海砂碱矿渣水泥体系性能研究开题报告

课题背景及意义

中国河砂资源逐渐枯竭，致使建筑市场砂源短缺，影响整个建筑行业的发展，海砂储量丰富，但由于含有有害成分，其应用受到了限制 ^[1]。碱矿渣水泥具有高强、低热、高抗渗和高抗蚀等优异性能，生产工艺简单，原料来源丰富，使用大量的工业废渣，减少了环境污染，是一种少污染，低能耗，低熟料的“绿色水泥”^[2] 。目前在水泥生产中或混凝土中最大限度使用辅助性胶凝材料是实现水泥混凝土低碳和可持续发展最重要和有效途径^[3-4]。

在不可再生资源砂石出现日益短缺的情况下，研制和开发一种高性能的建筑胶凝材料，能有效无害地将世界公认的难以利用“亚资源”（海砂）替代建筑砂石集料，无疑对于推动科技进步和经济发展、改善环境空间具有相当大的社会价值和经济价值。

本项目紧扣“低碳绿色建材”和“新型混凝土技术”主题，以低能耗的碱矿渣水泥作为胶凝材料，采用海砂作为细骨料，研究海砂对碱矿渣水泥体系的耐久性影响，为推进碱矿渣高强耐腐蚀混凝土在我国海洋工程建设中大规模应用奠定基础。

碱激发矿渣胶凝材料由矿渣和碱溶液反应生成，与硅酸盐水泥相比，其水化产物以低钙硅比的C-S-H凝胶为主，且掺杂的铝含量高。大量实践和研究表明，碱激发矿渣混凝土有较高的强度和相对硅酸盐水泥混凝土更加优越的耐久性，其中水玻璃激发矿渣混凝土的力学性能与普通混凝土相比，碱矿渣混凝土有较高的抗拉强度和较低的泊松比，并且比碱激发粉煤灰混凝土和普通水泥混凝土的脆性更高。但是Sofi^[5]和Lee^[6]等的研究认为，相同强度条件下，碱矿渣混凝土的动弹性模量和抗拉强度均低于普通水泥混凝土。目前，将海砂与碱-矿渣水泥结合使用的文献非常有限，海砂较河沙颗粒较细，含泥量高，贝壳以及其他杂志含量高，根据杨和徐^[7]等的研究发现，掺海砂的碱-矿渣水泥干缩略高，但抗氯离子渗透性好，这主要是因为在含海砂的碱-矿渣水泥中，每立方米体积的组分量较大。膏体含量越高，干燥收缩越大，水化产物越多，氯化物的结合能力越强，从而提高了氯化物对氯离子渗透性的抵抗力。

矿渣的主要化学组成为氧化钙、氧化硅和氧化铝，其总含量一般在90%以上，另外还有少量的氧化镁及其它化合物等。矿渣经水淬急冷处理后，主要由90%左右玻璃体组成，玻璃体的网络结构就被固定下来，这种玻璃体蕴藏有很高的结晶性能量，具有潜在的水硬性。矿渣在碱激发剂作用下，形成水化产物C-S-H凝胶并成核长大，随着反应产物的增多逐渐包裹住矿渣颗粒，使得液相中的游离水减少，扩散控制了水化过程，使反应减慢。碱-矿渣水泥水化产物主要有低碱度的C-S-H凝胶及沸石类、长石类、霞石类等，这些矿物稳定性和耐久性非常高，因此碱-矿渣水泥体系的耐久性好。

但是碱-矿渣水泥仍然存在凝结速度过快、抗碳化性能交弱、早期干燥收缩大等问题，特别是强度等级较低的混凝土，表现尤为突出。

碱-矿渣水泥的快凝由OH^-阴离子控制，形成碱金属阳离子和OH^-阴离子胶体溶液，这些离子附带有较强的离子键，在离子键力的作用下，单位体积内的胶体大量增加，超过正常凝结C-S-H凝胶的形成量，从而导致浆体的迅速凝结与快速硬化。

