不同种类砂对水泥混凝土的性能影响比较开题报告

1. 研究目的与意义

砂是混凝土的主要原材料，随着国民建设的进一步发展，对砂子等自然资源的消耗很大，我国经济的快速发展，使得各地区的天然砂资源短缺的现象日益频繁，特别是一些山区、沿海地区陆续出现河砂短缺的现象，越来越多的地区很难购买到质量合格且价格低廉的天然砂。同时，过度开采河砂破坏生态环境，这也是其他国家所面临的问题，各国各地区都在大力发展替代用砂，如机制砂、海砂等，在一些山区，由于地形地势的复杂以及水资源的匮乏，想要用到适当适量的河砂有一定困难，若多加利用母岩加工出一些机制砂来部分替代河砂则是一个明智的选择；在一些沿海地区的建设，合理利用海砂资源也不失为一个因地制宜的方法，但有关海砂方面的建设规定却迟迟未出，这也给海砂的滥用带来了隐患，近几年，我国海砂开采迅猛发展，大量海砂涌入市场，海砂已成为工程建设用砂的主要来源之一，如何合理利用沿海的大量海砂资源，促进资源节约型社会的建设，都是一个非常值得深思的问题。

为落实循环经济、可连续发展经济的指针，研究海砂、机制砂取代天然河砂的可行性已势在必行。本课题旨在比较三种不同砂（河砂、海砂、机制砂）对砂浆、混凝土一系列指标的影响，包括砂浆的流动度、保水性、体积稳定性、强度等指标，特别是机制砂流动度不佳的问题以及海砂中氯离子含量的问题，分析其与河砂的差并经过一系列改善措施使其达到相关要求的一系列综合性研究。

如何解决河砂的短缺问题，如何解决机制砂与海砂的可替性问题，如何在生态问题和经济发展问题上取得一个平衡，这对促进国民经济健康可持续发展，改善生态环境都有很大的推动作用。

2. 研究内容和预期目标

2.1研究内容 （1）比较三种砂基本的物理性质的差异，主要包括其表观密度、堆积密度、细度模数、颗粒级配、氯盐含量等，分别将机制砂、海砂的基本物性与河砂进行比较包括其贝壳物含量、石粉含量、含泥量等，分析其异同点 （2）通过不同灰砂比、水灰比的砂浆实验比较三种不同种类砂浆的流动性、保水性、体积稳定性、凝结时间、不同龄期力学强度的差异，并对机制砂砂浆的流动性做出改善，主要通过与河砂的混掺、减水剂适当适量的加入、机制砂中石粉含量的增减作出相应调整；分析海砂中的盐分对海砂砂浆水化进程的影响并且对于海砂砂浆中氯离子的含量以及氯离子的渗透及固化作出研究，探究碱矿渣水泥对不同龄期砂浆内游离氯离子的固化效果。 （3）在同一配合比的混凝土配方下，改变砂的种类，比较对应砂的混凝土的坍落度、坍落度经时损失、抗折强度、劈裂抗拉强度、抗氯离子渗透性的差异，并通过配方的适当调整来提高其抗氯离子渗透性；研究掺入适宜减水剂、通过与河砂的混掺改善其细度模数及级配、增减石粉含量来改善机制砂混凝土的流动性并具有良好的力学性能，寻求一个最佳替代率、最佳减水剂、最佳石粉含量；通过碱矿渣配制相应的海砂混凝土，研究其对钢筋的锈蚀作用，探究其对氯离子的结合作用 2.2预期目标 通过机制砂与河砂的混掺、石粉含量的增减、适宜适量减水剂，使机制砂砂浆、混凝土在强度方面影响不大的情况下具有良好的施工和易性，寻求其最佳替代率、最佳石粉掺量、最佳减水剂种类以及最佳减水剂用量；通过研究海砂内贝壳物、各种盐分含量及相关物理性质对海砂砂浆综合性能的影响并对其耐久性作出评估；对比在不同胶凝体系下海砂砂浆中氯离子的结合情况，并着重研究碱矿渣对氯离子的固化作用，探究碱矿渣对氯离子渗透作用的影响

