镁渣微粉掺量的MS-C获得优于纯水泥的28 d力学性能。本研究获得了超细镁渣微粉-水泥水化特性的基础结论，为提高镁渣...     

三乙醇胺助磨剂对水泥与聚羧酸系减水剂适应性的影响及其机理

测试了以三乙醇胺(Triethanolamine,TEA)为助磨剂所磨制的水泥(TEA-C)的基本物理性质,探究了TEA-C与聚羧酸系减水剂(Polycarboxylate superplasticizer,PCE)体系浆体流动性及经时流动性的变化规律,并通过吸附量测定、水化热分析、TEA溶出量测试分析以及水泥颗粒表面性质分析等方法揭示了TEA的助磨机理及其对水泥与PCE适应性的影响机理。结果表明,TEA作为助磨剂使用时,当其掺量为0%~0.02%时,所磨制的水泥与PCE适应性良好,其原因为少量的TEA改善了水泥颗粒的粒径分布;当其掺量为0.02%~0.04%时,TEA-C与PCE出现适应性不良的现象,其原因为PCE吸附量降低,水泥水化速率加快。     

超高性能混凝土工作性与强度影响因素分析

材料组成对超高性能混凝土(UHPC)的性能具有至关重要的影响。采用坍落扩展度、抗压强度和抗折强度试验,分别分析了水胶比、钢纤维、减水剂、硅灰、粉煤灰对UHPC工作性和强度的影响,提出了适宜的UHPC材料组成配比;通过灰色关联度分析,对比了不同影响因素对UHPC工作性与强度的影响程度。结果表明:UHPC的各组成材料推荐用量为水胶比0.18～0.20,钢纤维25～50 kg/m~3,减水剂20～25 kg/m~3,硅灰120～130 kg/m~3,粉煤灰100～110 kg/m~3。水胶比对UHPC工作性的影响最显著,水胶比越大,UHPC的流动性越好;钢纤维对UHPC工作性的影响最小。与水胶比和钢纤维相比,粉煤灰、减水剂、硅灰对UHPC抗压强度的影响较为明显;对于抗折强度,水胶比的影响最大,硅灰的影响最小。     

三元复合胶凝体系中硅灰和粉煤灰反应程度的确定

采用选择性溶解法和非蒸发水量法定量研究了不同龄期、不同掺量水泥-硅灰-粉煤灰三元复合胶凝体系中矿物掺合料的反应进程。用同细度同掺量的惰性石英粉替代粉煤灰以消除粉煤灰的稀释效应和异核成核效应,得到三元复合胶凝体系中硅灰的反应程度;根据三元复合胶凝体系中矿物掺合料的整体反应程度,计算了粉煤灰的反应程度。结果表明,硅灰的火山灰反应在复合胶凝体系水化1 d时就已经开始,并呈现早期快而后期慢的特点;而粉煤灰的火山灰效应,在7 d以后才开始并加快。在三元复合胶凝体系中,硅灰和粉煤灰的反应程度均随着粉煤灰掺量的提高而降低。     

基于流变模型的降黏型聚羧酸减水剂的试验研究

为解决高强混凝土存在的黏度过高影响施工的问题，本研究对减水剂分子结构进行设计，提高了聚羧酸减水剂对低水胶比胶凝材料体系的黏度调节能力。以异戊烯醇聚氧乙烯醚(TPEG)、丙烯酸、巯基丙酸等为原材料，分别加入功能性单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯磺酸钠(SMAS)和2-羟乙基甲基丙烯酸酯磷酸酯(HEMAP),通过自由基聚合反应合成了降黏型聚羧酸减水剂。通过红外光谱仪对减水剂结构进行表征，结合流动度测试探究了其分散性能规律，结合流变学测试定性分析了其降黏性能规律。实验结果表明，适量掺加三种功能单体时，合成的聚羧酸减水剂不仅获得了良好的分散性，而且降黏效果显著；流变学测试结果与Bingham流变模型具有良好的相关性，可以反映减水剂的降黏性能规律。     

