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1、福州大学硕士研究生论文开题报告论文题目碱激发水泥陶粒混凝土界面过渡区研究姓名学号性别导师学科专业研究方向学院土木工程学院开题报告时间、地点导师审核意见导师签名：年月日审核小组意见（注：需对开题报告的总体情况进行评价，指出不足和建议，并明确是否同意开题报告通过。）审核小组成员签名：年月日学位点意见学位点负责人签名：年月日一、论文选题依据（包括本课题国内外研究现状述评，研究的理论与实际意义，对科技、经济和社会发展的作用等）研究的意义硅酸盐水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料，其用量之大，使之成为人类使用量最大的人工材料。然而，硅酸盐水泥本身仍然存在固有的不足。一方面，能源与资源消耗大，另一方面，熟料
2、煨烧过程中会释放大量温室气体，对环境污染极大。因此，研究胶凝材料制备的新原理，加强工业废渣的利用研究，是一项既具有科学意义，又具有实际意义的工作。20世纪30年代，PUrdOn等研究发现，少量NaOH在水泥硬化过程中可起催化作用，使水泥中铝硅酸盐易溶而形成硅酸钠和偏铝酸钠，进一步与氢氧化钙反应形成水化硅、铝酸钙,使水泥硬化并重新生成NaOH,催化下一轮反应，由此提出“碱反应”理论。此后，前苏联开展大量相关研究，开发新型碱矿渣水泥，我国与20世纪80年代也开始相关研究，取得大量的研究成果。研究发现，与硅酸盐相比，碱矿渣水泥具有需水量小，水化热低，强度高，耐久性好等特点，但也存在凝结硬化速度过快，
3、硬化混凝土干缩大等致命缺点。干缩大的问题不仅仅存在于碱激发水泥混凝土中，在高性能混凝土中同样存在，即使洒水养护水分也很难进入到混凝土内部，因此，自养护是减小混凝土自收缩的最有效方法之一。理论上轻质多孔骨料具有自养护作用。目前常用的是多孔陶粒等轻质材料浸水饱和后作为骨料掺入到混凝土中，在不影响混凝土拌和物的流动性的基础上，将其内部粗大孔隙（与水泥石内部孔隙相比）中的水分供给水泥石体系，一方面促进胶凝材料的进一步水化，另一方面可减少因水化引起的内部湿度的降低作用，进而通过“自养护”作用达到抑制收缩的目的。因此将轻骨料引入到碱激发水泥混凝土中可以有效地抑制混凝土的干燥收缩。本文从微观上研究轻骨料的吸
4、水返水特性在碱激发水泥混凝土中起到的作用。轻骨料吸水返水特性的研究现状：轻骨料的吸水返水特性最大的优点就是能为混凝土提供内养护。RyanHenkensiefkenno1提出用可用于内养护的水量、饱水轻骨料的返水能力以及轻骨料在混凝土中的分布这三个因素来评判内养护的功效，同时，用X射线吸收仪测定了在龄期24h到75h之间，水分从轻骨料迁移至水泥浆体的距离约为1.8mm；用饱水轻细骨料部分取代普通细骨料可提高水泥水化程度，使结构更密实，显著降低样品的吸水率和导电率。轻骨料作为水分贮存器，能够补充水分到化学收缩引起的空隙中，因此设计混凝土的内养护作用时就要求混凝土内部有足够的水分以缓解自干燥，根据这
5、一原理，J.Castro等U在前人的基础上对轻骨料最优掺量的计算公式进行了修正，但这仅考虑轻骨料在净水的吸水规律和轻骨料在可控湿度环境中的返水规律。轻骨料对混凝土结构及性能的影响与其吸水返水特性密切相关，只有研究轻骨料在混凝土中的吸水返水变化规律才能准确掌握轻骨料的内养护效果，得出轻骨料的最优掺量。多孔轻骨料在混凝土内部的吸水返水特性已被广大学者认识和研究，国内外关于定性地研究陶粒吸水返水对混凝土结构与性能的影响也较多，但定量研究却很少。宋绍铭M提出利用U型管微压原理，直观地观察并证实了陶粒在水或水泥浆中吸水和返水现象，证明了陶粒“微泵”作用的存在。郑秀华皿在此基础上对试验方法进行了改进，研制
