膨脹劑對(duì)無(wú)熟料混凝土力學(xué)收縮性能試驗(yàn)研究

王曉博 裴長(zhǎng)春*

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

膨脹劑對(duì)無(wú)熟料混凝土力學(xué)收縮性能試驗(yàn)研究

王曉博 裴長(zhǎng)春*

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

為了降低無(wú)熟料水泥混凝土的早期收縮量，試驗(yàn)研究了不同摻合率膨脹劑對(duì)使用粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢棄物無(wú)熟料水泥混凝土性能的影響，其結(jié)果表明：在水膠比為0.35和0.45時(shí)，隨著膨脹劑摻合率增加，混凝土流動(dòng)性有所起伏，但均低于OPC，隨著膨脹劑摻合率增加，混凝土的強(qiáng)度得到提高，其中膨脹劑摻合率為5%時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度增進(jìn)效果比較顯著，且使混凝土的收縮率降低到良好的范圍內(nèi)。

無(wú)熟料水泥混凝土，膨脹劑，抗壓強(qiáng)度，干縮率

目前，我國(guó)城市化建設(shè)飛速發(fā)展、建設(shè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，水泥的需求量增長(zhǎng)迅速。一般在水泥生產(chǎn)中排放大量粉塵、煙塵和酸性氧化物，繼而造成了嚴(yán)重環(huán)境污染及資源浪費(fèi)，破壞生態(tài)平衡，加速了“地球溫暖化”。還有火力發(fā)電廠排放的粉煤灰、煉鋼中產(chǎn)生的礦渣等工業(yè)廢棄物作為固體廢物排放堆存，容易起塵、污染環(huán)境、占用大量土地、污染耕地環(huán)境和水資源[1-6]。有效地利用粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢棄物作為混凝土材料是解決水泥資源枯竭問(wèn)題、減少環(huán)境污染的重要途徑。但使用這些工業(yè)廢棄物作為膠凝材料配制的混凝土有早期強(qiáng)度低、干縮嚴(yán)重等質(zhì)量問(wèn)題。本文中為了降低無(wú)熟料水泥混凝土的早期收縮量，提高混凝土的耐久性，做不同摻合率膨脹劑對(duì)使用粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢棄物無(wú)熟料水泥混凝土性能試驗(yàn)，為無(wú)熟料水泥混凝土的配制應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及方法

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中以水膠比為0.35和0.45，以質(zhì)量比同時(shí)摻合粉煤灰47.5%、礦渣47.5%、低純度石灰粉5%作為膠凝體，使用KOH及NaOH復(fù)合激發(fā)劑摻總膠凝體質(zhì)量的7.5%(其中KOH占2.5%，NaOH占5%)的混凝土作為基準(zhǔn)混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。并對(duì)基準(zhǔn)混凝土改變膨脹劑摻合率0%，2.5%，5%，7.5%，又為了與其性能比較，配制使用100%普通硅酸鹽水泥的混凝土(以下稱為OPC)，共計(jì)劃10組試驗(yàn)。并在塑性狀態(tài)下測(cè)定混凝土的擴(kuò)展度，在硬化狀態(tài)下測(cè)定混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度和干縮值。試驗(yàn)采用的混凝土配合比如表1所示。

1.2 原材料的選擇

表1 無(wú)熟料混凝土配合比

本試驗(yàn)采用的水泥是延邊地區(qū)汪清縣廟嶺所生產(chǎn)的廟嶺牌P.C32.5水泥(密度3 115 kg/m3)；粉煤灰選擇延吉市龍華國(guó)電有限公司生產(chǎn)的粉煤灰(密度2 200 kg/m3)；礦渣選擇濟(jì)南市歷城區(qū)榮興達(dá)礦粉廠生產(chǎn)的礦渣(密度為2 890 kg/m3)。低純度石灰粉選擇吉林富強(qiáng)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的石灰粉(密度為2.7 g/cm3)，骨料使用吉林省延吉產(chǎn)河砂(密度為2.53 g/cm3)及天然石子(密度為2.78 g/cm3)。減水劑使用粉狀聚羧酸高效減水劑(密度為550 kg/m3)；膨脹劑(密度2.7 g/cm3)；水為來(lái)自實(shí)驗(yàn)室普通自來(lái)水；激發(fā)劑使用NaOH(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.0%)和KOH(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82.0%)。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中混凝土攪拌時(shí)采用單臥單軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)。按照表1要求配合比，將膠凝材料、粗骨料、細(xì)骨料在攪拌機(jī)中干拌1 min,再加入水和激發(fā)劑溶液濕拌3 min。出料后塑性狀態(tài)下按照GB/T 50080—2002普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)定混凝土擴(kuò)展度。硬化狀態(tài)下按照GB/T 50081—2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法的規(guī)定測(cè)定抗壓強(qiáng)度。按照GB/T 50082—2009普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法進(jìn)行伸縮試驗(yàn)，澆筑、振動(dòng)成型為帶不銹鋼測(cè)頭的100 mm×100 mm×515 mm棱柱體試件。成型后的試件表面用塑料薄膜覆蓋,采用保濕養(yǎng)護(hù),1 d后拆模,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后,在齡期3 d測(cè)定試件的初始長(zhǎng)度,移入恒溫恒濕室(溫度20 ℃±2 ℃,濕度60%±5%)觀測(cè)試件在1 d,3 d,5 d,7 d,14 d,21 d,28 d,35 d,45 d,60 d,90 d,150 d,180 d的干燥收縮值，測(cè)試儀器采用SP-175型立式收縮儀,測(cè)量精度0.001 mm?；炷潦湛s值按下式計(jì)算:εst=(L0-Lt)/Lb。其中，εst為試驗(yàn)期為t天的混凝土收縮值，t從測(cè)定初始長(zhǎng)度算起；Lb為試件的測(cè)量標(biāo)距，用混凝土收縮儀測(cè)定時(shí)應(yīng)等于兩測(cè)頭內(nèi)側(cè)的距離，即等于混凝土試件的長(zhǎng)度(不計(jì)測(cè)頭凸出部分)減去2倍測(cè)頭埋入深度，mm；L0為試件長(zhǎng)度的初始讀數(shù)，mm；Lt為試件在試驗(yàn)期為t天時(shí)測(cè)得的長(zhǎng)度讀數(shù)，mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 流動(dòng)性

