商陛能混凝土复合剂性能及应用研究.pdf

第3 6 卷第3 期 2 01 3 年5 月 非金 属矿 N o n M e t al l i c M i ne s VO 1 3 6 N o 3 M ay，2013 商陛能混凝土复合剂性能及应用研究 程朝霞 余永强 彭小芹 ( 1 河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作4 5 4 0 0 3 ；2 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆4 0 0 0 4 5 ) 摘要采用电镜扫描及能谱分析混凝土复合剂的组成， 测试了复合荆减水率、 强度和复合剂配制混凝土的工作性、 力学性能及耐久性， 并 对使用该复合剂的大体积矿井建设混凝 土温度分布进行 了 A NS YS模拟。结果表明 ， 复合剂为富含 S i O 2 、 AI 2 0， 矿物材料和 有机物 的复合物 。复 合剂掺量为 1 0 时， 配制的混凝土坍落度 达到 1 9 5 r n n l ， 1 d 、 3 d抗压强度可分别达到 2 8d的 4 8 、 7 8 。渗水高度 比基准混凝土降低 了4 9 7 ， 2 8 d 声速提高了6 2 ， 回弹值提高了1 0 3 ， 孔隙率降低了5 4 7 ， 大体积混凝土 l d 最高温度达到 3 8 ， 7 d 时达到4 6 ， 2 8 d 下降到2 l 。 关健词矿井建设高性能混凝土复合剂 交流阻抗谱大体积混凝土 中图分类号： T u5 2 8 1 1 4 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 - 8 0 9 8 ( 2 0 1 3 ) 0 3 - 0 0 5 0 - 0 4 S t u d y o n P r o p e r t i e s a n d Ap p l i c a t i o n o f Hi g h Pe r f o r ma nc e Co n c r e t e Co mp o u n d Admi x t u r e Che n g Zh a o x i a Yu Yo ng q i a ng Pe n g Xi a o q i n ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， He n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y , J i a o z u o ， He n a n 4 5 4 0 0 3 ； 2 C o l l e g e o f Ma t e ri a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , Ch o n g q i n g U n i v e r s i ty, C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5 ) Ab s t r a c t Us i n g s c ann i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y( S E M)a n d e n e r g y s p e c t r u m t e c h n o l o g y t o a n a l y z e t h e c o mp o s i t i o n o f mi n e c o n s t r u c t i o n h i g h pe r f o r ma n c e c o nc r e t e c o mpo u nd a d mi x t u r e The c o mp o u n d a dm i x t u r e wo r k ，me c ha n i c a l p r o p e r t i e s a n d d u r a bi l i t y we r e t e s t e d a n d t he ma s s mi n e c o ns t r u c t i o n c o n c r e t e t he rm a l fie l d wa s s i mu l a t e d thr o ug h fin i t e e l e me n t ANS YS p a c ka g e Th e r e s u l t s s h o we d t h a t c o mp o un d ma t e ria l c o mp o s i t i o n ， wa s ric h i n s i l i c a ， a l u mi n i u m o x i de mi n e r a l ma t e r i a l s and o r g ani c a d d i t i ve c o mp o un d ， wh e r e i n t h e o p t i ma l c o mp o u n d