本科生畢業(yè)設計論文選題報告內(nèi)容與格式

北京科技大學本科生畢業(yè)設計(論文)選題報告

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目錄

1、文獻綜述

2

1.1課題背景

2

1.2國內(nèi)外的石灰石粉在混凝土中的應用與研究現(xiàn)狀

3

1.2.1物理填充機理

4

1.2.2對混凝土抗侵蝕能力的影響

5

1.2.3石粉對混凝土抗凍性能的影響

5

1.2.4對混凝土水化性能的影響

5

1.2.5對混凝土強度的影響

6

2、本課題的研究目的

7

3、課題的研究內(nèi)容和試驗方法

8

4、課題進度計劃

9

5、參考文獻

10

1、文獻綜述

1.1課題背景

我國目前在水泥，骨料和混凝土礦物摻合料等原材料供應方面不同程度地存在著品質(zhì)問題。唐明述院士指出：原材料的優(yōu)選優(yōu)配對于高性能混凝土的推廣應用十分重要。由于水泥和某些礦物摻合料實際上不適合做細微填料，原因是超高細度的水泥和高活性礦物摻合料會引起水化反應加劇、凝結(jié)硬化過快、混凝土溫升提高、顯著增大混凝土收縮而引起開裂等一系列問題。因此，高性能混凝土需要具有低反應活性的易于加工的細填料。

粉煤灰由于符合高性能混凝土的上述要求，國內(nèi)使用量最大的是火力發(fā)電廠干排的粉煤灰。達到國標GB/T1596-2005規(guī)定的I、II級粉煤灰,摻入混凝土中,可減少水泥用量,降低生產(chǎn)成本,同時改善混凝土的工作性能,降低水化放熱、提高耐久性。所以成為現(xiàn)代高性能混凝土中最重要的礦物摻合料，在混凝土中如加入粉煤灰可以改善混凝土和易性、耐久性和后期強度等諸多性能。但是。我國現(xiàn)在可用于混凝土的優(yōu)質(zhì)粉煤灰產(chǎn)量不足，可直接利用的干粉比例不大，能供應優(yōu)質(zhì)粉煤灰的電廠少，劣質(zhì)粉煤灰(III級粉煤灰或更差的灰)細度粗,需水量大,燒失量高,常造成新拌混凝土工作性能差,強度波動大,混凝土結(jié)構(gòu)劣化等問題。且粉煤灰普遍顆粒粗，含碳量高，需水量大。隨著商品混凝土產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,火力電廠較少的南方城市(如廣州、深圳)常出現(xiàn)粉煤灰供不應求的局面，企業(yè)多數(shù)使用的是劣質(zhì)粉煤灰,或長時間斷灰,給生產(chǎn)、施工及工程質(zhì)量帶來多方面的問題,因此尋找粉煤灰替代品是市場的迫切需求[1]。

石灰石是一種主要由方解石(CaCO3)組成的礦物,其資源豐富,大量應用于建筑材料、冶金、化工以及建筑業(yè)中。在水泥工業(yè)中,它主要作為煅燒水泥熟料用的生料來使用。作為水泥混合材,普遍認為石灰石是一種惰性材料,不具有水化活性作用,研究表明,在石灰石摻量較低時(≤10%水泥質(zhì)量),石灰石可以提高混合水泥的早期強度,但是如果摻量繼續(xù)增加,則會明顯降低水泥強度[2-4]。將石灰石作為混凝土的摻合料近年來也有研究,主要目的是為了提高混凝土的早期強度。在磨細石灰石粉的細度達到13000m2/kg、摻量為膠凝材料10%的情況下,石灰石粉可以顯著提高低水灰比(0.23)混凝土的早期抗壓強度,當石灰石粉摻量不超過20%時,也可以提高混凝土的抗折強度[5]。

石粉作為石料場的廢棄堆積物,既占用場地,又污染環(huán)境,一般沒有重要用途。用石粉代替部分天然河砂,不僅可以解決天然河砂資源短缺問題和石粉污染問題，而且由于其價便宜,還會產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益[6]。

