矿物掺量对轻骨料混凝土物理性能的影响研究

轻骨料混凝土（又名轻集料混凝土，Lightweight Aggregate Concrete）是指用轻粗骨料、轻细骨料（或普通砂）、水泥和水，必要时加入化学外加剂等

矿物掺合料配制而成，并且在标准养护条件下，28d龄期的干表观密度<1950kg/m3的混凝土。这种混凝土由于孔隙率大、密度低、抗冻、保温性好，近年来被广泛使用。天然浮石是一种多孔玻璃质火山喷出岩，在内蒙古

地区分布广泛，蕴藏量大。

轻骨料混凝土与普通混凝土比较具有如下独特的性能特点：比强度高；具有隔热、保温、保湿功能；耐火性好；抗震性能好；耐久性好；抗裂性好；无碱集料效应；综合经济效益好。但浮

石的本身强度较低且成分组成差异性较大，致使轻骨料混凝土强度比较低且稳定性不足。在北方寒冷地区轻骨料混凝土的推广和应用因其基础强度较差而成为其发展的瓶颈。如何保证反复冻融条件下轻骨料混凝土的强度

，进而保证工程的使用寿命，是轻骨料混凝土在寒区进一步推广应用的关键，寻求改性效果显著的外加剂是提高轻骨料混凝土强度和耐久性的重要研究内容，此外掺入外加剂可提高其结构的密实度。轻骨料混凝土中加入

矿物掺合料，对在低温条件下混凝土的冻胀应力、温度应力和强度的发展变化规律等均具有相当重要的作用。国内外在轻骨料混凝土外加剂研究方面已有一些成果，但针对寒冷地区自然环境（尤其是西北盐碱地区环境）

的特点，矿物掺量对轻骨料混凝土反复冻融条件下的力学性能和耐久性影响的试验研究开展得尚不充分。

本书充分利用内蒙古地区丰富的浮石资源和工业废料，研究和开发水泥、浮石、砂子、粉煤灰、石粉等混合的

新型轻质节能寒区材料——天然浮石轻骨料混凝土，其主要优点是就地取材，减少砂石及水泥用量，节约能源，减轻环境污染等，具有十分重要的意义。轻质、高强、耐久是混凝土技术发展的方向，所以发展轻骨料混凝

土不仅能够满足自重轻、耐久性好等要求，并且属于绿色材料。

本书选取内蒙古地区的天然浮石作为粗骨料，通过室内试验，研究了石灰石粉和粉煤灰对水泥浆体流变性能的影响，探讨了二者对水泥净浆、水泥胶砂

工作性能的改善。为了研究轻骨料混凝土的基本力学性能和抗冻耐久性能，通过不同矿物掺量进行单掺试验，确定不同矿物掺量对轻骨料混凝土力学性能的影响及改性效果，并进行了双掺不同矿物的力学试验和在盐渍溶

液中的抗冻性能研究，同时结合内蒙古地区丰富的工业材料和自然资源，研究配制了针对寒冷地区的轻骨料混凝土，提出了它的最佳配合比。为了验证轻骨料混凝土的强度特征和耐久性，通过室内试验，对轻骨料混凝土

进行了不同掺量、不同养护龄期的抗压强度、劈裂强度、抗拉强度、抗冻性等试验。并结合电子计算机X射线断层扫描（CT）、环境扫描电镜（ESEM）、超景深三维显微系统试验分析探讨了轻骨料混凝土的细观力学特点

，分析了轻骨料混凝土内部的结构，并结合核磁共振测试，分析了冻融前后的内部孔隙损伤扩展特征。

本书利用低温核磁共振仪测量得到冷冻过程和融化过程中轻骨料混凝土孔溶液的结冰量，掌握孔溶液结冰的一般

规律，为预测轻骨料混凝土抗冻耐久性提供必要的参数。最后结合亚微观研究与宏观研究提出轻骨料抗冻耐久性预测模型，不仅定性地判断了轻骨料混凝土抗冻性的优劣，而且就轻骨料混凝土冻害的全过程进行了定量描

述。

本书得到了国家自然科学基金、高等学校博士学科点专项科研基金、内蒙古自然科学基金、内蒙古自治区科技计划（应用与研究开发项目）、内蒙古高等学校重点科研基金等的资助。

本书的成果在国家核心

期刊及大型国际会议上均有发表，共发表学术论文28篇，被两大国际检索系统收录10篇，其中SCI 1篇，EI 9篇。

全书由王萧萧、申向东统稿。参加本书编写工作的人员有内蒙古农业大学王萧萧、申向东、张通、高

矗、张佳阳、王海龙、韩俊涛、李燕、李红云、秦淑芳等。

本书所研究的内容属于建筑材料、岩土工程、工程力学的交叉学科，作者从2009年6月以来一直从事浮石混凝土的试验研究工作，但影响轻骨料混凝土抗冻

性能预测模型的因素众多，本书仅是结合室内试验理论进行预测模型，与真实的轻骨料混凝土抗冻耐久性预测模型尚有一定的误差。许多问题仍在研究与探索阶段，作者虽夙兴夜寐、殚心竭虑，但鉴于水平有限，书中难