3. 研究的方法与步骤

1 原材料的基本物理性质分析

比较三种砂在细度模数、颗粒级配、表观密度、堆积密度、含泥量、坚固性上的差异，并与河砂的相关物性做出对比；比较海砂中的贝壳物含量、盐分含量（氯盐、硫酸盐、镁盐等）与河砂的差异；比较机制砂中粒径分布、石粉含量与河砂的差异：并在宏观上对三种砂的圆度作出评价

砂的各基本物理性质测量参照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-2006)

2 研究海砂中的盐分对砂浆水化进程的影响并与河砂、机制砂作出比较

由于海砂的氯盐可能会对砂浆的水化进程起到促进作用并具有一定早强作用，故在控制级配相同的情况下分别按灰砂比1：3、水灰比0.5成型不同种类砂的砂浆，采用160×40×40mm的三连模试块，用砂浆凝结间凝结时间测定仪对其初凝时间做出比较（若具备条件，对砂浆成型拌制期间进行水化热的测量），并且成型相应试块对其3d龄期的强度进行对比，并后续比较其7d、28d的强度发展情况，另外，在河砂与海砂混凝土实验中，通过比较其坍落度损失对其早期效果进行评价；在砂浆成型1d后拆模，采用恒电位恒电流仪（电化学工作站）对三种砂浆试块1d、3d、7d、14d等长龄期的电阻率变化进行追踪，从交流阻抗谱中记录三种砂浆试块各自的强度发展情况，并且作出电阻率与龄期的一阶微分图侧面表征三种砂浆试块的孔隙发展情况（若有条件对三种砂浆试块进行压汞实验来追踪其孔隙率发展情况）

3 研究海砂中的氯盐对不同胶凝体系下水化产物的结合作用，并研究碱矿渣水泥对氯离子固化作用的效果

3.1 碱矿渣水泥与PO42.5在对结合氯离子上的差异

采用同一水灰比0.4，并在拌合物中加入高掺量氯化钠(占胶凝材料的5%)，在1d、3d、7d、14d测定其氯离子的固化率并结合XRD和热分析比较两种胶凝体系对氯离子的化学结合能力，以此来探究普通硅酸盐水泥与碱矿渣水泥对氯离子的固化效果。本次实验采用的水玻璃模数为2，碱当量为6%。具体配比见表1.

表1 在净浆实验中不同胶凝材料对氯离子固化能力影响的配比

	水灰比	水泥/矿粉	用水量	水玻璃用量	氯化钠量
PO42.5体系	0.4	300g	120g	0	15g
碱矿渣体系	0.4	300g	23.1g	152.1g	15g

在浆体水化到规定龄期后，对两种体系的浆体进行研磨，取其中10g，再取100g蒸馏水进行溶解，溶解0.5h（保证相同时间），使其中的自由氯离子充分溶解，再对其进行过滤留下一定的清夜量，对其中的氯离子含量进行测量。这样，已知其总氯离子量和游离氯离子量便可计算两种不同胶凝体系对氯离子的固化程度；并且，对两种水化样进行XRD分析和热分析，比较两种体系F盐在衍射程度上的差异与氯离子的固化结果形成呼应。

在此实验的基础上若碱矿渣水泥对氯离子的固化效果优于PO42.5，则将改变水玻璃模数以及碱当量，进一步具体探究在碱矿渣水泥体系中由于碱矿渣水泥自身参数的改变对氯离子固化作用的影响；暂定水玻璃模数为2、2.5，碱当量为4%、6%，成型与上述对应的净浆试块，同样进行跟踪检测，方法与上述类似。

此净浆实验的目的在于对两种胶凝体系在对氯离子的固化效果上有一个大致把握，为具体进行海砂砂浆试块有一个预期评估。

3.2 海砂砂浆实验

利用两种胶凝体系配制海砂砂浆，测定其14d、28d龄期氯离子固化能力，暂定水玻璃模数为2，碱当量为6%，具体砂浆配比见表2.