石灰石在我國有豐富的儲量,除了上海、香港、澳門外,在各省、直轄市、自治區(qū)均有分布[7]。石灰石粉用作水泥混合材和混凝土摻合料是目前國內(nèi)外研究的熱點。最初的研究目的是為了在水泥中摻加石灰石粉以降低成本和節(jié)約能源,但是更長遠的目的主要是為了改善水泥基材料的性能。因此,石灰石粉在水泥和混凝土方面的研究在技術(shù)上和經(jīng)濟上具有諸多好處[8-9]。

1.2國內(nèi)外的石灰石粉在混凝土中的應用與研究現(xiàn)狀

石灰石資源在我國分布十分廣泛，價格低廉，尤其是我國南方、西南某些地區(qū)，在一些施工地區(qū)附近沒有礦渣、粉煤灰、而石灰石資源非常豐富。大量研究表明石灰石粉不完全是一種惰性混合材[10]，后期可以生成三碳水化鋁酸鈣和單碳水化鋁酸鈣。由于石灰石易于磨細，因此隨著高細粉磨技術(shù)的進步，可以將其粉磨至，利用石灰石粉作為混凝土摻合料已具備實施條件。

在我國上世紀60～70年代曾開發(fā)過快硬碳酸鹽水泥，但這方面的研究和利用還是比較少。我國現(xiàn)行的國家水泥標準《硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥》GB175允許在水泥中摻加一定量的混合材，但是對混合材的摻量有所限制。水泥廠為了降低生產(chǎn)成本，摻加的混合材一般是一定量的石灰石[11]。近幾年來有一些學者把石灰石粉作為混凝土的惰性摻合料研究，重點研究它的微集料效應[12]。一些研究人員通過研究發(fā)現(xiàn)石灰石粉參加到混凝土中對強度是有貢獻的，它參與了混凝土的水化反應[13-15]。

石灰石粉作為混凝土摻合料和水泥生產(chǎn)的混合材在國外已經(jīng)有廣泛的研究和利用。在國外對石灰石粉的研究、開發(fā)和利用比較早，常用磨細石灰石粉配制自密實混凝土、大體積混凝土等。德國開發(fā)生產(chǎn)了石灰石粉摻量從6%～20%的石灰石硅酸鹽水泥，法國生產(chǎn)此品種水泥已有較長的歷史，產(chǎn)量也最多，以后品種標準CPJ45R和CPJ55R，可復摻亦可單摻石灰石，單摻石灰石量為10%～25%。歐洲水泥試行標準ENV197已將石灰石波特蘭水泥列為一種單獨類型的水泥品種。在日本，從二十世紀末石灰石粉已經(jīng)開始廣泛應用于高流動性混凝土和高性能噴射混凝土。美國AC1212.IR-81《AdmixturesforConcreteandGuideforUseofAdmixturesinConcrete》中指出，石灰石粉可以作為混凝土的礦物摻合料。

石灰石粉用于大型工程的實例已經(jīng)很多，跨度為（960+1990+960）m的三跨度組成的世界跨度最大的日本明石海峽吊橋的橋墩、纜索錨固結(jié)構(gòu)體的高流動性混凝土，塊體混凝土的配比中每混凝土中水泥的用量為260kg，石灰石粉的摻量為150kg，用水量為145kg[16]，法國的西瓦克斯核電站Ⅱ號反應堆C50高性能混凝土的配合比中使用了CPJ5細摻料水泥，含有9%的石灰石粉。而每很難凝土中水泥用量為266kg，石灰石粉摻量為114kg，硅會參量為40kg，水膠比為0.38，塌落度為18cm～23cm，28天抗壓強度為67MPa，絕熱溫升為30℃，其他指標均符合要求。這說明石灰石粉有廣泛的利用前景，在國外一些先進國家中，已作為一種有效的混凝土摻合料來使用。

1.2.1物理填充機理

石灰石粉顆粒表面光滑，比表面積大，摻人混凝土中填充了骨料與膠凝材料間的空隙。由于石粉中含有一定量的低塑性細粉，故隨著石粉含量的增加，砂的總體塑性指數(shù)降低，從而使RCC的值降低，拌和物更易振動碾壓密實，減少碾壓時問，縮短層間攤鋪時間間隔。這不僅可以提高施工質(zhì)量和施工速度，而且還可以改善混凝土的勻質(zhì)性和密實性，提高RCC的強度、抗?jié)B性和抗凍性[17]。

