陶粒混合骨料混凝土结构与性能研究

论文摘要

混合骨料混凝土是指以轻骨料代替部分普通粗、细骨料,体积密度主要介于1950kg/m32200kg/m3之间、强度介于40MPa80MPa之间的中高强度混凝土。它既能改善轻骨料混凝土的缺点,即提高弹性模量,减小徐变,又能发挥轻骨料混凝土的优势,减轻自重,因此,在现代结构工程,特别是大承载、大跨度、高预应力混凝土工程中将具有很好的经济、技术意义。本文通过系统研究陶粒的掺入对混凝土拌合物性能、早期开裂性能、力学性能、耐久性能以及内部显微结构的影响规律,揭示了混合骨料混凝土组成、结构与性能之间的相互关系,为合理配制混合骨料混凝土提供了理论依据。本文进行的主要工作及取得的研究成果有:采用SEM、XRD、EDXA、显微硬度及孔结构分析等微观结构测试手段,研究了陶粒的掺入对混凝土内部显微结构的影响。研究表明:与普通骨料相比,轻骨料与水泥石的硬度及弹性模量均更为接近,故在普通混凝土中掺入部分轻骨料可使混凝土内部结构更趋于均匀,骨料与砂浆间的弹性更为协调。同时陶粒的吸返水能力不同,其对附近水泥水化程度和水泥石结构的影响也不同,且影响程度随水灰比和龄期的改变而有所差异。吸水率越大的陶粒其细化附近水泥石孔结构的能力越强,特别是100nm1000nm的大孔含量显著减少;在吸水率2.6%的页岩陶粒附近的显微硬度试验结果中仍可看到类似普通骨料的界面薄弱区。当水灰比高时,未预湿陶粒对附近水泥石的致密作用显著;当水灰比较低时,饱和预湿陶粒的自养护作用同样使得骨料附近水泥石结构致密,且随龄期增长愈加明显。并在此基础上提出了“界面影响因子”的概念及计算公式,从而在一定程度上为研究多因素改变的骨料对界面结构的影响提供了一个定量综合的相对比较方法。通过研究陶粒对混合骨料混凝土拌合物性能及早期开裂性能的影响规律可以发现,陶粒在混凝土内部的吸水作用虽然会使拌合物的流动性有所降低,但对浆体粘度的增大有利于提高混凝土匀质性,当同时复掺粉煤灰、引气剂和减水剂时,可配制出坍落度为210mm,而分层度仅为3.3%的施工性能良好的混合骨料混凝土;陶粒在混凝土内部的返水作用则可改善混凝土早期抗开裂性能,且陶粒掺量越多、预湿程度越高,“界面影响因子”越大,改善效果越显著。重点研究了与结构工程联系比较紧密的混凝土力学性能和耐久性能。研究表明:在满足工程要求的强度与弹性模量范围内适当地掺入部分轻骨料可以提高混凝土的比强度。本研究条件下,当水灰比为0.32时,陶粒掺量以不超过50%为宜;当水灰比为0.49时,陶粒掺量以不超过25%为宜。并在不同掺量陶粒对混凝土应力-应变关系影响的研究基础上,提出了混合骨料混凝土本构方程。此外颗粒强度较高的陶粒对提高混凝土抗压强度及弹性模量均有利,而吸水率较高的陶粒不但可以改善轻骨料与水泥石的界面粘结性能,从而提高混凝土的劈拉强度,且对混凝土后期的强度增长有积极作用。预湿程度高的陶粒配制的混凝土早期强度较低,但对提高混凝土后期强度增长率有利。陶粒的掺入对混凝土抗冻性及高水灰比混凝土的抗渗性有利,且陶粒掺量越多,“界面影响因子”越大,对耐久性能的改善越明显,此外陶粒对低水灰比混凝土抗冻性的改善作用还随龄期的增长而愈加显著。但陶粒的掺入会使得低水灰比混凝土的抗渗性有所降低,特别是早期抗渗性降低明显,故此条件下陶粒掺量不宜高于50%。配制水灰比较高的混合骨料混凝土选用低吸水率陶粒可获得较好的抗渗及抗冻性能;当配制低水灰比混凝土时则宜选择吸水率适中的陶粒。并且在满足混凝土施工性能的前提下,选择未预湿的干陶粒对提高混凝土抗渗及抗冻性能均有利。在综合分析骨料组成、结构与混凝土各种性能之间关系的基础上,提出了混合骨料混凝土的骨料选配原则,并对其进行了试验验证,发现骨料的优选可大大改善混凝土的内部结构与性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外应用概况
