骨料表面处理对水泥基材料性能的影响本科论文.docx
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骨料表面处理对水泥基材料性能的影响本科论文
毕业设计成绩单
学生
姓名
孙少雄
学号
20102337
班级
材1001-1
专业
无机非金属材料工程
毕业设计题目
骨料表面处理对水泥基材料性能的影响
指导教师姓名
罗永会
指导教师职称
副教授
评定成绩
指导教师
得分
评阅人
得分
答辩小组组长
得分
成绩：
院长签字：
年月日
毕业设计（论文）任务书
题目
骨料表面处理对水泥基材料性能的影响
学生姓名
孙少雄
学号
20102337
班级
材1001-1
专业
无机非金属工程
承担指导任务单位
材料科学与工程学院
导师
姓名
罗永会
导师
职称
副教授
一、主要内容
1．界面过渡区理论。
2.骨料表面处理对水泥基材料性能的影响。
二、基本要求
1．按照规范标准进行试验，试验结果要真实可靠。
2．将试验结果绘制成图表，进行合理的分析并得出正确的结论。
三、主要技术指标
1．砂浆的1d、3d、7d、28d抗压强度。
四、内容
1.论文：
20000字
2.外文翻译：
3000字
五、进度安排
第4周-第5周检索文献资料，拟订试验方案，准备英文翻译；
第6周-第10周准备原材料，进行试验，中期报告；
第11周-第14周性能测试，分析整理实验数据；
第15周-第17周撰写论文，准备答辩。
教研室主任签字
时间
年月日
毕业论文前期报告
题目
骨料表面处理对水泥基材料性能的影响
专业
无机非金属材料工程
班级
材1001-1班
姓名
孙少雄
一、研究背景
人们很久以来就已认识到硬化水泥浆体与粗骨料的界面是混凝土最薄弱的环节。
1963年,Hsu等人系统地观察了混凝土的断裂过程,发现在加荷前一些界面已开裂,在外荷达70%破坏应力之前,裂缝主要在界面发生,超过这一荷载,裂缝开始向基相发展并相互连通。
集料尺寸越大,其与硬化水泥浆的界面越易开裂。
首先在细观级上对界面进行了研究,提出界面过渡区的概念。
他们用显微硬度测试技术发现在靠近骨料表面处,硬度最小,向基体发展,硬度逐渐增加,呈梯度变化,到10拌m以后则为常数。
此后,更多的学者开始利用现代测试技术对硬化浆体与集料界面的组成、结构及成因进行了进一步的研究从不同的角度证实界面过渡区内从骨料表面到水泥浆本体,孔隙率由大到小、晶体粒子由多到少及结晶取向择优性逐渐变弱等梯度分布现象,其叠加则构成了界面弱区。
同时,由于骨料与水泥浆体弹性模量和热膨胀系数的差异,又使界面成为应力最为集中的区域从而影响混凝土的强度和耐久性在研究界面区结构特征的同时,混凝土研究工作者都始终把研究的主要注意力放在如何改善界面区结构,提高混凝土性能上〕通过用花岗岩碎石、石英质碎石、硅质河卵石和混合河卵石等四种不同表面特性的粗骨料混凝土作分析比较,表明骨料表面的粗糙度明显地影响着混凝土的强度,尤其是对低水灰比的高强度混凝土。
通过增加界面粗糙度的方法,提高了界面结合力,改善了混凝土的耐久性。
但研究人员也发现,虽然通过骨料表面粗糙化,可以改善界面粘结状况,从而改善混凝土力学行为,但其改进程度是很有限的，其主要原因是骨料表面粗糙化,必然存在凸起尖锐部分,这种尖端效应又易于引发砂浆的收缩裂纹及受力下的开裂。
二、国内外发展现状
从国内外的研究现状来看，关于水化水泥基相的研究比较全面深入，所形成的理论也比较成熟；分散粒子由于其自身性质单一稳定，对混凝土性能的影响相对较小；而界面过渡层因其组成成分和水泥水化物相同，故研究者常常忽略对其进行专门的研究。
事实上，之所以把界面过渡区作为混凝土的一种独立要素，说明其结构和性能与非过渡区水泥水化物存在较大的差异，有必要对其进行单独的分析和研究。
许多关于混凝土性能
方面的现象难以从其他方面寻求解答，却能通过对界面过渡区的分析而得到解释。
诸如在相同水胶比、相同水化时间的前提下，水泥砂浆的强度比混凝土要高；随着粗骨料粒径的增大，混凝土的强度降低，在遭遇火灾时，混凝土弹性模量比抗压强度降低要快；混凝土的抗拉强度比抗压强度小一个数量级等等。
三、预期达到的效果
（l）骨料经不同的酸处理后,混凝土的强度、界面区的显微硬度、线性变形区的大小和弹性模量均有所提高或扩大,说明用酸处理骨料表面是有效的。
但用Na0H处理则无效,甚至对混凝土的界面结构和力学行为产生负影响。
（2）硅质骨料由于偏酸性,酸对其腐蚀较慢,混凝土强度随着处理时间的增长而增强,因此处理时间应适当延长;而碱性骨料经酸处理后,其混凝土的强度随处理时间的变化存在一峰值,故应控制最佳时间。
（3）骨料化学预处理可以明显改善混凝土的力学性能,值得进一步深人研究
