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张大同:水泥和混凝土使用非活性混合材料的现状、前景和课题  

2014-11-11 13:46:38|  分类: 混凝土理论知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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张大同:水泥和混凝土使用非活性混合材料的现状、前景和课题 - 独上高楼 - 止于至善

中国建筑材料科学研究总院张大同教授

2013 年6月22日在广西南宁组织召开了全国石灰石粉在水泥与混凝土中应用技术研讨会。中国建筑材料科学研究总院张大同教授做了水泥和混凝土使用非活性混合材料 的现状、前景和课题的报告。报告介绍了水泥和混凝土使用非活性混合材的现状,非活性混合材料应用前景,非活性混合材在水泥和混凝土中应用研究状况等。以下 为报告具体内容。

一水泥和混凝土使用非活性混合材的现状

1.水泥

我 国从解放后到90年代初,水泥资源短缺。所以我国的水泥在生产上力求实用,使用活性混合材料,提高水泥强度,又因为可加入量较大,所以熟料用量比较省。我 国家从五十年代开始一直致力于活性混合材料研究,而对于非活性混合材料研究基本是附带的。但是最近几年,人们对于非活性混合材料在水泥中的作用有新的认 识。近年来,由于活性混合材供应紧张,价格居高,使用非活性混合材的日渐增加。工厂在被迫使用非活性混合材中也看到了非活性混合材的一些优点,但仍然受到 标准、观念和研究不足的限制。

表1 我国通用水泥标准中允许使用非活性混合材的水泥品种

张大同:水泥和混凝土使用非活性混合材料的现状、前景和课题 - 独上高楼 - 止于至善

在我国水泥标准中,非活性混合材除石灰石、砂岩外还包括活性不合格的矿渣、火山灰、粉煤灰等。原东欧国家也是这样。欧洲水泥标准中非活性混合材料只有石灰石。美国、马来西亚、巴西、加拿大等也如此。

表2 欧洲水泥标准en197-1:2011中对非活性混合材料的规定

张大同:水泥和混凝土使用非活性混合材料的现状、前景和课题 - 独上高楼 - 止于至善

2.混凝土

我 国混凝土中除了砂石骨料、减水剂外,于1986年颁布了jgj28---86《混凝土使用粉煤灰》,2002年首次制订了《gb/t18736-2002 高强高性能混凝土用矿物外加剂》,其中只允许有一定活性的磨细矿渣粉、粉煤灰和磨细粉煤灰、磨细天然沸石、硅灰及其复合物。(根据混凝土的性能进行用量规 范)在jgj55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中还允许掺磷渣份、钢渣粉及包括以上材料在内的复合掺合料,(都属于活性材料)但都没有包括非活 性混合材。

最近工程建设行业起草了jgj《石灰石粉在混凝土中应用技术规程》(征求意见稿),开始对混凝土使用石灰石粉进行规范。

二非活性混合材料应用前景

1.非活性混合材料的特点

虽然不同种类的非活性混合材的活性差别很大,但它们的共同特点是,其活性比活性混合材低,在水泥、混凝土硬化过程中他们只产生较少的水化产物,主要在颗粒组成上改善水泥的早期强度,因此:

1)后期强度普遍增进小,这是非活性混合材料最大的特点,也是基本特点;

2)除火山灰质材料外,在拌制和施工阶段只有少量的物理吸水,基本不影响水泥或胶凝材料的需水性;

3)它们与水泥熟料水化物反应产生新的胶凝物质少,对新拌混凝土的流动性影响小;养护过程自干性收缩可能性低;

4)大都对减水剂的效果影响小;

5)吸收ca(oh)2少,基本不影响水泥硬化体内的碱度,;

6) 硬化后体积变化小

这些特点对今天混凝土性能的进一步提高具有一定的意义。

2.混合材需求和供应环境

从 水泥行业来说,使用混合材是企业产品满足市场需求、维持和扩大市场份额、提高经济效益的重要一环。因此,经过多年的运行我国混合材在水泥中的比例,基本上 是稳定在一个水平上,我国2010年水泥中熟料系数0.629,混合材占37.71%,水泥产量18.8亿吨。而2011年水泥熟料系数0.627,混合 材料占37.73%,水泥产量20.85亿吨,这样2011年我国水泥生产需要混合材料7.78亿吨。

从 混凝土来说,商品混凝土在配制不同等级的混凝土时几乎离不开细磨的混合材(掺合物)。而这几年我国商品混凝土的发展非常迅速,2010年我国商品混凝土生 产量为11.79亿立,而到了2011年的时候已经达到14.2亿立方(混凝土网),目前还没有找到每方混凝土平均需要多少掺和料的统计数据,现在按 jgj55---2011的规定来估算一方混凝土的胶凝材料的用量:当水/灰≤0.45时,胶凝材料的用量都是≥330kg;钢筋混凝土水/灰 ≤0.40,用硅酸盐水泥配制的,掺合料的最大用量可达胶凝材料用量的65%,用普通水泥配制的可达55%。那么,若采用普通水泥的规定,一方混凝土的掺 合料大约是181kg。不同地区掺合料的掺和量是不一样的。不同等级的混凝土的掺和量也是不一样的。2011年商品混凝土所用掺合约为2.57亿吨。

2011年,水泥和混凝土需要混合材料总量在10.35亿吨上下。发展到现在,混合材料的需求还要增加。水泥生产可以不用混合材,而混凝土仍需要混合材,而且二者的总量估计不会因此而有大的变化。

3.混凝土发展对混合材的需求出现多样化

现代混凝土是现代建筑发展的结果。它除了要求高强,特别是高抗拉外,还要求:

