复合胶凝材料性能研究现状简述.pdf
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1、第 51 卷 2023 年 第 2 期广州建筑 GUANGZHOU ARCHITECTUREVol.51 No.2,2023复合胶凝材料性能研究现状简述复合胶凝材料性能研究现状简述郑楚茂1,邓旭华1,唐林洋1,王芳利1,武献鹏2(1.广东基础新成混凝土有限公司,广州 510450)(2.广东工业大学,广州 510006)摘要摘要:混凝土是当今社会用量最大的建筑材料之一。然而预拌混凝土行业属于高能耗、污染相对严重的低门槛行业,对如今倡导的低碳理念带来较大的挑战。水泥是混凝土中重要的原材料,生产过程会产生大量的 CO2排放和能源消耗,因此采用复合胶凝材料代替水泥制备混凝土是混凝土实现低碳化的关键环
2、节。本文通过对可代替水泥制备混凝土的复合胶凝材料的研究进展进行总结,并阐述它们目前研究的不足进而提出未来展望,为复合胶凝材料未来的应用提供依据。关键词关键词:复合胶凝材料;力学性能;耐久性;低碳中图分类号中图分类号:TQ177文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:1671-2439(2023)02-045-04作者简介作者简介:郑楚茂(1977),男,本科,高级工程师,主要从事建筑材料研究,电子邮箱 。State-of-the-artsofResearchonMaterialPropertiesofCompositeCementitiousMaterialsZHENG Chu-mao1,D
3、ENG Xu-hua1,TANG Lin-yang1,WANG Fang-li1,WU Xian-peng2(1.Guangdong Foundation New Concrete Co.,Ltd.,Guangzhou 510450)(2.Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006)Abstract:Concrete is one of the most widely used building materials in todays society.However,the ready-mixed concrete industry
4、is alow-threshold industry with high energy consumption and relatively serious pollution,which poses a great challenge to the low-carbon conceptadvocated today.Cement is an important raw material in concrete,the preparation process will produce a lot of CO2 emissions and energyconsumption,so the use
5、 of composite cementitious materials instead of cement to prepare concrete is a key link to achieve low carbonization ofconcrete.Thispapersummarizestheresearchprogressofcompositecementitiousmaterialsthatcanreplacecementtoprepareconcrete,andexpoundsthe shortcomingsof their current research andputs fo
6、rward thefutureprospects,providing basis forthe future application of composite cementitiousmaterials.Keywords:composite cementitious material;mechanics performance;durability;low carbon水泥是混凝土中最重要的原材料,随着我国各地混凝土产量的不断提高,水泥的用量也越来越大。根据统计,20112020 年的十年间,我国生产水泥总量达到 232.4 亿吨,占全世界水泥总产量的55.6,是名副其实的“水泥大国”1。然而
