《堆积密实度和CaOSiO2对RPC强度的影响研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《堆积密实度和CaOSiO2对RPC强度的影响研究.docx（9页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。
1、堆积密实度和CaOSi（h对RPC强度的影响研究一前言与普通混凝土相比较，超高强混凝土可以大量减少材料用量，降低建筑成本，节约资源，减少生产、运输和施工能耗。采用超高强混凝土将对改善和保护人类环境作出巨大的贡献。活性粉末混凝土（ReaCtiVePowderConcrete,简写成RPC）是二十世纪末由法国人PierreRiChard研究成功的种超高强、低脆性、耐久性优异并具有广阔应用前景的新型超高强混凝土。它是由级配石英细砂（不含粗骨料）、水泥、石英粉、硅灰、超塑化剂和钢纤维组成，在凝结、硬化过程中可采取适当的成型养护工艺（如加压、加热）而获得。矿物掺合料对混凝土材料性能的影响，体现在它对水泥
2、混凝土基体的物理、化学填充密实效应上：（1）火山灰效应，即其与水泥水化产生的CH发生二次水化反应，生成硅酸钙凝胶；（2）与物理性有关的效应，它可起减水、增塑作用以及作为微骨料对基体所起的填充密实作用。RPC中加入矿物掺合料是其拥有优秀性能的一个重要原因，因此确定胶凝材料中各组分的比例是RPC配合比设计中的重要一环。本文利用Aim和Goff模型和水泥熟料水化反应方程式研究了堆积密实度和CaOZSiO2对RPC强度的影响，为RPC胶凝材料之间比例的确定奠定基础。二、堆积密实度的计算颗粒混合物体系的堆积密实度对于其水化硬化后的性能具有重要影响。胶凝材料混合物颗粒体系堆积密实度的提高，可以加快该体系的
3、水化反应进程，增强其体系的微观结构。因此详尽地研究矿物掺合料对水泥胶凝体系的物理和化学填充密实作用，使胶凝材料颗粒体系具有高的堆积密实度是水泥基材料获得高性能的关键。在水泥颗粒体系中掺入一定粒径的硅灰、粉煤灰，利用粒子间的相互填充效应，可以改善该体系的堆积密实性能。对于含有两种粒径颗粒的二元颗粒体系，可用Aim和Goff等人发展的数学模型对其堆积密实度进行估算。按照该模型,此二元体系中存在一个最大堆积密实度K*,且此时尺寸较小的颗粒所对应的体积分数U；可用下式计算：1-（l+0,9Jl/J2i-E2）12-（l+0.9t1J2Xl-E2）当qu；时,系统的堆积密实度K可用下式表示:t1+(l-
4、t1)(l+O.W1/J2Xl-E2)式中：为小颗粒的体积分数；4为小颗粒的平均粒径：w为大颗粒的平均粒径；E2为大颗粒材料的空隙率。其中刍的计算公式如下：G=立(4)Pf式中PF为材料的表观密度，。丁为材料的堆积密度。对于含有大、中、小3种尺寸颗粒的三元体系，按照颗粒的物理填充效应，不同尺寸的颗粒可以相互填充，因而在这个三元体系中，颗粒体系的堆积密实度与二元体系相比能进一步得到提高。同样按照Aim和Goff模型,先计算2种颗粒体系的堆积密实度，然后把此体系看成一元体系，在此基础上再按照Aim和GOfT模型计算加入第3种颗粒后体系的堆积密实度。三、摩尔CaOSi2的计算生产硅酸盐水泥的原料经过
5、高温煨烧后，原料中的CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3成分化合为熟料，本试验主要矿物成分及其含量如表1所示：表1水泥熟料的化学组成化合物名称氧化物成分缩写符号含量(%)硅酸三钙3CaOSiO2C3S61.7硅酸二钙2CaOSiO2C2S20.5铝酸三钙3CaOAl2O3C3A5.13铁铝酸四钙4CaOAI2O3Fe2O3C4AF12.15水泥和水混合后，熟料矿物与水发生水化反应的机理大致如下:1硅酸三钙C3S的水化反应，可用下面方程表示：2(3CaOSi2)+6H2O=3CaO2Si23H2O+3Ca(OH)2(5)C3S水化产物是水化硅酸钙(C-S-H)与氢氧化钙。水化硅酸钙的尺寸很小