6、了一套U型管微压测定装置，并对不同吸水率、不同预湿程度的陶粒在不同水灰比水泥浆中的吸水返水特性进行了探索和研究，发现陶粒在水泥浆中的吸水过程和返水过程是一个动平衡过程，这种过程的激烈程度取决于陶粒的孔隙率，陶粒预湿后的含水率、水泥浆的稠度及水泥水化程度；同时还对陶粒在水泥浆中的水分迁移机理进行了探讨，陶粒与水泥石之间的水分迁移是通过陶粒壳体和壳外水泥石界面区中的毛细孔进行的，水分迁移的方向取决于水泥石和陶粒的相对湿度差和温度差。张永霞UQ利用U型管微压测定装置测定了三种陶粒在混凝土中的吸水返水情况，分析了陶粒吸水返水的机理及影响因素，并拟合了陶粒吸水返水模型。但是，在该模型中仅仅考虑陶粒吸水率
7、、水灰比对陶粒吸水返水特性的影响，并不能全面地解释温度差和湿度差对陶粒吸水返水特性的综合影响，因此在寻找陶粒吸水返水特性的规律及建立陶粒吸水返水模型方面仍需要进行进一步的研究。轻骨料混凝土及碱激发水泥混凝土界面过渡区的研究现状：混凝土中存在界面过渡区皿，但是其形成的原因在学术界也未有一个定论，不过有两种比较具有代表性的观点，一种是以组成材料变形性能的不一致为基础，即在六十年代流行的“水泥浆体收缩”假说，该假说认为骨料对于混凝土收缩的过程有约束作用，因此会在混凝土内部形成拉应力；另一种观点是以新拌混凝土中各种颗粒沉降的不均匀性为基础的“界面过渡层假说闻。无论如何，过渡区的存在已经被大众所认可，并
8、且是混凝土中最薄弱的区域，直接影响到混凝土的强度、刚度和耐久性不过，对于过渡区该如何划分及定义还存在比较大的争议，其中包括BarenS-Diamond模型、OlliVier-Grandet模型、Zimbelinan模型、Monteiro模型及解松善模型等“支各个模型中都针对过渡区的组成、划分及定义提出了不同的观点。尽管各个模型不太相同，不过从目前的研究看来，过渡区与水泥石相比，有以下几个结构特征：（1）水灰比高；（2）孔隙率大；（3）CaOSi2大；（4）CH晶体取向生长；（5）在集料表面附近CH和AFt有富集现象，且结晶颗粒尺寸较大。常规的界面过渡区微观的表征也因而包括以下几个方面：界面的形
9、貌特征；孔结构；AFt和CH的含量、分布以及晶体的平均尺寸，CH晶体的取向性;Ca与Si摩尔比等。蒲心诚、嵇亚俊利用Leitz自动显硬度仪研究了碱矿渣混凝土集料与水泥石界面区域的显微硬度，发现与集料的显微硬度相比，碱矿渣水泥石基相显微硬度值高，所用集料与水泥石结合得很好，界面区域的纤维硬度比水泥石基相的更高，其分布规律是由集料表面向水泥石基相逐渐降低，而不存在普通混凝土界面区域显微硬度曲线上的低谷。另外蒲心诚如通过扫描电镜观察碱矿渣混凝土集料与水泥石的界面区域表明，集料被紧密地胶结在水化物中，有的集料粒子表面与基体发生了一定程度的化学反应，集料表面有一个受侵蚀的薄层。JanDe也在实验中发现了
10、类似的现象。史才军卬通过显微镜也证实了碱-激发矿渣水泥砂浆中，浆体和砂子之间的界面甚至在水花28d以后，仍是非常致密和均匀。胡曙光等采用扫描电镜（SEM）、能量散射X射线能谱、背散射电子成像和显微硬度分析了高强页岩陶粒与水泥石的界面组成与结构，发现陶粒与水泥石的界面呈嵌锁状，陶粒与水泥石之间的界面区宽度大约为20m30m,在陶粒中水分的自养护作用下界面区水泥矿物水化充分，硅钙比、显微硬度均高于水泥石基体，掺加矿物掺合料能够起到优化陶粒与水泥石界面的作用，在陶粒表层内水泥浆的渗入和离子迁移作用下，矿物掺合料与氢氧化钙反应生成的水化硅酸钙凝胶颗粒填充和弥补陶粒的原始缺陷，进而提高陶粒的颗粒强度，并
