HPC中礦物摻料疊合效應的試驗研究

摘　要:　通過對HPC (高性能混凝土)配制過程中加入多種細摻料疊合效應的試驗研究,確定了一組最優(yōu)混凝土配合比,闡述了礦物摻料疊加效應的作用機理,為今后復摻配制技術提供了可靠的科學依據(jù)。

關鍵詞:　摻料　　疊加效應　　配合比　　高性能混凝土

中圖法分類號:　TU528104; 　　文獻標識碼:　B

　　高性能混凝土是20世紀90年代發(fā)展起來的一種新型高技術混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上,采用現(xiàn)代制作技術生產(chǎn)的水泥基復合材料;它以耐久性為設計指標,并針對不同的用途要求,設計性能指標可有重點進行選擇,并在設計和施工中保證耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性、經(jīng)濟性。

　　雖然高性能混凝土是從高強混凝土發(fā)展而來的,但不能把它們混為一談。混凝土的性能包括力學性能及非力學性能。高性能混凝土不但具有很高的強度,而且擁有十分優(yōu)異的非力學性能,比單一的高強混凝土更有廣闊的應用前景。就我國的工程應用要求和現(xiàn)代施工技術水平而言,應大力發(fā)展,從根本上解決目前混凝土十分嚴重的病害問題。

　　在HPC (高性能混凝土)中摻入一種或兩種礦物摻料的試驗成果和技術已有不少報道,但有關多種礦物摻料在HPC中疊加效應的研究還較少,如水泥與各摻合料之間的適應性、各摻合料之間的交互作用等、以及它們共同改善膠凝材料的水化產(chǎn)物組成能力,改善混凝土的力學性能和耐久性的能力等。由于礦物摻合料的加入,高效減水劑分散水泥的作用受到一定的影響,以及高效減水劑對摻合料作用疊加效應的影響,都有待于進一步研究。本文試驗正是基于解決上述問題而進行設計開展的。

1　HPC制備技術及目前發(fā)展狀況

　　相對普通混凝土而言,實現(xiàn)混凝土的高性能化有兩條基本途徑: 一是在混凝土中加入高效減水劑,使得采用水泥和其他物料拌成的混合膠凝材料既能大幅度降低用水量,又有很高的流動性。這種混凝土方便施工,同時具有較低的孔隙率,提高了材料的密實性;進而提高強度及耐久性。二是在混凝土中摻入活性礦物細摻料,它們不但可以改善水化產(chǎn)物組成,還能提高膠凝物質(zhì)質(zhì)量。根據(jù)有關研究結果,優(yōu)良的活性礦物摻料提供的強度貢獻率可達20%～63%。

　　復合化是材料進化研究工作的主要途徑之一,可以通過不同材料組分性能的超疊加效應(即1 + 2> 3) ,使復合材料發(fā)揮更優(yōu)良的性能。對于HPC,因其性能是多組分共同作用的結果,且各組分之間的疊加效應也十分明顯。膠結材料中的水泥與細摻料的復合,水泥、細摻料和多種外加劑的復合,將通過大量的創(chuàng)新,使HPC性能更好、更經(jīng)濟、更有利于擴大應用。國外有關資料表明, 5%硅灰+ 5%粉煤灰相當于10%硅灰,性能上的疊加效應明顯。以礦渣為主,粉煤灰占20%左右的HPC也有大量研究和應用。清華大學以一級粉煤灰為主,再添加沸石粉,兩種摻料總量為30%～50%,混凝土3 d抗壓強度達(30—50) MPa, 28 d抗壓強度(70—95) MPa,Cl- 滲透性也很低。此外,華南理工大學以5% —40%粉煤灰+ 5%沸石粉+ 5%石膏復摻,獲得混凝土3 d抗壓強度達(35. 6～41. 9) MPa, 28 d抗壓強度(54. 9～65. 9) MPa。其他復摻技術,如?；郀t礦渣與水淬礦渣復合、粉煤灰與UEA型膨脹劑復摻等,都取得了令人滿意的效果。但目前更多地僅限于單摻及雙摻,摻入的礦物摻料越多,試驗考慮的因素和水平越多,試驗量增加,花費財富及人力時間,使研究工作受到限制。本文正是在這種背景下在這一方向做一些基本理論分析和試驗研究,為HPC復摻技術的發(fā)展做一些工作。

2　試驗研究

2. 1　試驗內(nèi)容

　　根據(jù)目前的試驗條件及能獲得的材料,完成以下幾方面工作:

　　(1)將均勻設計法引入HPC的配比中來,解決工程中常用的正交設計難以解決多因素、多水平試驗。

　　(2)運用回歸分析方法分析試驗結果,以找出試驗中所用硅灰、粉煤灰、礦渣、膨脹劑和高效減水劑之間的最優(yōu)配比關系。

　　(3)初步分析HPC中多種礦物摻合料的疊加效應。

2. 2　試驗設計

2. 2. 1　試驗原材料的選擇及其基本性質(zhì)

