花岗岩石粉替代部分水泥的UHPC力学性能研究.docx

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1、福州大学专业学位研究生论文开题报告论文题目花岗岩石粉替代部分水泥的UHPC力学性能研究姓名学号性另IJ导师学科专业研究方向学院土木工程学院开题报告时间、地点导师审核意见导师签名：年月日审核小组意见（注：需对开题报告的总体情况进行评价，指出不足和建议，并明确是否同意开题报告通过。）审核小组成员签名：年月日学位点意见学位点负责人签名：年月日一、论文选题依据（包括本课题国内外研究现状述评，研究的理论与实际意义，对科技、经济和社会发展的作用等）1.1 研究背景20世纪以来，建筑材料领域发展日新月异。随着建筑物的功能多样化、结构复杂化，各种新型建材也层出不穷并适用于实际工程。超高性能混凝土（U1trah

2、ighperformanceconcrete,简称UHPC）,是一种超高强、高韧性、耐久性强和体积稳定性良好的水泥基复合材料U旬o1993年由法国布伊格（Bouygues）公司率先研制成功的。自从RPC材料出现以后，许多工程师积极探索RPC材料在工程方面应用。到目前为止，已有一些实际工程应用了200MPa级的RPC材料，还有一些工程结构正准备应用RPe材料进行建设，处于方案探讨阶段。法国的BOUYGUES公司与美国陆军工程师团采用RPC材料合作生产了RPC制品主要包括有大跨度的预应力混凝土梁、污水处理构件、压力管道及放射性固体废料储存容器。1997年7月加拿大（QUebeC）省的SherbrO

3、Oke城市第一次采用RPC材料建成了人行天桥。由于该人行天桥采用了新结构及新材料，所以在1999年获得了NoVa奖提名。由于舍布鲁克人行天桥的成功建造，极大的推动了即C材料在桥梁工程方面的研究及应用。2001年美国在伊利诺斯州采用RPC材料建造了直径为18m的圆形屋盖。在2003年该屋盖结构获NOVa奖提名。在韩国的汉城，一座跨度为120IT1的拱桥已建成。该桥由6段拼装而成，每段长20m,高1.3m,薄壁箱梁截而，壁厚只有30mm,不使用普通钢筋。这种尺寸采用普通混凝上是实现不了的。该桥只用了其材料强度的一半（抗压强度：230MPa,抗弯强度:50MPa）,且其材料的高耐久性使其在运营中可节

4、省大量的维修费用。由于RPC是一种专利产品，为了避免知识产权的纠纷，欧洲目前不再使用这个名词,而改称“超高性能混凝（U1traHighPerformanceConcrete简称UHPC）O2005年和2008年在德国KaSSe1大学召开了两次UHPC国际会议，深入探讨了UHPC的制备、微结构特征和性能，在会上介绍了许多实际工程应用案例，并讨论了相关欧洲技术标准的制订问题。WaIraVen教授在2009年发表了一篇综述文章，系统地论述了UHPC的应用前景。1.2 国内外的研究现状UHPe的研究和应用上依然存在着不少问题：（1）工艺复杂、成本昂贵。硅粉的掺入、高效减水剂和钢纤维的使用以及特殊条件下

5、的成型和养护条件，都提高了UHPC的生产成本，阻碍了它的推广和使用。（2）微观结构与机理问题。对于超高性能混凝土的微观和机理问题还有待深入研究，对于结构和强度形成机理还需进一步分析阐明。UHPC价格高昂，致使它的推广受到限制。采用钢渣粉、超细粉煤灰、超细矿渣、稻壳灰等废料替代部分水泥和硅灰回，利用河砂和机制砂石田等替代石英砂制备UHPC,是降低UHPC成本、节约工程造价的有效技术措施，也是UHPC研究的热点。但替代材料的使用有些降低了材性的性能，有些质量稳定性差，目前还缺乏有效的解决技术措施。采用SEM并结合EDS研究了硅灰掺量的变化及硅灰掺量为水泥掺量30%时蒸压养护时间对活性粉末混凝土微观

6、结构的影响。研究结果表明：当硅灰掺量分别为0%、20%35%时，活性粉末混凝土的水化产物C-S-H的形貌分别为长约为7.3m的纤维型C-S-H、长约为10m的蜂窝型Jennite结构、片状的托勃莫来石晶体，CaZSi分另IJ为2.28、1.46、1.13；当硅灰掺量为水泥的30%,蒸压养护时间分别为4h、8h、12h时，在活性粉末混凝土中水化产物C-S-H的微观形貌分别表现为长约为10m的箔型托勃莫来石晶体、长约为12m的窄箔型托勃莫来石晶体以及长约7m的半透明型Jennite结构，其Ca/Si分别为0.93、1.09、1.531热水养护有利于提高RPC的抗压强度，其前期强度随热水养护时间的增