11、最终使陶粒混凝土的性能得到改善，可通过测定骨料壳体与骨料内部的硅钙比来评价C-S-H凝胶穿过界面区嵌入骨料中的扩散情况置。陶粒表面不存在“墙壁效应”，陶粒与水泥石之间存在机械啮合作用，界面区有5Um-IOUnl的嵌入层侬。崔宏志通过扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱仪（FTTR）,研究了膨胀黏土陶粒混凝土界面过渡区的微观结构特征，发现有水泥浆体通过陶粒表面的孔隙渗入轻骨料中，水泥浆体进入陶粒的深度大约为50m,陶粒和水泥浆体的界面过渡区厚度大约为251130m阎。邓宏卫的研究表明，同普通骨料-水泥石界面过渡区相比，大庆粉煤灰陶粒-水泥石界面过渡区缩小，陶粒混凝土界面过渡区的范围模糊、结构致密，
12、界面粘结性能好网。葛勇研究了混凝土内部陶粒及界面区水泥石的孔结构，以及陶粒对混凝土毛细吸水性能的影响，发现低吸水率的陶粒对较大水灰比混凝土的早期毛细吸水性能有降低，但对界面的改善作用较弱，在扫描电镜和显微硬度试验中发现其界面仍存在类似普通骨料混凝土的薄弱区，而高吸水率陶粒附近的水泥石则形成了孔含量较少和显微硬度较高的结构致密区冏。水泥浆体与骨料的黏结不仅取决于二者之间的物理作用，同样也取决于化学作用，化学作用过程表现为骨料与水泥石之间的火山灰反应以及Ca（OH）2在骨料孔隙中的沉积L有学者通过砂浆棒法研究了不同种类的轻骨料的碱集料反应，结果表明蛭石质与膨胀粘土质轻骨料在表面仅有轻微的化学反应，
13、而泡沫玻璃质及珍珠岩质的轻骨料则会与水泥浆的碱组分产生非常剧烈的化学反应。另外，杨正宏阿同时利用砂浆棒法及交流阻抗法测定了三种陶粒的碱集料反应，发现虽然三种陶粒在不同程度上都会发生碱集料反应，但是其反正程度都较弱。因此，不同的组分的轻骨料会决定轻骨料表面是否会发生化学反应及其化学反应的程度。针对普通混凝土、碱激发水泥混凝土以及轻骨料混凝土的界面过渡区研究都已经比较深入。不过针对碱激发水泥轻骨料混凝土，大部分研究只是针对力学性能、养护制度、碱骨料反应等，并没有研究碱激发水泥轻骨料混凝土的界面过渡区及陶粒吸水返水特性对界面过渡区的影响。二、论文的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题（包括具体研
14、究与开发的主要内容、目标和要重点解决的关键技术问题）研究目标：利用己有的陶粒吸水返水模型，对碱激发水泥轻骨料混凝土中的陶粒的吸水返水特性及其规律进行研究，并建立陶粒在碱激发水泥轻骨料混凝土中的吸水返水模型；通过变化骨料种类及陶粒的预湿程度，研究混凝土的界面过渡区变化，并结合陶粒的吸水返水特性，分析该特性对于混凝土界面过渡区的影响，如水化产物、孔结构等。研究内容：1、研究采用不同陶粒、不同预湿程度时，陶粒的吸水返水量变化规律；粗轻骨料分别为宜昌圆形陶粒、永安碎石陶粒及永安圆形陶粒，陶粒的预湿程度分为未预湿、预湿Ih及预湿24h,通过U型微压测试装置测定陶粒在混凝土中不同龄期的吸水返水南，O2、根
15、据陶粒吸水返水量变化规律，模拟陶粒吸水返水数值模型；通过测得的陶粒的吸水返水量，与混凝土龄期、陶粒的孔隙率、陶粒的饱和吸水量、陶粒预湿后的含水率及陶粒的水灰比建立陶粒吸水返水数值模型。3、研究基于陶粒吸水返水特性的碱激发水泥轻骨料混凝土配合比设计；根据陶粒的吸水返水规律，按照设计要求（相同总水灰比、相同净水灰比等）依照陶粒混凝土配合比设计规范进行混凝土配合比设计。4、研究采用不同骨料、不同预湿程度时，混凝土界面过渡区变化情况；粗轻骨料分别为宜昌圆形陶粒、永安碎石陶粒及永安圆形陶粒，陶粒的预湿程度分为未预湿、预湿Ih及预湿24h,观测混凝土界面过渡区的形态、孔结构、AFt和CH含量及晶体平均尺寸
