膨脹劑WHU對自密實砼收縮及滲透性的影響

摘　要:高強自密實混凝土既要解決高強度要求采用的超低水膠比、高強膠結(jié)材料或者高的膠結(jié)材用量等配制技術(shù)與大流動性之間的突出矛盾,又要解決容易出現(xiàn)的收縮增大問題,采用具有與水泥收縮規(guī)律針對性更強的新型多元復合膨脹劑WHU ,能夠產(chǎn)生比一般膨脹劑持久的后期膨脹,使最終的體積穩(wěn)定性得到明顯改善,抗?jié)B性提高,研究了WHU 對工作性、強度、滲透性和體積穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞: 　自密實混凝土; 　膨脹劑; 　膨脹規(guī)律; 　耐久性

中圖分類號: 　TU 528 文獻標志碼: 　A 文章編號:167124431 (2006) 0520048205

　　自密實混凝土又稱免振搗或自流平混凝土,關(guān)于中、低強度級的配制技術(shù)已經(jīng)取得許多研究成果[1 ] 。在實際應用中,高強、超高強混凝土由于鋼筋設(shè)置密集,振搗不便,對自密實性的要求更加迫切。由于采用硅灰等超細膠結(jié)材、較高的膠結(jié)材總量和小于0. 25 的超低水膠比,所以高強、超高強自密實混凝土要解決需水比大和早期水化速率高造成的工作性惡化與大流動性以及高的流動性保持率等要求之間的矛盾,同時要解決收縮增大產(chǎn)生的體積穩(wěn)定性和滲透性問題。采用緩凝型超塑化劑、礦物摻合料以及52. 5 P. Ⅱ水泥配制C80 自密實混凝土,研究了具有多種膨脹源的新型膨脹劑WHU 對工作性、滲透性和不同階段強度及收縮性能的影響。

1 　配制C80 自密實混凝土的技術(shù)要求和WHU膨脹劑

1. 1 　自密實混凝土的工作性

　　自密實混凝土的工作性除了采用坍落度及其經(jīng)時損失評價外,通常還采用擴展值、倒坍時間、Orimet儀、L 型流動儀測試L 型坍落度、移動距離、流動時間等指標。根據(jù)Peter 的總結(jié)[2 ] ,認為自密實混凝土的工作性典型指標如表1 所示。

　　一般根據(jù)具體工程要求選擇其中的部分指標,本研究自密實混凝土要求滿足以下工作性:初始坍落度230～260 mm、經(jīng)1 h 保持率大于80 %、倒坍時間8～15 s、擴展值60～70 cm。同時,使自密實混凝土的抗收縮性能和抗?jié)B透性能顯著提高。

1. 2 　高強自密實混凝土的收縮性能

　　無論采用低水膠比、超細材料、高強膠結(jié)材料,或者高的膠結(jié)材用量,達到高強度的方法一般將產(chǎn)生更大的收縮。高強膠凝材料由于水化的速率快、放熱集中,會增加熱應力造成的收縮;水膠比低于0. 30 的高強混凝土的自收縮率高達200 ×10 - 6～400 ×10 - 6 [3 ] ;任何類型自密實混凝土的自收縮值都會隨著單位體積中粉料量的增加而增加,單位體積粉料量為500 kg/ m3 的自密實混凝土的自收縮值為100 ×10 - 6 ～400 ×10 - 6 [4 ] 。

　　一般為達到高強度而采用的超細材料如硅灰、磨細礦渣等也將增加混凝土的收縮。含有大量磨細礦渣的大體積混凝土自收縮率可以達到100 ×10 - 6 [5 ] ,而摻10 %硅灰的高強混凝土自收縮率高達100 ×10 - 4 [6 ] 。所以,采用膨脹劑補償收縮成為常用手段。

