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钢渣粉活性粉末混凝土组成、结构与性能的研究

彭艳周  
【摘要】: 活性粉末混凝土(RPC)是一种具有高力学性能和优异耐久性的高性能水泥基复合材料,应用前景非常广阔。本论文针对当前RPC材料研究与应用中所存在的成本高、能耗大的突出问题,采用钢渣粉、超细粉煤灰等作为活性组分并用细河砂代替石英砂,进行钢渣粉RPC的研究。通过对钢渣粉RPC的物理力学性能、耐久性能和水化硬化及微观结构的系统研究,揭示了钢渣粉RPC组成、结构与性能之间的相互影响和变化规律,掌握了钢渣粉RPC的设计方法与制备技术,为钢渣粉RPC材料的制备和推广应用提供了重要参考。 本文进行的主要研究工作和取得的重要成果如下: 从材料的实际应用目的出发,根据发展战略、技术要求和经济性三方面的综合考虑,指出钢渣粉RPC的设计思路为:设计制备的钢渣粉RPC应具有“高强度(抗压强度200级)、优异的耐久性及良好的经济性和环境相容性”特点;依据中心质理论建立了钢渣粉RPC微观结构的理想模型。在此基础上,提出了钢渣粉RPC的设计方法:(1)材料组成设计上,使用钢渣粉、超细粉煤灰和硅灰等掺合料作活性组分,并运用灰色关联度分析法进行钢渣粉颗粒级配的优化,提高颗粒群的水化活性;(2)材料密实度设计上,一方面运用最紧密堆积理论进行钢渣粉RPC的配合比设计,以提高钢渣粉RPC复合体系的堆积密实度,另一方面使用与复合体系相容性良好的高效减水剂,降低体系水胶比,以提高浆体密实度。运用以上设计方法,利用复合体系中不同材料特性与颗粒尺度的活性差异,通过颗粒群的有序次第水化,实现RPC复合体系的动态水化填充和静态密实堆积,形成结构良好的水泥石微观结构,以期获得高性能的钢渣粉RPC。 基于最紧密堆积理论的钢渣粉RPC配合比优化设计,通过Matlab和Microsoft Excel分析方法进行规划求解实现,主要有如下四个步骤:首先,根据粉体学工程原理,确定适用于RPC的Dinger-Funk方程中分布模数n的取值;其次,由各原料组分的颗粒分布曲线,选定RPC配合比求解问题的目标值和调节值;第三,根据原料等实际情况设定配合比求解问题的相应限制条件;最后,运用Matlab和Microsoft Excel程序进行优化求解。采用浆体最小需水量试验和配合比正交设计试验对设计结果进行了验证。 通过化学组成、比表面积及养护温度对钢渣粉胶凝性能影响的研究,以及钢渣粉掺量、比表面积对RPC力学性能影响的研究,运用灰色关联度分析法对钢渣粉及其颗粒级配进行优选和优化,以提高RPC性能;研究了水胶比、砂胶比及钢纤维掺量等配比参数对RPC力学性能的影响;系统研究了热养护制度对RPC力学性能和微观结构的影响规律。掌握了高性能钢渣粉RPC的制备技术,使用总掺量为42%~48%(胶凝材料质量)的钢渣粉复合矿物掺合料及其他原料,在合适的成型养护工艺下制备出高耐久性的200级钢渣粉RPC材料。 运用XRD、IR、综合热分析(TG-DTG-DSC)、SEM-EDXA、显微硬度、纤维拔出试验与孔结构分析等测试手段,系统研究了钢渣粉RPC的水化硬化机理与微观结构,探明了其微观结构形成过程和结构特征,揭示钢渣粉RPC优异的力学性能和耐久性的根本原因是:钢渣粉RPC体系较高的堆积密实度和极低的水胶比,硅灰、钢渣粉和超细粉煤灰等活性组分的次第水化效应和密实填充效应的有效发挥,钢纤维的阻裂、增强和增韧作用。


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