免有不足之处，敬请广大读者和专家批评指正。

作 者

2014年12月

前言
第一章 绪论 1
1.1 研究背景和研究意义 1
1.2 国内外轻骨料混凝土研究现状 5
1.2.1 国外
轻骨料混凝土研究现状 5
1.2.2 国内轻骨料混凝土研究现状 7
1.3 混凝土的流变学 9
1.3.1 流变学发展应用 9
1.3.2 流变学混凝土 9
1.3.3 流变学的表征方法
10
1.4 粉煤灰-石灰石粉-水泥胶凝材料流变性能的发展现状 11
1.5 粉煤灰增强轻骨料混凝土的特性及应用 12
1.6 石粉掺合料对轻骨料混凝土的影响 13
1.7 研究的内容与方法
15
第二章 天然轻骨料的特性 17
2.1 天然轻骨料的开发和应用 19
2.2 轻骨料混凝土标准和规程的编制 20
2.3 轻骨料混凝土分类及优点 20
第三章 试验材料和试验方法
23
3.1 试验材料 23
3.1.1 天然浮石的基本性能 23
3.1.2 水泥 25
3.1.3 粉煤灰 26
3.1.4 石粉 27
3.1.5 细骨料 29
3.1.6 其他试验材料及基本性能
29
3.2 试样的制备及养护方法 30
3.2.1 水泥砂浆制备 30
3.2.2 轻骨料混凝土的制备 31
3.2.3 试件的养护方法 32
3.3 试验内容 33
3.3.1 细度模数的测定 33
3.3.2 粒度分析 33
3.3.3 流动性能的测定 34
3.3.4 和易性测定 35
3.3.5 浮石混凝土干表观密度的测试 36
3.3.6 抗压强度的测试 36
3.3.7 抗折强度的测试 37
3.3.8 劈裂抗拉强度的测试 38
3.3.9 轴心抗压强度试验 38
3.3.10 应力应变曲线试验 39
3.3.11 扫描电镜试验 40
3.3.12 轻骨料混凝土抗冻性试验 41
3.3.13 X射线计算
机断层成像技术（CT扫描） 43
第四章 粉煤灰、石灰石粉对水泥净浆流动性能的影响 45
4.1 概述 45
4.1.1 粉煤灰对水泥净浆流动度影响机理 45
4.1.2 石灰石粉对水泥净浆流动度影
响机理 46
4.2 试验方案 46
4.3 粉煤灰、石灰石粉与水泥粒度分析试验 47
4.4 粉煤灰、石灰石粉单掺对水泥净浆流变性的影响 48
4.4.1 粉煤灰与石灰石粉单掺对水泥净浆流动度与marsh
时间的影响 48
4.4.2 粉煤灰与石灰石粉单掺水泥净浆流动度与流动速度的关系 50
4.5 粉煤灰与石灰石粉复掺对水泥净浆流动度的影响 52
4.5.1 粉煤灰与石灰石粉复掺对水泥净浆流动度与marsh
时间的影响 52
4.5.2 粉煤灰与石灰石粉复掺对水泥净浆度与流动速度的影响 54
4.6 水泥净浆流变表征模型建立 56
4.7 小结 58
第五章 粉煤灰、石灰石粉对水泥胶砂工作性能的影响
59
5.1 概述 59
5.2 试验设计 59
5.3 粉煤灰、石灰石粉单掺对水泥胶砂流动度经时损失的影响 61
5.3.1 单掺粉煤灰对水泥胶砂流动度经时损失的影响 61
5.3.2 单掺石灰石粉对水泥
胶砂流动度经时损失的影响 63
5.4 粉煤灰、石灰石粉复掺对水泥胶砂流动度及经时损失的影响 65
5.5 小结 68
第六章 浮石混凝土基本力学性能试验研究 70
6.1 概述 70
6.2 试验
设计和配合比 70
6.3 试验现象与破坏形态分析 71
6.4 抗压强度和劈裂抗拉强度的换算关系 72
6.5 浮石混凝土抗压强度计算公式 74
6.6 小结 74
第七章 粉煤灰对轻骨料混凝
土性能影响的试验研究 76
7.1 试验概况 76
7.2 试验设计 76
7.3 粉煤灰对轻骨料混凝土抗压强度的影响 77
7.3.1 粉煤灰轻骨料混凝土抗压强度 77
7.3.2 粉煤灰轻骨料混凝土
回归分析 78
7.4 粉煤灰对轻骨料混凝土抗冻性能的影响 79
7.4.1 粉煤灰轻骨料混凝土抗冻性能 79
7.4.2 轻骨料混凝土100次冻融前后的应力-应变关系曲线 81
7.5 小结 82
第
八章 石粉替代砂子的轻骨料混凝土力学性能研究 83
8.1 概况及试验结果 83
8.2 不同掺量的石灰石粉对轻骨料混凝土工作性能的影响 84
8.3 不同掺量的石灰石粉对轻骨料混凝土抗压
强度的影响 84
8.4 不同掺量的石灰石粉对轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响 85
8.5 微观结构分析 86
8.6 小结 88
第九章 石粉替代水泥的轻骨料混凝土力学性能研究 89
9.1 概况
及试验结果 89
9.2 试验设计和配合比 90
9.3 石灰石粉掺量对浮石混凝土抗压强度的影响 90
9.4 石灰石粉掺量对浮石混凝土劈裂抗拉强度的影响 92
9.5 掺石灰石粉浮石混凝土
微观结构分析 93
9.6 石粉石粉对浮石混凝土作用机理和规律分析 95
9.7 小结 96
第十章 应力损伤轻骨料混凝土抗冻融性能试验研究 98
10.1 概述 98
10.2 试验设计
98
10.3 试验结果与分析 99
10.3.1 相对动弹性模量 99
10.3.2 质量损失率及破坏形态 100
10.3.3 微结构特征分析 101
10.3.4 冻融损伤机理分析 104
10.3.5 冻融损伤
演化过程分析 105
10.4 小结 106
第十一章 石粉和粉煤灰双掺对轻骨料混凝土力学性能的影响研究 108
11.1 概况及试验结果 108
11.2 石粉对轻骨料混凝土基本力学性能试验