碱-矿渣水泥砂浆的抗碳化性能受碱当量、水玻璃模数、水胶比、胶砂比、矿渣细度及养护龄期等因素影响。当碱当量在3%-6%范围内时，碱矿渣水泥砂浆的碳化深度随碱当量(以氧化钠当量计)的增加而减小。当水玻璃模数在0.8-2.0范围内时，碱-矿渣水泥砂浆抗碳化性能随水玻璃模数的增加先增大后减小，当水玻璃模数为1.2时，碱-矿渣水泥砂浆的抗碳化性能最好。当砂浆水胶比在0.35-0.45范围内时，碱-矿渣水泥砂浆的碳化深度随水胶比的增大而增大。当砂浆胶砂比在1:1-1:3范围内时，胶砂比越小，碱-矿渣水泥碳化越严重。当矿渣细度在357m²/kg-675m²/kg范围内时，碱-矿渣水泥砂浆的碳化深度随矿渣比表面积的增大而减小。碱矿渣水泥砂浆的抗碳化性能随标养龄期的延长而增强^[8]。

碱-矿渣水泥早期收缩大，容易开裂产生收缩裂缝，其中主要影响因素是温度、收缩、不均匀沉降等，其中收缩主要以干燥收缩为主，碱矿渣水泥石碳化收缩较小^[8]。碱矿渣混凝土开裂严重，开裂程度远高于硅酸盐混凝土，但在碱矿渣混凝土中掺入适量辅助胶凝材料可降低碱矿渣混凝土的开裂程度。掺入粉煤灰和偏高岭土均可以一定程度上减缓碱矿渣水泥的化学收缩，其中偏高岭土效果为最佳，最佳掺量是16%，但偏高岭土的掺量增加时，裂缝数目与裂缝 面积都有所增加，掺入粉煤灰可以有效抑制混凝土的开裂^[9]。

国内外研究现状

1）海砂完全替代河沙后，碱-矿渣水泥的主要水化产物仍然是C-S-H凝胶，海砂颗粒较细，含泥量以及贝壳含量高，增大了碱-矿渣混凝土的早期收缩。

2）通过采用新型缓凝剂，可以较好地解决碱矿渣水泥快凝的问题，该缓凝剂具有成本低、使用方便的特点。新型缓凝剂在合理的掺量范围内，水泥强度连续增长、不倒缩，有利于形成均匀的微观结构，有利于强度的提高，因而使碱-矿渣水泥广泛应用成为可能。

3）海砂碱矿渣水泥体系中，灰浆与骨料之间的相互作用太过紧密，难以分辨。若海砂孔隙体积分数略大，则海砂碱矿渣水泥砂浆中会有较大的孔隙。

存在的问题

1）海沙中的氯离子浓度是否会对碱矿渣水泥砂浆或混凝土强度产生影响；

2）碱-矿渣水泥凝结速度过快，加入海沙后，砂浆干稠，流动度小，不便于成型；

3）碱-矿渣水泥早期收缩大，易产生干缩裂缝，同时碱矿渣混凝土的抗碳化性能还不明确，在工程应用中具有有一定的难度。

主要研究内容：

（1）选择水玻璃为激发剂，调整水玻璃模数以及确定掺量；

（2）海砂含水率、颗粒形貌、颗粒级配、氯离子含量分析；

（3）探索不同氯离子浓度海砂碱矿渣水泥的强度发展规律；

（4）研究不同氯离子浓度海砂碱矿渣水泥体系的抗氯离子渗透性；

（5）分析海砂碱矿渣水泥体系的耐久性影响因素，并简要分析机理；

预期目标：

1）确定不同氯离子浓度海砂碱矿渣水泥强度的发展规律，明确哪一种氯离子浓度海砂碱矿渣水泥力学性能更好；

2）通过电通量实验方法确定不同氯离子浓度的砂浆以及混凝土抵抗氯离子侵入的能力；

3）通过耐久性实验，确定碱矿渣水泥体系抗冻、抗渗以及抗碳化的影响因素，并找出作用机理；

4）通过本篇论文可以让我更好的了解专业知识，掌握专业技能，进一步增加对碱矿渣水泥体系性能的了解。

（1）水玻璃模数以及掺量的确定：将市面购得的模数为2.31的水玻璃采用分析纯NaOH调制成模数为1.40的水玻璃，根据胶砂强度实验控制胶砂比为1：3和观测流动度的实验方法确定每锅胶砂配比见表1-1。

