掺花岗岩石粉RPC的力学性能及体积稳定性研究.docx

福州大学硕士研究生论文开题报告论文题目掺花岗岩石粉RPC的力学性能及体积稳定性研究姓名学号性别导师学科专业研究方向学院土木工程学院开题报告时间、地点审核小组意见审核小组成员签名：年月日院领导意见院领导签名：年月日一、论文选题依据(包括本课题国内外研究现状述评，研究的理论与实际意义，对科技、经济和社会发展的作用等)20世纪以来，建筑材料领域发展日新月异。随着建筑物的功能多样化、结构复杂化，各种新型建材也层出不穷并适用于实际工程。活性粉末混凝土(ReaCtiVePowderConCrete,简称RPC),是一种超高强、高韧性、耐久性强和体积稳定性良好的水泥基复合材料它是由法国最大的营造公司之一布伊格(Bouygues)公司在1993年率先研制成功的。自从RPC材料出现以后，许多工程师积极探索RPC材料在工程方面应用。到目前为止，已有一些实际工程应用了200MPa级RPC材料，还有一些工程结构正准备应用RPC材料进行建设，处于方案探讨阶段。法国BoUYGUES公司与美国陆军工程师团合作，进行了RPC材料制品的实际生产，合作生产的RPC制品包括:大跨度预应力混凝土梁、污水处理构件、压力管道及放射性固体废料储存容器。加拿大于1997年7月在(QUebeC)省的Sherbrooke城市建成了世界上第一座用RPC材料修建的人行天桥。由于该桥采用了新结构和新材料，因此获得1999年NOVa奖提名。舍布鲁克人行天桥的实践，极大推动了RPC材料在桥梁工程方面的应用和研究。美国于2001年在伊利诺斯州用RPC材料建成了直径18m的圆形屋盖咒该屋盖结构获2003年NoVa奖提名。在韩国的汉城，一座跨度为120m的拱桥已建成。该桥由6段拼装而成，每段长20m,高L3m,薄壁箱梁截而，壁厚只有30mm,不使用普通钢筋。这种尺寸采用普通混凝上是实现不了的。该桥不仅只用了其材料强度的一半（抗压强度：230MPa,抗弯强度:50MPa）,而民其高耐久性使其在运营中可节省大量的维修费用。北京市五环路石景山转体斜拉桥隔离带，采用了形状尺寸为2000x1200x6Omm的无配筋RPC空心板，板内有直径为40mm的圆孔可切、可锯。材料抗压强度140MPa、抗折强度14MPa；采用RPC材料开发出的新型人行道体系，采用抗压强度140MPa、抗折强度16MPa,抗冻融800次无质量损失，14d碳化深度为OnnIl的超高强度、超高耐久性RPC材料，较传统的人行道体系具有耐久性高、自重轻等特点，已通过铁道部验收，并定在青藏铁路多年冻上区桥梁上采用。但RPC的研究和应用上依然存在着不少问题：（1）工艺复杂、成本昂贵。硅粉的掺入、高效减水剂和钢纤维的使用以及特殊条件下的成型和养护条件，都提高了RPC的生产成本，阻碍了它的推广和使用。（2）微观结构与机理问题。对于活性粉末混凝土的微观和机理问题还有待深入研究，对于结构和强度形成机理还需进一步分析阐明。（3）在实际工程应用中存在预制与现浇RPC因两者的养护制度不同，而引起的体积变形差异导致结构受力与设计计算不相符的问题。因此，针对以上问题我们采用福建省生产的花岗岩石粉作为新型的替代材料并在配合比中加入膨胀剂，通过采用蒸压养护、蒸汽养护等养护方式，配制出成本较低、力学性能及体积稳定性较好的活性粉末混凝土。相关的预实验工作已经初步取得成效。RPe价格高昂，致使它的推广受到限制。采用钢渣粉、超细粉煤灰、超细矿渣、稻壳灰等废料替代部分水泥和硅灰厮闻，利用河砂和机制砂石3等替代石英砂制备RPa是降低RPC成本、节约工程造价的有效技术措施，也是RPC研究的热点。但替代材料的使用有些降低了材性的性能，有些质量稳定性差，目前还缺乏有效的解决技术措施。例如，福建是石材生产大省，每年产生大量石粉，污染环境，若将石粉替代石英粉用于RPC的制备，不仅可以降低RPC成本，而且还能节约资源、保护环境。关于这方面的研究，尚未开展。为此，应分析比较花岗岩石粉和石英砂的颗粒表面性状、粒径与级配、硬度和需水性，研究采用花岗岩石粉替代石英粉的RPC制备技术。根据早期的相关预实验研究，花岗岩石粉作为一种替代材料加入RPC中，在普通养护条件下，它属于一种惰性材料，不会参与到水化反应中，在RPC中仅起到填充的作用，而在蒸压养护条件下，对RPC的性能具有一定的提高作用。