研究（含早期） 110
11.2.1 石粉对轻骨料混凝土和易性能的影响 110
11.2.2 石粉对轻骨料混凝土抗压强度的影响 111
11.2.3 石粉对轻骨料混凝土抗折强度的影响 112
11.2.4 石粉对轻骨料混凝
土轴心抗压强度的影响 113
11.3 石粉轻骨料混凝土应力应变-本构关系 113
11.3.1 应力-应变曲线 113
11.3.2 无量纲化应力-应变全过程曲线 115
11.3.3 石粉轻骨料混凝的本构方程
116
11.4 石粉轻骨料微观结构形态分析 117
11.5 小结 120
第十二章 石粉轻骨料混凝土在盐渍溶液中抗冻性能的试验研究 121
12.1 冻融循环的试验设计 121
12.2 石粉轻骨料混凝土抗
冻性试验 122
12.2.1 石粉轻骨料混凝土冻融循环后的试验结果 122
12.2.2 河套灌区溶液对冻融循环过程中抗压强度损伤的影响 123
12.2.3 河套灌区溶液对冻融循环过程中质量损伤的过
程 125
12.2.4 石粉轻骨料混凝土的冻融后破坏形式 126
12.3 石粉轻骨料混凝土冻融损伤机理分析 131
12.3.1 化学反应机理 131
12.3.2 混凝土冻融循环损伤 133
12.3.3
轻骨料混凝土的损伤试验 133
12.3.4 石粉轻骨料混凝土冻融损伤破坏机理分析 133
12.4 小结 134
第十三章 矿物轻骨料混凝土细观研究初探 136
13.1 混凝土细观力学的研究
138
13.1.1 混凝土细观力学的研究方法 139
13.1.2 细观力学数值模拟研究 139
13.1.3 细观力学试验研究 144
13.2 计算机断层扫描的基本原理 146
13.2.1 CT的一般原理 146
13.2.2 CT技术的应用领域 147
13.2.3 CT扫描原理与方法 148
13.3 CT机的构成 150
13.4 试样制备与试验过程 154
13.5 CT图像分析 154
13.6 ESEM照片 156
13.7 超景深三维
显微系统的基本特点 158
13.8 利用超景深三维显微系统进行测试 160
13.9 超景深显微形貌分析 161
13.10 微裂纹变化 162
13.11 小结 164
第十四章 矿物轻骨料混凝
土核磁共振研究初探 165
14.1 核磁共振基本原理 166
14.1.1 原子核的磁性 166
14.1.2 极化 167
14.1.3 脉冲翻转和自由感应衰减 169
14.1.4 自旋回波及CPMG 170
14.2 核磁共振在多孔材料中的应用原理 171
14.2.1 孔隙流体的核磁共振弛豫机制 171
14.2.2 自由弛豫 172
14.2.3 表面弛豫 172
14.2.4 扩散弛豫 173
14.2.5 孔隙流体
的多指数衰减 173
14.3 核磁共振成像技术 174
14.4 核磁共振测量仪器 176
14.4.1 核磁共振分析系统 176
14.4.2 真空饱和装置 178
14.5 基于NMR技术的轻骨料混凝土孔隙结构测
量实验 179
14.5.1 试验设计 179
14.5.2 实验步骤 179
14.5.3 试验结果及分析 181
14.5.4 核磁共振成像分析 183
14.6 传统试验方法测试 184
14.6.1 质量损伤 184
14.6.2
相对动弹模量 186
14.6.3 质量损伤、相对动弹模量与孔隙率的结果对比 187
14.7 小结 188
第十五章 轻骨料混凝土核磁共振的应用研究 189
15.1 轻骨料混凝土渠道衬砌冻融损伤的核磁
共振特征分析 189
15.2 超声波测试 189
15.3 毛细吸水量分析 190
15.4 天然浮石混凝土孔隙度 192
15.5 核磁共振T2谱分布 194
15.6 T2谱面积分析 196
15.7 核
磁共振成像分析 197
15.8 小结 200
第十六章 轻骨料混凝土孔隙结冰规律的研究 201
16.1 轻骨料混凝土的孔结构与其抗冻性的关系 201
16.1.1 凝胶孔 201
16.1.2 毛细孔
201
16.1.3 非毛细孔 201
16.2 混凝土孔溶液的冻结 202
16.3 已有的实验方法 203
16.4 轻骨料混凝土孔溶液结冰量的测试 204
16.4.1 试验测试原理 204
16.4.2 试验方法
和测试过程 205
16.5 试验结果及分析 206
16.5.1 未冻水含量测试 206
16.5.2 T2谱图及孔径分布 209
16.5.3 孔隙度测试 214
16.6 小结 216
第十七章 轻骨料
混凝土抗冻耐久性预测模型 217
17.1 混凝土冻融破坏机理 217
17.1.1 静水压假说 217
17.1.2 渗透压假说 219
17.2 轻骨料混凝土抗冻耐久性预测模型 220
17.2.1
静水压是导致轻骨料混凝土冻害的主要原因 221
17.2.2 冻融中轻骨料混凝土内应力的计算模型 222
17.3 轻骨料混凝土静水压计算过程 224
17.3.1 硬化混凝土气泡参数试验 224
17.3.2
静水压力的计算 227
17.4 预测轻骨料混凝土抗冻耐久性的疲劳损伤模型 230
17.4.1 损伤力学的研究方法 230
17.4.2 混凝土冻害损伤演化方程 231
17.4.3 预测轻骨料混凝土的疲劳损
伤模型 232
17.5 模型的验证 233
17.6 小结 234
第十八章 结语 235
18.1 结论 235
18.2 展望 239
参考文献 241