表1-1砂浆配比

（2） 海砂含水率通过酒精燃烧法测粗细集料含水率

1、取干净容器，称取其质量(m₁)。

2、将约100g试样置于容器中，称取试样和容器的总量(m₂)。

3、向容器中的试样加入约20mL酒精，拌和均匀后点火燃烧并不断翻拌试样，待火焰熄灭后，过1min再加入约20mL酒精，仍按上述步骤进行。

待第二次火焰熄灭后，称取干样与容器总质量(m₃)。

注：试样经两次燃烧后，表面应呈干燥颜色，否则须再加酒精燃烧一次。

计算

1、细集料(砂)的含水率按式(T0343-1)计算，精确至0.1％。

ω=（m₂-m₃）/（m₃-m₁）×100 （T0343-1）

式中：ω——砂的含水率(％)；

m₁——容器质量(g)；

m₂——燃烧前试样与容器总质量(g)；

m₃——燃烧后干试样与容器总质量(g)。

2、以两次平行试验结果的算术平均值作为测定值。

（3） 颗粒形貌、颗粒级配的测定：

砂的颗粒形貌经过标准筛人工筛分后观测发现海砂颗粒多呈圆形颗粒，表面光滑，细颗粒较多，含泥量与贝壳含量较高。

砂的颗粒级配测定按标准GB／T14684-2011^[10]：称取试样500g精确至1g，将试样倒入按孔径大小从上到下组合的套筛（附筛底）上，然后进行筛分。将套筛置于摇筛机上，摇十分钟后取下套筛再按筛孔大小和顺序进行逐个手筛，称量各筛的筛余量并计算累计筛余率和砂的细度模数u_f。常用细度模数u_f表示为

u_f=

式中：A1、A2、A3、A4、A5、A6分别为公称直径为5.0mm、2.5mm、1.25mm、0.63mm、0.315mm、0.16mm各筛上累计筛余百分率。

（4） 海砂氯离子含量分析：

本实验中海砂皆选用舟山地区袋装海砂，其中氯离子含量中的氯离子含量测定通过氯离子含量快速测定仪测得，试验方法为两点法。

实验步骤：取两份100g干燥海砂试样，加入125ml蒸馏水，称量烧杯与试样总重，置于磁力加热搅拌器中加热至冒泡后保温十分钟使氯离子充分溶解，加热完成后将试样冷却至室温并加入一定量的蒸馏水补偿因蒸发而产生的水损失，静置十分钟，取上层清夜，在氯离子浓度测定仪活化并标定电极完成后测定其浓度，以两次平行试验结果的算术平均值作为测定值。

（5） 淡化海砂试验方法：小试与放大实验法。

实验步骤：取3份干燥海砂200g，根据实验经验，海砂中氯离子浓度为万分之十一左右时，加入160ml苏州市自来水，在常温下净置40min过程中，每隔10分钟搅拌30s，可使氯离子浓度降至万分之四，每加减15ml水，淡化方式不变，氯离子浓度降低或增加万分之二。实际操作过程中发现，在氯离子浓度淡化至万分之三时，需水量需增加至175ml苏州市自来水，其他淡化方式不变。按小比例实验方法，取10Kg海砂，放置于容器中，按比例加入7.25L苏州市自来水，由于淡化量变大，顾淡化时间延长至50min，每隔10min搅拌60s，淡化完成后将海砂置于阳光下晒干。取样，按氯离子浓度分析的方法测定其氯离子浓度，并计算偏差值。

（6） 不同氯离子浓度碱矿渣水泥体系强度探究：采用配比为水：水玻璃：砂：矿粉=130:160:1350:450，根据GB/T17671-1999^[11]标准成型试块并测其流动度，实验过程中改变不同氯离子的砂，将试块放置于标准养护室中养护，测定1d,7d,28d,56d强度。

（7） 碱矿渣水泥体系抗氯离子渗透性研究：

实验方法：电通量法。

根据试模计算每锅砂浆用量为1177.5cm³,根据强度配比将原料用量乘以1.5倍，配比见表1-2。

表1-2砂浆配比

具体步骤：按标准JGJ/T70-2009^[12]成型并测试其抗冻性。

（8）碱矿渣混凝土耐久性研究

按标准GB/T 50082-2009^[13]成型混凝土试块，在标准养护条件下养护至规定龄期测其抗冻性、抗侵蚀性等耐久性。