7、加而提高;热水养护的抗压强度总是高于同龄期标准养护时的抗压强度；高温干热养护和蒸汽养护无论是前期强度还是后期强度，都要高于热水养护。养护温度对RPC水泥水化程度有显著的影响，随着养护温度的升高，水化较完全，未水化的水泥矿物成分C3S、C2S等的含量逐渐减少，Ca（OH）2的含量也随着养护温度的升高而不断降低，即增大养护温度可以加大水泥的水化程度；养护温度的提高有利于激发活性粉末混凝土中活性胶凝材料的活性，加快活性胶凝材料掺与到二次水化反应中，消耗更多的Ca(OH)2而生成更多的C-S-H凝胶填充与基体内，使RPC基体结构更加的密实，改善了RPC的微观结构,使RPC的孔隙率降低了画。石英粉在蒸压

8、养护中同样是作为一种重要的SiOz来源掺与到水化反应中，在反应中会促使a-CzSH转化成托勃莫来石，进而提高活性粉末混凝土的力学性能；SEM试验表明RPC有致密的微观结构，通过电镜扫描可以观察到蒸压养护的样品中有大量托勃莫来石、C-S-H凝胶等水化产物，在较高的压力、温度以及增加蒸压养护时间可以改变C-S-H的微观形貌】。不同类型骨料制得的RPC在不同养护条件下的力学性能进行了研究，同样也对其微观结构展开了研究。研究指出采用标准养护与蒸汽养护的RPC在其球形的孔洞中普遍都是空的，即没有发现有水化产物生成，而在采用蒸压养护的RPC球形孔洞中发现有针状与草叶状的托勃莫来石晶体。进一步的能谱分析表明

9、该水化产物的Ca/Si比在1.5以下，尽管有一小部分的CRSi较高，但这有可能是一些尚未转化的C-S-H或者是受周围其它物质影响而产生的，另外EDS分析也表明这些针状物或者草叶状物质的S/Ca与A1/Ca较低也证明了这两种物质不是钙矶石；此外骨料的种类并不会影响托勃莫来石的形态3】。机制砂中石粉含量的最优值和最高限值，对于中低强度混凝土最优值IoT5%,最高限值20%;对于高强混凝土最优值7-10%,最高限值14%。石粉可作混凝土掺合料使用，对于中低强度混凝土和高强混凝土，取代水泥的比例分别不超高18.75%和22.5%为宜，相当于同等掺量粉煤灰的作用效果四。不同石粉含量的混凝土拌合物的坍落度

10、、含气量、凝结时间与黄砂混凝土拌合物的坍落度、含气量、凝结时间接近一致。抗压强度、劈裂抗拉、轴心抗压、轴心抗拉、弹性模量等力学性能，随着石粉含量增多、各种抗压、抗拉强度略低于石粉含量低的混凝土，但差别不大23花岗岩石粉为一种惰性材料，其平均粒径小于水泥粒径，为19.375m,可以用作水泥制品的填充材料。用于水泥胶砂试件中的花岗岩石粉的最佳粒径为080gm、最佳取代率为20%,随着花岗岩石粉掺量的增加，水泥胶砂试件的流动度降低，而混凝土的的坍落度则显著提高;花岗岩石粉的细度对水泥胶砂试件及混凝土的工作性均无明显的影响。此外，随着花岗岩石粉掺量的增加，混凝土标准养护28d抗压强度、抗渗性、抗冻性能

11、逐渐减小，随着花岗岩石粉细度的增大，混凝土的抗压强度逐渐增大，抗渗性逐渐较小，而在石粉掺量较少时，混凝土的抗冻性随着石粉细度的减小而增大侬】。原状、未经处理的花岗岩石粉不能直接作为混凝土的矿物掺合料，而采用烘干、碾压、研磨等工序预处理的石粉可以作为混凝土的矿物掺合料；当花岗岩石粉与硅灰复掺，且两者复掺比例为15%时，能够充分发挥花岗岩石粉的的填充作用及微集料效应，配制出的混凝土具有高强度、高流动性及高抗渗性等性能；采用花岗岩石粉作为混凝土的矿物掺合料具有重要的环保意义31石屑混凝土比普通混凝土的保水性、粘聚性强、泌水少；石屑混凝土的抗压强度及抗拉强度要高于同龄期同等级混凝土，抗冻、抗渗性比普通