6、(ll-,om-ll,om),相当于胶体物质。水化生成的氢氧化钙在溶液中的浓度很快达到饱和，并呈六方晶体析出。水化硅酸钙凝胶由于具有巨大的比表面积和刚性凝胶的特征，凝胶粒子间存在范德华力和化学结合键具有较高的强度。而氢氧化钙晶体生成的数量比水化硅酸钙的凝胶少，通常只起填充作用。但因其具有层状构造，层间结合较弱，在受力较大时是裂缝的策源地。2硅酸二钙C2S的水化和C3S极为相似，其水化反应可用式(6)表示：2(2CaOSiO2)+4H2O=3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)2(6)与C3S相比，其主要差别是水化速度特别慢，并且生成的氢氧化钙较少。3铝酸三钙C3A与水反应迅速，水化放热较大，
7、水化产物的组成结构受水化条件影响很大。生成的水化铝酸三钙立方晶体，如式(7)所示：3CaOAl23+6H2O=3CaO.Al23.6H2O(7)4铁铝酸四钙C4AF的水化作用按式(8)表示：4CaO.Al23Fe2O3+7H2O=3CaOAl2O36H2O+CaOFe2O3H2O(8)通过加入火山灰活性材料硅灰，使之充分反应化学反应式(5)、(6)中生成的Ca(OH)2,如式(9)所示：Ca(OH)2+SiO2+rnH2O=CaOSiO2mH20(9)通过算例计算在硅灰、水泥二元体系中当Ca(OH)2完全反应的摩尔CaOSiO2o假设IOog水泥，由表1可计算出QS、C2S.C3A.C4AF质
8、量为6L7g、20.5g、5.13g、12.15go而C3S、C2SC3AC4AF的摩尔质量分别为228gmoF172gmoh270gmok486g/molo通过计算可以算出其C3SC2SC3AC4AF摩尔量为0.27mok0.119mok0.019mol、0.025mol0因为C3S的摩尔量为0.27mol在化学反应式(5)中根据化学反应式的系数比(即摩尔量比)可以反应生成Ca(OH)2为0.405mol、C2S的摩尔量为0.119mol在化学反应式(6)根据化学反应式的系数比(即摩尔量比)中可以反应生成Ca(OH)2为00595mol。所以C3S、C2S反应生成的Ca(OH)2共计摩尔量为
9、0.4645moL0.4645mol的Ca(OH)2在化学反应式中根据化学反应式的系数比(即摩尔量比)化学反应消耗SiO2为0.4645molo由于SiO2的摩尔质量为60gmol,可计算出SiCh的质量为27.87g。由可以看出硅灰中SQ质量分数为97.59%,则硅灰的质量为27.870.9759=28.5g,因为作为活性Sio2不可能完全反应，而且SiCh还有填充的作用，所以实验中定硅灰的用量为30g,此时：MC=O3Io通过算例计算当M：MC=O.3：1时其摩尔CaO/SiCh：设定MM=3M,Mc=IOM式中M为假定的参数。由于CaO的摩尔质量为56g/mol,通过可以求出，硅灰中所含
10、的摩尔CaO=3M0.000356=0.0000016Mmol,硅灰中所含的摩尔Si2=3Mx0.9759/60=0.048795Mmolo水泥中所含的摩尔CaO=10M0.652456=0.1165Mmol,水泥中所含的摩尔SiO2=1OM0.223860=0.0373MmoL因此摩尔CaO共计为0.1165Mmol,摩尔SiO2共计为0.086MmoL所以摩尔CaOZSiO2=1.344o现在通过改变硅灰、水泥的比例，具体计算方法如上算例，计算不同比例下硅灰、水泥二元体系中的堆积密实度K和摩尔CaOZSiO2如表2。表2硅灰、水泥二元体系堆积密实度、摩尔CaC)/Si2组号水泥、硅灰的质量
11、比硅灰、水泥二元体系堆积密实度K摩尔CaOZSiO2水泥硅灰110.20.5281.668210.250.5521.494310.30.581.344410.350.611.237510.4240.651.1610.450.6441.055四、原材料一、原材料 水泥：福建“炼石”牌P.O525普通硅酸盐水泥 硅灰：西宁铁合金厂生产的硅灰，Sio2大于等于90%,粒径为0.10.2Um 粉煤灰：宁德大唐发电厂超细级粉煤灰平均粒径为06urn 砂：闽江河沙 减水剂：福州桑源新型建材有限公司聚竣酸减水剂，减水率为40% 钢纤维：江西赣州大业钢丝厂制的表面镀铜光面平直钢纤维，直径约0.150.2mm,
