矿渣细粒对碱矿渣水泥的性能影响开题报告

1.1研究的背景

随着科技事业的高速发展，科学与技术不断革命，各行各业都在变革进步。在建筑材料方面也取得了长足进步，出现了各种新型建筑材料，但绝大部分是有机材或有机无机聚合材。

现代硅酸盐水泥混凝土最主要问题是耐久性不足。在正常使用条件下,混凝土结构的使用期限应达到50一120年。但是目前许多硅酸盐水泥混凝土只经过二十年、十几年甚至几年的使用就遭到本质性地破坏,而一些大型工程的施工期限本身就长达10一20年。因此,如何提高混凝土的耐久性已经成为越来越受关注的问题。本文通过对比古代混凝土与碱矿渣水泥混凝土在水化产物、结构和性能等方面的相似,揭示了现代混凝土耐久性不足的内在原因,展望了碱矿渣水泥混凝土的发展前景。

早在本世纪50年代,人们已经开始注意到古代混凝土优越的耐久性,到了本世纪70年代,在对用现代混凝土修复的古罗马建筑进行考察时发现,这些建筑物的古代混凝土虽经污水浸泡、海风强蚀已愈千年仍然完好。而与之形成鲜明对照的是,用以修复这些古代建筑物破损部分的现代混凝土仅使用十余年就已经损坏严重,这引起了许多学者的关注并进行了大量的研究。研究证明,古代水泥与现代水泥的胶凝性能均与水化硅酸钙型的C一S一H凝胶(成份不稳定的胶体)的形成有关。但是古代水泥的化学组成与现代水泥有相当的不同,其CaO含量低而Al₂O₃、Fe₂O₃和SiO₂的含量很高,并且有较多的Na₂O、K₂0存在。对希腊和叙利亚的石灰一火山灰水泥以及埃及的赫奥浦斯、赫福林、切其和斯聂福尔金字塔砌石的研究发现,古代混凝土的胶凝物质中含有40%左右(按重量)以上的方沸石。在各种古代水泥中方沸石的出现进一步证实,这种沸石类材料在长期水热转变中的最终相和稳定相。研究得出的结论是:尽管水化硅酸钙是波特兰水泥石的主要成份,也是古代水泥石的组成成份,但是做出这些组份耐久性可靠的结论是错误的。而在相同条件下含有不确定数量C一S一H凝胶的古代水泥石则保持原样,这是因为硅铝酸盐(沸石类或无定形物质)产生了长久的耐久性。

现代混凝土是一种具有高碱性矿物C₃S、C₂S、C₃A和C₄AF的硅酸盐基水泥混凝土。硅酸盐水泥具有无可非议的长处,同时也存在着严重的不足。如生产能耗高、活性不足、与粘土颗粒的反应能力差,因而必须应用合格的粗细集料等,另外,由于高碱性水化硅酸钙等高碱性水化产物的存在,使波特兰水泥混凝土表现为耐久性较差。

鉴于古代混凝土优良的耐久性,人们自然想到能否生产出类似古代水泥的、具有碱金属铝硅酸盐—沸石类水化产物的水泥,以弥补现代水泥耐久性的不足。1957年,乌克兰基辅建筑科技大学教授用高浓度的苛性碱或碱金属碳酸盐和硅酸盐来活化矿渣粉,成功地研制出强度达40-10OMPa的碱矿渣胶结材,当时他们称之为“土壤水泥”,其混凝土称为“土壤硅酸盐”。随后,他们对这种水泥从水化机理、水泥石结构到各种预制建筑构件和现浇建筑物的物理力学性能,从原材料的品种、成份、材料配比到混凝土的拌制方法和硬化条件,从生产工艺、能耗和成本到它的经济和社会效益进行了系统和深入的研究。对使用15一25年的碱矿渣水泥混凝土水工建筑和畜牧场构筑物的反复考察和研究表明,其强度在不断提高。例如灌溉系统的水渠所用的碱矿渣混凝土,其强度在25年间由25一30MPa增长到80一90MPa;材料已完全不透水,其抗冻性增长到600一1000次冻融循环;无论是混凝土还是其中的钢筋均完好无任何蚀损。其原因被查明是,这种混凝土的结构组成酷似古代混凝土,即含有沸石、水云母及低碱性水化硅酸钙。而现代硅酸盐水泥耐久性差的原因在于,其水化产物中含有大量的CaO(63-67%),除了C-S-H(I)以外,水泥的水化产物中含有物理化学稳定性低的物质Ca(OH)₂、(3-4)CaO·Al₂O₃·(10-13)H₂O、(3一4)CaO·F₂O₃·(10-13)H₂O和(1.5一2.0)CaO·SiO₂·nH₂O等,这些都是天然矿岩中没有的矿物,易与周围的介质发生反应,在使用的过程中会发生各种物理化学变化,从而导致混凝土丧失其原有的性能。