指导教师签字
时间
年月日
石家庄铁道大学毕业论文
骨料表面处理对水泥基材料性能的影响
Effectoftheaggregatesurfacetreatmentonthepropertiesofcementbasedmaterial
2014届材料科学与工程学院（系）
专业无机非金属材料工程
学号20102337
学生姓名孙少雄
指导教师罗永会
完成日期2014年6月日
摘要
本文研究了使用酸碱对砂浆骨料表面预处理对砂浆强度的影响，化学预处理主要目的在于改变骨料表换粗糙度和活性，通过改变化学药品处理的时间的不同，通过对比不同药剂、时间处理后的砂浆试件的强度来观察并研究其中的机理，本文主要做了一下工作：
（1）砂浆配合比的设计工作，根据实验所需要和实验性质，研究化学预处理对于砂浆强度的影响不宜与使用高强砂浆，所以本文设计了M2.5、M5和M7.5三种的强度，实验配合比严格按照国标设计，设计目的在于突出表现出化学药品处理过的砂浆骨料对于强度的影响。
（2）使用质量分数为10%的氟化铵和氢氧化钠分别处理河砂，以处理15min和45min为两种控制方式，考察处理后的强度变化；处理时要特别注意时间的控制和处理结束后对于河砂的冲洗处理，要求不能存在残留的酸或碱，否则会对实验结果造成干扰，影响实验的准确性。
（3）研究发现经过氟化铵处理的骨料所制作的试件的强度对比空白试件来说，处理时间越短的分组强度降低程度越大，例如氟化铵处理15min的试件强度平均降低47.3%，而氟化铵处理45min的试件平均降低19%左右；氢氧化钠处理的骨料所制作的试件的强度对比空白试验试件来说，处理时间越长的分组强度降低越大，例如氢氧化钠处理15min的试件强度平均降低16%左右，而氢氧化钠处理45min的试件强度平均降低57.5%左右。
关键词：
配合比设计化学预处理强度变化
Abstract
Thispaperstudiestheeffectoftheuseofacidandalkalionmortarsurfacepretreatmentofaggregateonstrengthofmortar,Themainpurposeofchemicalpretreatmentistochangetheroughnessandactivityoftheaggregatesurface,Wechangthechemicaltreatmentofdifferentdurationtoobserveandstudythemechanismofthedifferentdurationanddifferentagentsbycomparingofthespecimenstrength.Thispaperhasdonethefollowingwork:
（1）Theworkofdesigningmixratioofmortar.Accordingtotheneedoftheexperimentandtheexperimentnature,wehnowthatstudysonchemicalpretreatmenteffectonthestrengthofmortarshouldnotusehighstrengthmortar,soIdesignthreekindsofintensity:
M2.5,M5andM7.5.ThanIdesignexperimentaccordingtothenationalstandardstrictly,Thedesignaimstoshowtheeffectofchemicalprocessingoftheaggregatetheonthestrengthofmortar.
（2）Wedealriversandwithammoniumfluorideandsodiumhydroxidewhichqualityscoresis10%,Inordertoinvestigatethechangsofthestrength,wedealtheaggregatewith15minand45min.Treatmentshouldbepaidspecialattentionprocessingtimeandtheflushingofriversandwhentheexperimentend,itrequestthatthereshouldnotberemainingacidoralkali.Otherwise,itwillcauseinterferencetotheexperimentalresultsandeffecttheaccuracyoftheexperimental.