16、、CH晶体的取向以及Ca和Si摩尔比等的变化情况；5、研究混凝土界面结构是否与现有模型类似。若不同，基于现有模型进行修正。关键科学问题：1、如何全面考虑影响因素准确拟合陶粒吸水返水公式？2、陶粒吸水返水特性对碱激发水泥混凝土界面过渡区有何影响？三、拟采取的研究方案及可行性分析（包括研究的基本思路，研究过程拟采用的方法和手段,现有研究条件和基础，研究开发方案和技术路线等）基本思路：1、首先根据前人在陶粒吸水返水特性及混凝土界面的研究结果，总结其关键的研究方法及研究结果分析，为该论文的试验及分析作准备；2、利用已有的吸水返水模型对碱激发水泥轻骨料混凝土进行配合比设计；3、利用U型管微压测试装置，测
17、定在碱激发水泥混凝土中，采用预湿程度不同的陶粒、不同的碱激发水泥时，陶粒的吸水返水量；4、利用matlab.IstOpt等软件对试验数据进行拟合，得出新的模型，并与原有模型进行对比；5、通过新的模型进行配合比设计，并重复步骤3；6、将步骤5中得到的数据带入新的模型中，验证其准确性，若不符合则再重新拟合，直至得到的模型与试验数据能基本对应，并得到最终的陶粒吸水返水模型及配合比。7、利用步骤6中得到的配合比，分别进行FE-SEM.吸附试验、XRD.EDS及显微硬度试验，分析界面过渡区的形态、孔结构、AFt和CH的含量、分布以及晶体的平均尺寸，CH晶体的取向，以及Ca与Si摩尔比等，基于陶粒吸水返水
18、特性对界面过渡区的结构进行分析，并找到其适应模型，并对其进行修正。研究过程拟采用的方法和手段：1、利用U型管微压测试装置进行陶粒吸水返水试验，根据U型管水柱高度差变化分析陶粒的吸水返水过程；2、利用FE-SEM可以观察界面过渡区的形态，并且可以定量分析未水化产物、CH以及空隙在沿集料表面的分布情况；3、利用吸附试验测试界面过渡区孔结构，得出孔径分布、平均孔径等数据，用以评价其孔结构；4、利用FE-SEM及XRD可以定量分析AFt和CH的相对含量、晶体尺寸与分布；5、利用FE-SEM及EDS可以定量分析CaO和SiO2的含量；6、利用维式显微硬度计可以测定界面过渡区的显微硬度。现有的研究条件和基
19、础：1、通过预实验已经成功试拌出若干批碱激发水泥轻骨料混凝土，并有多名课题组成员参与碱激发水泥的相关研究，课题组有多位混凝土材料方面的专家指导，因此该课题有研究技术的基础。2、已有关于陶粒混凝土吸水返水的基础研究，课题组已自制U型管微压测定装置，并已有一名硕士利用该装置完成硕士论文，因此该装置的试验数据可信，可进行陶粒吸水返水试验。3、课题组长期都有进行孔结构、XRD.FE-SEM、EDS等微观实验，因此基础实验设备齐全,微观实验分析理论完备。4、课题组已有人提出普通水泥轻骨料混凝土的数值模型，只是缺少针对碱激发水泥轻骨料混凝土的相关研究，可以在已有的模型基础上，利用matlab、IstOpt
20、等软件进行数值模型拟合。研究开发方案和技术路线:四、本课题的特色与创新之处1、建立在碱激发水泥轻骨料混凝土中，陶粒的吸水返水模型。2、基于陶粒吸水返水特性，研究碱激发水泥轻骨料混凝土界面过渡区。五、参考文献1杨胜多.碱激发胶凝材料发展趋势J.科技信息,2010,(17):253-253.2PurdonA.O.TheactionofalkalionblastfurnaceslagJ.JSocChemInd,1940,59:191-202.3杨南如.碱胶凝材料形成的物理化学基础J硅酸盐学报.1996,24(2):209-215.4史才军，克利文科，罗伊.碱-激发水加和混凝土:Alkali-acti
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