矿物掺合料-廉慧珍
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矿物掺和料和混凝土结构最密切的关系就是 可以针对处在不同环境的不同工程特性需要 进行选择,尤其是在具有化学腐蚀的环境中; 有人说“掺和料多了会影响耐久性”,为什 么? z 对水泥的迷信,什么是水泥? z 选择或使用不当; z 施工是实现混凝土结构耐久性最后的和最 关键的工序;
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时间(月)
粉煤灰掺量对碾压混凝土脆性系数的影响
摘自中南勘察设计研究院朱育岷、林长农论文
不同矿物掺和料对碱骨料反应的抑制
混凝 凝土棱 棱柱体 体膨胀 胀率(% %)
0.2 0.15 0.1 0 05 0.05 0
无掺和料 硅灰15% 粉煤灰40% 矿渣50% 火山灰 火山灰30%
Taylor y 关于水泥浆体内部结构 与强度关系的模型
矿物掺和料的作用
节能、降耗、减排 节能 降耗 减排 调节混凝土温升 抗化学腐蚀性 调节因结构物中混凝土温度高而降低的实 际强度,保证混凝土强度持续增长 后期水化率提高保证混凝土结构微结构增 长 有利于结构耐久性 长,有利于结构耐久性
对混凝土温升的影响
骨料在混凝 紧密堆积 土中的状态 骨料对混凝 大~很大 土强度影响
多组分四要素, 四组分三要素,以 分 配合比选择 以耐久性和施工性 强度为目标 为目标
现代混凝土拌和物特性
复杂的浓分散体系 触变性
拌和物 表观粘 度增大 黏聚性大 减少离析 粘滞性小 便于泵送
一定浓度下的 剪胀性
拌和物的 动力损失 浓度 控制 调整
水泥混合材使用方法
3 2
掺 掺入比例 例 的目的 品种选择 的理由 质量标准 的根据
• 性能 • 经济利益 • 性能? • 经济利益? • 相同流动度? • 相同水胶比? • 相同强度?
1
利弊相权的取舍与互补
不同掺和料有不同特性和不同的作用,有利有弊: 优点 缺点 收缩小,抗裂性好, 化学活性低,早期反应很 少 长期反应率最多只有 少,长期反应率最多只有 粉煤灰 对Cl-吸收强 粉煤灰对Cl 20%多,故抗碳化差 化学活性随比表面 收缩大,抗裂性差,表 矿渣粉 积增大而明显提高, 面积太大时不利于混凝 抗碳化性稍好 土温升的降低 应当针对工程具体情况确定掺量,掺量太大时, 应当针对工程具体情况确定掺量 掺量太大时 尤其对矿渣,会因为SO3被稀释而造成早期强度 低 需水量大 收缩大 与减水剂相容性不好等 低、需水量大、收缩大、与减水剂相容性不好等 问题,故在水泥中掺好。
粉煤灰细度与W/C 0 30的浆体 水化热的关系 粉煤灰细度与W/C=0.30的浆体
矿渣细度对W/C=0 45浆体 水化热影响 矿渣细度对W/C=0.45浆体
矿渣细度对W/C=0 30浆体水化热影响影响 矿渣细度对W/C=0.30浆体水化热影响影响
不同矿物掺和料抗腐蚀性能的差别 矿物掺和料抗腐蚀性能的差别
矿物掺和料的使用
廉慧珍 清华大学土木水利学院
是矿物掺和料还是水泥影响了混凝土质量?
• 截止2011年底,中国水泥产量为20.5亿吨,已 经供过于求。但是产量提高了,质量却下降了。 • 对水泥质量的评价不能单用水泥产品标准,主要 对水泥质量的评价不能单用水泥产品标准 主要 应当看是否有利于使用。 • 实际上水泥增产的原因不都是因熟料产量的增加 ,也包括混合材用量的增加。矿物掺和料在水泥 用 中掺是科学因而合理的,但是在传统观念(现行 水泥标准)的指导下使用的错误造成不符合科学 规律的结果 • 对于水泥基材料,关键就是水的使用。 对于水泥基材料 关键就是水的使用
抗硫酸盐腐蚀 对碱 骨料反映的抑制 对碱-骨料反映的抑制 对膨胀的抑制 抗氯离子扩散性(抗混凝土渗透性) 耐久性指数
0.045 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0
浸泡于5%Na2SO4溶液的 混凝土立方体试件的膨胀
ASTMⅠ型水泥 型水泥 W/C=0.45 ASTMⅤ型水泥 W/C 0 45 W/C=0.45 大掺量粉煤灰 L W/B=0 L,W/B 0.31 31 大掺量粉煤灰 S,W/B =0.31 25%矿渣 W/B=0.45 50%矿渣 W/B=0.45
1000
使用活性骨料的不同掺量 粉煤灰、矿渣和硅灰的砂浆条形试件 14天后的膨胀(ASTM 1260)
矿物掺和料对氯离子在混凝土中扩散的影响
粉煤灰对氯离子在不同强度 混凝土中扩散性的影响
粉煤灰对混凝土渗透性的影响
粉煤 灰混 凝土 快冻 法耐 久性 指数
什么是耐久性?
