本文關(guān)鍵詞：高寒高海拔碾壓混凝土抗凍材料及其作用機理　出處：《武漢大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：中國剩余水能資源開發(fā)大都分布在西部、西南部,主要集中于雅魯藏布江、金沙江、瀾滄江、怒江等四條大江。這些地區(qū)氣候變化大,極端天氣頻繁,但迫于解決煤礦資源缺乏的西部偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力配送問題,需要在高寒、極端溫差地區(qū)修建水電站。碾壓混凝土壩獨特的施工工藝、材料組成,以及帶來的巨大的經(jīng)濟效益,成為了復(fù)雜環(huán)境下最有利的壩型。然而,我國碾壓混凝土材料對粉煤灰的依存度大,粉煤灰摻量甚至高達70%以上。粉煤灰顆粒中未燃盡的碳顆粒表面的化學(xué)特性,導(dǎo)致了其對極性物質(zhì)如引氣劑具有較高的吸附能力,嚴(yán)重影響氣泡的形成和穩(wěn)定。其次,由于采用振動碾壓工藝以及較少的膠凝材料用量,無疑增加了碾壓混凝土中氣泡形成與穩(wěn)定的難度。此外,高寒高海拔地區(qū)環(huán)境氣壓較低,更增加了碾壓混凝土引氣的難度。更重要的是,普通引氣劑為達到一定的抗凍能力需要超量加入,在引入一定數(shù)量氣泡的后果是明顯削弱碾壓混凝土強度。因此,有必要開展復(fù)雜環(huán)境下碾壓混凝土新型增強抗凍組分的研究,以滿足高強高抗凍性的要求。本文依托國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計劃項目)“高碾壓混凝土壩全壽命周期性能演變機理與安全控制—復(fù)雜環(huán)境下碾壓混凝土材料性能演變細(xì)觀機制”,針對采用引氣劑作為抗凍組分極大削弱強度、復(fù)雜環(huán)境下難以引氣等難題,深入研究了不同引氣或造孔材料,包括引氣劑(AEA)、高吸水樹脂(SAP)、改性吸水樹脂(MAP)對碾壓混凝土力學(xué)性能、耐久性能等的影響,證明MAP在合適摻量和粒徑下,具有優(yōu)異的抗凍性能,力學(xué)性能也得到大幅提升。為使MAP作為增強抗凍組分在碾壓混凝土中合理應(yīng)用,及將應(yīng)用范圍拓展并將其廣泛應(yīng)用于混凝土材料領(lǐng)域,全面全方位研究了MAP摻入方式、摻量、顆粒粒徑等對砂漿性能的影響規(guī)律。利用高分辨率核磁共振、納米壓痕等現(xiàn)代先進測試技術(shù),探索了改性吸水樹脂(MAP)對高摻量粉煤灰-水泥漿體水化進程、孔隙結(jié)構(gòu)、C-S-H微結(jié)構(gòu)特性的影響規(guī)律,揭示了MAP的增強抗凍機制,提出了MAP定制造孔技術(shù)的理論與設(shè)計方法。主要研究結(jié)論如下。1.分析了MAP與其它SAP在分子結(jié)構(gòu)、吸液釋液機制等方面存在的差異；系統(tǒng)全面研究了MAP摻入方式、摻量、顆粒粒徑對水泥(粉煤灰)砂漿流變性能、力學(xué)性能、變形性能的影響,探明MAP摻量和顆粒粒徑與砂漿性能的匹配關(guān)系,以確定MAP最適宜的摻入方式,為MAP在混凝土中應(yīng)用提供基礎(chǔ)。研究確定MAP最大吸液倍率應(yīng)不超過自身質(zhì)量的25倍,大部分液體的吸收在與之接觸的最初5min內(nèi)完成。與SAP不同,MAP在飽和CH溶液或水泥漿體濾液中吸液倍率與在去離子水中的吸液倍率差別較小,說明MAP吸液受到水泥漿體水化環(huán)境的影響較小,更適合應(yīng)用于水泥混凝土中。MAP摻入方式(干摻、濕摻扣水、濕摻不扣水)對流變性能及力學(xué)性能的影響結(jié)果證實,MAP干摻對屈服應(yīng)力和塑性粘度的影響不大,強度損失也較��；與此不同的是,MAP濕摻不扣水造成較大的強度損失,而MAP濕摻扣水對屈服應(yīng)力和塑性粘度的影響又較大。綜合考慮流變性能和強度兩方面的影響,MAP在水泥混凝中使用時應(yīng)選擇干摻的摻入方式。當(dāng)水膠比較低時,MAP干摻摻量不宜過大,否則不僅對砂漿流動度產(chǎn)生較大的影響,同時由于振搗不密實或大量使用減水劑使得砂漿強度明顯降低。無論摻加粉煤灰與否,MAP摻量對砂漿性能的影響規(guī)律一致。當(dāng)MAP摻量不超過0.3%時,砂漿性能受MAP的影響較��；當(dāng)MAP摻量達到0.6%,砂漿流動度顯著降低,屈服應(yīng)力提高至MAP摻量為0.3%時的2倍左右,砂漿強度損失也增加,摻MAP1和MAP2砂漿28d齡期干縮率相比基準(zhǔn)砂漿分別降低了78和30個微應(yīng)變。