混凝土由于其特定的物理性能和化学性能，在浇筑成型后都会产生一定的收缩。混凝土的收缩是因为混凝土内部的化学变化和物理变化造成的体积变形，在宏观上就外在表现为混凝土体积缩减的现象。由于混凝土是一个各向无序的结构，在宏观上可以将其视为一个均匀体，所以混凝土收缩是三维方向的收缩变形，但在表示混凝土收缩时，通常以线性变形为主，因为在大多数情况下，混凝土构件三维方向中有一个或两个方向的尺寸远大于第三方向的尺寸，尺寸大的方向混凝土收缩也大，所以可以用一维方向的线性收缩来表示混凝土整体的收缩。混凝土的体积稳定性指混凝土在凝结硬化与服役过程中，在各种外界作用（包括荷载作用、侵蚀介质作用等）下保持其初始几何尺寸的能力。混凝土在浇注成型后会产生一定的收缩，主要包括混凝土的塑性收缩、自收缩、化学收缩、干燥收缩、碳化收缩和温度收缩等变形。正像吴中伟院士所说：一切材料的用途都不是万能的。即便是像RPC这种超高强高性能混凝土必然也有它自身的缺陷，况且目前国内外对RPC尚处于研究开发阶段，尚未在工程领域中大量的推广应用。于是对RPC各方面性能深入研究就显得尤为重要。收缩率是评价体积稳定性的主要指标，收缩效应对预应力混凝土等重要结构的受力和变形性能会产生明显的影响，因此，研究RPC的体积稳定性就显得十分重要。RPC的体积稳定性与养护制度、细观结构密切相关，不同配合比及养护制度导致RPC的微结构以及收缩和徐变不同。在实际工程应用中存在预制与现浇RPC因两者的养护制度不同，而引起的体积变形差异导致结构受力与设计计算不相符的问题。因此，需要通过RPC的组成、养护制度与细观结构及其随着龄期的演变规律与收缩、徐变的关系研究，提出预制和现浇RPC材料性能匹配设计方法，为工程结构的设计提供可靠依据。研究表明：用粉煤灰或矿渣取代RPC中的水泥，并同时减少硅灰的用量，在蒸压养护条件下，其力学性能并不会发生显著下降。在RPC中掺入粉煤灰和矿渣,在蒸压、蒸汽、标准养护条件下考察RPC的力学性能，经试验可以得出RPC经过蒸压养护或者蒸汽养护后，其抗压强度与在标准养护条件下相比显著提高，但抗折强度会降低；而增大粉煤灰、矿渣的掺入量时，其抗折强度能得到显著的改善如。研究表明：在不同的养护制度（蒸压养护、蒸汽养护、标准养护）下，用矿渣微粉取代水泥，并采用不同量的粒径为1-3mm的烧结铝矶土、花岗岩作为粗骨料，当矿渣取代量为20%时在蒸压养护条件下分别以烧结铝土矿和花岗岩为粗骨料的RPC其抗压强度可分别达到300MPa和250MPao均高于蒸汽养护和标准养护条件下的抗压强度。并且表明RPC可以由粒径为l-3mm的粗骨料和粉状的细骨料制备而成。研究表明：对相同配合比掺偏高岭上活性粉末混凝上进行三种不同养护条件下的力学性能比较时，保温标准养护下抗压强度最高，湿砂养护次之，标准养护最低；二种不同养护制度下混凝上抗压强度均随着养护龄期的增加而增长，标准养护和湿砂养护下强度随养护龄期的增加增长比较明显，而保温标准养护下强度增长不明显。研究表明，采用蒸汽养护的RPC收缩和徐变均减小，早期收缩的速度较普通混凝土快勿。活性粉末混凝上（RPC）由于采用低水胶比并掺入微细钢纤维，可有效减小其收缩值。适当增大粉煤灰掺量、降低硅粉掺量并经高温蒸养可有效减小RPC的收缩值;RPC的后期稳定收缩值小于普通混凝上囱O研究表明，在早期机制砂混凝土的干燥收缩随着石粉含量的增大而增大，而在60d以后5%石粉含量混凝土的干缩最小试验证明石粉含量在7%以下时，机制砂混凝土耐久性与体积稳定性较好，与河砂混凝土相当，一定量的石粉不会对混凝土渗透性与体积稳定性产生不利影响阂。研究表明，一定掺量范围内，粉煤灰能减少混凝土收缩，随着掺量增加，混凝土收缩减小；矿粉对收缩影响较为复杂，在一定掺量范围内，矿粉会增大混凝土收缩，掺量继续增大后，矿粉能减少混凝土收缩刖。综上所述，我们提出如下假说：掺入花岗岩石粉后在蒸压或蒸汽养护条件下会改变RPC的水化产物和微观结构从而影响RPC的力学性能及体积稳定性。目前对矿物掺合料的研究基本集中在机制砂石粉、粉煤灰、矿粉、偏高岭土等矿物掺合料对普通混凝土或高性能混凝的研究，还鲜有见花岗岩石粉在混凝土中特别是在超高性能混凝土（RPe）中应用的相关研究。