早強劑對泡沫輕質(zhì)混凝土抗壓強度及彈性模量的影響試驗研究

蘇謙，王亞威，趙文輝，朱俊杰，劉杰

(1.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031;2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031;3.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽621010)

早強劑對泡沫輕質(zhì)混凝土抗壓強度及彈性模量的影響試驗研究

蘇謙1，2，王亞威1，2，趙文輝1，2，朱俊杰3，劉杰1，2

(1.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031;2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031;3.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽621010)

采用微機控制電子萬能試驗機，對濕密度分別為400，700和1 000 kg/m3的復(fù)合發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)混凝土試樣進行室內(nèi)單軸壓縮試驗，研究了氯化鈣和硫酸鈉兩種早強劑對泡沫輕質(zhì)混凝土抗壓強度及彈性模量的影響。結(jié)果表明:不同密度泡沫輕質(zhì)混凝土試樣的抗壓強度和彈性模量均隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大，且早期增長較快，后期增速逐漸降低;兩種早強劑均可顯著提高泡沫輕質(zhì)混凝土的早期抗壓強度和彈性模量，尤其是硫酸鈉早強劑早強效果更顯著;兩種早強劑對泡沫輕質(zhì)混凝土的后期抗壓強度和彈性模量影響不大。

泡沫輕質(zhì)混凝土 早強劑 抗壓強度 彈性模量 養(yǎng)護齡期

泡沫輕質(zhì)混凝土是由水泥、水與原料土(砂、砂性土或低液限土)按比例充分混合形成漿體，然后再與由發(fā)泡劑制成的穩(wěn)定細小氣泡群充分混合攪拌均勻形成流體，并最終凝固成型的一種輕型填筑材料［1］。作為一種新型材料，該材料具有輕質(zhì)高強、流動性好、直立性強、性能穩(wěn)定、對環(huán)境影響小等優(yōu)點［2-4］，近年來在巖土工程中得到了廣泛應(yīng)用，如軟土地基處理［5-6］、路基加寬［7］、橋臺臺背回填及沿海地基填充［8-9］等。

然而，泡沫輕質(zhì)混凝土在施工過程中，從澆筑完成到凝結(jié)硬化至預(yù)期強度需要一段較長的時間，這無疑延緩了施工進度。為了縮短泡沫輕質(zhì)混凝土的養(yǎng)護時間，加快施工進度，提高工程作業(yè)的周轉(zhuǎn)率，有必要添加早強劑以提高泡沫輕質(zhì)混凝土的早期強度。早強劑是一種重要的混凝土外加劑，對泡沫混凝土的性能有顯著影響。為此，許多學者就摻加早強劑對泡沫混凝土性能的影響進行了相關(guān)研究。俞心剛等［10］研究了摻加不同的早強劑(硫酸鈉和硫酸鈣)對煤矸石—粉煤灰泡沫混凝土強度、吸水率以及孔結(jié)構(gòu)的影響。邵洪江等［11］研究了在粉煤灰泡沫混凝土中摻加氯化鈣早強劑對其重度、吸水率和強度的影響，認為摻加早強劑對粉煤灰泡沫混凝土的重度和吸水率影響不大，但卻能顯著提高7 d抗壓強度;謝慧東等［12］研究了3種早強劑(氯化鈣、硫酸鈉、碳酸鈉)對化學發(fā)泡混凝土發(fā)泡倍數(shù)、漿體穩(wěn)定性、抗壓強度、干表觀密度和體積吸水率的影響。但是，關(guān)于早強劑對目前應(yīng)用較多的復(fù)合發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)混凝土抗壓強度和彈性模量影響的研究卻很少。本文對濕密度分別為400，700和1 000 kg/m3的復(fù)合發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)混凝土試樣進行室內(nèi)單軸壓縮試驗，研究不同早強劑(氯化鈣和硫酸鈉)對泡沫混凝土不同齡期無側(cè)限抗壓強度及彈性模量的影響。

1 試驗原材料及方法

1.1 原材料

制備泡沫輕質(zhì)混凝土試樣的水泥為四川拉法基集團的P.O42.5普通硅酸鹽水泥;發(fā)泡劑采用河南華泰開發(fā)有限公司的HTW-Ⅰ型(普通型)復(fù)合發(fā)泡劑;水為成都自來水;兩種早強劑分別為氯化鈣早強劑和硫酸鈉早強劑。

1.2 試樣制備

首先按照設(shè)計的配合比要求分別稱取水泥和外加劑，并將二者混合均勻，按照水固比(水與水泥的質(zhì)量比)為0.65的要求稱取水，并和水泥充分攪拌均勻，然后立即加入已由發(fā)泡裝置制備好的泡沫，攪拌至符合要求，將調(diào)制好的泡沫混凝土漿液澆筑到尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的模具中。需要注意的是，為了得到標準尺寸的試樣，澆筑時漿液要溢出模具表面一定高度。澆筑完成后，需人工振搗均勻，使?jié){液均勻填充到模具的各個角落，并避免漿液中存在過大的氣泡，然后將表面覆蓋一層塑料薄膜。試件靜置于實驗室中24 h后，刮除模具頂面多余的泡沫混凝土，脫模并送入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期。試驗中要求試樣的濕密度誤差不超過1%，故下述抗壓強度及彈性模量分析中，忽略同一密度試樣因質(zhì)量差異對結(jié)果造成的影響。