1. 3 　WHU膨脹劑

WHU 膨脹劑由高鈣粉煤灰、氟石膏和鋼渣分別經(jīng)過適當處理后按照1∶1∶1 的比例混磨而成。3 種工業(yè)廢渣的化學組成如表2 所示。

　從表2 中可以看出,WHU 含有多種膨脹源:高鈣灰中的f2CaO、氟石膏中的CaSO3·2H2O、鋼渣中的f2CaO和MgO。

2 　實　驗

2. 1 　原材料

　　超塑化劑:聚羧酸類緩凝型X404 , 意大利產(chǎn), 30 %固含量, 減水率可達到30 % ; 水泥: 日本小野田52. 5 P. Ⅱ;磨細礦渣粉:比表面積450 m2/ kg ,武鋼產(chǎn);硅灰:比表面積2 000 m2/ kg ,湖北產(chǎn);粉煤灰: I 級,比表面積540 m2/ kg ;膨脹劑:WHU 、市售UEA 型、CAS 型。

水泥及各種礦物材料的化學組成如表3 所示。

2. 2 　實驗方法

　　1) 參照GB/ T50080 —2002 測試新拌混凝土的倒坍時間、擴展值、坍落度和經(jīng)時坍落度;

　　2) 參照GB/ T50081 —2002 測試各齡期的混凝土強度;

　　3) 參照GBJ 50119 —2002 采用臥式收縮儀測定長方體(100 mm ×100 mm ×515 mm) 混凝土試件的脹縮率,成型3 d 后拆模,移入養(yǎng)護室,并開始計時,分別浸泡在水中和標準霧氣中養(yǎng)護,水養(yǎng)護試樣在14 d 后移入干空氣中繼續(xù)養(yǎng)護;

　　4) 參照ASTM C1202 —97 測試混凝土試樣在6 h 內(nèi)的通電量,將標準養(yǎng)護28 d 齡期的<100 mm ×50mm 圓柱形試樣兩圓端磨平后移入水中浸泡20 d ,取出自然晾干后放入抽真空室進行8 h 抽真空,然后進行測試;

　　5) 采用溶液氣壓法滲透性[7 ]測試混凝土試樣在高壓條件下的水滲透深度,該方法是研究混凝土滲透性的新方法,其優(yōu)點是測試方法簡單,可重復性強,采用<100 mm ×(50～150) mm 圓柱形混凝土試塊,測試時將圓柱側(cè)面和1 個圓平面用環(huán)氧樹脂密封,只暴露出1 個圓平面,然后將試樣浸泡在低壓密閉容器內(nèi)的水溶液中,充氮氣加壓,根據(jù)初步判定的試樣抗?jié)B透性確定壓力和恒壓時間,一般為0. 5～4 MPa 、6～24 h ,對于研究的高強混凝土,采用的試樣齡期為60 d ,壓力和恒壓時間分別為2 MPa 和24 h 。撤壓后將試樣劈開,通過比較水溶液滲入試樣的深度來評價其抗?jié)B性。實驗裝置如圖1 ,試樣劈開實驗見圖2 。

2. 3 　C80 自密實混凝土配合比

　　為了比較硅灰對收縮的影響以及考察礦粉和粉煤灰對收縮的改善作用,分別采用了單摻硅灰和同時復摻硅灰、礦粉、粉煤灰的配合比設(shè)計。為了檢驗WHU 的膨脹特性,同時采用了目前實際工程中應用較廣的UEA 型和CAS 型膨脹劑做對比實驗。實驗配合比如表4 所示。