（3）Comparingthetest-piecetreatedbyammoniumfluoridetotheblank,wefindthatthestrengthofmortardecreasingmorewhichpacketprocessingtimeisshort,forexample,thestrengthofthetest-piecetreatedbyammoniumfluoridein15minreducebyanaverageof47.3%,butspecimenstreatedbytheammoniumfluoridin45minreducebyanaverageofabout19%;thestrengthofmortardecreasingmorewhichpacketprocessingtimeislong,forexample,thestrengthofthetest-piecetreatedbysodiumhydroxidein15minreducebyanaverageof16%,butspecimenstreatedbythesodiumhydroxidein45minreducebyanaverageofabout57.5%.
Keyword：
designofmixproportionChemicalpretreatmentchangeofstrength
目录
第1章绪论1
1.1界面过渡区对水泥基材料的影响1
1.2国内外界面过渡区的研究现状和前景2
1.2.1国内外现状2
1.2.2界面过渡区研究的发展前景2
1.3本论文的研究内容4
第2章砂浆界面过渡区对水泥基材料影响的研究分析5
2.1界面过渡区的形成机理5
2.2骨料表面的处理方法举例5
第3章实验材料及实验方法7
3.1砂的含水率试验（标准法）7
3.2砂的含泥量的检测试验7
3.2.1含泥量试验7
3.2.2泥块含量试验8
3.3水泥的检测指标9
3.3.1水泥凝结时间的测定9
3.4砂浆配合比的设计9
3.4.1确定M2.5砂浆的试配强度9
3.4.2确定M5砂浆的试配强度10
3.4.3确定M7.5砂浆的试配强度10
3.5砂浆稠度试验10
3.6实验材料及方法12
3.6.1原材料12
3.6.2实验方法12
第4章实验结果及分析18
第5章总结与展望19
5.1总结19
5.2展望19
参考文献20
致谢22
附录23
第1章绪论
1.1界面过渡区对水泥基材料的影响
过渡区的粘结强度较低，成为了水泥基材料中的一个薄弱环节，可视为水泥基材料的强度极限相。
过渡区结构中存在的孔隙体积和微裂缝，对水泥基材料的刚性和弹性也有很大的影响，过渡区在水泥基材料中起着搭接的作用，由于该搭接作用的薄弱，不能较好的传递应力，所以水泥基材料刚性较小，特别是暴露在货或者高温环境下，由于微裂缝的扩展更激烈，是水泥基材料的弹性模量比抗压强度低的更快，更多。
过渡区结构的特性也影响到水泥基材料的耐久性，由于存在于其中的微裂缝的贯通性，因此水泥基材料的抗渗性很差[1-3]。
水泥基材料界面过渡层微观结构十分复杂，这意味着影响其强度的因素也很复杂，且各个因素并非独立作用，使得研究非常困难，难以系统化。
根据目前的研究现状，在众多影响因素中，以下2点是最主要的：
（1）毛细孔隙的存在：
界面过渡区中水化产物与界面处骨料粒系之间的黏结是依靠分子间的范德华引力（VanderWaalsforceofattraction）。
因此，界面过渡区的强度取决于其中所存在孔隙的体积和孔径，孔隙的体积和孔径越大，其强度越低。
即使对低水灰比的水泥基材料而言强度也很低。
然而随龄期增长，界面过渡区的强度会逐渐增强。
这是因为水泥和骨料之间发生缓慢化学反应而生成新的结晶产物，这些产物既能起到进一步填充界面过渡层中孔隙的作用，从而减弱其对过渡层强度的不利影响[4、6]。
（2）微裂纹的出现和存在：
微裂纹的出现和存在是导致界面过渡区强度不高的又一重要因素。
微裂纹的数量决定于各种不同的参数，其中包括骨料的粒径和级配、水泥用量、水灰比、新拌水泥基材料的密实程度、养护条件、环境湿度和水泥基材料的放热过程。
例如，以级配差的骨料制作的水泥基材料拌合物在振捣过程中更倾向于泌水离析，从而在粗骨料周边形成较厚的水膜或水囊。