12、混凝土好；石粉含量在24%范围内。其含量越高，混凝土强度越高，抗冻、抗渗性越好；石屑混凝土的收缩变形、碳化和钢筋锈蚀性能与普通混凝土相当。石粉中的填充效应、晶核效应、活性效应、吸水效应以及形态效应的共同作用，促成了石屑混凝土的性能改善侬】。混凝土的坍落度随着石粉外掺量的增大而逐渐减小，但石粉内掺量的增大而增大，石粉的外掺改善了混凝土的保水性、粘聚性以及泌水性。石粉对混凝土早期抗压强度的影响较为明显。当石粉外掺量超过20%时，随着掺量的增加，混凝土抗压强度明显降低12力。石灰岩石粉掺量5%-20%,辉绿岩和闪长岩石粉3%T5%,花岗岩石粉10%T5%都可以改善混凝土固化氯离子能力。随着外界氯离子

13、浓度的增加，硅酸盐水泥固化氯离子能力加强。花岗岩石粉均为15%,填充效果最好，水泥浆体越密实。同时可以改善水泥的孔结构。石粉代替粉煤灰量在40%以内时，有利于水泥胶砂早期3d及后期28d抗折强度的提高；石粉替代粉煤灰有利于提高混凝土坍落度，代替比例在60%以内时，可以提高混凝土早期3d抗压强度，而对后期28d强度影响较小。低水胶比的条件下，石粉可以提高混凝土中石粉掺量，可以改变混凝土强度发展规律，提高混凝土强度12纥改性的花岗岩石粉可以取代水泥用做水泥的掺合料，当改性花岗岩石粉取代水泥时，随着取代率的增加，水泥砂浆的流动度逐渐增大，干缩率逐渐减小，水泥砂浆的抗压强度、抗折强度也随着取代率的增加

14、而逐渐降低；此外，当用为改性的花岗岩石粉取代水泥，取代率为5%时，标准养护28d水泥砂浆的抗压强度为42MPa,抗折强度为8.4MPa,而用改性的花岗岩石粉取代水泥时，当取代率为20%时，水泥砂浆的抗压、抗折强度分别为42.6MPa、8.5MPa,从中对比分析可以看出，与未改性的花岗岩石粉相比，水泥砂浆的抗压强度、抗折强度会有所增加，改性后的花岗岩石粉取代水泥的比例显著增加，能够更好的利用花岗岩石粉国】。不同种类石粉（花岗岩石粉、石英石粉、石灰石石粉）对普通硅酸盐水泥水化反应的影响如：凝结时间、水化热、水化产物。石灰石石粉的水化产物主要为水化铝酸碳钙的化合物,石英石石粉水化产物主要为水化石榴石

15、，花岗岩石粉的水化产物为雪硅钙石】。相同粒径时，掺入20%花岗岩石粉，水泥砂浆的抗折强度和抗压强度是最高的。相同掺量时，花岗岩的粒径越小，水泥砂浆的抗折强度和抗压强度越高。当掺入量超过30%时，花岗岩的强度将明显下降因）。使用硅烷偶联剂一十八烷基三氯硅烷对氧化钙粉体进行化学的表面改性，得到很到的疏水化表面效果。表面疏水化改性的氧化钙粉体，其水化反应受到控制并可以达到延缓效果，水化反应速度取决于水分在表面改性层的扩散速度。表面改性氧化钙粉的水化放热和未改性氧化钙的大致相同，可以确认本方法是仅进行表面改性，对氧化钙本身没有任何影响因】。研究了水泥-粉煤灰浆体在不同养护龄期、水胶比、粉煤灰掺量下水泥

16、和粉煤灰反应程度、非蒸发谁数量、水化产物数量、孔结构和浆体力学性能。还建立了水泥粉煤灰浆体中水泥反应程度与有效水灰比间的关系，推导出水泥和粉煤灰反应程度与胶空比之间的计算公式四】。采用XRD的常规分析法，以物相的衍射强度与多个主峰峰强和半宽成积之和成正比的原理，测定了同种水泥水化反应的速度，并与热导式微热量法进行比较，证实采用XRD测定水泥水化反应速度具有简单、快捷和使用特点区1。研究了不同掺量石灰石石粉替代水泥的水化反应程度，发现一般的UHPC水泥的水化程度一般在30%左右。因为水化反应程度低，水泥和硅灰这些昂贵的矿料变成了填料。石灰石石粉的加入促进了水泥的水化反应。通过XRD测定水泥的C3S、C2S.C3A等的量发现掺入石灰石石粉可以促进水泥水化反应。通过SEM-BSE的图像清楚观察到掺入石灰石石粉的水化反应后C3