3 　結(jié)果與分析

3. 1 　工作性及力學性能

根據(jù)表4 所做的混凝土工作性及力學性能實驗結(jié)果見表5 。

　從表5 可以看出,與1 # 空白樣相比,內(nèi)摻10 %硅灰的2 # 樣工作性不能滿足表1 自密實要求,擴展值明顯縮小,倒坍時間顯著延長,坍落度下降,但強度大幅度增加,這是因為硅灰巨大的比表面積增加了表面吸附水,使工作性變差,而其微填充作用改善了微觀結(jié)構(gòu),使強度增加;在2 # 樣基礎(chǔ)上再內(nèi)摻10 %WHU 的3 #樣,其工作性比2 # 樣改善,但仍不及空白樣,不能滿足自密實要求,各齡期強度略低于2 # 樣,這是因為WHU具有的火山灰活性造成的,其對水泥的稀釋作用降低了早期水化程度,減少了水量消耗,同時其二次水化作用需要依靠水泥水化產(chǎn)生的CH ,所以工作性改善而強度發(fā)展滯后;在2 # 樣基礎(chǔ)上再內(nèi)摻5 %礦粉和5%粉煤灰的4 # 樣,其工作性、力學性能與3 # 樣相近,機理也相似;復摻礦粉、粉煤灰和硅灰并采用不同膨脹劑的5 # 、6 # 、7 # 樣,工作性均較2 # 、3 # 、4 # 樣顯著提高,達到或超過空白樣,滿足自密實要求,采用WHU 的(5 #樣) 3 d、7 d 等早期強度略低,28 d 強度相近,但60 d 齡期強度顯著提高,這是因為WHU 含有的硫酸鹽較低,所以對早期的活性激發(fā)作用不及UEA 和CAS ,但其所含鋼渣粉具有較高的后期增強作用。

　　總體可以看出,內(nèi)摻5 %礦粉、5 %粉煤灰、10 %硅灰和10 %膨脹劑能夠制備出C80 自密實混凝土;采用WHU (5 # 樣) 能夠得到最佳的工作性和最高的后期強度,WHU 具有顯著的后期增強作用,其早期強度發(fā)展雖然受到一定影響,但仍達到空白樣水平;單摻硅灰能夠得到較高的各齡期強度,但工作性顯著惡化,不能滿足自密實混凝土要求。

3. 2 　脹縮性能及滲透性能實驗結(jié)果與分析

根據(jù)表4 所做的混凝土脹縮性能及滲透性能實驗結(jié)果如表6 所示。

　　從表6 中關(guān)于Cl - 滲透通電量的實驗結(jié)果可以看出,隨著礦物摻合料的增加,庫侖值從1 # ～7 # 樣依次減少,其主要與礦物摻合料的摻量有關(guān),而與礦物種類關(guān)聯(lián)性不明顯,這主要是由于礦物的二次水化作用改善了微結(jié)構(gòu)并對Cl - 具有固化和捕獲作用[8 ] ;溶液氣壓滲透實驗顯示,滲透值隨著礦物摻合料的增加而降低,空白樣已經(jīng)完全被水滲透,并且不同礦物對滲透值的影響不同,膨脹劑對滲透值的降低作用最明顯,而3種膨脹劑中WHU 的滲透值最低,這是因為膨脹性水化產(chǎn)物使結(jié)構(gòu)更加致密,WHU 比CAS 和UEA 具有更持久的微膨脹性,所以產(chǎn)生的抗?jié)B透性更強。

　　根據(jù)表6 中的脹縮性能實驗結(jié)果,水中和霧氣中養(yǎng)護條件下的脹縮值不同,但發(fā)展規(guī)律類似。以水中養(yǎng)護的實驗結(jié)果來看, 空白樣、單摻硅灰、硅灰與WHU 復摻、硅灰與礦物摻合料復摻的1 # ～4 # 實驗結(jié)果如圖3所示,3 種膨脹劑對脹縮的影響如圖4所示。

　　從圖3 可以看出,摻加硅灰的2 #樣比1 # 控制樣收縮明顯增加,同時復摻礦粉、粉煤灰與硅灰后的4 # 樣收縮性能改善,進一步復摻WHU 的3 # 樣顯示了良好的體積穩(wěn)定性,在14 d 以前略有膨脹,其后至90 d 的齡期之間基本保持了零脹縮;

　　從圖4 可以看出,3 種膨脹劑都起到了抵制水泥收縮的作用。摻加UEA 的6 # 及摻CAS 的7 # 樣在14 d表現(xiàn)為膨脹并達到最大膨脹值,至28 d 時基本保持零收縮,但到60 d 及90 d 時仍產(chǎn)生了一定的收縮;圖4 # 樣類似,各齡期的體積變化不大,早期沒有UEA 及CAS 的膨脹性強,但后期的持續(xù)膨脹性強。