而对RPC在不同养护制度下的力学性能和收缩的影响，虽然国内外均有相关研究，但都均未涉及花岗岩石粉在RPC中应用的相关研究，且并为见有花岗岩石粉掺量对RPC力学性能及体积稳定性的影响，因此研究花岗岩石粉掺入活性粉末混凝土后的对RPC力学性能及体积稳定性的影响，不久可以弥补这方面研究的空白，还具有重要的科学意义和应用价值。二、论文的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题（包括具体研究与开发的主要内容、目标和要重点解决的关键技术问题）研究目标：采用宏观和微观试验研究，通过试验与理论分析，揭示不同花岗岩石粉掺量、不同养护制度、不同膨胀剂种类下掺花岗岩石粉的活性粉末混凝土的力学性能及体积稳定性的变化规律研究内容:1.掺花岗岩石粉RPC工作性及力学性能研究（1）花岗岩石粉掺量对掺花岗岩石粉RPC的力学性能的影响（2）养护制度对掺花岗岩石粉RPC的力学性能的影响（3）不同种类的膨胀剂对掺花岗岩石粉RPC的力学性能的影响（4）掺膨胀剂与未掺膨胀剂对花岗岩石粉RPC的力学性能的影响2.掺花岗岩石粉RPC的体积稳定性研究（1）花岗岩石粉掺量对RPC体积稳定性的影响（2）养护制度对掺花岗岩石粉RPC体积稳定性的影响（3）改善掺花岗岩石粉RPC的体积稳定性（不同膨胀剂种类）3.掺花岗岩石粉RPC的力学性能与体积稳定性变化分析（1）掺花岗岩石粉RPC的力学性能机理分析（2）掺花岗岩石粉RPC的体积稳定性分析拟解决的关键科学问题1 .掺入花岗岩石粉后，在不同的养护条件下RPC的水化产物及微观结构变化规律对力学性能的影响2 .掺入不同类型的膨胀剂后，在不同的养护条件下掺花岗岩石粉的RPC的水化产物及微观结构变化规律对体积稳定性的影响三、拟采取的研究方案及可行性分析（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）3.1技术路线通过对大量文献的阅读及相关结论进行总结，得出各方面性能均较好的RPC基准配合比，并针对这个配合比进行相关的预实验研究，对这个配合比进行适当的调整，得出最终的RPC基准配合比以供论文后续研究。技术路线图见图1。国内外研究现状调查图1本项目采取的技术路线3.2试验手段(1)掺花岗岩石粉的活性粉末混凝土配制及力学性能试验通过大量的国内外研究现状调查，选取各方面性能均较好的基准RPC配合比,该基准RPC配比的材料主要为普通硅酸盐水泥、河砂、硅灰、钢纤维以及减水剂。在保持该基准配合比其他材料掺量不变的情况下，用石粉取代不同比例的胶凝材料(水泥+硅灰)，同时调整各外加剂掺量。对浇筑1天后的试块，分别进行蒸压养护、蒸汽养护。掺花岗岩石粉的活性粉末混凝土配制主要对工作性、力学性进行试验。工作性:包括活性粉末混凝土拌合物的流动度、粘聚性和保水性等；力学性：包括活性粉末混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量等。(2)活性粉末混凝土的体积稳定性与微观试验试验该部分试验主要研究掺花岗岩石粉的RPC在不同的石粉取代量、不同的养护制度、不同的膨胀剂种类下的体积稳定性以及微观试验研究，最后得出掺花岗岩石粉的活性粉末混凝土的体积稳定性的变化规律。并从微观角度进行掺花岗岩石粉力学性能变化规律的机理解析。宏观观测：抗压和抗折强度、动弹性模量、工作性。微观观察：在不同变化因素下试块尺寸、孔结构以及水化产物。3.3可行性分析查阅国内外大量文献，已有人用石灰石粉作为矿物掺合料，制成混凝土研究其性能，所以花岗岩石粉可以取代部分水泥，作为矿物掺合料，制成水泥制品应有可行性。课题组在前期围绕石粉在RPC中的掺量开展了初步研究，通过前期研究表明，在一定掺量范围内，掺加花岗岩石粉能够改善RPC的力学性能。上述研究成果为本项目的开展奠定了基础，保证了研究内容和方法的可行性。在混凝土收缩方面的研究国内外的专家学者已经进行了不同深度研究，研究的手段和方法相对成熟。而对于超高性能混凝土(RPC)的体积稳定性研究，国内外也有相关学者进行了研究，并得出相关实验结论。相关的收缩试验方法和理论保证了研究内容和方法的可行性。近年来课题组在新型建筑材料研发和工程应用等方面做了大量工作。课题组成员能够熟练掌握混凝土材料工作性、力学性能、体积稳定性等指标的测试技术,有从事微观结构测试和分析研究的经历，所以从技术上看也是可行的。