1.2碱矿渣水泥的主要优点:

（1）高强早强

碱矿渣水泥的抗压强度可达120MPa,用其制成的混凝土强度可达到巧150MPa。同时它还具有早强的特点,1天强度可达68MPa,3天强度可达96MPa,这样快硬而高强是硅酸盐水泥混凝土所不能比拟的。

（2）抗渗性能优异

用碱矿渣水泥制成的砂浆和混凝土结构十分致密,抗渗标号达B40以上,而普通硅酸盐水泥混凝土的抗渗标号一般为B2-B12。

（3）水化热低

碱矿渣水泥的水化热仅为普通硅酸盐水泥的l/3-1/2,属于低热水泥,可用于大体积混凝土。

（4）抗冻性好

碱矿渣水泥混凝土的抗冻性能可达300-1000冻融循环,冻害起点温度为-50℃左右,而普通硅酸盐水泥混凝土的抗冻性一般在300循环以内,冻害起点温度为-15℃左右。

（5）抗化学腐蚀性强

用碱矿渣水泥制成的混凝土具有比普通水泥混凝土高得多的抗腐蚀性能。例如,在海水中放置1年,普通硅酸盐水泥混凝土强度降低,而碱矿渣水泥混凝土强度升高;在1%的硫酸镁溶液中放置1年,普通硅酸盐水泥混凝土经6个月即破坏,而碱矿渣水泥混凝土强度升高;在稀酸溶液中放置1年,硅酸盐水泥混凝土经3-6个月即破坏,而碱矿渣水泥混凝土强度保持不变。

（6）护筋性能优良

碱矿渣水泥混凝土与钢筋的粘结力比同标号的硅酸盐水泥混凝土高出15-30%;这一优点使得碱矿渣钢筋混凝土的整体性能大为提高。

（7）原材料广泛

除了水淬高炉矿渣以外,水淬电热磷矿渣、钢渣、精炼渣、特种钢渣以及治炼铅、镍、铜等金属的渣均可以用作碱矿渣水泥的基本材料。碱组分除可用工业产品外,还可利用工业副产品如碱浮渣、铬盐生产中的含碱废料、生产铝矾土的废料、金属铸件在含碱溶液中清除烧焦物和陶瓷残余物的废料等。

（8）对集料的要求降低

碱矿渣水泥混凝土可以用含泥量达5%、石粉达20%的非标准集料。由于对集料的要求下降和集料的范围扩大,大大降低了生产成本,特别是远距离运输成本,同时也解决了生态环境问题。

（9）成本低廉节约能源

碱矿渣水泥的主要原料为工业副产品或工业废料,资源丰富、价格低廉,而其生产工艺仅有“一磨”,故碱矿渣水泥的成本比硅酸盐水泥的成本低得多。例如,1000一1200^#的碱矿渣水泥与625^#的硅酸盐水泥相比较(因为没有1000一1200^#的硅酸盐水泥),其成本低50%左右、煤耗低70%左右、电耗低50%左右,所以碱矿渣水泥是低能耗、低成本水泥。

（10）建厂投资小

碱矿渣水泥的生产工艺简单,它将硅酸盐水泥的“两磨一烧”工艺简化成“一磨”,故建厂所需设备、场地和资金均减少。碱矿渣水泥建厂投资仅为同样产量的硅酸盐水泥厂的10一30%

（11）综合效益高

碱矿渣水泥不仅充分利用工业废料、减少环境污染、大幅度降低能耗,而且由于其强度高,可减少建筑构件的横截面积,从而减少了建筑工程中材料用量及运输量;它的快硬和超快硬性能,使得模板可以早期脱模、结构可以早期加荷,从而加快了施工机具和模板的周转,加快施工进度,提高建设效率,由此带来的经济效益是不可估量的。