　　(1)水泥

　　水泥采用葫蘆島渤海牌普通硅酸鹽水泥, 3 d、28 d 實測強度見表1,其他指標亦符合國家標準(GB 175 - 1999) 。

表1　水泥實測強度表

　　(2) 硅灰

　　試驗用硅灰為袋裝淺灰粉狀物,微粒形狀呈微細玻璃球狀, 比重為2. 35 g/ cm3 , 平均粒徑0. 16μm,比表面積18. 5 m2 /g。

　　(3) 磨細礦渣

　　采用首鋼磨細礦渣,比重為2. 92 g/ cm3 ,比表面積4000 m2 /g,堿度適中。

　　(4)粉煤灰

　　采用阜新發(fā)電廠一級粉煤灰,燒失量為0. 52% ,細度為11. 8。

　　(5)膨脹劑

　　采用長春市寬城化工廠生產(chǎn)的UEA2W型復合膨脹劑,比重2. 88 g/ cm3 ,比表面積3 500 m2 /g。

　　(6)高效減水劑

　　采用遼寧省建筑材料研究所研制的XF2Ⅱ型高效減水劑, 色澤為深灰色粉末, 減水率為20% ～25% ,最優(yōu)摻量在1%～1. 5%。

　　(7)細骨料

　　采用阜新紅帽子河砂,表觀密度2. 55 g/ cm3 ,堆積密度1 560 kg/m3 ,孔隙率為38. 2% ,細度模數(shù)MX為3. 345,屬粗砂,顆粒級配組成見表2。

表2　砂的篩分試驗結果

　　(8)粗骨料

　　采用阜新大巴溝硬質(zhì)碎石,經(jīng)篩分、調(diào)配使之符合5—20 mm的連續(xù)級配要求。表觀密度2. 68 g/ cm3 ,堆積密度1 450 kg/m3 ,孔隙率42. 54%,級配良好。

　　(9)砂率

　　據(jù)已有研究成果, HPC 的性能受砂率影響很大,本試驗為研究礦物摻料之間的疊加效應,必須排除這一部分的影響,砂率值均取為35%。

2. 2. 2　試驗過程及結果

　　采用聚勻設計法安排試驗,選取水膠比、水泥、硅灰、磨細礦渣、粉煤灰、膨脹劑和高效減水劑7個因素,它們的水平數(shù)變化范圍如下: 水泥: ( 280 ～340) kg/m3、用水量: ( 164. 1 ～195. 48 ) kg/m3、礦渣: (50～110) kg/m3、高效減水劑: ( 2～8) kg/m3、硅灰: ( 20 ～50) kg/m3、粉煤灰( 75 ～135) kg/m3。拌制11 L混凝土時各因素水平數(shù)確定為16個,選用U3 (167 )的均勻設計表。并采用SPSS統(tǒng)計軟件回歸分析,應用MATL IB優(yōu)化方法可獲得多組分HPC的最優(yōu)工藝條件(見表3)及試驗結果(見表4)。為檢驗實驗結果的正確性,采取了實驗驗證及超聲波檢測,結果表明,本試驗結果合理準確,混凝土時際密實度相當高。

3　結語

　　通過試驗研究和理論分析,獲得如下結論:

　　(1)均勻設計法在解決礦物摻料的最優(yōu)配比設計中發(fā)揮了很大作用,大大減少試驗次數(shù)。正交設計需做256次試驗,而均勻設計法僅做16次。

　　(2)通過優(yōu)化分析,可以確定出用于配制HPC的一組礦物細摻料的配合比關系為水泥∶磨細礦渣∶粉煤灰∶硅灰∶膨脹劑= 3∶1∶1∶0. 2∶0. 02。

　　(3)采用P. O42. 5水泥和上述比例關系,可配制出塌落度為130mm、早期強度高、后期強度增長幅度大的高性能混凝土。其7 d、28 d和56 d的抗壓強度分別為47. 55MPa、71. 05MPa、和88. 8MPa,后期增長率可達25%。

　　(4)含有多種礦物細摻料的HPC的性能的改變并不是它們作用效果的簡單疊加,而是它們之間超疊加效應作用的結果; 對于不同種類的礦物細摻料,它們之間存在一個最優(yōu)比例關系。

　　(5)超聲波所測得的最大波速所對應試件,其值為537 m / s, 全部試件28 d 最小波速達到438m / s,這說明本試驗獲得的試件達到了設計要求。

　　(6)在混凝土配比過程中,發(fā)現(xiàn)UEA2W型膨脹劑及礦物細摻料的細度對拌合物的塌落度影響較大。

　　(7)不足之處:由于試驗設備及其他條件限制,只能對宏觀的力學性能進行分析,對礦物細摻料的作用機理無法進行微觀分析,關于礦物細摻料的水化程度及微粒的分布梯度等問題,有待進一步研究。

參　考　文　獻

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