c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s tre ng t h o f 1 d and 3 d r e a c h e d 28 d s e n g t h o f4 8 a n d 7 8 ， r e s p e c t i ve l y Co mp a r e d wi t h t he r e f e r e n c e c o n c r e t e ， wa t e r pe n e t r a t i o n h e i gh t r e d u c e d b y 4 97 ， 2 8 d v e l o c i t y i n c r e a s e d b y 6 2 ， r e b o u n d r a i s e d 1 0 I 3 ， AC i mp e d anc e t e s t i n g po r o s i t y d e c r e a s e d b y 5 4 7 ， ANS YS s i mu l a t i o n s h o we d tha t t he ma x i mu m t e mp e r a t u r eo fma s s c on c r e t e r e a c h e d 3 8 i n1 d ， 4 6 i n 7 d ， d r o p p e dt o 2 1 i n2 8 d Ke y wo r ds mi n e c o ns t r uc t i o n hi g h p e r f o rm a n c e c o n c r e t e c o mp o un d a d mi x t u r e AC i mpe d a n c e s p e c uo s c o py ma s s c o nc r e t e 对于 深冻结井 ， 高性能混凝 土在工作性及耐久 性等方面更有优势 1】 。在普通水泥基础上添加外加 剂和矿物掺合料是 目前制备高性能混凝土的主要方 法 【2 】 ， 称为双掺技术。单一外加剂可改善混凝土的工 作性及硬化后混凝土的微观及亚微观结构， 提高混凝 土的力学性能及耐久性能 ， 在矿井建设的混凝土中应 用较普遍 3 】。粉煤灰、 矿渣和硅粉是常用的矿物外加 剂 】 ， 矿物掺合料可降低混凝土水化热， 增强混凝土 工作性和结构密实度， 降低混凝土孔隙率， 提高混凝 土强度及抗氯离子和硫酸盐腐蚀能力 2 , 4 -7 o外加剂 对混凝土配制和施工提出了更高的技术要求， 在配制 高性能混凝土时， 需要考虑外加剂品种和掺量， 施工 中需要考虑外加剂最佳添加时间及混凝土浇筑及养 护方式 8】 ， 增加了施工难度。针对矿井建设中大量使 用的混凝土材料， 出现了掺量 6 - 1 2 ， 介于普通外 加剂和矿物掺合料之间， 单独掺加可满足高性能混凝 土各项要求的高性能混凝土复合剂。但其成分组成 未公开， 给使用带来了隐患， 过量掺入会造成混凝土 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 3 2 3 5 0 的缓凝 】 。 本实验针对目前常用的矿井建设用复合剂， 分析其组成， 对掺有矿井建设用9 b J n 剂混凝土的工作 性能、 力学Jl 生 能及耐久J 陛能进行了研究， 并对使用此复 合剂的大体积混凝土温度场进行了A NS Y S 软件模拟。 1 实验部分 1 1 原料及仪器设备高性能混凝土复合剂为河南 某厂家生产。水泥为检测外加剂材料的P I 4 2 5 基准 水泥， 配制混凝土采用4 2 5 复合水泥和5 2 5 普通水泥。 水泥化学成分见表 1 。 胶砂试件中砂采用I S O标准砂。 混凝土中细骨料为二区中砂， 表观密度2 7 4 0 k g m 3 ， 堆 积密度 1 4 8 0 k g m3 ； 粗骨料为 4 7 5 2 0 n n碎石 ， 表观 密 度 2 6 8 0 k g m3 ， 堆 积 密 度 1 5 7 0 k g m 。J S M- 6 3 9 0 L V 扫描 电镜； S Y E - 2 0 0 0 型压力试验机； H S 4抗 渗仪； NM- 4 A非金属超声波检测仪 。 表1 水泥的化学成分 o 0 水泥型号 S i O2 AI 2 0 3 F e a O 3 C a O Mg O S O 3 PI 4 2 5 P C 4 2 5 P 0 5 2 5 l 1 O 2 2 1 4 4 8 2 5 3 3 3 4 趴 加 加 第3 6 卷第3 期 非金 属矿 2 0 1 3 年5 B 和 7 8 ； P 5 试样复合剂掺量达到 1 2 ， 坍落度为 1 4 0 m m， 1 d 、 3 d 强度分别达到2 8 d 强度的 5 9 7 和 8 3 5 。增大复合剂 占胶凝材料 的比例 ， 流动性和强 度先增后降。 复合剂占胶凝材料 1 2 时， 1 d 、 3 d 强度 高于掺量 1 0 ， 但 2 8 d 强度降低。 原因在于此复合剂 中有大量矿物掺合料， 掺入复合剂同时增加了胶凝材 料质量， 减水剂含量和矿物掺合料比例在复合剂中是 确定的， 过量复合剂相当于增加了减水剂和总胶凝材 料， 掺加量超过最佳减水率后， 减水剂减水效果降低， 且增加的矿物掺合料吸水， 用水量增加导致水灰比增 加 ， 强度降低 。 