无熟料水泥的收缩性及其混凝土早期开裂性能研究开题报告

碱矿渣水泥是用碱金属化合物作碱组份去激发矿渣而得到的一种水硬性胶凝材料。碱矿渣水泥体系是1957年乌克兰基辅建筑学院维.德.格卢霍夫斯基教授等人在前人用氢氧化钠稀溶液或石灰和钠盐混合物激发粒化高炉矿渣来制作混凝土的基础上,用高浓度(20~25%)的苛性碱或碱金属非硅酸盐和低模数硅酸盐来活化矿渣粉成功的研制出水硬性的400~1000号的碱矿渣胶结料,到1959年他们进一步研究证明这种水泥与硅酸盐水泥一样,既能在水中标准和自然条件下硬化,也能在蒸汽养护处理条件下硬化。当时他们称之为土壤水泥,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系统和深入的研究。研究表明,碱矿渣水泥的抗压强度能达到40~120MPa,甚至达到150MPa;作为原料的矿渣可以用粒化高炉矿渣,也可以利用其它多种工业废渣;作为激发剂的碱组份可以用成品碱,也可以用一些工业副产品或含碱废料;碱矿渣水泥的生产能耗大大低于硅酸盐水泥,其耐久性指标远高于硅酸盐水泥。

碱矿渣混凝土具有优良的物理力学性能和耐久性能，是节约能源，保护环境的健康绿色材料。碱矿渣水泥与混凝土发展至今已经有五十多年了，其相关理论已经趋向于成熟，其凝结时间控制的难题与发生碱骨料反应的问题已经在19世纪80至90年代进行了系统性的研究并取得了突破。碱矿渣水泥混凝土与普通水泥混凝土相比，具有水化热低、强度高、 耐久性能优异等优势 。目前，矿渣组成与结构、水化的物理化学基础、水化产物等碱矿渣水泥与混凝土理论基础日趋成熟，但其应用却仅仅停留在混凝土制品以及特种性能开发利用方面。这是由于碱矿渣水泥与混凝土的收缩变形较大，在相同环境条件下的干缩达到普通硅酸盐水泥混凝土的 1.2~1.9 倍，严重制约了碱矿渣水泥与混凝土应用与推广。因此，如何控制碱矿渣水泥混凝土的体积收缩成为其应用发展的关键技术。碱矿渣水泥及其混凝土的收缩变形较大，而关于其在强度基础上的收缩开裂性能研究的报道却比较少，碱矿渣混凝土干缩行为是其在目前实际应用中迫切需要解决的问题。

本课题在基本不影响碱矿渣水泥与混凝土强度与凝结时间基础上，通过掺入不同种类和掺量的混合料来改善碱矿渣混凝土的收缩与开裂性能，提高碱矿渣混凝土在实际生产使用过程中的应用范围和耐久性，为这类胶凝材料应用提供理论依据。

主要研究内容如下：

（1）矿渣、钢渣、粉煤灰、偏高岭土等掺和料的基本性能分析，包括密度、比表面积以及矿物成分等；

（2）无熟料水泥的碱激发剂品种和掺量的确定，分别配制0.8、1.0、1.2、1.4、1.6模数的水玻璃，并改变其掺量配制矿渣基水泥，通过比较各试样的凝结时间和流动度，确定水玻璃的模数和掺量；

（3）分别掺入4%、8%、12%、16%、20%以及24%的粉煤灰、飞灰、钢渣、偏高岭土、玻璃微珠等掺和料的矿渣基无熟料水泥的配制；

（4）各胶凝体系的化学减缩试验，采用长颈瓶法观测掺不同掺和料或外加剂的净浆1d、2d、3d、5d、7d、9d、14d、21d、28d龄期的收缩值；

（5）各胶凝体系的长期收缩性能试验，采用长度法测掺不同掺和料或外加剂（如钢渣、粉煤灰、偏高岭土）的水泥胶砂试件的1d、2d、3d、5d、7d、9d、14d、28d、35d、42d、49d、56d的收缩率；

（6）各胶凝体系对混凝土早期开裂性能影响试验，采用平板试验法测掺不同掺和料或外加剂的混凝土1d、2d、3d、7d的总开裂面积、总开裂长度、开裂条数、平均开裂面积以及最大裂宽。

