大坍落度高性能轻骨料
混凝土的研究
黄智山,巴恒静
(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江省哈尔滨市150006)
合料坯体中氧化铝含量。显然粉煤灰掺量愈高,混合料中参与反应的氧化铝含量愈低,坯体焙烧所需热量也愈低。一般来说,高掺量粉煤灰烧结砖坯体中粉煤灰掺量达50%,坯体焙烧耗热约可降低418kJ/块标砖以上,即全内燃坯体焙烧耗热约为2300kJ/块标砖。
4.2内掺燃料的发热量
全内燃高掺量粉煤灰烧结砖坯体焙烧所需热量确定后,就要合理地确定内掺燃料的发热量,才能对坯体进行合理配热。采用燃料的低位发热量配热,不符合内燃烧砖内掺燃料燃烧所放出热量的实际利用情况,将会显著超高。因此,应采用内掺燃料实用发热量对全内燃高掺量粉煤灰烧结砖坯体进行配热。5结语
(1)对全内燃高掺量粉煤灰烧结砖坯体合理配热,不仅使坯体中可燃物燃烧放出的热量得到充分而有效的利用,而且还充分利用了粉煤灰经预分解吸收的化学能,因此具有更显著的节能效果。
(2)目前,利用工业废渣制砖愈来愈受到人们的重视,但对配热不合理造成的过热问题,尚未引起人们的重视。笔者认为这是今后利用工业废渣烧砖值得认真研究解决的问题。
收稿日期:2001-06-26;修订日期:2001-10-24
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1前言
轻骨料混凝土具有轻质、高强、隔热、抗震、耐火等优异技术性能,在高层建筑、防火结构、抗震结构、大跨度屋面、桥梁、隧道、浮式结构和海洋工程等领域有着广泛的应用前景。
对轻骨料混凝土的研究目前主要停留在高强轻骨料混凝土的研究阶段,高性能轻骨料混凝土是未来的必然发展趋势。发展高性能轻骨料混凝土的关键是轻骨料的性能。目前有2种看法:一种是高性能轻骨料必须与普通骨料有相近的吸水率(24h吸水率小于1.8%)[1];另一种观点是高性能轻骨料只要比普通轻骨料有更小的吸水率(一般24h 吸水率不大于5%),用于泵送施工时不需要饱和预湿,则仍可获得具有较好的施工性和抗冻耐久性,其自收缩值也比普通混凝土小的高性能轻骨料混凝土[2]。前一种观点将给轻骨料的生产带来许多技术问题,后一种观点的轻骨料则比较容易生产[3]。作者认为:仅依靠24h吸水率小于1.8%的高性能轻骨料,将延迟高性能轻骨料混凝土的研究、应用进程,在不具备该轻骨料时,应以后一种观点甚至吸水率更
摘要:用初始坍落度控制拌和用水量(W)计算水胶比的方法,采用高强轻骨料和普通制作工艺,在复合缓凝剂作用下,研制出初始坍落度为240mm,60min后坍落度损失38mm的可满足施工要求的高性能轻骨料混凝土。研究了掺合料、外加剂对轻骨料混凝土坍落度及抗压强度的影响。
关键词:高性能轻骨料混凝土;粉煤灰粘土陶粒;坍落度损失;强度;掺合料;外加剂
Abstract:The hi g h p erformance li g ht a gg re g ate concrete has been develo p ed,which can meet t he const ruction re q uirement,it s initial slum p240mm and slum p loss38mm after60min.under action of com p ound retarder,wit h hi g h st ren g t h li g ht a gg re g ate and common p re p aration p rocess,b y means of initial slum p cont rol mixin g water con2 sum p tion to calculate water/binder ratio.The influence of admixt ures on slum p and com p ression st ren g t h of li g ht a gg re g ate concrete has been st udied.
K e y words:hi g h p erformance li g ht a gg re g ate concrete,fl y ash cla y ceramisite,slum p loss,st ren g t h,admixt ures
?27?