圖1為W/B分別為0.35，0.45時(shí)膨脹劑摻合率變化下的無(wú)熟料水泥混凝土擴(kuò)展度。首先當(dāng)W/B=0.35時(shí)未摻膨脹劑的基準(zhǔn)混凝土擴(kuò)展度為380 mm，與使用100%普通硅酸鹽水泥的OPC擴(kuò)展度相差比較大。這是因?yàn)榈V渣粉和粉煤灰在強(qiáng)堿激發(fā)劑的作用下分別發(fā)生潛在水硬性反應(yīng)和火山灰反應(yīng)，使混凝土結(jié)構(gòu)逐步形成，降低了混凝土流動(dòng)性。隨著膨脹劑摻合率的變化混凝土的流動(dòng)性相差不大。當(dāng)W/B=0.45時(shí)基準(zhǔn)混凝土擴(kuò)展度為530 mm，與使用100%普通硅酸鹽水泥的OPC擴(kuò)展度相差比較大。隨著膨脹劑摻合率的變化混凝土的流動(dòng)性逐步降低，這是因?yàn)榕蛎泟┰趬A性環(huán)境中水化生成的鈣礬石晶體使混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加速形成，降低了混凝土流動(dòng)性。

2.2 抗壓強(qiáng)度

圖2，圖3分別為W/B=0.35時(shí)膨脹劑摻合率變化下的3 d，7 d，28 d的抗壓強(qiáng)度和相對(duì)OPC抗壓強(qiáng)度百分比。從圖中可知，在齡期3 d時(shí),基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度達(dá)到17.5 MPa，達(dá)到OPC強(qiáng)度的71.2%。隨著齡期的增長(zhǎng)強(qiáng)度提高的幅度逐步增大。當(dāng)齡期28 d時(shí)，基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度值達(dá)到28.6 MPa，強(qiáng)度發(fā)揮到OPC的68.7%。這是因?yàn)樵趬A性激發(fā)劑作用下，在無(wú)熟料水泥膠凝體中磨細(xì)礦渣粒子玻璃體被擊碎，使礦渣發(fā)生潛在水硬性反應(yīng),粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成了相對(duì)較多的水化物，致使混凝土強(qiáng)度得到提高。隨著膨脹劑摻合率的增加雖然有一些起伏，但相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土有所提高。特別是在齡期28 d時(shí)，摻合5%膨脹劑的35-U5比基準(zhǔn)混凝土提高了13.0%，達(dá)到OPC混凝土90%水準(zhǔn)，強(qiáng)度提高效果比較顯著。這是因?yàn)榕蛎泟┰趬A性環(huán)境中發(fā)生水化反應(yīng)，生成的針狀鈣礬石填充混凝土中的孔隙，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，從而提高了混凝土強(qiáng)度。

圖4，圖5分別為W/B=0.45時(shí)膨脹劑摻入率變化下的3 d，7 d，28 d的抗壓強(qiáng)度和相對(duì)OPC抗壓強(qiáng)度百分比。在齡期3 d時(shí),基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度達(dá)到13.2 MPa，隨著齡期增長(zhǎng)強(qiáng)度逐步提高，在齡期28 d時(shí)，基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度值達(dá)到25.1 MPa，達(dá)到OPC的77.3%。隨著膨脹劑摻合率變化，摻合5%膨脹劑的45-U5強(qiáng)度值達(dá)到26.8 MPa，達(dá)到OPC混凝土81.1%水準(zhǔn)，強(qiáng)度增進(jìn)效果顯著。