（7）提出改善该类胶凝材料的收缩开裂性能的合适外加剂等。

预期目标：本课题在配制碱矿渣水泥的基础上，研究它种掺合料、外加剂及其收缩性能、早期开裂性能的影响，为这类新型胶凝材料的应用提供实验依据。

3.1矿渣、钢渣、粉煤灰、偏高岭土等掺和料基本性能分析

（1）密度：用李氏瓶法测出各掺和料的密度；

（2）比表面积：用比表面积仪分别测出各掺和料的比表面积；

（3）矿物成分：用X射线衍射仪分析各掺和料的矿物成分与含量；

3.2碱激发剂品种和掺量的确定

选用水玻璃作为激发剂，本试验选取水玻璃模数为0.8、1.0、1.2、1.4、1.6，Na2O当量分别取5%、6%、7%和8%(为矿粉质量的百分比)。测出水玻璃不同模数不同掺量的凝结时间和抗压强度（3d、7d、14d、28d）来反映其施工性能和力学性能等，得出最佳水玻璃模数及掺量。其中水玻璃的掺量以Na2O当量计，由所需水玻璃模数可知需要将提供的水玻璃模数降低，需加入氢氧化钠，通过模数比等于水玻璃中的Na2O含量比，计算出所需水玻璃的量的百分比，即得水玻璃所需的量；取水灰比为0.3计算扣除水玻璃本身所需水后所需的水。

3.3外加剂品种和掺量的确定

分别配制掺量为10%、16%的钢渣、粉煤灰、偏高岭土、飞灰以及玻璃微珠的混凝土，测出其3d、7d、28d强度，选择其中28d强度达到高强混凝土要求的作为收缩与开裂试验的外加剂品种和掺量。

3.4硅酸盐基水泥与矿渣基水泥和混凝土的强度、收缩开裂性能研究

（1）依据3.2给出的碱激发剂品种和掺量分别配制硅酸盐基水泥与矿渣基水泥净浆并制成强度试件测定其6h、1d、3d、7d、21d强度进行对比，试验严格按照GB/T 17671-1999严格进行；化学收缩实验装置由250毫升广口玻璃瓶，中心穿孔胶塞及10mL的刻度吸管作为量管组成，刻度分度值为O．1cm3组成，实验时将矿粉或水泥加入广口瓶后加入碱溶液配成水泥并加水至量管最大刻度处用油密封置于202℃室内。每组实验做三个试样的测定(每个试样为100g），按预定水化龄期测读瓶中的液按预定水化龄期测读瓶中的液面下降值，取其平均值作为最终结果，单位(ml/100g)。对于每个试样按初始读数1d、3d、7d、14d、21d、28d龄期分别读取实验值。

（2）依据3.2给出的碱激发剂品种和掺量分别配制硅酸盐基水泥砂浆和矿渣基水泥砂浆制成强度试件测定3d、7d、28d强度并做出长期收缩试件并读出各龄期的收缩值。

①强度试验严格按照GB/T 17671-1999中进行

②长期收缩试验按照JTGE302005 《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》 严格进行。胶砂制备按GB/T176711999 中规定进行。固定灰砂比为1:2，用水量根据胶砂流动度来确定，选择流动度在130mm~140mm之间的作为合适用水量，应称取矿粉试样500g，黄砂1000g，水玻璃139.05g。胶砂干缩性测定应成型3条试件，用比长仪分别测各水泥胶砂试件的1d、2d、3d、5d、7d、9d、14d、28d、35d、42d、49d、56d的收缩率。

（3）依据3.2给出的碱激发剂品种和掺量制作硅酸盐基混凝土和矿渣基混凝土制成强度试件测定3d、7d、28d强度并做平板试验观测其开裂情况与特性，试验过程严格按照GB 175-2007中进行。试件成型后置于202℃的室内养护，分别数出试件1d、2d、3d、7d的总开裂面积、总开裂长度、开裂条数、平均开裂面积以及最大裂宽。画出开裂平面图。

3.5掺各种混合料（钢渣、飞灰、偏高岭土、粉煤灰、玻璃微珠）的矿渣基水泥和混凝土的收缩与开裂性能研究

（1）依照3.4（1）中的化学收缩试验方法分别测掺10%、16%、24%各种混合料的矿渣基水泥净浆的化学收缩；

（2）依照3.4（2）中的长期收缩试验方法分别测掺10%、16%、24%各种混合料的矿渣基水泥砂浆的长期收缩；

（3）结合3.3和3.5（1）、（2）确定混凝土开裂试验的掺和料的品种和掺量，选择强度达到80MPa、化学收缩和长期收缩较小的掺和料及掺量作为开裂试验的掺和料品种和掺量，试验过程依照3.4（3）中进行。

3.6提出改善该类胶凝材料的收缩开裂性能的合适外加剂等

对比掺各掺和料的矿渣基水泥的化学收缩、砂浆的长期收缩以及混凝土的长期收缩，选择掺入后强度影响不大但收缩开裂明显降低的掺和料作为改善该类胶凝材料的收缩开裂性能的合适外加剂。

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