毕业论文---粉煤灰对水泥强度的影响规律.doc
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1、1 绪 论1.1 研究背景粉煤灰是一种常见的工业废渣,其综合利用早已引起世界各国的重视。粉煤灰在混凝土中的应用可追溯到1914年,但由于粉煤灰的结构特征,潜在活性较难激发,除了大坝硅以外,国内外粉煤灰在水泥及混凝土中的掺量普遍较低。这是因为:随着粉煤灰掺量的增加,水泥及混凝土的强度下降,尤其是早期强度显著降低。近年来由于技术的进步和需求的促进,水泥生产的规模日趋扩大,新技术的涌现层出不穷,水泥质量大幅度提高。而且在建筑领域、交通设施、工业、农业、国防、水利工程、海洋开发等方面的应用极其广泛,可以毫不夸张的说,在二十一世纪甚至更长的时间里,水泥仍是建材领域的主导品种,是其它材料无法替代的。近年来
2、随着建筑领域要求的日趋提高,水泥产品得到了极大的发展:粉煤灰硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥,高铝酸盐水泥,低钙铝酸盐耐火水泥,快硬高强水泥等品种。粉煤灰在水泥中的应用经历了几十年广泛的实验研究和生产应用,现在已能大量稳定生产,并成为我国现行五大水泥品种之一。目前,我国粉煤灰水泥主要有两大品种,即粉煤灰硅酸盐水泥和粉煤灰矿渣两掺的复合水泥。近年来许多科学工作者根据粉煤灰的特性,研制出一些粉煤灰掺量较多,具有某些特性和特殊用途的水泥,人们称之为特种水泥:粉煤灰低热水泥、粉煤灰砌筑水泥(包括纯粉煤灰水泥、无熟料粉煤灰水泥、少熟料粉煤灰水泥和“磨细双灰粉”)
3、等。有理由相信,在未来,随着粉磨技术、粉煤灰活化技术和外加剂的发展,粉煤灰水泥在国民生活中会发挥出越来越大的作用,开发低水泥用量、高耐久性水泥基材料是混凝土发展的方向和未来。然而在水泥中增加更多的粉煤灰以降低水泥的生产成本,这仍然是一个非常重要的课题。1.2 研究目的和意义本研究的目的是寻找粉煤灰对水泥强度的影响规律和粉煤灰的掺量规律,在保证粉煤灰水泥早期强度的前提下增加粉煤灰在水泥中的掺入量。通过大量的研究工作,尽量提高水泥的早期强度和粉煤灰的掺入量。通过对粉煤灰砌筑水泥的实验研究,我们可以充分了解水泥熟料中掺加粉煤灰得水泥熟料的影响,对我们在生产过程中粉煤灰和水泥熟料的掺加比例有一定指导作
4、用。同时,在日常生活中,由于使用粉煤灰生产砌筑水泥,不但可以大量节约能源和成本,且更加有利于我们治理环境和保护环境。1.3 国内外研究现状J.G.CABRERAI认为磨细灰影响强度变化的机理有两个方面1:一方面主要是物理作用在于减少需水量而不降低混合物的工作度,使水化产物和未水化的粒子更加紧密;另一方面是双重的化学作用,包括:(1)延缓C3A和C4AF的水化,其结果有益于降低水化热,但更重要的在于延缓了铝酸盐的水化过程,而相反地增加了硅酸钙的水化,则将使最终强度增长。(2)粉煤灰的细度的增高,火山灰反应能够提前。H.C.A.NIELSEN研究了粉煤灰水泥强度随粉磨能量和细磨粉煤灰含量而变化的关
5、系2,增加粉磨细度,改善了抗压强度。但是,当粉煤灰掺量较高时,则保留了强度上的差距,而这种差距部分可以通过延长粉磨来消除,但每吨水泥的能量消耗就要高得多。上海市建筑科学研究所的试验结果见表1.13,粉煤灰细度的增加,净浆抗压强度也增加,特别是7d和28d强度。南京化工大学最近研究了55%纯硅酸盐水泥+30%矿渣+15%粉煤灰组成的混合水泥中,粉煤灰经不同粉磨时间对标准砂浆试体强度的影响见表1.2,从表中可以看出,虽然混合水泥中粉煤灰只占15%,但它的粉磨对强度影响很大,而粉磨时间的长短影响差别较小。表1.1 粉煤灰水泥净浆的强度/MPa试样抗折强度抗压强度1d7d28d90d1d7d28d90