在混凝土中摻磨細石灰石粉，隨著其摻量的增加、比表面積的增大，混凝土的抗折強度明顯增高。在混凝土中摻入磨細石灰石粉，除起微集料作用外，還能促進C3S水化，明顯提高混凝土的早期強度。但是到了一定范圍，隨著磨細石灰石粉摻量的增加其早期強度增長下降，摻量最佳值為10％左右[18]。

1.2.2對混凝土抗侵蝕能力的影響

相關(guān)研究表明，隨著侵蝕時間的延長，砂漿和混凝土被侵蝕越來越嚴重，水灰比對混凝土抗侵蝕有一定的影響，水灰比越大，抗侵蝕能力越差；粉煤灰的摻人，也降低了混凝土抗侵蝕能力。而石灰石粉摻入產(chǎn)生的影響卻有所不同：摻入石灰石粉使水泥水化產(chǎn)物中的單硫型水化硫鋁酸鈣轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的單碳水化鋁酸鈣，在短期的低溫硫酸鹽侵蝕環(huán)境下?lián)绞沂凵皾{比純水泥砂漿表現(xiàn)出更好的耐腐蝕性。在經(jīng)受低溫硫酸鹽侵蝕后純水泥砂漿生成大量的石膏和鈣礬石，而摻石灰石粉砂漿在經(jīng)受同條件21d侵蝕后的腐蝕產(chǎn)物中除了石膏、鈣礬石外，還有少量的硅灰石膏生成，含石灰石骨料的水泥混凝土長期處于低溫硫酸鹽侵蝕環(huán)境中，會發(fā)生硅灰石膏型腐蝕破壞J。在長期低溫硫酸鹽環(huán)境作用下，少量石灰石粉的摻人改善了砂漿抗侵蝕性能，而摻量較多時反而會加速砂漿的侵蝕破壞過程[19]。

1.2.3石粉對混凝土抗凍性能的影響

石灰石粉會改變混凝土的密實度，改變混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，對混凝土的抗凍性有一定的影響。

洪錦祥[20]對石屑混凝土進行研究發(fā)現(xiàn)，在C40混凝土中分別摻入石灰石粉10%，16%，24%，隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的抗凍性越好。

田建平[21]等人研究高強機制砂中石粉和粉煤灰的復合效應時發(fā)現(xiàn)在高強混凝土中，由于高強混凝土的密實度很好，故混凝土的抗凍性隨石灰石粉的增加沒有明顯的改善。

蔡基偉與李北星[22]等人在研究石粉與粉煤灰對高性能混凝土抗凍性能的影響中也發(fā)現(xiàn)，在混凝土中摻加3.5%、7%、10%和14%的石灰石粉時，隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的相對動彈性模量沒有明顯的變化。

1.2.4對混凝土水化性能的影響

在水化熱試驗中，與粉煤灰相比，摻有50％石灰石粉的復合膠凝材料第二放熱峰來得更快、更大，3d的總放熱量也更高。這說明石灰石粉在復合膠凝材料水化早期能夠加速水泥的水化，具有較強的加速效應。適當摻量的石灰石粉充當了C—S—H的成核基體，降低了成核位壘，加速了水泥的水化。從強度來看，石灰石粉摻量不大時，膠砂強度降低幅度較小；此外，石灰石粉還具有水化活性。石灰石粉與普通硅酸鹽水泥在早期(28d以前)基本上不會發(fā)生水化反應，后期(180d)則水化生成水化碳鋁酸鈣；在鋁酸鈣水泥的激發(fā)下，石灰石粉早期(28d)就能參與水化，生成水化碳鋁酸鈣，主要是單碳水化鋁酸鈣[23]。

將石灰石粉應用于低水灰比混凝土中，發(fā)現(xiàn)混凝土28d的水化程度可高達80％～85％。當水灰比為0．3、石灰石粉摻量為10％時，其抗壓強度在7d以前比不摻石灰石粉的試樣要高，但隨后下降6％[24]。石灰石粉早期對水泥水化的加速及其增加水化體系的實際有效水灰比兩方面的共同作用，使水化程度得到提高，抗壓強度增加。然而實際有效水灰比的升高也增加了水化體系的毛細孔，使后期強度有所降低。