1.3 試驗方法

為了研究早強劑對復(fù)合發(fā)泡劑泡沫輕質(zhì)混凝土抗壓強度和彈性模量的影響，試驗設(shè)計了3種濕密度，分別為400，700和1 000 kg/m3，摻加兩種早強劑(氯化鈣和硫酸鈉)，摻量為水泥用量的2%(大量研究表明，對于氯化鈣和硫酸鈉這兩種早強劑，摻量為水泥的2%左右比較合理)。對于每一種密度都有3組試樣，一組摻加氯化鈣早強劑，一組摻加硫酸鈉早強劑，還有一組不摻加任何早強劑。為了盡量減小外部環(huán)境因素差異對結(jié)果的影響，對同一密度的試樣采用一次性澆筑完成，且對不同密度的試樣在同一條件下養(yǎng)護。采用WDW系列微機控制電子萬能試驗機分別對其3，7，14，28 d的試樣進行單軸壓縮試驗，其中每組試驗有3個試樣，取其平均值作為結(jié)果。有關(guān)泡沫輕質(zhì)混凝土試驗參照《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》(GB/T 11969—2008)進行。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 早強劑對泡沫輕質(zhì)混凝土抗壓強度的影響

圖1為不同濕密度時各配比泡沫輕質(zhì)混凝土的抗壓強度與養(yǎng)護齡期的關(guān)系曲線。

從圖1可以看出:①各配比泡沫輕質(zhì)混凝土試樣的抗壓強度均隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大，且早期增長速度較快，后期增速逐漸降低。②對于同一濕密度的泡沫輕質(zhì)混凝土試樣，摻加早強劑的試樣與未摻加早強劑的相比，其早期強度明顯提高，尤其是硫酸鈉早強劑的早強效果更明顯，但兩種早強劑對泡沫輕質(zhì)混凝土的后期強度影響不大。

由圖1可知，摻加硫酸鈉早強劑的泡沫輕質(zhì)混凝土試樣的3 d抗壓強度較未摻加早強劑試樣的抗壓強度提高幅度達38.4%～55.1%，7 d抗壓強度較未摻加早強劑的試樣提高21.1%～30.0%，14 d抗壓強度較未摻加早強劑的試樣提高8.6%～12.3%?？梢?，硫酸鈉早強劑對泡沫輕質(zhì)混凝土的早期強度有很大提高，尤其是3 d抗壓強度，提高幅度最大。這主要是因為在早期水泥水化過程中，硫酸鈉能較快地與水化產(chǎn)物氫氧化鈣作用生成硫酸鈣，這種反應(yīng)生成的硫酸鈣比生產(chǎn)水泥時摻入的石膏細度更大，活性也就更大，其與水泥中的鋁酸鈣反應(yīng)速度也快得多，因此早期生成大量的鈣礬石。而鈣礬石的大量形成消耗了很多氫氧化鈣，使得溶液中的氫氧化鈣濃度降低，導(dǎo)致C3S和C2S包覆層內(nèi)外存在較大的濃度差，從而大大加速了C3S和C2S的水化。大量的鈣礬石晶體相互交錯搭接，水化硅酸鈣凝膠填充其間，提高了泡沫混凝土的早期強度［13］。

圖1 泡沫輕質(zhì)混凝土抗壓強度與養(yǎng)護齡期的關(guān)系曲線

需要特別注意的是，硫酸鈉早強劑對泡沫輕質(zhì)混凝土的后期強度不僅沒有提高，反而有降低趨勢，試驗測得28 d抗壓強度降低幅度最高達3.6%。這是因為早期水化反應(yīng)速度太快，形成的水泥石結(jié)構(gòu)本身不夠密實;另外，大量鈣礬石晶體長大也會產(chǎn)生很大的膨脹壓力，使得前期形成的水泥石結(jié)構(gòu)受到破壞，導(dǎo)致泡沫混凝土后期強度降低。

由圖1還可看出，摻加氯化鈣早強劑的泡沫輕質(zhì)混凝土試樣早期抗壓強度提高幅度也較大，3 d抗壓強度較未摻加早強劑的試樣提高幅度達30.7%～46.2%，7 d抗壓強度較未摻加早強劑的試樣提高17.2%～33.3%，14 d抗壓強度較未摻加早強劑的試樣提高10.1%～13.6%，而28 d抗壓強度較未摻加早強劑的試樣最多僅提高4.5%，影響不大。氯化鈣的早強作用主要是因為水化反應(yīng)時它能夠與水泥中的鋁酸三鈣反應(yīng)，生成不溶于水的水化氯鋁酸鈣;另外，氯化鈣還能與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應(yīng)生成難溶于水的氧氯化鈣。大量水化產(chǎn)物的生成，增大了水泥漿中的固相比例，有利于水泥石結(jié)構(gòu)的形成，進而提高混凝土的早期強度。同時，由于液相中Ca(OH)2濃度降低，也使C3S和C2S的水化加速，提高了泡沫輕質(zhì)混凝土的早期強度。

