HPC中礦物摻料疊合效應(yīng)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(xì)摻料疊合效應(yīng)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(yīng)的作用機(jī)理,為今后復(fù)摻配制技術(shù)提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞:　摻料　　疊加效應(yīng)　　配合比　　高性能混凝土

中圖法分類號:　TU528104; 　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼:　B

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

　　雖然高性能混凝土是從高強(qiáng)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(xué)性能及非力學(xué)性能。高性能混凝土不但具有很高的強(qiáng)度,而且擁有十分優(yōu)異的非力學(xué)性能,比單一的高強(qiáng)混凝土更有廣闊的應(yīng)用前景。就我國的工程應(yīng)用要求和現(xiàn)代施工技術(shù)水平而言,應(yīng)大力發(fā)展,從根本上解決目前混凝土十分嚴(yán)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(shù)已有不少報道,但有關(guān)多種礦物摻料在HPC中疊加效應(yīng)的研究還較少,如水泥與各摻合料之間的適應(yīng)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(xué)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(yīng)的影響,都有待于進(jìn)一步研究。本文試驗正是基于解決上述問題而進(jìn)行設(shè)計開展的。

1　HPC制備技術(shù)及目前發(fā)展?fàn)顩r

　　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(jìn)而提高強(qiáng)度及耐久性。二是在混凝土中摻入活性礦物細(xì)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(guān)研究結(jié)果,優(yōu)良的活性礦物摻料提供的強(qiáng)度貢獻(xiàn)率可達(dá)20%～63%。

　　復(fù)合化是材料進(jìn)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(yīng)(即1 + 2> 3) ,使復(fù)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(jié)果,且各組分之間的疊加效應(yīng)也十分明顯。膠結(jié)材料中的水泥與細(xì)摻料的復(fù)合,水泥、細(xì)摻料和多種外加劑的復(fù)合,將通過大量的創(chuàng)新,使HPC性能更好、更經(jīng)濟(jì)、更有利于擴(kuò)大應(yīng)用。國外有關(guān)資料表明, 5%硅灰+ 5%粉煤灰相當(dāng)于10%硅灰,性能上的疊加效應(yīng)明顯。以礦渣為主,粉煤灰占20%左右的HPC也有大量研究和應(yīng)用。清華大學(xué)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(qiáng)度達(dá)(30—50) MPa, 28 d抗壓強(qiáng)度(70—95) MPa,Cl- 滲透性也很低。此外,華南理工大學(xué)以5% —40%粉煤灰+ 5%沸石粉+ 5%石膏復(fù)摻,獲得混凝土3 d抗壓強(qiáng)度達(dá)(35. 6～41. 9) MPa, 28 d抗壓強(qiáng)度(54. 9～65. 9) MPa。其他復(fù)摻技術(shù),如?；郀t礦渣與水淬礦渣復(fù)合、粉煤灰與UEA型膨脹劑復(fù)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(fù)摻技術(shù)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(shè)計法引入HPC的配比中來,解決工程中常用的正交設(shè)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(jié)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(guān)系。

　　(3)初步分析HPC中多種礦物摻合料的疊加效應(yīng)。

2. 2　試驗設(shè)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(qiáng)度見表1,其他指標(biāo)亦符合國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 175 - 1999) 。

表1　水泥實測強(qiáng)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(xì)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(xì)礦渣

　　采用首鋼磨細(xì)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(xì)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(fù)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(xì)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(xì)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(jié)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(yīng),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(jié)果

　　采用聚勻設(shè)計法安排試驗,選取水膠比、水泥、硅灰、磨細(xì)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?xí)r各因素水平數(shù)確定為16個,選用U3 (167 )的均勻設(shè)計表。并采用SPSS統(tǒng)計軟件回歸分析,應(yīng)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(jié)果(見表4)。為檢驗實驗結(jié)果的正確性,采取了實驗驗證及超聲波檢測,結(jié)果表明,本試驗結(jié)果合理準(zhǔn)確,混凝土?xí)r際密實度相當(dāng)高。

3　結(jié)語

　　通過試驗研究和理論分析,獲得如下結(jié)論:

　　(1)均勻設(shè)計法在解決礦物摻料的最優(yōu)配比設(shè)計中發(fā)揮了很大作用,大大減少試驗次數(shù)。正交設(shè)計需做256次試驗,而均勻設(shè)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(xì)摻料的配合比關(guān)系為水泥∶磨細(xì)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(guān)系,可配制出塌落度為130mm、早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)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(qiáng)度分別為47. 55MPa、71. 05MPa、和88. 8MPa,后期增長率可達(dá)25%。

　　(4)含有多種礦物細(xì)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(yīng)作用的結(jié)果; 對于不同種類的礦物細(xì)摻料,它們之間存在一個最優(yōu)比例關(guān)系。

　　(5)超聲波所測得的最大波速所對應(yīng)試件,其值為537 m / s, 全部試件28 d 最小波速達(dá)到438m / s,這說明本試驗獲得的試件達(dá)到了設(shè)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(xì)摻料的細(xì)度對拌合物的塌落度影響較大。

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

參　考　文　獻(xiàn)

　　1　馮乃謙,邢　鋒. 高性能混凝土技術(shù). 北京:原子能出版社, 2000

　　2　馮乃謙,等譯. 高性能混凝土———材料特性與設(shè)計. 北京:中國鐵道出版社, 1998

　　3　趙志縉. 新型混凝土及其施工工藝. 北京:中國建筑出版社, 1996

　　4　蔡四維,蔡　敏. 混凝土的損傷斷裂. 北京:人民交通出版社, 1999

　　5　王媛俐,姚　燕. 重點工程混凝土耐久性的研究與工程應(yīng)用. 北京:中國交通工業(yè)出版社, 2000

　　6　姜洪洋,等. 超細(xì)礦分對混凝土界面的增強(qiáng)作用. 新型建筑材料,2001, 1: 39～41

　　7　方開泰,等. 正交與均勻?qū)嶒炘O(shè)計. 北京:科學(xué)出版社, 2002

　　8　張堯庭,等. 多元統(tǒng)計分析引論. 北京:科學(xué)出版社, 1995

　　9　梅長林,等. 使用統(tǒng)計方法. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1999