HPC中矿物掺料叠合效应的试验研究

摘　要:　通过对HPC (高性能混凝土)配制过程中加入多种细掺料叠合效应的试验研究,确定了一组最优混凝土配合比,阐述了矿物掺料叠加效应的作用机理,为今后复掺配制技术提供了可靠的科学依据。

关键词:　掺料　　叠加效应　　配合比　　高性能混凝土

中图法分类号:　TU528104; 　　文献标识码:　B

　　高性能混凝土是20世纪90年代发展起来的一种新型高技术混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上,采用现代制作技术生产的水泥基复合材料;它以耐久性为设计指标,并针对不同的用途要求,设计性能指标可有重点进行选择,并在设计和施工中保证耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性。

　　虽然高性能混凝土是从高强混凝土发展而来的,但不能把它们混为一谈。混凝土的性能包括力学性能及非力学性能。高性能混凝土不但具有很高的强度,而且拥有十分优异的非力学性能,比单一的高强混凝土更有广阔的应用前景。就我国的工程应用要求和现代施工技术水平而言,应大力发展,从根本上解决目前混凝土十分严重的病害问题。

　　在HPC (高性能混凝土)中掺入一种或两种矿物掺料的试验成果和技术已有不少报道,但有关多种矿物掺料在HPC中叠加效应的研究还较少,如水泥与各掺合料之间的适应性、各掺合料之间的交互作用等、以及它们共同改善胶凝材料的水化产物组成能力,改善混凝土的力学性能和耐久性的能力等。由于矿物掺合料的加入,高效减水剂分散水泥的作用受到一定的影响,以及高效减水剂对掺合料作用叠加效应的影响,都有待于进一步研究。本文试验正是基于解决上述问题而进行设计开展的。

1　HPC制备技术及目前发展状况

　　相对普通混凝土而言,实现混凝土的高性能化有两条基本途径: 一是在混凝土中加入高效减水剂,使得采用水泥和其他物料拌成的混合胶凝材料既能大幅度降低用水量,又有很高的流动性。这种混凝土方便施工,同时具有较低的孔隙率,提高了材料的密实性;进而提高强度及耐久性。二是在混凝土中掺入活性矿物细掺料,它们不但可以改善水化产物组成,还能提高胶凝物质质量。根据有关研究结果,优良的活性矿物掺料提供的强度贡献率可达20%～63%。

　　复合化是材料进化研究工作的主要途径之一,可以通过不同材料组分性能的超叠加效应(即1 + 2> 3) ,使复合材料发挥更优良的性能。对于HPC,因其性能是多组分共同作用的结果,且各组分之间的叠加效应也十分明显。胶结材料中的水泥与细掺料的复合,水泥、细掺料和多种外加剂的复合,将通过大量的创新,使HPC性能更好、更经济、更有利于扩大应用。国外有关资料表明, 5%硅灰+ 5%粉煤灰相当于10%硅灰,性能上的叠加效应明显。以矿渣为主,粉煤灰占20%左右的HPC也有大量研究和应用。清华大学以一级粉煤灰为主,再添加沸石粉,两种掺料总量为30%～50%,混凝土3 d抗压强度达(30—50) MPa, 28 d抗压强度(70—95) MPa,Cl- 渗透性也很低。此外,华南理工大学以5% —40%粉煤灰+ 5%沸石粉+ 5%石膏复掺,获得混凝土3 d抗压强度达(35. 6～41. 9) MPa, 28 d抗压强度(54. 9～65. 9) MPa。其他复掺技术,如粒化高炉矿渣与水淬矿渣复合、粉煤灰与UEA型膨胀剂复掺等,都取得了令人满意的效果。但目前更多地仅限于单掺及双掺,掺入的矿物掺料越多,试验考虑的因素和水平越多,试验量增加,花费财富及人力时间,使研究工作受到限制。本文正是在这种背景下在这一方向做一些基本理论分析和试验研究,为HPC复掺技术的发展做一些工作。

2　试验研究

2. 1　试验内容

　　根据目前的试验条件及能获得的材料,完成以下几方面工作:

　　(1)将均匀设计法引入HPC的配比中来,解决工程中常用的正交设计难以解决多因素、多水平试验。

　　(2)运用回归分析方法分析试验结果,以找出试验中所用硅灰、粉煤灰、矿渣、膨胀剂和高效减水剂之间的最优配比关系。

　　(3)初步分析HPC中多种矿物掺合料的叠加效应。

2. 2　试验设计

2. 2. 1　试验原材料的选择及其基本性质

　　(1)水泥

　　水泥采用葫芦岛渤海牌普通硅酸盐水泥, 3 d、28 d 实测强度见表1,其他指标亦符合国家标准(GB 175 - 1999) 。

表1　水泥实测强度表

　　(2) 硅灰

　　试验用硅灰为袋装浅灰粉状物,微粒形状呈微细玻璃球状, 比重为2. 35 g/ cm3 , 平均粒径0. 16μm,比表面积18. 5 m2 /g。

　　(3) 磨细矿渣

　　采用首钢磨细矿渣,比重为2. 92 g/ cm3 ,比表面积4000 m2 /g,碱度适中。

　　(4)粉煤灰

　　采用阜新发电厂一级粉煤灰,烧失量为0. 52% ,细度为11. 8。

　　(5)膨胀剂

　　采用长春市宽城化工厂生产的UEA2W型复合膨胀剂,比重2. 88 g/ cm3 ,比表面积3 500 m2 /g。

　　(6)高效减水剂

　　采用辽宁省建筑材料研究所研制的XF2Ⅱ型高效减水剂, 色泽为深灰色粉末, 减水率为20% ～25% ,最优掺量在1%～1. 5%。

　　(7)细骨料

　　采用阜新红帽子河砂,表观密度2. 55 g/ cm3 ,堆积密度1 560 kg/m3 ,孔隙率为38. 2% ,细度模数MX为3. 345,属粗砂,颗粒级配组成见表2。

表2　砂的筛分试验结果

　　(8)粗骨料

　　采用阜新大巴沟硬质碎石,经筛分、调配使之符合5—20 mm的连续级配要求。表观密度2. 68 g/ cm3 ,堆积密度1 450 kg/m3 ,孔隙率42. 54%,级配良好。

　　(9)砂率

　　据已有研究成果, HPC 的性能受砂率影响很大,本试验为研究矿物掺料之间的叠加效应,必须排除这一部分的影响,砂率值均取为35%。

2. 2. 2　试验过程及结果

　　采用聚匀设计法安排试验,选取水胶比、水泥、硅灰、磨细矿渣、粉煤灰、膨胀剂和高效减水剂7个因素,它们的水平数变化范围如下: 水泥: ( 280 ～340) kg/m3、用水量: ( 164. 1 ～195. 48 ) kg/m3、矿渣: (50～110) kg/m3、高效减水剂: ( 2～8) kg/m3、硅灰: ( 20 ～50) kg/m3、粉煤灰( 75 ～135) kg/m3。拌制11 L混凝土时各因素水平数确定为16个,选用U3 (167 )的均匀设计表。并采用SPSS统计软件回归分析,应用MATL IB优化方法可获得多组分HPC的最优工艺条件(见表3)及试验结果(见表4)。为检验实验结果的正确性,采取了实验验证及超声波检测,结果表明,本试验结果合理准确,混凝土时际密实度相当高。

3　结语

　　通过试验研究和理论分析,获得如下结论:

　　(1)均匀设计法在解决矿物掺料的最优配比设计中发挥了很大作用,大大减少试验次数。正交设计需做256次试验,而均匀设计法仅做16次。

　　(2)通过优化分析,可以确定出用于配制HPC的一组矿物细掺料的配合比关系为水泥∶磨细矿渣∶粉煤灰∶硅灰∶膨胀剂= 3∶1∶1∶0. 2∶0. 02。

　　(3)采用P. O42. 5水泥和上述比例关系,可配制出塌落度为130mm、早期强度高、后期强度增长幅度大的高性能混凝土。其7 d、28 d和56 d的抗压强度分别为47. 55MPa、71. 05MPa、和88. 8MPa,后期增长率可达25%。

　　(4)含有多种矿物细掺料的HPC的性能的改变并不是它们作用效果的简单叠加,而是它们之间超叠加效应作用的结果; 对于不同种类的矿物细掺料,它们之间存在一个最优比例关系。

　　(5)超声波所测得的最大波速所对应试件,其值为537 m / s, 全部试件28 d 最小波速达到438m / s,这说明本试验获得的试件达到了设计要求。

　　(6)在混凝土配比过程中,发现UEA2W型膨胀剂及矿物细掺料的细度对拌合物的塌落度影响较大。

　　(7)不足之处:由于试验设备及其他条件限制,只能对宏观的力学性能进行分析,对矿物细掺料的作用机理无法进行微观分析,关于矿物细掺料的水化程度及微粒的分布梯度等问题,有待进一步研究。

参　考　文　献

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