2.2 早強劑對泡沫輕質(zhì)混凝土彈性模量的影響

圖2為不同濕密度時各配比泡沫輕質(zhì)混凝土的彈性模量與養(yǎng)護齡期的關(guān)系曲線。

圖2 泡沫輕質(zhì)混凝土彈性模量與養(yǎng)護齡期的關(guān)系曲線

從圖2可以看出:①各配比泡沫輕質(zhì)混凝土試樣的彈性模量均隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大，且早期彈性模量增長速度較快，后期增幅逐漸降低。②對于同一濕密度的泡沫輕質(zhì)混凝土試樣，摻加早強劑的試樣與未摻加早強劑的試樣相比，其早期彈性模量明顯提高。摻加氯化鈣早強劑的試樣其3 d彈性模量較未摻加早強劑的試樣提高幅度達30.6%～39.2%，7 d彈性模量較未摻加早強劑的試樣提高幅度達13.5%～21.2%;摻加硫酸鈉早強劑的試樣其3 d彈性模量較未摻加早強劑的試樣提高幅度達38.9%～46.9%，7 d彈性模量較未摻加早強劑的試樣提高幅度達14.7%～19.6%。③兩種早強劑對泡沫輕質(zhì)混凝土試樣后期的彈性模量影響不大。摻加氯化鈣早強劑的試樣28 d彈性模量稍有提高，但最大提高幅度僅為5.2%，而摻硫酸鈉早強劑的試樣后期彈性模量有降低趨勢，降低幅度約為2.8%～3.7%。

可見，早強劑對泡沫輕質(zhì)混凝土彈性模量的影響規(guī)律與對抗壓強度的影響規(guī)律是一致的。

3 結(jié)論

本文對濕密度分別為400，700和1 000 kg/m3，摻加兩種不同早強劑(氯化鈣和硫酸鈉)的泡沫輕質(zhì)混凝土試樣進行單軸壓縮試驗，研究了不同類型早強劑對泡沫輕質(zhì)混凝土各個齡期抗壓強度和彈性模量的影響。主要得到如下結(jié)論:

1)各配比泡沫輕質(zhì)混凝土試樣的抗壓強度和彈性模量均隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大，且早期增長速度較快，后期增長速度較慢。

2)摻入的兩種早強劑均可顯著提高泡沫輕質(zhì)混凝土的早期強度，硫酸鈉早強劑可使3 d抗壓強度提高幅度達38.4%～55.1%，氯化鈣早強劑可使3 d抗壓強度提高幅度達30.7%～46.2%。

3)兩種早強劑對泡沫輕質(zhì)混凝土的后期強度影響不大，摻加氯化鈣早強劑試樣的強度較未摻加早強劑的試樣稍有提高，而摻加硫酸鈉早強劑試樣的強度較未摻加早強劑的試樣有降低趨勢。

4)摻入不同的早強劑均可提高泡沫輕質(zhì)混凝土早期的彈性模量，硫酸鈉早強劑可使3 d彈性模量提高幅度達38.9%～46.9%，氯化鈣早強劑可使3 d彈性模量提高幅度達30.6%～39.2%。但兩種早強劑對泡沫輕質(zhì)混凝土的后期彈性模量影響不大，摻加氯化鈣早強劑試樣的彈性模量較未摻加早強劑的試樣稍有提高，而摻加硫酸鈉早強劑試樣的彈性模量較未摻加早強劑的試樣卻有所降低。

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Experimental study on influence of hardening accelerator on compressive strength and elastic modulus of foamed lightweight concrete

SU Qian1，2，WANG Yawei1，2，ZHAO Wenhui1，2，ZHU Junjie3，LIU Jie1，2
(1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China; 2.MOE Key Laboratory of High Speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China; 3.School of Civil Engineering and Architecture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China)

W ith the help of micro-controlled electronic universal testing machine，the paper carries out indoor uniaxial compressive test to the foam lightweight concrete samples at hand with the integrated foaming agents displaying a moisture density of 400，700 and 1 000 kg/m3.It aims to unveil the influence of two hardening accelerator—calcium chloride and sodium sulfate—on the compressive strength and elastic modulus of the specimens.T he results show that the increase of maintenance age brings up the compressive strength and the elastic modulus of the samples.T he rise ratio proceeds at a faster speed in the early stage and then decreases gradually in later stage.T hough both hardening accelerator largely improve the performance of the concrete at the beginning of the experiment，sodium sulfate in particular，their influence is hardly noticeable at the end.

Foam lightweight concrete;Hardening accelerator;Compressive strength;Elastic modulus;M aintenance age

TU528.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.36

1003-1995(2015)12-0138-04

(責任審編周彥彥)

2015-05-24;

2015-08-04

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題(2014G003-E);教育部新世紀人才計劃項目(NCET-12-0941)

蘇謙(1972—)，男，教授，博士。