不存在一般含义上耐久的混凝土:如果我要为花 园工具室修个地板 打算用上一年就推倒。某种质 园工具室修个地板, 打算用上 年就推倒 某种质 量的混凝土就“耐久”了, 但这种混凝土用于一座 大桥 大桥、一条隧道或一座大坝中也许就不耐久了。 条隧道或 座大坝中也许就不耐久了 所以,说某一混凝土是“耐久的”,或“不耐久 的”是错误的。”“混凝土在一种条件下耐久了 ,在另一些条件组合下就可能不耐久。仍然是没 有本质上耐久的混凝土”。“有时混凝土不耐久 ,是因为用途发生了变化,例如本是设计存放纸 的仓库的地板,却改为放化学品了”
矿物掺和料的种类
以无定形SiO2和Al 2O3为主要成分, 火山灰质的 能在常温有水的条件下与石灰反应 生成水硬性产物的无机粉状材料 以铝硅酸盐玻璃体为主,含少量水硬 铝 酸盐玻璃体为主,含少量水硬 有潜在 性矿物,能被硫酸盐和碱性物质激发 水硬性的 而生成水硬性产物的无机粉状材料 产 料 • 可与硅酸盐水泥某些组分反应改善混凝 与 水 某 分 应 善 凝 土硬化前后某些性质的无机粉状材料 其它 • 可对混凝土拌和物改性并参与混凝土微 结构形成的无机粉状材料
不同矿物掺和料举例
①火山灰质矿物掺和料
•天然火山灰及其变体,如火山渣、凝灰岩等 •人工火山灰,如烧黏土、烧高岭土、废砖等 •冶炼工业高温后急冷生成无定形含铝、硅、钙为主 要成分的副产品,如粉煤灰、硅灰
②有潜在水硬性的矿物掺和料
• 磨细粒化高炉矿渣、化铁炉渣等 磨细粒化高炉矿渣 化铁炉渣等 • 流化床燃煤脱硫灰渣等 • 磨细石灰石(石灰石粉) • 填充性矿物掺和料,如石英砂粉
硅灰:不降低温升,温峰提前; 矿渣 和细度有关与掺量有关 越细 矿渣:和细度有关与掺量有关:越细, 掺量应越大; 粉煤灰:温升随掺量增加而降低,细度 影响不大 对混凝土温升的影响和矿物掺和料活性 有关
掺入矿物掺和料后水泥的放热曲线源自矿物掺和料对混凝土温升的影响
粉煤灰细度与W/C=0.45的浆体 煤灰 度 体 水化热的关系
• 欧洲水泥标准中允许矿渣最大掺量为95%; • 日本生产水泥技术路线是:熟料磨得粗些,矿 日本生产水泥技术路线是 熟料磨得粗些 矿 渣粉磨得最细(勃氏比表面积 600m2/kg以 上),粉煤灰用原状灰,以形成较理想的颗粒 级配; • 我国则将熟料和混合材都磨得很细,造成水泥 强度的“早长晚不长” 强度的 早长晚不长 ,开裂敏感性大; 开裂敏感性大; • 对混凝土结构耐久性负面影响的不是矿物掺和 料而是水泥; • 过细的水泥实际上不利于矿物掺和料的使用。 过细的水泥实际上不利于矿物掺和料的使用
分子 力随 分子 间距 离的 变化
涉及水泥的颗粒细度比较
水泥凝胶: 2 000 000 m2/kg 硅灰: 灰 200 00 m2/kg g Czernin磨细的石英砂 2 000 m2/kg 市售磨细矿渣 420 m2/kg 未加水的水泥颗粒 350 m2/kg 颗粒越细 粒子之间的距离越小 Czernin C i 颗粒越细,粒子之间的距离越小, 的试验表明2 000 m2/kg g 的粉磨经压制后, 可产生范德华力。
反应速率用石灰与掺和料混合加水成型后在不同 龄期对X射线衍射半定量计算 最终反映率用饱和石灰水沸煮法检测活性率 实验条件 标养 无碱 实验条件:标养,无碱
矿物掺和料如何参与混凝土微结构的形成?