在C3A單礦物分別摻0、10%、20%和35%的石灰石粉，實驗發(fā)現(xiàn)石灰石粉限制鈣釩石(Aft)向單硫鋁酸鹽(Afm)的轉(zhuǎn)變，同時生成單碳鋁酸鹽(3CaO·A12O3·CaCO3·11H2O)以取代單硫鋁酸鹽。和單硫鋁酸鹽相比，單碳鋁酸鹽具有更大的不溶性，易于穩(wěn)定存在[25]。MoncefNehdi等人[26]的研究也證實了摻有石灰石粉的混凝土具有較高早期強度的原因是生成了更穩(wěn)定的單碳水化鋁酸鈣。

石灰石粉的摻入不僅使水泥在水化過程中誘導期提前，甚至在最低的試驗溫度下也常常會出現(xiàn)～個很明顯的放熱峰，但這一現(xiàn)象不會出現(xiàn)在石英粉為摻和料的復合膠凝材料中；石灰石粉的摻入明顯影響了第二放熱峰的出現(xiàn)，摻量越高，試驗溫度越高，放熱峰越顯著[27]。

1.2.5對混凝土強度的影響

周明凱等人的研究認為石灰石粉對水泥水化具有增強作用，認為石粉在水泥水化反應中起晶核作用[29-30]，誘導水泥的水化產(chǎn)物析晶，加速水泥水化并參加水泥的水化反應，生成水化碳鋁酸鈣，并阻止鈣礬石向單硫型水化硫鋁酸鈣轉(zhuǎn)化[28]。

2、本課題的研究目的

此次課題希望將石灰石粉摻入到混凝土，驗證石灰石粉改善工作性能，提高強度，改善開裂性能，改善耐久性。研究以石灰石為主體的系列混凝土復合礦物摻合料的配方及其性能。希望通過研究進一步明確石灰石粉參入混凝土對混凝土性能的影響，以及不同配比之間的性能影響的變化趨勢，為后續(xù)的研究和試驗打下基礎。

3、課題的研究內(nèi)容和試驗方法

此次課題研究的基本內(nèi)容包括：

1.石灰石粉復合低品質(zhì)的粉煤灰、礦物摻合料研究；

2.石灰石粉復合礦渣粉礦物摻合料研究；

3.石灰石粉復合粉煤灰、礦渣、硅粉礦物摻合料研究；

4.復合摻合料的需水行為、顆粒級配、活性指數(shù)以及對混凝土和易性、早期開裂、強度、氯離子擴散系數(shù)的影響。

具體的研究內(nèi)容包括：

1.實驗材料材性實驗；

2.復合摻合料對混凝土和易性的影響；

3.復合摻合料混凝土配合比優(yōu)化；

4.復合摻合料混凝土抵抗早期開裂性能研究；

5.復合摻合料混凝土彈性模量與強度發(fā)展規(guī)律；

6.復合摻合料抵抗氯離子擴散能力；

7.與空白試驗對比。

本課題主要針對石灰石粉混凝土的特點，結(jié)合實際生產(chǎn)應用和混凝土拌合物特點，在課題組人員前期研究的基礎上，考察混凝土的和易性、力學性能、耐久性能，采用等量替代水泥，通過把不同的膠凝材料摻量、石灰石粉摻量以及與低品質(zhì)粉煤灰、礦渣，硅灰復摻，在不同水膠比條件下配制的混凝土在和易性、力學性能和耐久性能等方面進行對比，研究水膠比、膠凝材料總量、石粉摻量、石粉與礦渣、硅灰復摻對耐久性能影響規(guī)律，進而探討混凝土在摻加石灰石粉后的行為特點與機理。著重研究隨著石灰石粉的摻入，對混凝土工作性、早期硬化開裂和抗凍性能方面的影響。

4、課題進度計劃

第4周畢業(yè)論文實習，進行相關(guān)專業(yè)知識培訓，準備材料,確定實驗方案

第5-6周原材料試驗

第7-10

周混凝土試配與成型

第11-13周混凝土強度和耐久性試驗

第14-15周完成論文初稿撰寫

第16周論文審查與修改

第17周完成答辯

5、參考文獻

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