2.3 干燥收縮

圖6為W/B=0.35和0.45時(shí)不同齡期的混凝土干縮率。首先W/B=0.35時(shí)，OPC和基準(zhǔn)混凝土因在空氣中散失水分而體積有縮變，且隨著齡期的增長(zhǎng)收縮率大致有相似趨勢(shì)。隨著膨脹劑摻合率的變化混凝土的收縮率逐步降低，在摻合5%膨脹劑的35-U5收縮率降低到215.97×10-6，得到較良好的效果。這是因?yàn)榕蛎泟┰诨炷林邪l(fā)生水化反應(yīng)，在粒子周?chē)膳帕胁灰?guī)則的針狀晶體鈣礬石，鈣礬石向周?chē)牧Ｗ訑U(kuò)大，結(jié)晶壓力引起體積膨脹[7]，混凝土得到膨脹補(bǔ)償，繼而降低了總的收縮量。當(dāng)W/B=0.45時(shí)，OPC和基準(zhǔn)混凝土隨著齡期的增長(zhǎng)收縮率發(fā)展趨勢(shì)也相近。隨著膨脹劑摻合率的變化混凝土的收縮量逐步降低，且在摻合5%膨脹劑的45-U5收縮率降低到26.84×10-6，接近于初始值，得到較顯著的補(bǔ)償效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文中為了降低使用粉煤灰、礦渣為膠凝材料的無(wú)熟料水泥混凝土的干縮量，提高混凝土的耐久性，做了不同摻合率膨脹劑對(duì)無(wú)水泥混凝土的基礎(chǔ)特性及收縮性能試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如下：1)基準(zhǔn)混凝土的流動(dòng)性比OPC發(fā)生大幅度的降低，隨著膨脹劑摻合率增加，混凝土流動(dòng)性有所起伏，但并沒(méi)有明顯的變化。2)在W/B=0.35和0.45時(shí)，基準(zhǔn)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度分別為28.6 MPa，25.1 MPa，分別達(dá)到OPC的68.7%，77.3%。隨著膨脹劑摻合率增加混凝土的強(qiáng)度有所提高，其中膨脹劑摻合率為5%時(shí)的28 d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到38.5 MPa，26.8 MPa，強(qiáng)度增進(jìn)效果比較顯著。3)OPC和基準(zhǔn)混凝土因在空氣中散失水分而體積有縮變，且隨著齡期的增長(zhǎng)收縮率趨勢(shì)大致相似。隨著膨脹劑摻合率的增加混凝土的收縮率逐步降低。在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，摻合5%膨脹劑時(shí)膨脹補(bǔ)償效果發(fā)揮比較顯著，得到較小的收縮率。

[1] 馬海英.大摻量粉煤灰混凝土試驗(yàn)研究[J].粉煤灰，2010(4):9-11.

[2] 張海龍,王曉博,裴長(zhǎng)春，等.粉煤灰和礦渣不同配合比對(duì)無(wú)水泥砂漿性能的影響[J].延邊大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,38(2):163-167.

[3] 陳 燁.粉煤灰復(fù)合膠凝材料及其混凝土性能研究[D].南京：河海大學(xué),2007.

[4] 黎載波,趙旭光,趙三銀.復(fù)合激發(fā)劑在礦渣—鋼渣—粉煤灰三摻混凝土中的應(yīng)用研究[J].原材料及輔助材料，2010(2):81-83.

[5] 陳 雷,肖 佳,唐咸燕,等.粉煤灰和礦渣雙摻對(duì)混凝土性能影響的研究[J].粉煤灰綜合利用，2007(2):22-25.

[6] 湯拉娜.制備無(wú)熟料礦渣水泥混凝土初步研究[J].山西建筑，2008,34(3):216-219.

[7] 謝莎莎,陳 霞,楊華全.膨脹劑對(duì)混凝土性能影響試驗(yàn)研究[J].混凝土，2011(1):101-105.

Expansive agent addition rate on the experimental study on basic properties and shrinkage performance of non clinker concrete

Wang Xiaobo Pei Changchun*

(YanbianUniversity，InstituteofTechnology,Yanji133002,China)

In order to reduce early shrinkage non clinker cement concrete, different blending rate of expansion agent on the use of fly ash, slag and other industrial waste properties of non clinker cement concrete test. The result indicates that the water binder ratio of 0.35 and 0.45, with expansion agent addition rate increased, liquidity has ups and downs, but lower than that of OPC. With expansion agent addition rate increased, the strength of concrete is improved, the expansive agent admixture ratio 5% 28 d compressive strength enhancing effect more obvious, and the shrinkage of concrete to reduce the rate of good range.

non clinker cement concrete， expansive agent， compress strength， dry shrinkage rate

2014-11-22

王曉博(1986- )，男，在讀碩士

裴長(zhǎng)春(1976- )，男，博士，碩士生導(dǎo)師，講師

1009-6825(2015)04-0110-03

TU528.042

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