新拌混凝土有良好的凝聚性和高流动性、在施工后养护期内不会因水化热和水化产生自干性收缩、在硬化后使用期内体积稳定、本体具有良好的密实性,可以阻止外来因素的侵入。

这些性能是综合的,需要我们运用多种材料才能接近这些目标。基于这样的要求,我国混凝土设计思想已经为我们指明了方向。

在1980年代前后混凝土大都按水灰比定则来进行设计的:rh=a×rs(灰/水﹣b),其中rh——混凝土抗压强度,rs——水泥抗压强度,a、b——系数,灰/水——单位混凝土的水泥用量与用水量之比。

进入21世纪后,混凝土设计规范把rs改为 rj ,包括水泥、掺合料在内的胶凝材料的强度,对保证混凝土的质量是一种有效的统一。

三非活性混合材在水泥和混凝土中应用研究状况

与活性混合材相比,我国对水泥非活性混合材的研究较少,而且多数是集中在水泥标准的制修订工作中。中国建材研究院在这方面的研究比较多,主要有:

1.1960年代,以童三多为首的“微集料水泥”研究团队曾经对砂岩、石灰石进行研究,其中指出砂岩、石灰石存在对c3s水化速度的影响

表3

张大同:水泥和混凝土使用非活性混合材料的现状、前景和课题 - 独上高楼 - 止于至善

同期以王幼云为首的“水泥混合材料”研究团队,在研究火山灰质混合材活性时,曾经比较过不同混合材对水化体中ca(oh)2 含量的影响。

表4 水泥水化体中ca(ho)2的含量,单位:% (化学萃取法)

张大同:水泥和混凝土使用非活性混合材料的现状、前景和课题 - 独上高楼 - 止于至善

2.1980 年代,张大同和赵福欣负责的研究小组,在“矿渣水泥掺石灰石”、“五羊出口水泥掺石灰石”的研究中,对石灰石掺入矿渣水泥后的性能进行比较系统的研究,同 时对水化产物、机理等也作了当时条件许可的探讨。在《关于掺石灰石矿渣水泥水化过程中新生成相的研究》一文中指出:

1)新生成相是cca(碳铝酸盐),其x衍射分析特征峰在7.6a0左右;

2)只有经过3天左右水化才能形成较多量的cca,7天时生成量已基本稳定;

3)cca在常温下是稳定的,超过80℃时7.6a0的峰开始消失,水化体中出现7.8 a0左右的新峰,水热处理后在水中继续养护时,7.6a0的峰还会出现,但峰上有分叉;

4)掺石灰石前后矿渣水泥性能的变化也与此对应。

3. 1990年代以后基本上没有这方面的研究,有关石灰石在水泥中应用方面的资料和助磨剂在水泥中的应用有关,现将积累的一些资料简介如下

1)美国格列斯的资料:使用助磨剂对掺石灰石混合水泥强度的关系

图1

张大同:水泥和混凝土使用非活性混合材料的现状、前景和课题 - 独上高楼 - 止于至善

数据表明,使用助磨剂可以在不改变颗粒组成的情况下,使掺石灰石混合水泥的早期和长期强度提高5%--50%。

2)山东众森在水泥助磨剂应用中的资料:------改变pc水泥的颗粒组成;

同一pc水泥 (混合材总量38%,其中石灰石25%)组成相同,并在同一小磨,磨相同时间,不加与加助磨剂之间的颗粒组成差别

表5

张大同:水泥和混凝土使用非活性混合材料的现状、前景和课题 - 独上高楼 - 止于至善

同一pc组成(含石灰石)水泥,在同一磨机,用不同助磨剂时,水泥的颗粒特征的变化:

表6 湖北xx厂二种助磨剂的工业试验结果

张大同:水泥和混凝土使用非活性混合材料的现状、前景和课题 - 独上高楼 - 止于至善

改变不同组分的颗粒在水泥中的分布: 同一水泥组成,在同一小磨中粉磨相同时间,加与不加助磨剂的≤45微米部分的化学成分发生变化情况。

表7

张大同:水泥和混凝土使用非活性混合材料的现状、前景和课题 - 独上高楼 - 止于至善

结果说明,助磨剂可以明显改变水泥中石灰石颗粒的分布。

------在不同石灰石含量下,同一助磨剂的不同强度表现:

表8 云南xx厂小磨试验(粉磨相同时间)

张大同:水泥和混凝土使用非活性混合材料的现状、前景和课题 - 独上高楼 - 止于至善

这组结果表示,有助磨剂存在时,石灰石掺量的变化引起的3天强度变化小于没有助磨剂时的强度变化,而28天强度只有在石灰石含量小于20%时才这样。

混凝土应用石灰石粉方面的研究主要集中在近几年内,有许多相关的文章,它的集中体现就是jgj<石灰石粉在混凝土中应用技术规程>征求意见稿的出台上。

四石灰石(粉)和其它非活性混合材料(粉)在水泥和混凝土中应用需要研究的课题

当水泥和混凝土普遍允许使用非活性混合材料时,我们将至少面临以下问题:

1.允许用量及其相关因素

在混凝土里面,最大允许用量是多少,在什么情况下可以使用非活性混合材料及它们的数量;

2.非活性混合材料应达到的规格和相关因素

即要明确,允许使用非活性混合材料时,这些材料应具有的相应品质和规格;

3.制备技术和装备

在水泥生产中非活性混合材料一般在水泥制成时进入水泥,但对于混凝土则需要形成单独的产品,因此需要研究,生产这些材料时可用的资源、工艺、装备和控制元素等;

4.需要研究弥补非活性混合材料缺陷的技术措施

如何提高其加入后的后期强度。

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