弱碱环境下硅灰复合硅酸盐胶凝材料体系硫酸盐侵蚀产物

研究了硅灰替代量(质量分数)为0%、5%、10%的复合硅酸盐胶凝体系浸泡在弱碱环境下,10%(质量分数)Na_2SO_4溶液中侵蚀210d时的侵蚀产物和含量。利用XRD、SEM、EDS对侵蚀产物进行了表征,通过K值法定量计算了硅灰复合硅酸盐胶凝体系中石膏的含量,通过分光光度法对硅灰复合硅酸盐胶凝体系中自由硫酸根离子以及总硫酸根离子含量进行了测定。结果表明,在弱碱环境下,10%Na_2SO_4溶液中硅灰复合硅酸盐胶凝体系的主要侵蚀产物是石膏和钙矾石,侵蚀产物的形成引起膨胀开裂,且随硅灰掺量的增加,硅灰复合硅酸盐胶凝体系中的自由硫酸根离子及总硫酸根离子含量和侵蚀产物明显减少,膨胀率也随硅灰掺量的增加而减小,硅灰对复合硅酸盐胶凝体系的膨胀有一定的改善作用。     

组成及骨料特性对UHPC基体流动性和抗压强度的影响

本工作通过调整砂胶比和拟合改进的Andreasen-Andersen颗粒堆积模型,计算得到了UHPC基体中各固体组分的比例。基于新拌超高性能混凝土(UHPC)基体的湿堆积密度和流动性确定了高效减水剂的最优掺量。研究分析了不同配合比设计参数(砂胶比和胶凝材料组分)、骨料特性(颗粒球形度和圆度)对UHPC基体的流动性和抗压强度的影响。结果表明：当砂胶比从0.8增加为1.2时,掺河砂的UHPC基体的湿堆积密度、流动性和7 d抗压强度逐渐降低;对比调整砂胶比和改变胶凝材料组分的掺量,UHPC基体的流动性和湿堆积密度变化趋势主要受砂胶比影响;当高效减水剂掺量为0.5%～2.0%时,UHPC基体的PFT、湿堆积密度和流动性先缓慢升高后迅速下降;骨料形状对UHPC基体的湿堆积密度、流动性和28 d抗压强度的影响较大;在UHPC基体实现紧密堆积后,影响UHPC基体的抗压强度的主要因素为骨料形貌,而胶凝材料组分掺量的影响较小;当骨料最大粒径相同时,增加骨料的球形度和圆度显著增加了UHPC基体的流动性,但降低了UHPC基体的抗压强度。     

混凝土抗硫酸盐侵蚀性能试验研究

研究了不同水胶比混凝土试件在(20±2)℃全浸泡作用下的抗硫酸盐侵蚀性能。试验制备0. 32与0. 36两种水胶比的普通硅酸盐水泥、高抗硫水泥以及复掺矿粉和硅灰的混凝土试件,检测了试件标养28 d后的抗压强度、动弹性模量及各试件在(20±2)℃、质量分数为3%Na_2SO_4溶液中全浸泡侵蚀的强度、动弹性模量变化情况,对混凝土在(20±2)℃全浸泡侵蚀下的抗硫酸盐侵蚀性能进行了评价。结果表明,在(20±2)℃全浸泡作用下,0. 36水胶比混凝土抗硫酸盐侵蚀性能低于0. 32水胶比混凝土,抗硫酸盐侵蚀性能随着水胶比的降低而提高;混凝土复掺矿粉和硅灰后抗硫酸盐侵蚀性能较好;高抗硫水泥通过限制C_3A的含量,进而改善混凝土抗硫酸盐侵蚀性能,不一定在任何环境下都适用;混凝土连通孔隙率从侧面证实了低水胶比混凝土和复掺矿粉和硅灰混凝土抗压侵蚀系数和相对动弹性模量较高,说明低水胶比混凝土复掺矿粉和硅灰后,可以显著提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。     