3. 3 　膨脹機理分析

混凝土膨脹劑一般分為石膏型(也稱鈣礬石型) 、氧化鈣型、鎂氧型、鐵氯型等,主要通過硫鋁酸鹽、CaO、游離CaO、MgO 等膨脹源在水泥水化過程中與水或水泥的水化產(chǎn)物反應生成鈣礬石AFt 、羥鈣石Ca (OH) 2和水鎂石Mg (OH) 2 等膨脹性物質(zhì),按照時間順序,依次發(fā)生鈣礬石、羥鈣石和水鎂石膨脹。鈣礬石型膨脹在14 d 齡期左右達到最大值,其后膨脹性能明顯減弱并很快消失;羥鈣石型膨脹發(fā)生在0. 5～2 年[9 ] 。因f2CaO存在形式不同使膨脹期延長;由于以方鎂石形式存在的MgO 比f2CaO 更難水化,所以水鎂石膨脹發(fā)生在1～20 年的更長期限內(nèi)。一般膨脹劑采用1 種或2 種膨脹源,并且因為鈣礬石型膨脹針對水化早期的較高收縮、效果明顯而成為首選,但由于其膨脹期短,水泥后期水化產(chǎn)生的收縮得不到補償。WHU 含有的多種膨脹源依次發(fā)生膨脹,早期膨脹源的量低于UEA 及CAS ,產(chǎn)生的鈣礬石、羥鈣石膨脹較弱,而后期產(chǎn)生了UEA 及CAS 所沒有的水鎂石膨脹,所以,WHU 表現(xiàn)出與水泥收縮對應性更強的膨脹規(guī)律。

4 　結(jié)　論

a. 采用10 %WHU 膨脹劑、5 %礦粉、5 %粉煤灰和10 %硅灰制備出C80 自密實混凝土;與UEA 及CAS相比,WHU 具有一定的后期增強作用,其早期強度受到一定影響;

b. Cl - 滲透實驗結(jié)果表明,WHU 膨脹劑與礦粉、粉煤灰、硅灰等礦物摻合料具有相近的二次水化作用,內(nèi)摻后使通電量減少;

c. 溶液氣壓滲透實驗表明,WHU 膨脹劑產(chǎn)生的抗?jié)B透性比UEA 及CAS 更強;

d. 混凝土自由線脹縮實驗表明,WHU 產(chǎn)生的早期膨脹性比UEA 及CAS 弱,膨脹性持續(xù)時間長,表現(xiàn)出與水泥收縮對應性更強的膨脹規(guī)律。

參考文獻

[1 ] 　陳劍雄,張　旭,劉巧玲. 自密實混凝土的研究進展[J ] . 建筑技術(shù)開發(fā),2003 , (12) :92～95.

[2 ] 　Peter J M ,Bartors. Testing2SCC: Towards New European Standards for Fresh SCC[A] . SCC’20052China 1st InternationalSymposium on Design , Performance and Use of SCC[C] . Changsha : RIL EM Proceeding ,2005. 25～44.

[3 ] 　Mak S L , Torii K. Strength Development of High Strength of Ultrahigh Strength Concrete Subjected to High Hydration Tem2perature[J ] . CCR , 1995 , 25(8) :1791～1802.

[4 ] 　Roy R , Larrard F. Creep and Shrinkage of High Performance[A] . The 5th International Age of Concreted[C] . London : E &FN Spon ,1993. 499～504.

[ 5 ] 　Tazawa E , Matsuoka Y, Miyazawa S. Effect of Autogenous Shrinkage on Self Stress in Hardening Concrete[A] . Proceeding ofInternational RIL EM Symposium; Thermal Cracking in Concrete at Early Ages [ C ] . Munich : RIL EM Proceeding , 1994.221～228.

[6 ] 　何永佳. 免振搗微膨脹高性能混凝土的研究[D] . 武漢:武漢理工大學,2002.

[7 ] 　曹　芳,馬保國,于友國,等. 溶液氣壓法測試混凝土滲透性能的研究[J ] . 混凝土,2000 ,10 :18～21.

[8 ] 　馬保國. 海洋高性能混凝土(OHPC) 的研究[D] . 武漢:武漢理工大學,2000.

[9 ] 　姚　曉,唐明述. 鎂氧類水泥膨脹劑的作用機理及影響因素[J ] . 油田化學,1997 , (12) :372～376.52