由于MAP顆粒粒徑造成的水泥砂漿流變性能和強度的改變不明顯,但在粉煤灰-水泥砂漿中,MAP顆粒粒徑越小,流動度越高,屈服應(yīng)力和塑性粘度越大,強度損失反而越小,干縮率越大。2.對比研究了改性吸水樹脂(MAP)與引氣劑(AEA)、高吸水樹脂(SAP)等不同引氣或造孔材料對碾壓混凝土工作性能、力學(xué)性能、吸水性能、抗凍性能等的影響規(guī)律,證明MAP是唯一同時大幅提升碾壓混凝土抗凍性能和力學(xué)性能的增強抗凍材料。不同引氣或造孔材料對新拌碾壓混凝土Vc值影響存在差異。AEA可改善新拌碾壓混凝土Vc值,增加含氣量,具有明顯的緩凝作用。SAP以濕摻扣水方式摻入,增加新拌碾壓混凝土Vc值,縮短凝結(jié)時間。MAP以干摻方式摻入,只要MAP摻量合適或稍增加減水劑摻量,對Vc值產(chǎn)生的影響較小。同時發(fā)現(xiàn),摻SAP和MAP碾壓混凝土的含氣量均不能通過傳統(tǒng)含氣量測量方法準(zhǔn)確獲得。摻MAP可顯著提升碾壓混凝土抗壓強度。當(dāng)MAP摻量為0.3%、0.6%時,摻MAP1碾壓混凝土90d抗壓強度較基準(zhǔn)分別增長16.6%、28.3%；摻MAP2碾壓混凝土90d抗壓強度分別增長28.7%、20.8%。相比之下,摻AEA碾壓混凝土90d抗壓強度的最大降低幅度達到30%以上；摻SAP碾壓混凝土不同齡期抗壓強度降低幅度波動范圍為6%～37%。MAP造孔結(jié)構(gòu)參數(shù)受其顆粒粒徑和摻量支配,繼而顯著影響碾壓混凝土的抗凍性能。MAP造孔形貌與MAP原始顆粒形貌相同,均為球形,孔徑為原始顆粒尺寸的2～3倍,氣泡間距系數(shù)隨MAP摻量的增大而減小。摻MAP顯著改善碾壓混凝土抗凍性能。對比研究表明,AEA-RCC和MAP-RC C的累積剝落量和相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律表現(xiàn)相似,均呈先急劇變化后趨于穩(wěn)定的發(fā)展規(guī)律。與AEA-RCC目比,經(jīng)歷凍融相同次數(shù)的MAP-RCC的累積剝落量相對較小,相對動彈性模量降低幅度較低,表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗凍性能。MAP顆粒粒徑在80μm-150μm、摻量為0.6%時,MAP-RCC具有最好的抗凍性能。SAP引入氣孔形狀無規(guī)則、尺寸較大,SAP在合適的摻量和粒徑下,對碾壓混凝土抗凍性能略改善,但對抗凍性能的提升作用遠(yuǎn)不如MAP和AEA。3.研究了改性吸水樹脂(MAP)對膠凝材料水化歷程和水化程度、孔隙結(jié)構(gòu)、以及C-S-H結(jié)構(gòu)聚合態(tài)、Qn分布、A1的遷移、HD/LD比例等因素的影響,從納微觀結(jié)構(gòu)角度揭示了MAP的增強抗凍機制。MAP可以提高了水泥水化誘導(dǎo)期和加速期的水化反應(yīng)速率,而后期對水化程度的提高不明顯；MAP所造孔中會有少量水化產(chǎn)物生長,漿體結(jié)構(gòu)更顯致密。MAP溶出的丙烯酸單體與Ca2+形成不穩(wěn)定的絡(luò)合物,促使了水泥漿體中硅酸根單體的穩(wěn)定存在,促進了C3S的早期水化。受MAP的影響,C-S-H平均鏈長增加,聚合度提高；C-S-H結(jié)構(gòu)Q2含量增加,Q1減少,Q2/Q1隨MAP摻量的增加而增大,C-S-H結(jié)構(gòu)中A1取代量減少。MAP的存在減少了膠凝漿體中毛細(xì)孔數(shù)量,細(xì)化了孔徑。研究發(fā)現(xiàn),MAP所造孔孔壁周圍水化產(chǎn)物相C-S-H結(jié)構(gòu)中HD/LD比例增加,MAP所造孔孔壁比AEA引入氣孔孔壁具有更高的力學(xué)性能。納米壓痕結(jié)果表明,AEA引入氣孔孔壁周圍固相中LD C-S-H和HD C-S-H約各占50%；而MAP引入氣孔孔壁固相中HD C-S-H含量約為LD C-S-H含量的3倍。MAP對混凝土基體增強的原因主要包括：(1)增加了C-S-H的平均鏈長,聚合度提高；C-S-H結(jié)構(gòu)中Q2/Q1比例增加,Al取代減少；C-S-H凝膠堆聚更緊密,HD/LD比例增加；(2)調(diào)整了漿體水化初期充水空間體積,使得漿體結(jié)構(gòu)更密實、均勻；毛細(xì)孔含量減小,孔徑細(xì)化。(3)MAP所造氣孔孔壁周圍C-S-H結(jié)構(gòu)中HD/LD比例增加,C-S-H緊密堆聚程度提高。摻MAP混凝土高抗凍的機制為：(1)造微孔納脹效應(yīng)：通過調(diào)控MAP顆粒尺寸、吸水性能及摻量可設(shè)計與定制滿足不同抗凍等級要求的氣泡結(jié)構(gòu)體系。