在相同的条件下，骨料的粒径越大，可能形成的水膜的厚度也越大。
在这种条件下形成的界面过渡区在承受拉应力时由于骨料和水化水泥的微应变更容易开裂[7]。
1.2国内外界面过渡区的研究现状和前景
1.2.1国内外现状
从国内外的研究现状来看，关于水化水泥基相的研究比较全面深入，所形成的理论也比较成熟；分散粒子由于其自身性质单一稳定，对水泥基材料性能的影响相对较小；而界面过渡层因其组成成分和水泥水化物相同，故研究者常常忽略对其进行专门的研究。
事实上，之所以把界面过渡区作为水泥基材料的一种独立要素，说明其结构和性能与非过渡区水泥水化物存在较大的差异，有必要对其进行单独的分析和研究。
许多关于水泥基材料性能方面的现象难以从其他方面寻求解答，却能通过对界面过渡区的分析而得到解释。
诸如随着粗骨料粒径的增大，水泥基材料的强度降低，在遭遇火灾时，水泥基材料弹性模量比抗压强度降低要快；水泥基材料的抗拉强度比抗压强度小一个数量级等等[8]。
1.2.2界面过渡区研究的发展前景
从复合材料的观点[11-13]，普通水泥基材料可被视为三相材料,即含有水泥浆体、骨料、浆体与骨料之间的界面过渡区这三相。
从SEM微观图像分析可得到,浆体与骨料之间的界面过渡区，孔隙率随着离骨料表面的距离增大而降低，新拌水泥基材料的骨料周围填充了水分,致使该界面区成为薄弱界面区。
硅灰的掺加显著改善了界面过渡区的微结构，因为它能减少内泌水、密实堆积在骨料表面,与不掺硅灰的水泥基材料相比,界面区晶体量和孔隙率均减少,孔隙率梯度几乎消失，界面过渡区厚度也变小。
通过对界面过渡区的改善可以达到许多水泥基材料性能方面的提升效果例如[21]：
（1）降低水灰比：
从界面过渡区的形成机理可知，骨料表面附近区域水灰比高是过渡区薄弱的一个重要原因。
凝土的水灰比越低，界面处水灰比就越低，孔隙率也越低。
而且水灰比的降低提高了硬化水泥的强度和弹性模量，使水泥和骨料间弹性模量的差异减小，从而使界面处水膜厚度减小。
大量相关试验证明，降低水灰比是抑制界面过渡层形成和改善其结构的有效途径。
（2）选用性质优良的骨料：
不同性质的骨料制作的水泥基材料界面过渡区会有不同的性质。
采用性质优良的骨料对水泥基材料界面过渡区结构和性能的改善也有重要意义。
如果骨料吸水，则可以降低骨料周围浆体的水灰比，并因此减小界面的不利因素。
例如采用陶粒作为粗骨料制作的水泥基材料强度可以远高于陶粒本身的强度，就是利用了陶粒吸水的原理。
有水硬活性或潜在水硬活性的骨料可在界面处参与水化反应而改善界面。
如选择适当的水泥熟料球作为水泥基材料的粗骨料等等。
（3）改善水泥基材料制作工艺[5]：
水泥基材料的搅拌、成型和养护等工艺过程均可影响界面的结构和性质。
例如，常规搅拌投料顺序为：
所以说界面过渡区的研究前景非常广阔，也非常有必要，对于界面过渡区的研究将会对水泥基材料的耐久性，强度等各方面有很大的改善。
1.3本论文的研究内容
在实验过程中我们会遇到下列种种情况：
砂浆的抗压强度要比其抗拉强度高，基本上高一个数量级；水泥基材料受拉时呈脆性而受压时呈相对的韧性；使用非常密实的集料砂浆渗透性仍然比相应的水泥浆体大一个数量级，水泥基材料中的寂寥的粒径增大其强度就下降，近些年的研究终于解释了这现象，界面过渡区作为水泥基材料的最薄弱的环节，该区域水化产物的组成及形貌与集体部分不同，其结构相对疏松，强度较低，在外界因素作用下，该区域容易出现裂纹。
其力学性能、扩散和抗渗性能均比集体要弱，对影响水泥基材料的强度、弹性模量、收缩、传输等诸多性能产生[9-10]。
本文着重讨论骨料经化学处理后对骨料表面特性与界面过渡区结构的影响。
试图通过化学处理的办法实现骨料表面的活化与粗糙化，达到既消除目前界面过渡区不利的组分梯度分布现象，使弱区强化,又使界面区内同时含骨料组分和水化产物组分，其分布呈梯度变化而改善界面结构，消除界面应力，进而提高水泥基材料的物理力学性能。
第2章砂浆界面过渡区对水泥基材料影响的研究分析
2.1界面过渡区的形成机理
目前国内外对于界面过渡区的形成的机理主要有三种解释，它们分别从不同的角度解释了界面过度去的各种特性，它们分别是：