• 1.3.1 高性能混凝土国内外应用概况
• 1.3.2 轻骨料混凝土国内外应用概况
• 1.3.3 混合骨料混凝土的应用
• 1.4 研究现状
• 1.4.1 拌合物性能的研究
• 1.4.2 力学性能的研究
• 1.4.3 变形性能的研究
• 1.4.4 耐久性能的研究
• 1.4.5 微观性能的研究
• 1.4.6 理论研究
• 1.5 课题来源及主要研究内容
• 第2章 试验研究条件及方案
• 2.1 研究条件
• 2.1.1 原材料
• 2.1.2 配合比
• 2.1.3 试验仪器及方法
• 2.2 研究方案
• 第3章 陶粒对混凝土显微结构的影响
• 3.1 骨料结构
• 3.1.1 轻骨料
• 3.1.2 普通骨料
• 3.2 基体结构
• 3.2.1 基体结构主要影响因素
• 3.2.2 陶粒对附近浆体水化的影响
• 3.2.3 陶粒吸返水对粉煤灰二次水化的影响
• 3.3 界面区结构
• 3.3.1 不同种类骨料附近界面区结构
• 3.3.2 不同吸水率陶粒附近界面区结构
• 3.3.3 不同预湿程度陶粒附近界面区结构
• 3.3.4 骨料与基体的弹性协调
• 3.3.5 界面影响因子
• 3.4 本章小结
• 第4章 陶粒对混凝土拌合物匀质性及早期开裂性能的影响规律
• 4.1 陶粒对混凝土拌合物匀质性能的影响规律
• 4.1.1 理论研究
• 4.1.2 试验研究
• 4.2 陶粒对混凝土早期开裂性能的影响规律
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 试验研究
• 4.3 本章小结
• 第5章 陶粒对混凝土力学性能的影响规律
• 5.1 陶粒掺量对混凝土力学性能的影响规律
• 5.1.1 陶粒掺量对混凝土强度的影响规律
• 5.1.2 陶粒掺量对混凝土弹性模量的影响规律
• 5.1.3 陶粒掺量对混凝土应力－应变关系的影响规律
• 5.2 陶粒品种对混凝土力学性能的影响规律
• 5.2.1 陶粒品种对混凝土强度的影响规律
• 5.2.2 陶粒品种对混凝土弹性模量的影响规律
• 5.3 陶粒预湿程度对混凝土力学性能的影响规律
• 5.3.1 陶粒预湿程度对混凝土强度的影响规律
• 5.3.2 陶粒预湿程度对混凝土弹性模量的影响规律
• 5.4 混合骨料级配对混凝土力学性能的影响规律
• 5.4.1 混合骨料级配对混凝土强度的影响规律
• 5.4.2 混合骨料级配对混凝土弹性模量的影响规律
• 5.5 养护条件对混凝土力学性能的影响
• 5.5.1 养护条件对混凝土强度的影响
• 5.5.2 养护条件对混凝土内部相对湿度的影响
• 5.5.3 机理分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 陶粒对混凝土耐久性能的影响规律
• 6.1 抗渗性能
• 6.1.1 混凝土渗透机理
• 6.1.2 陶粒掺量对混凝土抗渗性能的影响规律
• 6.1.3 陶粒吸水率对混凝土抗渗性能的影响规律
• 6.1.4 陶粒预湿程度对混凝土抗渗性能的影响规律
• 6.1.5 混合骨料级配对混凝土抗渗性能的影响规律
• 6.2 抗冻性能
• 6.2.1 混凝土冻融破坏机理
• 6.2.2 陶粒掺量对混凝土抗冻性能的影响规律
• 6.2.3 陶粒吸水率对非引气混凝土抗冻性能的影响规律
• 6.2.4 陶粒预湿程度对非引气混凝土抗冻性能的影响规律
• 6.2.5 混合骨料级配对非引气混凝土抗冻性能的影响规律
• 6.3 混合骨料混凝土的配制原则及试验设计与验证
• 6.3.1 配制原则
• 6.3.2 试验设计
• 6.3.3 试验验证
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历