12、长度13mm二、测试内容及方法(1)水泥：测水泥的表观密度夕CF、水泥的堆积密度PCr(试验方法见GB/T208-94),水泥的平均粒径分、化学参数由厂家提供。(2)超细粉煤灰：测超细粉煤灰的表观密度XV、超细粉煤灰堆积密度)(试验方法见GB/T208-94),超细粉煤灰平均粒径、化学参数由厂家提供。(3)硅灰：测硅灰的表观密度夕开、硅灰堆积密度Arr(试验方法参照GB/T208-94),硅灰平均粒径/心化学参数由厂家提供。三、参数测试结果(1)水泥的基本参数，见表3(2)超细粉煤灰的基本参数，见表4(3)硅灰的基本参数，见表5表3水泥基本参数化学参数物理参数SiO2(%)Fe2O3(%)Mg
13、O(%)AI2O3(%)CaO(%)SO3(%)L.0.I(%)水泥平均粒径c(urn)水泥堆积密度Pct(kgm3)水泥表观密度Pcf(kgm3)22.3840.54.565.242.11.22013163175说明：L.O.I为水泥的烧失量表4超细粉煤灰基本参数化学参数物理参数SiO2(%)AI2O3(%)需水量比(%)碱含量(%)CaO(%)SO3(%)Ci-(%)超细粉煤灰平均粒径(um)超细粉煤灰堆积密度Pft(kgm3)超细粉煤灰表观密度PF(kgm3)44.338.7940.315.6910.00969802180表5硅灰基本参数化学参数物理参数SiO2(%)Fe2O3(%)Mg
14、O(%)Al2O3(%)CaO(%)K2O(%)F.C(%)灼烧(%)硅灰平均粒径dSF(Um)硅灰表观密度PSF(kgm3)97.590.020.050.060.030.780.382.260.1622293五、试验研究与结果分析1.试验步骤（1）搅拌：将称好的硅灰（粉煤灰）、水泥、砂子倒入搅拌锅中，搅拌2分钟。将溶有高效减水剂的水倒入搅拌锅搅拌3分钟，加入钢纤维，搅拌5分钟。（2）测流动度：RPC拌合物的流动度的测定采用跳桌法，按水泥胶砂流动度测定方法GB/T2419-2005进行。（3）成型：将RPC拌合物浇注40mm40mm160mm三联模中，在振动台上振动4分钟。（4）养护：RPC拌
15、和物成型后，用湿布覆盖24小时后拆模，将试块放在混凝土快速养护箱中进行热水（90）养护48小时后，取出冷却半个小时，然后进行强度试验。强度试验：强度试验时混凝土龄期为3d,试件的抗压强度按水泥胶砂强度检验方法（ISO法）GB/T17671-1999进行。试验中，在砂胶比为0.9,水胶比为0.18、减水剂用量为水泥用量的2.5%、钢纤维用量为RPC体积的3%的固定情况下，通过只改变硅灰与水泥的比例。寻找最优的硅灰和水泥的质量比，具体的配合比见表6,工作性能及力学性能见表7o表6不同硅灰RPC配合比（质量比）组号水泥硅灰砂减水剂（）钢纤维V%水110.21.082.530.216210.251.1
16、252.530.225310.31.172.530.234410.351.2152.530.243510.4241.2822.530.256610.451.3052.530.261说明：1）减水剂掺量为水泥用量的百分数（）2）钢纤维掺量均为RPC体积掺量（V%）表7不同硅灰RPC工作性能及力学性能组号流动度（mm）抗折强度（MPa）抗压强度（MPa）111830.9185.2211634.2186.3311939.7193.1411834.2190.4511830.1184.9610529.1185通过实验分析对比第3组的配合比不仅工作性能良好，其力学性能相比其他几组更好，确定第三组硅灰与水泥
17、的比例为胶凝材料的硅灰与水泥比例，即MSKMC=O.3：1,此时其摩尔CaOZSiO2=I.344,硅灰与水泥二元体系的堆积密实度为K为0.58。通过比较分析实验中MS尸MC=O.3：1与理论计算的MW:MC=O.2787：1接近说明摩尔CaO/SiCh在1.3附近RPC可以获得良好的工作性能和力学性能。也说明了Ca(OH)2完全反应可以使层状构造，层间结合变强，在受力较大时防止裂缝的产生，使RPC能承受更大的荷载。在第5组数据中，硅灰和水泥二元体系的堆积密实度最大K为0.65,但是摩尔CaO/SiCh只有LL其力学性能相比其他几组更差，也说明了在决定RPC性能方面上，化学反应为主，物理堆积为