在本校的教学与实验中心中的建筑材料设备齐全。校际科研平台“福州大学测试中心”具有先进的ESEM.XRD可对掺入花岗岩石粉后RPC在不同的养护条件下的水化产物及水化产物的形状进行微观观测。福州大学土木工程学院与校外企业有长期的合作关系，并在企业中建有研究生试验基地，在基地中有用于蒸压养护的蒸压釜以及具有一定规模的实验设备，可用于本课题的试验研究。而对于花岗岩石粉，福州连江地区的花岗岩石粉更是堆积如山，取材方便，不需要费大量的人力、物力进行开采，并且取材后仅需将花岗岩石粉烘干后即可进行相关实验研究。福州大学土木工程学院实验中心购买的测缩仪以及孔结构测定仪可有用于RPC的收缩变化测量以及孔结构的测定。上述的试验设备及原材料的取材方便保障了进行试验研究与分析的可行性。四、本课题的特色与创新之处国内外对RPC替代材料的研究主要集中在采用钢渣粉、超细粉煤灰、超细矿渣、稻壳灰等废料替代部分水泥和硅灰，利用河砂和机制砂石等替代石英砂制备RPC,是降低RPC成本、节约工程造价的有效技术措施，也是RPC研究的热点。但替代材料的使用有些降低了材性的性能，有些质量稳定性差，目前还缺乏有效的解决技术措施。而福建是石材生产大省，每年产生大量石粉，污染环境。本课题基于此背景将花岗岩石粉作为一种新型的替代材料引入RPC的制备，并进行了掺花岗岩石粉RPC的力学性能和体积稳定性的研究及进行了相关的机理解释。五、参考文献1ChanYW,ChuSH.Effectofsilicafumeonsteelfiberbondcharacteristicsinreactivepowderconcrete.CementandConcreteResearch,2004,34:1167-1172.2 MorinV5Cohen-TenoudjiF,FeylessoufiA,RichardREvolutionofthecapillarynetworkinareactivepowderconcreteduringhydrationprocess.CementandConcreteResearch2002,32:1907-1914.3 O,NeilEF,DowdWM.High-performancepipeproductsfabricatedwithreactivepowderconcreteC.MaterialsfortheNewMillennium.1996:1320-13294 闫光杰,刘培文.活性粉末混凝土研究与应用进展C.第十一届全国纤维混凝土学术会议.2006.中国辽宁大连5 张燕.活性粉末混凝土受弯构件的试验研究及合理截面形式D.北京交通大学.2004,36 张立军,安明吉吉,阎贵平.活性粉末混凝土及其工程应用J.世界科技研究与发展2005(6):49-52.7 耿春雷,许零,陈红岩,张作泰,林翎,王秀腾,於定新.活性粉末混凝土的研究与工程应用进展J.材料导报,2012(5):70-73.网YaziciH,YigiterH9KarabulutA§,BaradanB.UtilizationofFlyAshandGroundGranulatedBlastFurnaceSlagasanAlternativeSilicaSourceinReactivePowderConcreteJ.Fuel,2008,87(12):2401-2407.9AllenaS,NewtsonCM.Ultra-HighStrengthConcreteMixturesUsingLocalMaterialsJJJoumalofCivilEngineeringandArchitecture,2011,5(4):322-330.101胡曙光,彭艳周,陈凯,丁庆军.掺钢渣活性粉末混凝土的制备及其变形性能J.武汉理工大学学抵2009,31:26-33.11 刘娟红,王栋民,宋少民,霍文霖.大掺量矿粉活性粉末混凝土性能与微结构研究J武汉理工大学学报,2008,30(11):54-68.12 郑居焕.掺偏高岭土活性粉末混凝土的试验研究.建筑科学,2008,24(5):46-49.13 蔡瑞环.高活性稻壳灰Si2的制备及其在超高性能混凝土中的应用D.