稻壳灰应用于水泥混凝土的研究进展

稻壳是21世纪最有潜力的再生资源之一,通过低温燃烧制备的稻壳灰(RHA)含有高纯度的非晶态SiO_2,具有较高火山灰活性,可作为水泥基材料的辅助性胶凝材料,这不仅提高了稻壳的附加值,也符合可持续发展绿色建筑的理念。相比于粉煤灰、硅灰、矿渣等市场成熟的掺合料,稻壳灰有两大优势:(1)原材料稻壳储备量大,价廉;(2)非晶质SiO_2含量高达90%,火山灰活性可比肩硅灰。然而稻壳灰对生产燃烧设备要求较高,燃烧控温技术难关及副产物回收技术未完全被攻破,只能用流化床小规模生产,市场供应量低。未来在酸处理后的污水的回收利用方面,流化床设备的改进仍需进一步探索。同时稻壳灰的Si-O键会与减水剂的官能团发生配位反应,削弱减水效果,影响水泥混凝土的相容性,与之匹配的高性能减水剂仍需进一步研发,才有望实现稻壳灰在水泥混凝土中高效且规模化的应用。稻壳灰由细度约50 nm的SiO_2凝胶粒子疏松地粘聚形成,且含有大量纳米尺度的孔隙,这是其具有高火山灰效应的内在原因。通过酸处理的稻壳先经低温燃烧后再高温燃烧,在低于750℃的燃烧制度下可获得优质的稻壳灰。稻壳灰比表面积高达50～100 m2/g,使其具有吸附性,吸附自由水会降低混凝土的流动性,提高粘聚性;当稻壳灰的平均粒径小于水泥且掺量为10%～20%时,可以提高混凝土的后期强度及其与钢筋的粘结强度,其耐久性也能得到显著改善。本文系统梳理了稻壳灰用于水泥基材料的国内外文献,对稻壳灰的理化性质、微观结构、生产制备工艺及其对水泥混凝土各项性能的影响等方面的研究进展进行了介绍,揭示了稻壳灰用于水泥混凝土的工作机理,厘清了该领域尚待进一步探索的问题,旨在为将来稻壳灰再生利用形成完整的生产链提供理论依据和技术支撑。     

稻壳灰生态混凝土的力学及植生性能

【目的】利用工业发电过程中产生的废弃稻壳灰替代硅灰制备稻壳灰生态混凝土,改善生态混凝土的强度和植生性能,降低生态混凝土制造成本的同时保护生态环境。【方法】采用稻壳灰部分代替硅灰作为胶凝材料,保持硅灰和稻壳灰质量之和不变,对稻壳灰代替硅灰进行第1次配比设计,研究水和胶凝材料的质量比（水胶比）、稻壳灰替代率对稻壳灰生态混凝土强度的影响,确定最佳水胶比和稻壳灰替代率的取值范围;进行第2次配比设计,采用Design Expert软件进行响应面分析,研究水胶比、稻壳灰替代率和孔隙率对稻壳灰生态混凝土抗压强度和抗折强度等力学性能的影响,确定最佳水胶比和稻壳灰代替率,并采用狗牙根、黑麦草、高羊茅3种草本植物验证稻壳灰生态混凝土的植生性能。【结果】随着稻壳灰替代率的增大,稻壳灰生态混凝土的强度呈现先增大后减小的趋势,最佳稻壳灰替代率为55%;3种草本植物均能够在稻壳灰生态混凝土中正常生长,高羊茅植生性能最佳。【结论】稻壳灰可以替代硅灰用作胶凝材料,制备的稻壳灰生态混凝土具有良好的力学性能和植生性能。     