MAP定制孔可以很好地容納結(jié)冰膨脹產(chǎn)生的靜水壓力；(2)孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化效應(yīng)和孔壁增強效應(yīng)：毛細(xì)孔含量減少,孔徑細(xì)化,減小了可凍結(jié)水含量；MAP造孔孔壁周圍C-S-H凝膠堆積密度提高,提升了孔壁抵抗靜水壓力的能力；(3)固相增強效應(yīng)：固相強度增加,且結(jié)構(gòu)更密實,提升了基體抵抗變形破壞的能力；(4)核殼效應(yīng)：MAP好比一個“殼”,使得MAP顆粒中形成的冰晶相互隔離,阻止了冰晶的生長與長大。4.研究發(fā)展了MAP定制造孔技術(shù),并提出了MAP造孔孔徑和造孔量的計算式。MAP微孔半徑和造孔量僅受MAP摻量、顆粒粒徑、吸水特性和密度的影響,與水化環(huán)境、水膠比等無關(guān)。MAP造孔半徑和造孔量的計算式分別為：計算結(jié)果表明,MAP造孔直徑約為其原始顆粒直徑的3倍；摻MAP硬化混凝土含氣量為新拌混凝土含氣量和MAP造孔量之和。計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致。通過上式可以對硬化混凝土中的孔系結(jié)構(gòu)進行預(yù)先設(shè)計,且可定量控制,不受粉煤灰、高海拔等因素影響,克服了AEA在高寒高海拔碾壓混凝土中引氣困難的問題,且在達到相同抗凍設(shè)計等級時,MAP較AEA的引氣造孔效率更高。綜合MAP的作用效果,作為增強抗凍材料在混凝土中廣泛應(yīng)用將具有顯著的技術(shù)、環(huán)保經(jīng)濟效益。
[Abstract]:The development of residual water resources in China is mostly distributed in the western and southwest areas . It is mainly concentrated in four major rivers such as Yarlung - bo - bo River , Jinsha River , Lancangjiang and Nujiang River . The effects of MAP on rheological properties , mechanical properties and mechanical properties of cement ( fly ash ) mortar have been studied by using high resolution nuclear magnetic resonance ( MAP ) , high water absorption resin ( SAP ) and modified water absorbent resin ( MAP ) . The influence of MAP on the properties , mechanical properties , water - absorbing property and frost resistance of RCC were studied . The effect of MAP on the hydration process and hydration degree , pore structure , and the ratio of C - S - H to the structure of C - S - H have been studied . ( 3 ) The effect of MAP pore radius and pore wall reinforcing effect is as follows : ( 1 ) The pore structure optimization effect and pore wall reinforcing effect : The pore size of MAP pore structure is reduced , the pore diameter is refined , the water content is reduced , and the effect of MAP is improved .

【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TU528

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本文編號：1397720