新型建筑材料
2/2002
表1 粉煤灰粘土陶粒技术指标
1h 吸水率/%空隙率
/%孔含量
/%粒形系数
软化系数
含水率/%筒压强度
/MPa 5.34
42.3
35.3
1.12
0.93
0.82
11.2
高些的轻骨料为原材料,积极开展高性能轻骨料混凝土的研究和应用工作。
目前轻骨料混凝土配制过程中存在如下问题:(1)为降低轻骨料的吸水率,改善新拌轻骨料混凝土的工作性,普遍在其表面涂蜡、聚苯乙烯乳液等防水材料或施工前预湿轻骨料。这些做法降低轻骨料混凝土的力学性能或降低其抗冻耐久性,并使生产制作变得复杂;(2)在大的初始坍落度
(以下简称SL 0)时,轻骨料易上浮离析,采用振捣施工时尤
为突出,使硬化后混凝土的均质性差,耐久性下降,并降低其力学性能;(3)提高水泥掺量,虽能改善新拌混凝土的工
作性,但增大了轻骨料混凝土的收缩裂缝和温度裂缝引起的危害,降低混凝土的耐久性,同时又增加工程造价。因此,工程结构迫切需要制作简单、工作性好、能免振捣自密实施工、硬化后质量好、体积稳定性好、高耐久、经济的高性能轻骨料混凝土。
现有文献记载:在轻骨料混凝土的配合比设计时,总的拌和用水量(m w t )=有效用水量(m w n )+附加用水量(m w a ),并用m w n 计算有效水灰比,由有效水灰比判定混凝土的强度。作者认为这存在以下问题:(1)在水泥浆体凝结硬化过程中,m w a 是一个动态的变量,并因施工条件不同而不同,无法计算;(2)有效水灰比的有关理论建立的基础是重骨料,其吸水率小于1.8%;(3)轻骨料弹性模量小,吸水率大,有效水灰比越小,混凝土试块的强度越高,但在受约束状态下产生收缩缝的趋势越大,这对轻骨料混凝土的耐久性有很大危害。
本文采用的配制方法是:用绝对体积法计算物料组成;由SL 0控制拌合用水量(W );由W 计算水胶比(W /B )和水灰比(W /C );由外加剂控制W /B 和坍落度损失;采用适宜的掺合料,配制轻骨料混凝土,淡化W /C 对强度的影响,着重考虑各因素对收缩的影响。本研究用该配制方法,采用高强陶粒(1h 吸水率5.34%)和普通制作工艺,研制出SL 0=240mm ,△SL 60(60min 后坍落度损失)=38mm ,可满足施工要求的高性能轻骨料混凝土,为高性能轻骨料混凝土的进一步研究与应用,提供了一种新的配制方法。
2
试验
2.1
原材料
(1)水泥:哈尔滨水泥厂生产的强度等级42.5的普通硅
酸盐水泥,。
(2)粉煤灰:哈尔滨发电厂原状干排灰。烧失量3.7%,需
水量比112%,比表面积2460cm 2/g ,45μm 筛筛余53%。
(3)天然沸石粉:黑龙江省嫩江产,比表面积5990
cm 2
/g 。
(4)硅灰:比表面积20m 2/g 。(5)砂:细度模数2.67的Ⅱ区中砂。
(6)粉煤灰粘土陶粒:堆积密度952k g /m 3,颗粒表观密
度1650k g /m 3;颗粒组成:<5mm 占6.83%,5～10mm 占89.77%,10～16mm 占3.4%,其它性能见表1。
(7)外加剂:萘系高效减水剂和复合缓凝剂。2.2
试验方案
试验用陶粒粒型系数小、连续级配、最大粒径16mm 、堆积密度和表观密度大、筒压强度高、1h 吸水率较大,属于高强轻骨料,比文献[2]规定的高性能轻骨料24h 吸水率高出6.8%。为获得制作简单、工作性好、能自密实施工、硬化后质量好、体积稳定性好、高耐久、经济的高性能轻骨料混凝土,确定了如下的试验方案:
(1)轻骨料不进行预处理。
(2)由SL 0控制用水量,即在试验配合比中控制SL 0在200～240mm 时的用水量(W ),并用W 计算水胶比(W /B )。
(3)采用外加剂,使水胶比在0.42以下,并在轻骨料混
凝土拌制过程中一次加入。
(4)采用较少的水泥用量,以减少或避免收缩裂缝和温
度裂缝引起的危害。
(5)提高砂率,改善拌和料的工作性。(6)免振捣浇注成型。
