本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文選題報(bào)告內(nèi)容與格式

北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)選題報(bào)告

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目錄

1、文獻(xiàn)綜述

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1.1課題背景

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1.2國內(nèi)外的石灰石粉在混凝土中的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

3

1.2.1物理填充機(jī)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(qiáng)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(yàn)方法

8

4、課題進(jìn)度計(jì)劃

9

5、參考文獻(xiàn)

10

1、文獻(xiàn)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(yīng)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(yīng)用十分重要。由于水泥和某些礦物摻合料實(shí)際上不適合做細(xì)微填料，原因是超高細(xì)度的水泥和高活性礦物摻合料會(huì)引起水化反應(yīng)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(yīng)活性的易于加工的細(xì)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(dá)到國標(biāo)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(shí)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(qiáng)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(yīng)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(xì)度粗,需水量大,燒失量高,常造成新拌混凝土工作性能差,強(qiáng)度波動(dòng)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(yīng)求的局面，企業(yè)多數(shù)使用的是劣質(zhì)粉煤灰,或長時(shí)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(yīng)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(rèn)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(shí)(≤10%水泥質(zhì)量),石灰石可以提高混合水泥的早期強(qiáng)度,但是如果摻量繼續(xù)增加,則會(huì)明顯降低水泥強(qiáng)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(qiáng)度。在磨細(xì)石灰石粉的細(xì)度達(dá)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(qiáng)度,當(dāng)石灰石粉摻量不超過20%時(shí),也可以提高混凝土的抗折強(qiáng)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(jià)便宜,還會(huì)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益[6]。

石灰石在我國有豐富的儲(chǔ)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(diǎn)。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(yuǎn)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(jì)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(yīng)用與研究現(xiàn)狀

石灰石資源在我國分布十分廣泛，價(jià)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(xì)，因此隨著高細(xì)粉磨技術(shù)的進(jìn)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(shí)施條件。

在我國上世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)《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(xué)者把石灰石粉作為混凝土的惰性摻合料研究，重點(diǎn)研究它的微集料效應(yīng)[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(qiáng)度是有貢獻(xiàn)的，它參與了混凝土的水化反應(yīng)[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(xì)石灰石粉配制自密實(shí)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(biāo)準(zhǔn)CPJ45R和CPJ55R，可復(fù)摻亦可單摻石灰石，單摻石灰石量為10%～25%。歐洲水泥試行標(biāo)準(zhǔn)ENV197已將石灰石波特蘭水泥列為一種單獨(dú)類型的水泥品種。在日本，從二十世紀(jì)末石灰石粉已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用于高流動(dòng)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(shí)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(dòng)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(yīng)堆C50高性能混凝土的配合比中使用了CPJ5細(xì)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(huì)參量為40kg，水膠比為0.38，塌落度為18cm～23cm，28天抗壓強(qiáng)度為67MPa，絕熱溫升為30℃，其他指標(biāo)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(jìn)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(jī)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(xì)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(dòng)碾壓密實(shí)，減少碾壓時(shí)問，縮短層間攤鋪時(shí)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(shí)性，提高RCC的強(qiáng)度、抗?jié)B性和抗凍性[17]。

在混凝土中摻磨細(xì)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(qiáng)度明顯增高。在混凝土中摻入磨細(xì)石灰石粉，除起微集料作用外，還能促進(jìn)C3S水化，明顯提高混凝土的早期強(qiáng)度。但是到了一定范圍，隨著磨細(xì)石灰石粉摻量的增加其早期強(qiáng)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(shí)間的延長，砂漿和混凝土被侵蝕越來越嚴(yán)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(huì)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(shí)反而會(huì)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(huì)改變混凝土的密實(shí)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(jìn)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(qiáng)機(jī)制砂中石粉和粉煤灰的復(fù)合效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)在高強(qiáng)混凝土中，由于高強(qiáng)混凝土的密實(shí)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(shí)，隨著石灰石粉摻量的增加，混凝土的相對動(dòng)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(yàn)中，與粉煤灰相比，摻有50％石灰石粉的復(fù)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(fù)合膠凝材料水化早期能夠加速水泥的水化，具有較強(qiáng)的加速效應(yīng)。適當(dāng)摻量的石灰石粉充當(dāng)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(qiáng)度來看，石灰石粉摻量不大時(shí)，膠砂強(qiáng)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(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，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(yīng)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(dá)80％～85％。當(dāng)水灰比為0．3、石灰石粉摻量為10％時(shí)，其抗壓強(qiáng)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(shí)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(qiáng)度增加。然而實(shí)際有效水灰比的升高也增加了水化體系的毛細(xì)孔，使后期強(qiáng)度有所降低。

在C3A單礦物分別摻0、10%、20%和35%的石灰石粉，實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)了摻有石灰石粉的混凝土具有較高早期強(qiáng)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(dǎo)期提前，甚至在最低的試驗(yàn)溫度下也常常會(huì)出現(xiàn)～個(gè)很明顯的放熱峰，但這一現(xiàn)象不會(huì)出現(xiàn)在石英粉為摻和料的復(fù)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(yàn)溫度越高，放熱峰越顯著[27]。

1.2.5對混凝土強(qiáng)度的影響

周明凱等人的研究認(rèn)為石灰石粉對水泥水化具有增強(qiáng)作用，認(rèn)為石粉在水泥水化反應(yīng)中起晶核作用[29-30]，誘導(dǎo)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(yīng)，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(yàn)證石灰石粉改善工作性能，提高強(qiáng)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(fù)合礦物摻合料的配方及其性能。希望通過研究進(jìn)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(yàn)打下基礎(chǔ)。

3、課題的研究內(nèi)容和試驗(yàn)方法

此次課題研究的基本內(nèi)容包括：

1.石灰石粉復(fù)合低品質(zhì)的粉煤灰、礦物摻合料研究；

2.石灰石粉復(fù)合礦渣粉礦物摻合料研究；

3.石灰石粉復(fù)合粉煤灰、礦渣、硅粉礦物摻合料研究；

4.復(fù)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(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響。

具體的研究內(nèi)容包括：

1.實(shí)驗(yàn)材料材性實(shí)驗(yàn)；

2.復(fù)合摻合料對混凝土和易性的影響；

3.復(fù)合摻合料混凝土配合比優(yōu)化；

4.復(fù)合摻合料混凝土抵抗早期開裂性能研究；

5.復(fù)合摻合料混凝土彈性模量與強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律；

6.復(fù)合摻合料抵抗氯離子擴(kuò)散能力；

7.與空白試驗(yàn)對比。

本課題主要針對石灰石粉混凝土的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用和混凝土拌合物特點(diǎn)，在課題組人員前期研究的基礎(chǔ)上，考察混凝土的和易性、力學(xué)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(fù)摻，在不同水膠比條件下配制的混凝土在和易性、力學(xué)性能和耐久性能等方面進(jìn)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(fù)摻對耐久性能影響規(guī)律，進(jìn)而探討混凝土在摻加石灰石粉后的行為特點(diǎn)與機(jī)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(jìn)度計(jì)劃

第4周畢業(yè)論文實(shí)習(xí)，進(jìn)行相關(guān)專業(yè)知識(shí)培訓(xùn)，準(zhǔn)備材料,確定實(shí)驗(yàn)方案

第5-6周原材料試驗(yàn)

第7-10

周混凝土試配與成型

第11-13周混凝土強(qiáng)度和耐久性試驗(yàn)

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(xiàn)

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