钱学森曾说过:固体物质磨到一定程度后, 钱学森曾说过 固体物质磨到 定程度后, 本身就是结构; 奥地利的Czernin 的实验表明: 的实验表明 (A)100克的粗石英砂和20克的水的混合物并无 强度, (B)当将石英砂磨至“水泥的细度”时 同样的 (B)当将石英砂磨至 水泥的细度 时,同样的 配比表现了某些强度, (C) 当将石英砂磨细到比表面积达 20000 厘米 ²/ 克时用压挤成型的园柱体能承受 10 公斤以上 的荷载。
反应龄期(天, 对数 )
矿渣对混凝土中碱 骨料反应的抑制作用 矿渣对混凝土中碱-骨料反应的抑制作用
0.7 粉煤灰掺量0% 0.6 0.5 粉煤灰掺量20% 0.4 粉煤灰掺量30%、40% 0 3 0.3 0.2 0 1 0.1 6E-16 -0 0.1 1 10 100
反应龄期(天) 砂浆 浆棒膨 膨胀率(%)
外加剂的广泛应用是 现代混凝土工程的重要标志
和水泥的 依从关系
施工技术
混凝土因外加剂 而改变 混凝土 品种
水泥的 涵义
混凝土因外加剂而改变
水胶比 水胶 强度 流动性 传统混凝土 现代混凝土 0.5以上 上 0.12~0.6 75#~400# C15~C200以上 干硬性、低塑性、 塑性、流态、自密 塑性 实~ 实 悬浮 小~无
(A Neville::《 耐久性的过去、现在和未来) (A.Neville::《 耐久性的过去 现在和未来)
混凝土耐久性是无法在实验室量化和检测出指标 的性能,必须将混凝土用到处在一定环境下的结 构工程中才能表现处是否具有耐久性; 混凝土结构耐久性是指混凝土结构(包括钢筋或预 应力钢筋混凝土)抵抗环境中各种因素作用而保持 正常使用功效的能力 是混凝土在 定环境下使 正常使用功效的能力。是混凝土在一定环境下使 用于某结构所发生的行为。衡量混凝土结构耐久 性的指标是设计使用年限; 混凝 结构的失效 要体现在钢筋失效; 混凝土结构的失效主要体现在钢筋失效; 钢筋什么时候失效与混凝土的保护能力密切相关
不同火山灰质材料早期反应速率(%)
沸石 烧硅 龄期 硅灰 页岩灰Ⅲ-粉煤灰磨细砂 页岩灰Ⅲ 粉煤灰磨细砂 凝灰岩 藻土 7天 约80 约29 约15 约43 约0.2 02 0 28天 约94 约35 约53 约77 最终 47.7 反应率 30.5 19.0 32.4 约 0.7 12.3 0 5.6
矿物掺和料的使用有什么问题?
矿物掺和料的使用首先要了解现代混凝土拌 和物的特性 任何事物都会有利也有弊 如何取其利而避 任何事物都会有利也有弊,如何取其利而避 其弊? 掺和料和混凝土结构耐久性有什么关系? 掺和料混凝土碳化问题有什么影响? 为什么掺矿物掺和料的混凝土用回弹法检测 强度常出现不够的情况,但标养和钻芯的强 度都没问题?
③其它
矿物掺和料的作用
1
改善混凝土拌和物的施工性 降低混凝土因水泥水化产生的温升 提高混凝土抵抗化学腐蚀的能力 促进硅酸盐水泥早期水化;除上述分 类中的③类外 后期强度持续增长 类中的③类外,后期强度持续增长
2 3
4
不同矿物掺和料有不同性质和作用
化学活性越高,对混凝 早期强度影响越小, 化学活性越高,对混凝土早期强度影响越小, 相同水胶比下抗碳化性能越强,但对混凝土 温升降低作用越小 自收缩越大。 温升降低作用越小,自收缩越大。 粉磨越细,化学活性越高,但开裂敏感性越差。 抗化学腐蚀的能力因不同矿物掺和料本身吸 附能力有关,所需掺量有别。 任何事物对一定的对象都有利就有弊,两利 相权取其重,两弊相权取其轻。 相权取其重 两弊相权取其轻 不要一概迷信化学活性。 不要 概迷信化学活性
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100
反应龄期(天)
1000
矿渣对混凝土中碱 骨料反应的抑制作用 矿渣对混凝土中碱-骨料反应的抑制作用
砂浆 浆棒膨 膨胀率 率(%)
0.7 0.6 0 5 0.5 0.4 0.3 0 2 0.2 0.1 0 10 矿渣掺量0% 矿渣掺量20% 矿渣掺量30% 矿渣掺量40、50、60% 水泥含碱量1.2%Na 1 2%Na2O当量 砂蛋白含量6%(粒径0.15-0.3mm) 水∶灰∶砂=0.45 =0 45∶1∶2.25 2 25 养护:38℃、R.H.100% 100 1000