其投料次序是:加入轻骨料→加入砂→搅拌均匀→加入胶结料→搅拌均匀→加溶有外加剂的水→加剩余水,使SL 0在200～240mm 。2.3试验内容
在上述试验方案下,采用高强轻骨料(1h 吸水率5.34%),经大量试验确定了能满足干表观密度小于1950
k g /m 3
、强度等级大于CL 50、砂率50%、水泥用量450k g /
m 3
、减水剂为水泥用量的0.6%的轻骨料混凝土配合比。在
此基础上,研究掺合料粉煤灰、硅灰、沸石粉对新拌混凝土坍落度损失及其硬化后力学性能的影响,以确定最佳掺合料品种与用量;采用复合缓凝剂,进而研制出60min 后坍落度SL 60>180mm ,△SL 60<50mm 的高性能轻骨料混凝土。
3试验结果及讨
3.1掺合料对坍落度损失的影响
3.1.1掺合料对坍落度损失的影响(见图l)
图1不同掺合料对坍落度损失的影响1—未掺掺合料;2—粉煤灰5%;3—硅灰5%;4—沸石粉5%
由图1可见,砂率50%,胶结料450k g/m3,掺合料等量取代水泥用量的5%,减水剂0.6%,SL0基本相同时,3种掺合料对坍落度损失有着显著不同的影响。掺合料对坍落度损失影响大小的次序是沸石粉>硅灰>粉煤灰,且掺沸石粉和硅灰的坍落度损失较基准混凝土(未掺掺合料)大。这是因为沸石粉呈多孔结构,拌和用水不但被轻骨料逐渐吸收,而且较快地被沸石粉吸收,使浆体粘聚力大,稠度增大,坍落度损失最大;硅灰的比表面积大,其微粒能吸附较多的水,活性较高,与水泥水化产物反应较快,使浆体变稠,坍落度损失较大;粉煤灰含有大量的球状玻璃体,表面光滑,分散性好,能提高新拌混凝土的流动性,并因取代部分水泥作微细集料,使水泥浆体的粘聚性降低,故坍落度损失最小。
3.1.2粉煤灰掺量对坍落度损失的影响(见图2)
图2粉煤灰掺量对坍落度损失的影响
1—未掺掺合料;2—粉煤灰5%;3—粉煤灰15%;4—粉煤灰10%由图2可见,砂率50%,胶结料450k g/m3,减水剂0.6%,SL0基本相同时,粉煤灰分别等量取代水泥用量的0、5%、10%、15%的新拌混凝土的坍落度损失,均较基准混凝土小;且掺量10%、15%的混凝土拌和料的经时坍落度较掺量5%的略高。从坍落度损失的绝对值来看,提高粉煤灰掺量对坍落度损失的影响不大。
3.2掺合料对抗压强度的影响3.2.1掺合料对抗压强度的影响(见图3)
图3掺合料对抗压强度的影响
1—硅灰5%;2—沸石粉5%;3—未掺掺合料;4—粉煤灰5%; 5—粉煤灰5%、普通粗骨料
由图3可见:
(1)砂率50%,胶结料450k g/m3,减水剂0.6%,SL0基本相同时,掺合料等量取代水泥用量的5%时,掺粉煤灰的轻骨料混凝土抗压强度高于掺沸石粉和硅灰的抗压强度。其原因在于掺粉煤灰、硅灰和沸石粉的水胶比分别为0.37(SL0= 208mm)、0.41(SL0=210mm)、0.38(SL0=206mm),水胶比增大或同时因硅灰和沸石粉的微细集料作用不如粉煤灰显著,致使抗压强度降低。
(2)基准混凝土及其掺粉煤灰、硅灰、沸石粉的3d抗压强度分别为自身28d强度的57.1%、62.5%、51.2%、58.8%;掺粉煤灰的轻骨料混凝土,其3d、28d抗压强度分别比基准混凝土高11.8%、2.1%。试验结果表明:轻骨料混凝土的抗压强度主要集中在早期,3d抗压强度可达到28d的50%以上。
(3)在基本相同的SL0时,同条件下普通骨料混凝土的水胶比较低,为0.32(SL0=216mm),28d抗压强度72.6 MPa,比掺粉煤灰的轻骨料混凝土28d抗压强度高25.6%,而3d抗压强度却较之降低了16.1%,两者约在4.5天时抗压强度相同。轻骨料混凝土早期强度高于普通混凝土,是因为表面粗糙多孔且具有一定活性的轻骨料存在微孔“自真空”作用、早期界面缺陷小、粘结强度高的缘故。
3.2.2粉煤灰掺量对抗压强度的影响(见图4)
图4粉煤灰掺量对抗压强度的影响