表2 在砂浆实验中不同胶凝材料对氯离子固化能力影响的配比

	灰砂比	水灰比	灰量	用水量	水玻璃量
PO42.5	1：3	0.5	300g	150g	0g
碱矿渣	1：3	0.5	300g	53.1g	152.1g

将硬化的砂浆敲碎研磨，取100g粉末，用1000g蒸馏水溶解其中的游离氯离子，0.5h后再对其过滤并留一定量的清夜，测量清液里的剩余氯离子量，并在此时相应地测定其碱度，得出氯离子与氢氧根的比值。已知海砂中的氯离子含量，可通过计算得此次砂浆实验中海砂引入的氯离子含量，并通过测量得到剩余的游离氯离子含量，可得其固化率。

由于由海砂引入的氯离子量较少生成的F盐不够稳定，且氯离子从海砂中的析出存在一个过程，尝试用 XRD及热分析找寻到F盐的踪迹。

在此实验基础上，补充海砂型氯离子与内掺型氯离子的差异。具体为，在碱矿渣胶凝体系中成型相应河砂砂浆试块，并加入与海砂中等量的氯化钠，比较传统内掺型氯离子与海砂型氯离子在相应龄期被碱矿渣结合的差异，具体操作同上；另外，补充改变碱矿渣胶凝体系下水玻璃模数、碱当量变化时对海砂中氯离子固化效果的差异，并比较两种参数的影响程度如何，具体操作同上。

3.3 探究海砂中其他物质的影响

3.3.1 贝壳物

海砂中贝壳物含量将引起海砂砂浆试块在强度上的变化，当贝壳物含量过多时将引起海砂砂浆试块强度的显著下降，另外过多的贝壳物将引起砂浆流动性不佳产生泌水现象。可尝试探究改变海砂中贝壳物含量的变化，探究其对海砂砂浆试块强度以及流动性的影响。

3.3.2 硫酸根离子

海砂中主要的盐分主要是氯盐，其次便是硫酸盐物质。硫酸盐物质的存在会与氯离子形成竞争关系，前者会与水化铝酸钙形成Aft从而减少F盐的生成率，在氯离子的化学结合上作出负面影响。可在净浆实验中，在高掺量氯化钠（5%胶凝材料）的基础上加入硫酸钠（1%胶凝材料），在与前面的单掺氯化钠实验进行对比，比较相应的龄期其F盐的生成量以及检测游离氯离子含量和碱度。

3.3 海砂中的盐分引起的体积稳定性

海砂中的盐分可能会引起海砂试块的体积稳定性，有人认为海砂中的盐类结晶可能会引起相应海砂试块的体积膨胀开裂，也有人说海砂中的盐分会增加海砂砂浆试块的干缩，本论文将从干缩性能上予以实验。对三种不同种类的砂，控制其级配相同的情况下，在相同灰砂比、水灰比下成型25×25×280mm干缩试块，并放入干缩箱中养护，比较1d、3d、7d、14d、21d、28d龄期下的干缩情况

4 关于混凝土试块的氯离子渗透性实验

本次实验用电通量法来表征混凝土抗氯离子渗透性能，按照表3的配合比制作100×100×100mm的立方体试块，在养护到25d左右时按照《普通混凝土长期性能和耐久性性能实验方法标准》加工成厚度为50mm的试件，然后对试件进行真空保水养护三天左右。在28d龄期进行电通量实验，将试件侧面密封并置于两个电解池之间，一端浸入0.3mol/L的NaOH溶液（正极），另一端浸入质量分数为3%的NaCl溶液（负极），在60V的恒定电压下，测定6h通过混凝土试件的电量对混凝土的抗氯离子渗透性做出评价。