6、d纯硅酸盐水泥5.410.513103785115111掺2240cm2/g粉煤灰水泥5.29.51011.5275371106掺4500cm2/g粉煤灰水泥5.49.91010.2276776108掺7000cm2/g粉煤灰水泥5.310.21010327189109合肥水泥研究院的研究认为5,随着细度增加,粉煤灰活性明显增加,尤其是抗折强度提高幅度更大。当超过600m2/kg时,抗压强度超过或接近不掺粉煤灰的纯硅酸盐水泥,当细度大于700m2/kg时,活性指标相对提高32.57% 。随着细度增加,粉煤灰活性提高率下降,北京建材科研所认为6:在4900孔筛余3.6%, 7.6%, 11.2%
7、. 18.2%的粉煤灰中,以7.6%的强度最高。西南工学院材料系的徐彬、吕淑珍、张天石7等认为在粉煤灰水化过程中由于水化生成了C2S2H 凝胶和钙矾石,使粉煤灰表现出一定的水硬活性。因为普通粉煤灰水泥中粉煤灰的活性依赖于水泥熟料水化产生的氢氧化钙,所以未加激发剂的粉煤灰水泥表现为:当粉煤灰掺量较低时,由于粉煤灰水化的滞后,水泥的早期强度低而后期强度有一定的增长;而当粉煤灰掺量较高时,由于水泥中熟料减少导致其水化生成的氢氧化钙数量减少,粉煤灰不能得到充分的激发,表现为水泥的早期和后期强度都很低7。随着研究的进一步加深,粉煤灰水泥的品质出现了小问题。朱教群,梅炳初采用低铁高硫配料方案和串级粉磨工艺
8、将熟料、混合材、石膏配料, 送入级磨进行粉磨及选粉机分离; 然后根据级磨的能力, 将粗粉部分或全部送入级磨粉磨; 最后将级磨的出磨物料与级选粉机所选细粉混合送入成品库。优化了熟料的矿物组成, 改善粉煤灰水泥的颗粒级配, 用灼烧高温石膏代替石膏等技术措施, 能大幅度提高粉煤灰水泥的品质, 并能增加混合材的掺量。这不仅能为企业降低生产成本, 提高经济效益, 同时还为水泥生产综合利用粉煤灰提供有益的技术途径。粉煤灰应用在砌筑砂浆和混凝土中的研究也取得了成果。徐玲玲, 杨南如, 钟白茜在大掺量粉煤灰对水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀的物理和化学作用的实验中,可以认为, 水泥砂浆中大量掺人粉煤灰后, 对铝酸三钙矿物
9、的稀释作用和对硬化体结构中毛细孔的填充作用等物理作用, 以及粉煤灰中具有潜在火山灰活性的组分和浆体中氢氧化钙晶体的化学作用, 有效地提高了水泥砂浆在3%硫酸钠溶液和海水中的耐蚀系数。而经过机械活化处理的磨细灰, 由于颗粒分布和颗粒度的优化, 灭山灰活性的提高, 其提高水泥砂浆抗蚀性能的作用更佳, 尤其是180天的耐海水侵蚀性能。秦鸿根,潘钢华,孙伟10等对掺粉煤灰高性能混凝土的耐久性进行了试验研究,结果表明:采用级粉煤灰和高效减水剂双掺技术配制的高性能砼,具有较好的物理力学性能和耐久性。掺一定量的级粉煤灰的高性能砼, 其抗硫酸盐性能较优: 掺12 %粉煤灰的砼与空白砼相近, 掺24 %粉煤灰的
10、效果最好, 优于空白砼; 掺36 %粉煤灰的砼则介于掺12 %与24 %之间。粉煤灰是砼碱骨料反应的良好抑制剂, 掺25 %的级粉煤灰,可将碱骨料反应压蒸膨胀值降低80 %以上。本项目配制的高性能砼具有较好的抗碳化和抗钢筋锈蚀性能。砼的碳化速度随粉煤灰掺量的提高而加快。在本文试验条件下,掺24 %粉煤灰,28d 碳化深度小于10mm。抗钢筋锈蚀性能接近于同强度等级的空白砼。粉煤灰的利用成功研究,使得人们对“化废为利”更加关注,许多人都对用粉煤灰配制的水泥的强度进行了测试,并且在实际工程中进行了对比实验。结果表明,砌筑水泥的性能满足国家标准和工程建设要求。目前,砌筑水泥的生产和使用已经在世界中展
11、开,它不仅解决了资源紧缺和占用农田问题,而且又使生产单位找到了一条生产水泥的新道路,同时也为粉煤灰的开发利用指明了一条新路。1.4 主要内容及技术路线1.4.1 研究内容 (1)粉煤灰细度大小对水泥的强度的影响。 (2)粉煤灰添加量的多少对水泥的强度的影响。 (3)激发剂对粉煤灰水泥强度的影响。1.4.2 技术路线本文采用机械活化法对粉煤灰进行粉磨制备。通过控制不同的粉磨时间调整粉煤灰的细度,得到不同细度的粉煤灰。并用国家标准GB177-85水泥胶砂强度检验方法对水泥强度进行检验。试验采用350m2/kg、450m2/kg、550m2/kg3个不同细度和50%、55%、60%、65%、70%、