水泥采用 P C 4 2 5时， 增加复合剂用量， 混凝土流 动性增加， 但强度降低。主要原因在于用水量增加， 水灰比增加。试验表明复合剂在流动性调整方面比 单独减水剂弱， 可调整范围较小， 流动性增大， 主要在 于用水量增加， 复合剂中的成分未起到主要作用。 在复配高性能混凝土时， 矿物掺合料和减水剂等 9 h J n 剂有独立的最优掺加比例， 复合以后， 调整一种 材料比例， 另一种随之变化， 不能单独调整， 因此， 复 合剂和水泥的比例必须适当， 超过比例会导致强度降 低 ， 比例太低， 则流动性、 早强效果达不到。 2 3 凝结时间 采用 G B T 5 0 0 8 0 2 0 0 2试验方法 ， 从 混凝土中筛出的砂浆用贯入阻力法测试， 用绘图拟合 方式确定混凝土凝结时间。 冻结井壁施工采用了滑模施工技术， 混凝土脱 模时间为强度达到 0 2 - 0 4 MP a ， 表 4 中脱模时间以 O _3 MP a 为准。从表 4 可看出， 水泥的品种对凝结时 间影响较大。水泥 品种相 同， 初凝时间差别不大， 但 脱模时间差别较大， 1 d 强度较高， 脱模时间相对较早。 2 4 混凝土抗渗性试验混凝土抗渗性是混凝土耐 久性的重要指标。渗透性低， 水及有害物质难以进入 混凝土内部， 减少了混凝土破坏几率。水渗法可以很 好地表明混凝土的抗渗性能。按照 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 渗水高度法， 对 2 8 d 混凝土试件侧面用水泥和黄油 密封， 检测了混凝土的平均渗水高度， 抗渗结果见 表 5 ， 和基准混凝土相比， 渗水高度值下降了4 9 7 。 2 5 超声回弹在普通混凝土中， 超声检测是通过 穿透构件的声速值反应混凝土内部状况， 回弹值测试 了构件的表面硬度， 超声和回弹检测是无损检测的重 要组成部分。高性能混凝土超声回弹检测并不多见 ， 对掺加复合剂的混凝土进行超声回弹检测， 可以给高 性能混凝土无损检测提供技术依据 1 2 0混凝土的超 声、 回弹试验结果， 见表 5 。由表 5 可知， 相对基准混 凝土， P 4 1 d 、 3 d 、 7 d 和 2 8 d 声速值分别提高了3 9 、 3 6 、 6 3 和 6 2 ， 回弹值分别提高了2 5 、 1 0 9 、 9 0 和 1 0 _ 3 。 表5 混凝土超声、回弹、渗透高度和阻抗值 一 5 2一 编号 超声声速 ( m s ) 回弹值 MP a 渗透 阻抗参数R s 高度 3 d 7d 2 8d mm 7 d 2 8 d 46 3 4 7 6 4 9 5 5 2 4 31 5 3 5 9 3 7 8 3 8 6 1 4 5 6 2 0 7 1 2 P4 481 49 3 5 2 6 5 5 6 3 2 3 3 9 8 41 _ 2 4 2 6 7 3 9 2 3 1 5 7l 注 ： 基准混凝土配合 比为 P 4配合 比中复合剂用量v T , 水泥代替 ， 其 余 同P 4 。 2 6 交流阻抗谱交流阻抗谱是一种测试混凝土微 观结构的方法， 可以得到混凝土的N y q u i s t 谱图， 在谱 图上求得 s 等参数 。 s 与总孔隙率成反比 ， P 4 阻抗参数见表 5 。从表 5 可看出， 添加复合剂混凝土 的 s 值显著增大 ， 7 d和 2 8d R s 值 比基准混凝土分 别增大 了 4 8 9 和 1 2 0 6 ， 反应 出总孔隙率降低 了 3 2 8 和 5 4 7 。进一步说明混凝土内部结构致密 ， 验证了抗渗性能。 2 7 大体积混凝土水化热模 拟在建 的大体积混 凝土井筒， 内壁半径 3 2 5 m， 外壁半径 4 8 m， 分层浇 筑， 每层厚度为 1 2 5 m， 总高度为 1 5 111 。实景图片及 A N S Y S 模拟图， 见图3 。 I 图3 大体积混凝土井筒实图与模型图 程朝霞，余永强，彭小芹 高性能混凝土复合剂性能及应用研究 大体积混凝土浇筑时， 入模温度及混凝土配合比 对水泥的水化放热都有一定影响 H ， 使用表 4中P 4 配合比， 初始浇筑温度在 2 5 C 下混凝土工程进行模 拟 叼 ， 取时间为 1 d 、 7 d 、 2 8 d 时， 得到混凝土井筒各 自相应的温度云分布图， 见图4 。 曰 回 图4 1 d 、 7 d 、 2 8 d时混凝土井筒温度云分布图 a 一 1 d；b 一 7 d；c 2 8 d 从图 4 a 可看出， 最高温度集中在浇筑井壁中部， 最高温度从初始浇筑的2 5升到 3 8 ， 最高温度区 域大致占整个混凝土井筒的 1 3 。最低温度出现在混 凝土外壁与周围冻结土接触的部位， 比浇筑时温度下 降了5 。井筒内壁的混凝土温度为 2 4 - 2 6 oC ， 和浇 筑时初始温度相差不大。从混凝土井筒内壁至外壁 ， 温度逐渐上升， 在混凝土井筒中部位置达到最高温度 后， 温度开始依次下降。 ， 从 图 4 b可看 出， 最高温度达到 了 4 6， 从井壁 中间逐渐移到了最靠近冻结壁的地方。