表3 常用C30配合比

水泥	水	砂	石	水灰比
357kg	180	743	1070	0.5

本论文探究原状海砂与河砂混凝土、机制砂混凝土抗氯离子渗透性的差异，并评价淡化海砂适用的可能性，在调整相应混凝土配合比的基础上探究能满足抗氯离子渗透性能的混凝土；另外对普通硅酸盐水泥体系与碱矿渣水泥体系作出对比，同样是原状海砂的情况下，碱矿渣水泥是否会对氯离子渗透性作出有利影响，是否会对氯离子有固化效果从而阻止氯离子的迁移。

4.1普通硅酸盐水泥体系

对于普通硅酸盐水泥体系，将采用原状海砂、淡化海砂、天然河砂、机制砂分别成型试块，配比就依表3所定。

4.2碱矿渣水泥体系

对于碱矿渣水泥体系，将全部采用原状海砂，但对水玻璃的模数以及碱当量作出调整，探究水玻璃模数的改变以及碱当量的改变是否会对游离氯离子的固化效果以及氯离子渗透情况有所影响，并预埋钢筋在混凝土试块中依据钢筋的锈蚀对游离氯离子含量以及渗透情况作出宏观评价。具体水玻璃模数取2、2.5，碱当量取4%、6%，成型相应的四组混凝土试块。

4.3提高抗氯离子渗透性能

通过加入减水剂降低配比的水灰比，成型相应的混凝土试块探讨提高抗氯离子渗透性能的可行性

5 机制砂与河砂的混掺实验

机制砂一向存在着级配不佳的问题，通过对机制砂与河砂的筛分数据的分析，通过对其优势粒径按照最佳级配曲线进行混掺成型相应砂浆混凝土试块，并将其与其他的混掺比例进行流动性与抗压强度上的对比，从而证明通过河砂的掺入优化机制砂级配的效果。

4. 参考文献

[1]尹飞龙，欧阳东，温喜廉，等.海砂与河砂、尾砂作为建筑用砂的比较研究[j].混凝土，2011，（12）：73-75,78.

[2]马红岩.海砂对水泥基材料水化行为及护筋性能的影响研究[d].深圳大学，2008.

[3]董必钦，刘伟，马红岩，等.海砂砂浆水化过程中的电化学阻抗谱研究[j].建筑材料学报，2013，16（2）：306-309，320.

5. 计划与进度安排

第1周（3月5日~3月12日）：文献检索，在文献中找到实验设计的思路。 第2周（3月12日~3月19日）：开始测试三种砂的一些基本物理性质，继续阅读文献，完成文献综述。 第2~3周（3月19日~3月26日）：阅读文献，并开始砂浆实验。 第4周（3月26日~4月2日）：完成三种砂在不同灰砂比、水灰比下的单掺砂浆实验，分析比较其各性能指标的差异。 第5周（4月2日~4月9日）：研究一定灰砂比、水灰比下影响机制砂砂浆流动性的因素，并通过一定方法予以解决，完成相关砂浆实验。 第6周（3月9日~4月16日）：研究一定灰砂比、水灰比下淡化海砂和碱矿渣对氯离子的固化作用的影响，完成相关砂浆实验。 第7周（4月16日~4月23日）：开始外文翻译，并开始混凝土相关的实验。 第8周（4月23日~4月30日）：继续外文翻译，完成单掺砂（河砂、海砂、机制砂、淡化海砂）的混凝土实验。 第9周（4月30日~5月7日）：提交外文翻译初稿。开始两种不同砂的二元混掺混凝土实验及用碱矿渣配制相应的海砂混凝土实验。 第10周（5月7日~5月14日）： 提交外文翻译终稿。 月21号）：开始写论文初稿。 第12周（5月21日~5月28日）：补做一些相关实验为论文佐证。 第13周（5月28日~6月4日）：提交论文初稿。 第14周（6月4日~6月11日）：修改论文。 第15周（6月11日~6月18日）：论文修改，提交论文终稿. 第16周（6月18日~6月24日）：准备答辩报告PPT；论文答辩。