12、75%、80%、85%几个不同掺量进行研究粉煤灰对水泥净浆强度的影响。2 粉煤灰性能及其对水泥强度的影响原理2.1 粉煤灰的性质、形态与活性特征2.1.1 粉煤灰的物理性质 粉煤灰外观类似水泥,颜色从乳白到灰黑,颜色的变化在一定程度上反映它的细度和含碳量,颜色较黑的粉煤灰中粗粒较多,含碳量较高。其细度极高,颗粒粒径在0.5300m之间。我国粉煤灰的平均容重为783kg/m3,平均比重2.14g/cm3,容量和比重可反映其各种组分的相对含量和结构特点。 粉煤灰具有非常大的比表面积,一般为16003500 cm2/g,需水量比约为106%。2.1.2 粉煤灰的化学性质粉煤灰是一种人工火山灰质混合材
13、料,它的化学成份以二氧化硅和三氧化二铝为主(氧化硅含量在48%左右,氧化铝含量在27%左右),其它成分为三氧化二铁,氧化钙,氧化镁,氧化钾,氧化钠,三氧化硫及未燃尽有机质(烧失量)。它本身略有或没有水硬胶凝性,但当以粉状(细度越小越好)及有水的条件下,在常温特别是在水热处理(蒸汽养护)的条件下,可以与水泥水化后产生的氢氧化钙或其它碱性氧化物发生反应生成具有胶凝性的水化硅酸钙。2.1.3 粉煤灰的存在形态粉煤灰是以颗粒形态存在的,颗粒粒径主要分布在0.5300m的范围内,且这些颗粒的矿物组成、粒径大小、形态各不相同。人们通常将其按形状分为珠状颗粒和渣状颗粒两大类。其中珠状颗粒包括漂珠(亦称漂珠形
14、空心微珠,英文为(floaters)、空心沉珠(亦称空心微珠,英文为Chemosphere)、复珠(子母珠)、密实沉珠(实心沉珠)和富铁玻璃微珠等五大品种;渣状颗粒包括海绵状玻璃渣粒,炭粒、钝角颗粒,碎颗粒和粘聚颗粒等五大品种。它们组成,组合比例的变化直接影响粉煤灰质量的高低。我国粉煤灰比表面积的变化范围在8005500cm2/g,一般在16003500 cm2/g范围内。2.2 粉煤灰的品质指标及分类1.按GB1596-91标准分类 按GB1596-91标准中规定,将粉煤灰按物理和化学性质划分为、三个等级。其品质指标满足表2.1的规定。表2.1粉煤灰品质指标及分类序号按GB1596-91标准
15、分级粉煤灰等级1细度(45方孔筛筛余)1220452烧失量(%)58153需水量比(%)951051154三氧化硫(%)3332.按粉煤灰颗粒组成及形态特征分类根据上述粉煤灰颗粒组成及形态特征,粉煤灰的颗粒组成主要有下面三种:(1)玻璃微珠;(2)多孔玻璃体(含多孔玻璃体、多孔微珠及其粘聚体);(3)多孔碳粒。按照粉煤灰物理化学性质指标并不能完全反映粉煤灰内在性能,如粉煤灰的细度已达级指标,可需水量的指标达不到级灰的指标,其原因是由于粉煤灰颗粒组成及特征所造成的。大量研究表明颗粒组成及形态特征是反映粉煤灰的品质即粉煤灰内部组成及结构的。其分类见表2.2。表2.2 粉煤灰颗粒组成及形态特征分类表
16、粉煤灰级别粉煤灰颗粒组成及形态特征玻璃微珠占70%以上,少量的多孔玻璃体占20%30%。其中大于45m颗粒小于20%玻璃微珠占50%70%,多孔玻璃体占3040%,其中大于45m颗粒小于2030%玻璃微珠占50%以下,多孔玻璃体占50%以上,其中海绵玻璃体占1015%。多孔碳粒占5%左右。2.3 粉煤灰原状灰与磨细灰的区别原状灰是指电厂收尘器收集下来未经任何加工处理的粉煤灰。它一般分为I、II、级。其中I级灰的需水量比为95,II级灰的需水量比为105,级灰的需水量比为115。其中I级、II级灰可以不经过活化处理就可直接用于混凝土中,而且具有很好的减水效应。能直接收集I级、II级灰的电厂多数具
17、有电收尘设备,而对于那些采用机械收尘的电厂,其收集的粉煤灰一般都属于级灰,颗粒较粗,烧失量大,需水量大,不经处理不能直接用于水泥和混凝土生产中。需要进行脱碳、磨细才可以使用。在粉煤灰磨细的过程中,粉煤灰中那些形状不规则或者是粘结在一起的光滑玻璃微珠、薄壁空心微珠和一些多孔的玻璃熔体在机械外力的作用下变得光滑或者被破碎,经过粉磨粉煤灰的质量得到提高。经过粉磨的粉煤灰与原状灰相比,细度更小,相对密度增加,比表面积急剧增大。随着细度的减小,拌和物的标准稠度用水量减少,火山灰效应增强,但是并不是粉煤灰磨的越细越好,当粉煤灰细到一定程度,它对拌和物来讲,不仅不减水还有可能增加拌和物的用水量。2.4 粉煤