暨南大学.2008.141ZhangYS,SunW,LiuSF,JiaoC,LaiJZ.PreparationofC200GreenReactivePowderConcreteanditsStatic-dynamicBehaviorsJJ.CementandConcreteComposites,2008,30(9):831-838.15 YaziciH,YardimciMY,YigiterH,ydnS,TiirkelS.MechanicalPropertiesofReactivePowderConcreteContainingHighVolumesofGroundGranulatedBlastFurnaceSlagJ.CementandConcreteComposites,2010,32(8):639-648.16 Collepardi,S.,Coppola,L.,Troli,R.,Collepardi,M.MechanicalPropertiesofModifiedReactivePowderConcreteJ.ACISP-173,1997:1-22.117 朱荣军.人工砂混凝土配合比设计方法和抗裂性能的研究D.福州大学.2010.118 蔡基伟.石粉对机制砂混凝土性能的影响及机理研究D.武汉理工大学.2006.119 付志恒.偏高岭土对混凝土体积稳定性及显微结构的影响D.武汉理工大学.2011.120 YaziciH,YigiterH,KarabulutA$,BaradanB.UtilizationofflyashandgroundgranulatedblastfurnaceslagasanalternativesilicasourceinreactivepowderconcreteJ.Fuel,2(M)8,87(12):2401-2407.121 Yardimci,M.Y.,S.Aydn,A.5.Karabulut-MechanicalpropertiesofreactivepowderconcretecontainingmineraladmixturesunderdifferentcuringregimesJ.ConstructionandBuildingMaterials,2009,23(3):1223-1231.122 郑居焕.养护制度对掺偏高岭土活性粉末混凝土强度的影响J石家庄铁道学院学报(自然科学版),2008(2):24-27.123 GraybealBA.FederalHighwayAdministration,MaterialPropertyCharacterizationofUltra-HighPerformanceConcreteM!.PublicationNo.FHWA-HRT-06-103,2006.124 AhlbomTM,PeuseEJ,MissonDL.Ultra-high-erfbrmance-concreteformichiganbridgesmaterialperformance-phaseI.CenterforStructuralDurabilityMichiganTechTransportationInstitute;(MJ.2008.125 Acer,P.,WhyDoesUltra-HighPerformanceConcrete(UHPC)ExhibitSuchaLowShrinkageandSuchaLowCreepAutogenousDeformationofConcrete,ACISP-220-10,AmericanConcreteInstitute,Farmington,MI.2004:141-154.126 国爱丽,赵福君,巴恒静,刘玉玲.活性粉末混凝土配比优化及收缩性能研究J.武汉理工大学学报,2009,31:20-24.27|谭衡光,刘迪祥.活性粉末混凝土干缩性能研究UL中外公路2008,28(4):237-239.28 陈广智,温世强,阎培渝.养护条件和配合比对活性粉末混凝土变形率的影响J.工业建筑,2003,33:63-65+8429 陈飕,.王稷良,杨玉辉,周明凯.石粉含量对C80机制砂混凝土性能的影响J.武汉理工大学学报.2007(8)30 王永平.混凝土收缩试验研究D.天津大学.2012(3)