7、,生产水泥的原材料主要包括粘土和石灰石,两种原材料都属于不可再生资源,且原材料的开采也会造成很严重的自然环境破坏。此外,水泥生产过程会产生大量的能耗,主要是煤炭和电力资源。根据统计,水泥工业生产的能耗约占全球工业总能耗的 8.5。水泥的生产过程对环境影响最大的因素莫过于大量的碳排放。据调查研究,目前我国每生产 1 吨水泥会产生 0.86 吨 CO2排放。而我国在 20112020的十年间,生产水泥总量达到 232.4 亿吨,按此计算,20112020 的十年间因生产水泥导致的 CO2排放量达到了约 199.9 亿吨。放眼全球,水泥工业产生的 CO2排放量占全球总碳排放量的 7.83。2021
8、年 10 月,国务院发布了2030 年前碳达峰行动方案(国发202123 号),在“推动建材行业碳达峰”章节,明确提出了“低碳混凝土”的概念,也意味着“低碳混凝土”将在我国实现“双碳”的目标中担任重要角色。而使用优质的低碳胶凝材料代替水泥制备混凝土从而减少水泥用量也将是混凝土实现“低碳化”的关键环节2。目前国内外学者主要研究复合胶凝材料来替代-45-45-广州建筑GUANGZHOU ARCHITECTURE2023 年 第 2 期水泥制备低碳混凝土。本文将侧重对现有研究进行归纳总结,并进一步提出研究现状的不足及未来发展方向,对未来低碳混凝土的发展及应用具有重要意义。1 复合胶凝材料复合胶凝材料
9、复合胶凝材料是采用辅助胶凝材料代替部分水泥熟料制备出的一种胶凝材料。常用的辅助胶凝材料包括有粉煤灰、矿渣、石灰石粉、硅灰等。2 复合胶凝材料力学性能复合胶凝材料力学性能目前已有大量针对复合胶凝材料本身及用其制备混凝土的力学性能的研究。经研究,采用适量矿渣代替硅酸盐水泥制备的复合胶凝材料可提高混凝土的力学性能。程素丽3用 40%掺量矿渣代替同等质量水泥制备了矿渣混凝土,将其分别放在淡水及硫酸盐环境中进行养护,两种环境下的混凝土在 7d、30d、60d、90d、180d等不同龄期下的抗压强度相较基准混凝土分别提高了 9.7%、17.1%、13.3%、6.0%、5.3%及 11.7%、23.0%、2
10、2.5%、16.1%、22.2%。并且,在矿渣中加入少量石膏和石灰制备矿渣复合胶凝材料,并对其采用机械球磨及掺入不锈钢渣进行改性的方法可使其力学性能达到更佳的效果。这是因为机械活化可使矿渣复合胶凝材料的微观结构更加致密,其整体强度随球磨时间的延长逐渐增长至趋于稳定;而不锈钢渣可改善矿渣胶凝材料的水化作用,使其生成更多水化 C-S-H 凝胶和针状棒钙矾石,以增强其后期强度。粉煤灰作为辅助胶凝材料可填充水泥颗粒间的孔隙,从而提升混凝土的密实度,并且粉煤灰中的活性硅酸盐玻璃体还可与水泥水化产生的 Ca(OH)2发生火山灰效应生成强度更高的水化硅酸钙凝胶,可提高混凝土机械性能。然而,强度发展缓慢目前仍
11、是高掺量粉煤灰复合胶凝材料发展的主要问题,主要原因是硅酸盐水泥提供的低碱度不能有效激活粉煤灰的火山灰反应。针对此问题,Tan4提出对硅酸盐水泥采用湿法研磨的方法进行处理,使硅酸盐水泥具有更高的反应性和填充效应,将湿磨后的超细水泥代替 15%同等质量的普通硅酸盐水泥制备50%硅酸盐水泥和 50%粉煤灰掺量的粉煤灰复合胶凝材料,研究得出其 3d 和 28d 龄期的抗压强度相比同样龄期未掺加湿磨水泥的粉煤灰复合胶凝材料分别提高了53.8%和39.1%。此外,添加诸如纳米SiO2、纳米 C-S-H 晶种等纳米颗粒及三元外加剂(如CaSO42H2O、Na2SO4和 CaCl2)也可增强粉煤灰复合胶凝材料
12、的力学强度。采用石灰石粉作为辅助胶凝材料制备复合胶凝材料,将其用于制备混凝土可发生以下几种效应:(1)微晶核效应:石灰石粉可吸附水泥熟料水化产生的 Ca2+,降低离子浓度;(2)填充效应:石灰石粉可填补水泥颗粒间的孔隙,降低孔隙率;(3)分散效应:石灰石粉可置换出水泥包裹的水分从而降低水的用量;(4)化学效应:石灰石粉制备胶凝材料可与水泥熟料中的铝相反应,增加结构密实度。王靖凯5对石灰石粉的细度及石灰石粉替代水泥的不同掺量对胶凝材料的力学性能影响进行了研究,得出随着石灰石粉的替代量增大,胶凝材料的抗压、抗折强度反而降低,但随着比表面积的增大,其抗压、抗折强度将会提高。硅灰具有火山灰活性高、比表
13、面积大、颗粒细度小的特点。采用硅灰代替部分硅酸盐水泥制备复合胶凝材料,将其应用在混凝土中,混凝土的抗压强度随硅灰替代量的增加先增加后减小,劈裂-抗拉强度随硅灰替代量的增加先增加后趋于平缓,二者都是硅灰替代量 10%时效果达到最佳。有学者分别采用 SiO2含量为 86.3%的硅灰和 SiO2含量为 96%的高纯硅灰代替同等质量水泥制备混凝土,研究得出当硅灰替代量为 10%时,混凝土抗压强度和劈裂-拉伸强度相比普通硅酸盐混凝土分别提高了26.7%和 40.7%;当高纯硅灰替代量为 10%时,混凝土抗压强度和劈裂-拉伸强度相比普通硅酸盐混凝土分别提高了 44.7%和 57.4%。若采用多种辅助胶凝材
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