1—未掺掺合料;2—粉煤灰5%;3—粉煤灰10%;4—粉煤灰15%
由图4可见,砂率50%,胶结料450k g/m3,减水剂0.6%,粉煤灰掺量分别为0、5%、10%、15%,相应的水胶比分别为0.36(SL0=223mm)、0.37(SL0=208mm)、0.37 (SL0=228mm)、0.38(SL0=222mm)时,粉煤灰掺量5%的28d抗压强度比基准混凝土高2.1%,掺量10%的28d 抗压强度比基准混凝土降低了4.8%,掺量15%的却降低了18.9%。粉煤灰掺量对28d抗压强度影响的拟合回归曲线: y=-0.076x2+0.524x+56.72,R2=0.9954,由回归方程推导得,粉煤灰掺量7.1%时,轻骨料混凝土与基准混凝土的28d抗压强度相同。显然为确保其力学性能,粉煤灰适宜掺量约为10%。
3.3外加剂对轻骨料混凝土性能的影响
3.3.1外加剂对坍落度损失的影响
以上试验结果表明:粉煤灰是配制大坍落度轻骨料混凝土的首选掺合料,其适宜掺量约为10%,但坍落度损失仍不能满足施工要求。为此,复配了复合缓凝剂。
砂率50%,胶结料450k g/m3(其中粉煤灰掺量10%),外加剂为复合缓凝剂、减水剂,掺量分别为0、1.0%、0.6%时,SL0分别为220mm、240mm、228mm,坍落度损失有着显著的不同(见图5)。不掺外加剂的轻骨料混凝土坍落度损失严重;掺减水剂可减少坍落度损失,但减少的程度有限;掺复合缓凝剂能够显著地控制坍落度损失,SL60=202mm,△SL60=38mm,可满足施工要求。同时,因推迟水泥水化放热过程,降低轻骨料混凝土构件内部温升速率,有利于减少温度裂缝引起的混凝土早期缺陷,可进一步提高耐久性。
图5外加剂对坍落度损失的影响
1—掺复合缓凝剂;2—掺减水剂;3—不掺外加剂
3.3.2外加剂对抗压强度的影响
在基本相同的SL0时,不掺外加剂、掺复合缓凝剂、掺减水剂的3组配比的水胶比分别为0.51(SL0=220mm)、0.38 (SL0=240mm)、0.37(SL0=228mm)。3组配比的3d抗压强度分别为自身28d抗压强度的45.0%、52.0%、53.3%。不掺外加剂混凝土的3d抗压强度没有达到其28d 抗压强度的50%以上,是由于水胶比过大的缘故;掺复合缓凝剂和掺减水剂的轻骨料混凝土的抗压强度发展趋势基本相同(见图6)。
图6外加剂对抗压强度的影响
1—不掺外加剂;2—掺复合缓凝剂;3—掺减水剂
4结论
(1)采用胶结料450k g/m3(其中粉煤灰掺量10%),砂率50%,掺加复合缓凝剂,研制出SL60=202mm,△SL60= 38mm,干表观密度1916k g/m3,28d抗压强度53.3MPa 的高性能轻骨料混凝土。这说明在高强轻骨料和普通试验条件下,采用本文提出的轻骨料混凝土配制方法及适宜的配合比,配制高性能轻骨料混凝土是完全可行的。
(2)轻骨料混凝土早期强度高。同条件下,轻骨料混凝土早期(约4.5d前)抗压强度高于普通混凝土,其早期破坏首先发生在砂浆或界面处;后期(约4.5d后)砂浆起骨架支撑作用,随着龄期的增加破坏首先发生在陶粒处。
(3)粉煤灰是配制大坍落度高性能轻骨料混凝土优质价廉的首选掺合料,其增强以微细集料作用为主。
(4)掺缓凝复合外加剂可显著降低轻骨料混凝土坍落度损失,且不降低其力学性能。
参考文献:
[1]龚洛书.积极研究与开发高性能轻骨料混凝土.HPC99第二
届学术研讨会论文集.
[2]冈本享久等.高性能轻量 — .Concrete Joumal,
1999,37(4):12—18.
[3]龚洛书.高强陶粒和高性能混凝土.混凝土,2000,(2):
7—11.
收稿日期:2000—08—03;修订日期:2001—12—29
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?29?新型建筑材料2/2002