最低温度 出现在井筒内壁及靠近内壁的小部分区域， 从 1 d 的 2 5 下降到 2 l 。从井筒内壁至井筒外壁， 温度由 最低值逐渐上升到最高值， 至井筒外壁区域达到峰 值。最高温度区域占整个井筒区域的2 5 ， 其余各部 分比例相差不大， 由内壁到外壁 ， 温度均匀上升 。 从图 4 c 可看出， 最高温度下降到了2 1 ， 出现在 井筒外壁及靠近井筒外壁的小部分区域， 最高温度区 域占整个井筒的比例减小， 约占整个井筒区域的 1 5 ， 最内壁温度下降到 1 2 。从井筒内壁至井筒外壁， 温 度逐渐上升， 各区域所 占比例相差不大， 变化较均匀。 3 结论 1 高性能混凝土复合剂是由矿物掺合料和外加 剂复合组成， 宏观上是均一粉体， 微观上是成分不同 的颗粒组成的复合材料， 在扫描电镜下可以观察到外 加剂和矿物掺合料的单独颗粒， 或者外加剂吸附在矿 物掺合料表面。 一5 3 2 高性能混凝土复合剂减水率为 1 4 2 ， 要得到 更大流动性的混凝土， 需要复合其他减水成分。 3 矿井建设用高性能复合剂配制的混凝土早期 强度高， 坍落度为 1 9 5 m i ll ， 1 d 、 3 d 抗压强度分别达到 2 8 d强度的 4 8 和 7 8 。 4 复合剂配制的混凝土渗水高度比基准混凝土 降低了 4 9 7 ， 2 8 d 声速值和回弹值分别提高了6 2 和 1 0 3 ， 交流阻抗谱测试孔隙率降低了 5 4 7 。 5 A NS YS模拟的冻结井壁用大体积混凝土温度 场表明， 在2 5 入模时， 1 d 最高温度达到3 8 ， 7 d 时 达到 4 6 ， 2 8 d 下降到 2 l 。 参考文献 ： 【 1 叶 义群 ， 储 洪强 ， 蒋林华 冻结深井用 C 7 0高性 能混凝土的耐久性 能及微观机理研究 J 】 混凝 土， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 1 5 1 7 ， 2 1 2 陈会凡， 张德思， 朱锦章， 等 复合矿物掺合料高性能混凝土的试验 研究 华中 科技大学学报： 自 然科学版， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 4 ) ： 9 0 - 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man c o n c r e t e a n ix t u r e s J T r a n s a c t i o n s o f Na n j in g U n i v e r s i t y o f Ae r o - n a u t i c s &A s t r o n a u t i c s ， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 2 ) ： 2 0 6 - 2 1 0 9 】 程朝霞， 张 自 新， 胡志超， 等 高性能混凝土外加剂对水泥砂浆力 学性能的影响 【 J 】 河南理工大学学报： 自然科 学版， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 6 ) ： 7 1 9 7 2 3 1 0 】 杨正宏， 史美 伦 混凝土交流阻抗参数的区域分布 建筑材料学 报 ， 1 9 9 9 ， 2 ( 1 ) ： 8 1 - 8 4 【 l 1 】 仇满德， 姚子华， 翟永清， 等粉煤灰的S E M及 x射线能谱微分 析研究 叨 电子显微学报 ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 2 ) ： 1 1 2 一 l l 6 1 2 】 王正君， 谭忆秋， 李胜利 声参数的高性能混凝土强度推定模型 哈尔滨工程大学学报， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 6 ) ： 6 3 2 6 3 4 1 3 许仲梓 水泥混凝土电化学进展一交流阻抗谱理论 叨 硅酸盐学 报 ， 1 9 9 4 ， 2 2 ( 2 ) ： 1 7 3 1 8 0 【 1 4 李潘武， 曾宪哲， 李博渊 浇筑温度对大体积混凝土温度应力的影 响 长安大学学报： 自然科学版， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 5 ) ： 6 8 7 1 1 5 】 苗胜军， 丛启龙， 任奋华， 等 基于A N S Y S的大体积混凝土的水化 热模拟研究 J 1 四川建筑科学研究， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 2 ) ： 1 9 4 - 1 9 7 1 6 王军玺 ， 杨华 中 大体积混凝土温度场仿真分析在 A NS YS上的实 现 兰州交通大学学报， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 4 ) ： 2 9 - 3 2 觚