18、灰三大效应我国著名学者沈旦申、张荫济先生早在上世纪80年代总结国内外大量研究成果,提出“粉煤灰三大效应”理论,科学全面的阐述了粉煤灰在混凝土及粉煤灰制品中的作用和机理。对指导我国粉煤灰综合利用起到了积极的作用。(1) 粉煤灰的“形态效应”:形态效应是指粉煤灰颗粒形貌、粗细、表面粗糙度、颗粒级配、内外结构等几何特性在混凝土中产生的各种效应。其正效应有对混凝土的减水作用、致密作用及一定的均质化作用等综合结果。因为形态效应既直接影响新拌混凝土的流变性质,也直接影响硬化中混凝土的初始结构,所以它对奠定硬化混凝土的结构和性质具有重要意义。在显微镜下显示,粉煤灰中含有70%以上的玻璃微珠,粒形完整,表面光
19、滑,质地致密,其形态效应较强。335微米的球形颗粒含量越多,其形态效应越大,对混凝土流动性的提高越大。如果保持流动性不变,就可以减少用水量,降低水灰比;这种形态对混凝土而言,无疑能起到减水作用、致密作用和匀质作用,促进初期水泥水化的解絮作用,改变拌和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能,尤其对泵送混凝土,能起到良好的润滑作用。由于粉煤灰颗粒呈球形而且表面光滑,粉煤灰在形貌学上的另一特点是它的不均质性,如内含较粗的、多孔的、疏松的、形状不规则的颗粒占优势,则不但丧失了所有物理效应的优越性,而且会损害混凝土原来的结构和性能,所得到的是负效应。近年来,大量的应用实践都证实,粉煤灰形态效应的正效
20、应占极大优势,而负效应可以通过一定的手段加以抑制和克服11。(2) 粉煤灰的“活性效应”:粉煤灰的“活性效应”因粉煤灰系人工火山灰质材料,所以又称之为“火山灰效应”。因粉煤灰中的化学成份含有大量活性SiO2及Al2O3,在潮湿的环境中与Ca(OH)2等碱性物质发生化学反应,生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质,其典型的化学反应如下:CH+S+H=C-S-H(高C/S) C-S-H+S+H=C-S-H(低C/S)12对粉煤灰制品及混凝土能起到增强作用和堵塞混凝土中的毛细组织,提高混凝土的抗腐蚀能力,活性效应认为火山灰反应主要取决于粉煤灰颗粒表面的化学和物理特性,在很大程度上受到形态效应的支配,也
21、包括微集料效应的影响。比如说:粉煤灰中起活性作用的玻璃微珠,在混凝土硬化初期,其表面吸附一层水膜,直接影响粉煤灰火山灰反应以及粉煤灰混凝土的强度,粉煤灰中游离氧化钙、有效碱(氧化钾、氧化钠)、硫酸盐等化学成分都可以成为粉煤灰活性反应的激发剂。另外还受养护环境和条件的重要影响。(3) 粉煤灰的“微集料效应”:是指粉煤灰的微细颗粒均匀分布于水泥浆体的基相之中,就像微细的集料。粉煤灰中粒径很小的微珠和碎屑,在水泥石中可以相当于未水化的水泥颗粒,极细小的微珠相当于活泼的纳米材料。其作用是与凝胶结合良好,能使浆体中毛细孔隙“细化”,还能明显的改善和增强混凝土及制品的结构强度,提高匀质性和致密性。粉煤灰微
22、集料效应突出优点在于: 1)粉煤灰玻璃微珠的形态特征和特性适宜于用作微集料,特别是粒径为10m以下的微珠,具有十分良好的减水作用,而且粉煤灰实心和厚壁空心微珠本身的强度很高,能起到增强水泥浆体的效果。2)粉煤灰玻璃微珠颗粒分散于硬化水泥浆体中,与水泥浆体的结合养护时间越长越密实。3)从掺粉煤灰的水泥浆体的基相整体来看,毛细孔隙细化和致密,而且得到均匀改善,这不仅有利于粉煤灰混凝土的强度增长,对提高混凝土的耐久性也具有重大意义。粉煤灰效应除了上述三个基本效应外,还具有反应混凝土中粉煤灰特殊功能的效应,如“免疫效应”、“减热效应”、“泵送效应”、“美学效应”等不过它们的机理却离不开基本效应。这三类
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