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2. 民用航空飞机标准线路施工 [主编　王志敏　陈明]
3. 不息的水脉—大运河讲谈录 [赵珩　著]
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5. 三峡梯级电站水资源决策支持系统研究与开发 [姚华明 潘红忠 汤正]
6. 海南黎族民俗文化鉴赏 [庞国华　著]
7. 石墨烯在太赫兹及中红外频段电磁器件设计中的应用 [李艳秀 庄华伟 著]
8. 电子技术（第二版） [主编 覃爱娜 李飞]
9. 办公自动化高级应用 [陈萍 朱晓玉]
10. 信息处理技术员考试32小时通关 [薛大龙]
11. 电子产品设计案例教程（微课版）—基于嘉立创EDA（专业版） [王静 莫志宏 陈学昌 丁红]
12. C程序设计实践教程 [刘卫国]
13. C程序设计（慕课版） [刘卫国]
14. Web技术开发教程（基于.NET开源MVC框架） [王合闯 韩红玲 王青正 陈海蕊]
15. 商务英语翻译教程（笔译）（第四版） [主编 王军平]
16. 智慧零售技术与应用 [洪旭 著]
17. 建设工程法规实务 [主编 余滢]
18. 商务秘书理论与实务（第三版） [主编 张同钦]
19. 程序设计基础实践教程（C/C++语言版） [张桂芬 葛丽娜]
20. C++案例项目精讲 [主编 杨国兴]
21. 劳动争议处理实务 [主编 王秀卿 罗静]
22. 工程数学 [主编 郭立娟 王海]
23. 语音识别理论与实践 [主编　莫宏伟]
24. 信息系统项目管理师章节习题与考点特训（第二版） [主编 薛大龙]
25. 武术基础教程 [主编 李代勇 谢志民]
26. 计算机网络实训教程 [主编 张浩军 赵玉娟]
27. 画法几何与机械制图习题集（多学时） [主编 赵军]
28. HCIA-Datacom认证题库分类精讲 [主 编 韩立刚]
29. SwiftUI完全开发 [李智威 著]
30. 网络规划设计师备考一本通 [夏杰 编著]