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废渣特性及其多元复合对水泥基材料高性能的贡献与机理

严捍东

  本文首先针对大坝混凝土使用性能与特点,充分论证了三峡二期工程大坝混凝土掺用Ⅰ级低钙粉煤灰,不仅不会带来负面效应,而且有效提高了混凝土的抗裂性、体积稳定性和耐久性,这将有利于提高三峡大坝的服役寿命,并揭示了产生这一结论的细观和微观机理。但是,低钙粉煤灰特有的低活性、低CaO含量使得混凝土的早期强度和抗碳化性能随粉煤灰掺量增加而降低。对三峡大坝这类设计强度龄期长(90d)、保护层厚的非配筋结构,这并不会产生负面影响。但对于大量的其它配筋结构用高性能混凝土而言,低钙粉煤灰降低混凝土早期强度和抗碳化能力却是急待解决的关键技术和理论问题。针对上述问题,本文通过对四种不同活性、不同CaO含量工业废渣,即磨细矿粉、高钙粉煤灰、超细低钙粉煤灰、Ⅰ级低钙粉煤灰对水泥基材料减水效果、早期强度和抗碳化能力的影响规律及机理的研究,提出可以在不使用任何化学激发剂和特殊工艺的情况下,通过降低水胶比,充分发挥不同性质废渣复合所具有的互补效应,使低钙粉煤灰应用于结构混凝土存在的主要问题得到有效解决。进一步研究了不同性质废渣及其复合对低水胶比水泥基材料体积稳定性的影响规律,探讨了水泥基材料化学减缩、干燥收缩和自生收缩间的定性和定量关系,提出了能够正确评估不同性质废渣对低水胶比水泥基材料自生收缩影响程度的结构和数学模型。应用单纯形重心设计方法在混凝土力学性能和废渣复合比例、龄期间建立了定量的数学解析式,从而提高了多元复合废渣混凝土配合比设计的科学性,并实现对混凝土性能的科学预测。最后提出了能够正确模拟不同性质废渣复合产生的叠加效应对混凝土结构(浆体孔隙率)和性能(混凝土抗压强度)贡献的数学模型。主要的研究成果如下:低钙粉煤灰掺量对大坝混凝土性能的影响:由于低钙粉煤灰的减水效应及水化7d开始发生的火山灰反应细化孔径和密实界面结构作用,粉煤灰大坝混凝土的后期强度增长率、折压比、抗冻性均随粉煤灰掺量的增加而提高,干缩应变值则随粉煤灰掺量的增加而降低,并可用回归方程来定量描述粉煤灰掺量和龄期与干缩应变值、抗冻性指标的关系。这充分说明通过大掺量Ⅰ级低钙粉煤灰,并复合使用高效减水剂和引气剂,可以在低水泥用量、低用水量,低水胶比的情况下,配制出具有高抗裂性、体积稳定性和耐久性的水工高性能混凝土,且不存在“缺钙”的问题。但是,粉煤灰混凝土的早期强度和抗碳化性能随粉煤灰掺量的增加而降低。废渣减水特性及其互补效应:废渣取代水泥量较高时,废渣的减水效果按高钙粉煤灰、磨细矿粉、Ⅰ级低钙粉煤灰、超细低钙粉煤灰的顺序降低。废渣的减水效果与其自……   
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