速凝剂对低水胶比浆体早期水化与微观结构的影响

低水胶比、高胶凝材料掺量的超高性能混凝土(UHPC)在常温养护条件下易产生凝结硬化不及时的问题。为促进UHPC在隧道初支、工程结构快速修复中的推广应用,拟采用有碱速凝剂(NA)和无碱速凝剂(AS)提升低水胶比浆体的早期凝结硬化速率。本工作通过水化热、水化溶出离子浓度、凝结时间和抗压强度试验研究速凝剂作用下低水胶比浆体的早期水化行为及凝结硬化规律,采用X射线衍射、SEM形貌观察和EDS能谱等手段对水化产物物相组成及微观结构演变规律进行了分析。结果表明,速凝剂的掺入加快了低水胶比复合胶凝材料浆体的早期水化速率,同时也促进了浆体的凝结硬化;NA对UHPC的促凝效果优于AS,其中NA-2%的1 d抗压强度为53.3 MPa, 28 d强度比为94.9%,而AS-4%的1 d抗压强度为38.9 MPa, 28 d强度比为92.3%;速凝剂促使低水胶比浆体快速生成大量水化产物,进而提高了浆体早期微观结构的致密性,且水化产物物相组成受速凝剂类型的影响较为显著。     

纳米Fe2O3水泥基复合材料制备的响应曲面研究

配制三种常用高效减水剂溶液,观察纳米Fe_2O_3在三种溶液中的分散效果;基于响应曲面正交旋转组合设计,并考虑纳米Fe_2O_3掺量(Nano-Fe_2O_3content,NFC)、聚羧酸减水剂母液掺量(Polycarboxylate superplasticizer content,PSC)、水胶比(Water-binder rational,WBR)三因素,研究水泥硬化浆体的配比参数与强度间的响应曲面,分析各参数对强度的影响规律。结果表明:纳米Fe_2O_3在聚羧酸高性能减水剂母液溶液中分散效果最好;当配比参数NFC=0.027、PSC=0.017 5、WBR=0.28时,水泥硬化浆体具有较高的强度;从统计学与实践角度来看,响应曲面方程具有较高的可靠性和精度;抗压强度随PSC的增大先增大后减小,随WBR的增大而减小,随NFC的增大而增大;最佳数值附近存在最适宜配方和掺量,使水泥基复合材料具有较好的强度和施工性;响应曲面法(Response surface methodology,RSM)可广泛应用于新型水泥基复合材料的研发领域,发展前景广阔。     

聚羧酸超塑化剂/膜分离组分与水泥或复合胶凝材料体系的相容性研究

采用超滤膜法将自制聚羧酸超塑化剂PC0(重均分子量为107900 Da)分离成4种不同分子量范围的分离组分(F1、F2、F3、F4),重均分子量分别为215700Da、79160 Da、28570 Da、3751Da.通过净浆流动度表征了该聚羧酸超塑化剂/分离组分与胶凝材料体系的相容性.研究结果表明,自制聚羧酸超塑化剂及各分离组分对同种水泥的相容性优劣顺序均为:F2＞F1＞PC0＞F3＞F4;重均分子量为79160 Da的F2对3种水泥浆体均有较优的分散性,重均分子量为3751Da的F4对水泥浆体无分散性.对聚羧酸超塑化剂及其分离液与不同矿物掺合料复合浆体的相容性进行比较,得出:聚羧酸超塑化剂/分离液与单掺粉煤灰、矿粉、硅灰的复合胶凝材料体系的相容性顺序分别为F2＞PC0＞F1＞F3;F2＞PC0＞F1＞F3;F2＞PC0＞F1(F3对掺加硅灰的复合浆体无分散性).     

稻壳灰-水泥胶凝体系的水化动力学模型

稻壳灰(RHA)是稻壳控制燃烧产生的高活性火山灰材料,广泛用作生产高性能混凝土的矿物掺合料。稻壳灰的加入对水泥水化有着复杂的影响,目前的模型并不能解释所有这些复杂的影响。通过考虑稻壳灰对复合胶凝体系的稀释效应、化学效应、稻壳灰多孔结构对于水的吸收和释放等因素,建立了RHA-水泥胶凝体系的水化动力学模型,并以水灰比、环境温度,RHA颗粒细度和掺量等为变化参数,通过模型计算与试验结果相比较,证明所建立的模型可较好地模拟含RHA-水泥胶凝体系的水化进程,可用于预测RHA-水泥胶凝体系的水化程度随龄期的变化规律。结果表明,RHA-水泥胶凝体系的水化程度与水灰比、环境温度和比表面积是成正比的关系。研究可为稻壳灰在水泥中的应用提供依据,同时达到提高水泥的经济性和节约资源的目的。