18、辅。当堆积密实度越大时，其胶凝材料之间堆积不仅密实而且接触更加充分，不仅加速反应的速度，而且使反应生产的产物能均匀的密实的分布在RPC中。通过之前的理论、试验得出硅灰和水泥的最佳质量比，由于超细粉煤灰颗粒粒径比水泥粒径小，当超细粉煤灰部分取代水泥时，对于硅灰、超细粉煤灰、水泥三者组成的胶凝材料可以使得堆积更加密实，从而使得胶凝材料之间充分反应。而且超细粉煤灰的价格只有水泥价格的一半。因此超细粉煤灰部分取代水泥可以获得性价比高的RPCo当超细粉煤灰代替水泥，通过改变超细粉煤灰的代替量并应用Aim和GOff三元模型算出不同超细粉煤灰的代替量时，粉煤灰、硅灰、水泥三元体系的堆积密实度，并计算出粉煤灰
19、、硅灰、水泥三元体系摩尔CaOZSiO2,再通过实验对比分析确定其最佳胶凝材料之间的比例。计算结果见表8,配合比见表9,工作性能及力学性能见表10。表8超细粉煤灰、硅灰、水泥三元体系最大堆积密实度K、摩尔Cao/Si2组号水泥、硅灰、超细粉煤灰质量比超细粉煤灰、硅灰、水泥三元体系堆积密实度K超细粉煤灰、硅灰、水泥三元体系摩尔CaOZSiO2硅灰、水泥二元体系摩尔CaOZSiO2水泥硅灰超细粉燥灰110.300.581.3531.35320.90.30.10.6431.1791.27330.80.30.20.5971.021.18540.70.30.30.5580.8721.0950.60.30
20、.40.5270.7350.98表9超细粉煤灰等量代替RK泥RPC配合比（质量匕匕）组号水泥超细粉煤灰硅灰砂减水剂（%）钢纤维V%水1100.31.172.530.23420.90.10.31.172.530.23430.80.20.31.172.530.23440.70.30.31.172.530.23450.60.4031.172.530.234说明：1）减水剂掺量为水泥用量的百分数（）2）钢纤维掺量均为RPC体积掺量（V%）表10超细粉煤灰等量代替水泥RPC工作性能及力学性能组号流动度（mm）抗折强度（MPa）抗压强度（MPa）111939.7193.1212039.8197.33106
21、38.3189.5410836.6186.7510634.5181.3由于硅灰的粒径比超细粉煤灰的粒径小很多，而且硅灰中所含有的Si2的纯度也比超细粉煤灰大，因此超细粉煤灰的活性没有硅灰好。所以在化学反应中的火山灰二次反应硅灰对强度贡献最大的，起主导作用。在只有硅灰、水泥的二元体系中，试验中通过对比分析当摩尔CaCVSiCh为1.3左右时，RPC表现的力学性能最好。而在超细粉煤灰、硅灰、水泥三元体系中，因为硅灰在火山灰二次反应其主导作用，所以考虑硅灰、水泥二元体系的摩尔CaO/SiCh在L3左右时，RPC表现的力学性能最好。从表8中发现第一组和第二组试验中硅灰、水泥二元体系都在1.3左右，但是
22、试验中第2组超细粉煤灰、硅灰、水泥三元体系堆积密实度更大，有利于使用胶凝材料之间堆积不仅密实而且接触更加充分，也加速反应的速度，所以表现出的力学性能比第一组大。在3、4、5组试验中，不仅摩尔CaO/SiCh越小，而且超细粉煤灰、硅灰、水泥三元体系堆积密实度也越来越小，也就反应出力学性能越来越差。对于超细粉煤灰，因为超细粉煤灰的粒径比水泥小，所以当等量水泥被超细粉煤灰替代时，胶凝材料的比表面积增大，颗粒表面能增大，颗粒之间对水泥颗粒会产生吸附现象，形成絮凝结构的趋势增大，有可能因此降低浆体或RPC拌合物的流动性，然而由于以下几方面的作用克服了比表面积增大的负面效应，使得超细粉煤灰掺入RPC中减水
23、作用占主导作用。(1)超细磨处理破坏了原状灰中较大的多孔玻璃体，释放出该类颗粒孔隙吸入的水分，使浆体流动性增加。(2)超细磨处理使粉煤灰中玻璃微珠大量增加，同时，不规则颗粒大大减少，颗粒间的摩擦力减少，能更好地发挥“滚珠轴承”作用，提高浆体流动性。(3)超细粉煤灰掺入水泥中，填充于水泥颗粒之间，降低了胶凝材料的空隙率，增大了胶凝材料的堆积密度，从而置换水泥浆体中颗粒间的填充水分，提高浆体流动性。因为试验中保持了减水剂用量为水泥用量的2.5%,而随着越来越多的等量的水泥被超细粉煤灰替代，减水剂的用量也越来越少。从5组试验数据可以看出，随着减水剂的用量的减少，超细粉煤灰用量的增加，RPC的流动度变化不大，特别当20%的水泥被超细粉煤灰替代开始，随着超细粉煤灰用量的增加，RPC的流动度基本保持不变，也从试验说明了超细粉煤灰掺入RPC中减水作用占主导作用。六、结论1 .堆积密实度越大，RPC强度越高；Ca(OH)2反应越完全，RPC强度越高。2 .在决定RPC性能方面，化学反应为主，物理堆积为辅。3 .超细粉煤灰掺入RPC中减水作用占主导作用。
