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固废掺合料高性能混凝土设计及性能探讨

日期:2024年01月18日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:30
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202401112321205526 论文字数:42522 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文,本文以硅灰、粉煤灰、矿渣取代水泥的含固废掺合料混凝土为研究对象,研究兼顾抗压强度和韧性的固废掺合料高性能混凝土设计方法和性能指标

第1章绪论

1.1课题研究背景

传统混凝土材料具有原料易取得,工艺成熟,抗压性能好,可模性强的特点。但是也存在着韧性差的缺点。为了弥补传统混凝土的缺点,上世纪90年代初,Li等研发出了工程水泥基复合材料(ECC)。对比普通硅酸盐混凝土,大大提高了材料的抗拉强度,具有高韧性、高延性、高变形能力及耐动荷载性能,在拉伸(弯曲)荷载作用下亦能实现明显的应变-硬化特性[1]。之后,随着社会的发展和工业进步,人们对混凝土的性能要求也越来越高,UHPC混凝土应运而生[2,3]。超高性能混凝土自提出以来,一直是混凝土科技工作者研究的重点和热点,已成为水泥基复合材料发展的重要方向[4-6],并取得了相应的成果[7,8],但同时,传统高性能混凝土及时即使到后期依旧存在存在大量水泥颗粒未水化现象,造成材料浪费,且生产过程中会产生大量废料,环境影响较大。

另外,随着我国工业化和城市化进程的不断推进,产生的固体废料,如矿渣,粉煤灰,等也日益增多。迄今为止,我国固体废料的主要处理方式仍为露天堆放与填埋[9,10],而国外对类似固体废料的利用率可达90%[11-13]。因此,合理利用固体废弃物对我国的生态环境的保护及建筑行业绿色低碳发展都具有重要意义[14-18]。固体废弃物磨成一定细度的粉末后,具有火山灰活性,通过利用固体废弃物粉末,来制备的混凝土称为固废混凝土。基于CPM理论,将固废材料作为水泥的替代物或辅助胶凝材料,来高性能混凝土具有可行性,既可以满足社会和工业发展的性能需要,又可以满足低碳发展的要求。现有的固废掺合料混凝土的研究中,多数含固废掺合料混凝土的性能,较对应的传统方法制备的混凝土有所下降,或不能兼顾到经济和混凝土构件的性能。如何经济高效的将两者兼顾的研究仍较少。因此在设计含固废掺合料的高韧性UHPC中,如何选择绿色安全、经济高效的改性方法和对应的纤维种类,成为需要迫切解决的问题。课题来源为:固废掺合料水泥基高性能结构材料设计研究项目。

1.2课题研究的目的及意义

本课题研究目的为更好的利用固废材料替代水泥,提高固废材料粉末在水泥基中的活性,提升固废混凝土的整体性能,减少材料浪费和对环境的二次污染,选择绿色、高效、低成本的改性剂改性,改善混凝土界面同纤维间的耗能关系,提升胶凝材料的活性,同时掺入高性能纤维,使固废掺合料混凝土在保证抗压强度的同时提高韧性。

基于UHPC的流变性能、宏观力学性能及微观性能演化研究,揭示材料组成与制备工艺对UHPC性能的影响规律,建立基于性能要求的UHPC组成设计及性能调控方法可以更好为今后的固废掺合料的高性能混凝土制备提供理论支持以及减少实际操作中的失误带来的经济损失,对低碳新型的混凝土建筑发展具有良好的社会意义。

第2章固废高性能混凝土配合比设计及制

2.1引言

高性能混凝土与传统的混凝土配置相比有所差异,在材料方面,UHPC配制采用较细的石英砂和石英粉替换了传统混凝土中的粗骨料和细骨料,并通过颗粒直径更小的硅灰进行一定量的水泥替代,进而得到了更好的胶凝材料堆积密实度;在制备工艺上采用适合的拌和方式、投料顺序等,并通过高温蒸养,得到了HPC、UHPC。强度性能方面,高性能混凝土较普通混凝土更为优异。但同时超高的强度会导致其相比传统混凝土更“脆”,而因此为保证满足韧性的设计要求,需要对材料、用量等进行合理的选取,提出适合的配比设计,兼顾抗压强度和韧性是本次研究的重点。