（1）水加入后，集料表面的水膜厚度变大，沙粒和水泥粒子水产生相对位移以及沙粒可能在水泥浆体凝结之前发生沉降，发生局部泌水使水富集在骨料的下部，导致了局部的水灰比变大，以致于过渡区中的结晶的约束力小，晶料取向性增强，易于生长，晶料的生长导致了孔隙率的增大、晶柱尺寸增大、孔隙的孔径增大，晶体形成后从液相中析出，晶体量增多，CH、AFM富集在骨料下方[15]。
（2）附壁效应也是解释界面过渡区形成最常用的机理，附壁效应即无水颗粒在侧壁上堆积的现象，侧壁指的是骨料的表面，但是附壁效应并不能说明界面区上约50um的厚度，这是附壁效应解释界面过渡区形成的一个缺陷，所以它并不是现在解释界面过渡区形成的主流理论，这里本文也不在多作解释[20]。
（3）胶体的缩水凝聚的过程也可以解释过渡区的形成。
当一种胶体性的溶胶快速凝聚时会形成一个非常疏松多孔的结构，其中大多数粒子都只与两三个其他的粒子相连接，含有大量的溶液，凝胶在快速凝结之后，其中的粒子仍然保持着自由活动的能力，在水泥凝胶缩水期间，水泥凝胶体积收缩，水分被挤压出凝胶结构之外，从而使已浇筑水泥中初始均匀的物质在富固相物质和富水的情况重新排布，这种重新的排布导致了界面过渡区的形成，总结其收缩的作用主要来自于缩水凝聚的过程[1]。
2.2骨料表面的处理方法举例
（1）通过增加骨料—水泥浆体界面粗糙度的方法，改变了集料的粗糙程度，以增加集料和水泥浆体的物理结合度，提高了界面结合力。
但是通过增加集料的粗糙度的方法改性集料，就会使得集料过渡区的水泥浆体在受到外加载荷的情况下易发生应力集中，造成裂纹在尖端应力场的作用下迅速扩张，在施加外部载荷的情况下，易发生水泥基材料的开裂。
同时集料表面的粗糙化也并没有解决集料—水泥浆体界面区域不利的梯度分布现象，因此总方法不能从根本上解决问题[16]。
（2）通过对惰性的集料进行深加工处理，使其表面形成具有水硬性的矿物质，利用水硬性矿物水化时消耗集料表面的水膜，同时其水化产生的水化产物又填充了集料—水泥浆体之间的空隙，从而改善了集料—水泥浆体之间的界面区。
但是这种方法工艺过程比较复杂，且其对水泥水泥基材料前期的影响较小，但其后期强度会持续升高[17-18]。
（3）通过集料—水泥浆体界面区的组分的梯度变化来改善水泥水泥基材料的物理力学、抗蚀性和耐久性。
他们通过对集料进行表面化学处理的方法来使得集料表面粗糙化和活化，其主要是用磷酸、硫酸、氢氟酸和氢氧化钠进行表面处理[19]。
本次实验主要以第3种实验方法为主要方法，通过酸碱分别对砂浆骨料进行处理，研究其中不同处理方法和不同处理时间对砂浆强度的影响。
第3章实验材料及实验方法
3.1砂的含水率试验（标准法）
实验应采用下列仪器设备：
烘箱——温度控制范围为（105±5）℃；天平——称量1000g，感量1g；容器——如浅盘等。
含水率试验（标准法）应按下列步骤进行：
由密封的样品中取各重约500g的试样两份，分别放入已知质量的干燥容器（m1）中称重，记下每盘试样与容器的总重（m2）。
将容器连同试样放入温度为（105±5）℃的烘箱中烘干至恒重，称量烘干后的试样与容器的总重（m3）。
砂的含水率（标准法）按下式计算精确至0.1%：
（3-1）
式中：
ωwc——砂的含水率（%）
m1——容器重量（g）；
m2——未烘干的试样与容器的总重（g）；
m3——烘干后的试样与容器的总重（g）；
以两次试验结果的算术平均值作为测定值。
m1=200m2=500m3=485
m1=200m2=500m3=479
Ωwc1=5.0%Ωwc2=7.0所以Ωwc=6.0%
3.2砂的含泥量的检测试验
3.2.1含泥量试验
目的与适用范围是测定细集料中粒径小于0.075mm的尘屑、淤泥和粘土含量，本方法部适用于人工砂、石屑等矿粉成分较多的细集料。
试验器材如：
天平：
感量不大于1g，方孔筛：
孔径0.075mm及1.18mm，烘箱、筒、浅盘等砂的含泥量的计算方法如下：
（3-2）
Qn——砂中含泥量，％
m1——试验前烘干试验试样质量，g
m0——试验后烘干试验试样质量，g
以上两个试样试验结果的算术平均值作为测定值，两次结果的差值超过0.5％时，应重新取样。
测得所用砂的含泥量为2.56%
3.2.2泥块含量试验
泥
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