本次试验基于国内外研究现状及课题组研究进展情况,首先选取适当合理的原材料,通过控制变量试验,分析各因素对性能的影响效果,综合比较后获得基准配合比,并在兼顾抗压强度和韧性的基础上,选择粉煤灰、矿渣作为固废掺合料,结合改性剂,进一步降低成本、提高环境友好性,确定试验配合比及制备技术,并且详细介绍了试验仪器、原理、加载方案等等,为后期宏观及微观性能试验研究提供参考。

2.2实验材料及选取方法

2.2.1胶凝材料

(1)水泥

本次试验使用吉林金隅冀东环保科技有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥,氯离子0.005%;80μm筛余细度1.9%;其细度为3400cm2/g;烧失量为0.5%;此水泥的粘稠度需水量为27%;保水率87%;初凝时间为160min;终凝时间为230min。其性能指标见表2-1和表2-2。

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第3章 固废高性能混凝土性能测试 ...................... 25

3.1 引言 ................................ 25

3.2 立方体抗压强度实验 ........................... 25

第4章 固废高性能混凝土宏、微观分析 ....................... 51

4.1 宏观分析 ................................. 51

4.2 微观分析 ............................. 53

结论 .................................... 67

第4章固废高性能混凝土宏、微观分析

4.1宏观分析

(1)纤维种类对试件破坏界面的影响分析

选取试件组别为0.18水胶比不同纤维组别进行实验分析。对应的抗压、抗折、四点弯曲破坏形态已在第三章做过描写,这里不在赘述。

抗压破坏形态,将不同纤维的试件观察破坏界面进行对比,发现PVA纤维组,少见纤维拔出,多为纤维拉断,断面相对比较光滑,无明显的纤维刮擦的痕迹,破坏界面断口无基体粘连现象,如图4-1所示。证明了PVA纤维亲水性,使其同水泥基体界面结合紧密,试件破坏发生的耗能以纤维断裂耗能为主。

而PE纤维掺量组可以很明显的看出在破坏界面,PE纤维大都被拔出拉长,且试件破坏时纤维刮擦痕迹明显,已经产生开裂的基体仍有一定的连接性,如图4-2,证明了疏水性PE纤维的耗能以拔出耗能为主。从破坏界面的形态,结合立方体的破坏形态得出结论,在纤维强度允许的前提下,纤维拔出耗能对保持受压试件破坏后的整体性,更具有优势。

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结论

本文以硅灰、粉煤灰、矿渣取代水泥的含固废掺合料混凝土为研究对象,研究兼顾抗压强度和韧性的固废掺合料高性能混凝土设计方法和性能指标。通过宏观试验、微观试验的结果分析,得到了固废高性能混凝土设计方法,考虑改性剂、纤维种类、水胶比综合因素下对固废高性能混凝土的抗压强度以及韧性的影响规律和作用机理。为推广绿色低碳可再生的固废掺合料混凝土给出具体建议。本次研究的具体结论如下:

(1)从工作性能上讲,在固废混凝土中掺入改性剂KH550能够很好地改善混凝土拌合物和易性,且水胶比越低改善效果越好。0.16、0.18、0.20水胶比时,流动性提高幅值按分别为:63.8%、17.5%、2.4%。同时,结合FTIR测试结果可知,KH550水解后,可以很好地促进氨基官能团与三种固废材料的结合,加强硅羟基的反应作用,提高胶凝材料的活性。

(2)结合抗压强度、单轴拉伸和四点弯曲实验来看,0.18水胶比时,加入改性剂后,掺PE纤维、PVA纤维的混凝土抗压强度和韧性都获得了提升,且PE组整体力学性能最高—抗压强度121.47MPa、极限拉应变3.441%、抗折强度24.98MPa,对比无掺杂纤维的D2组,各项性能提升幅度依次为25.16%、3916%、104.08%。0.2水胶比时,改性剂的掺入对PVA纤维组的力学性能都有削弱,混杂BF纤维的B1组,性能更差。对PE纤维组来讲,掺入改性剂对不同试件的力学性能都有提升。在考虑制备固废高性能混凝土时候,可以选择0.18水胶比,掺加PE纤维的改性混凝土作为首选。

参考文献(略)