超细Al2O3粉末部分取代水泥配制混凝土研究.pdf

第3 5卷第 3 期 2 0 1 3年 3月 人民黄河 Y EL L O W RI VE R Vo 1 3 5 No 3 Ma r ， 2 01 3 【 水利水 电工程 】 超细 A l 2 o 3粉末部分取代水泥配制混凝土研究 闫雪莲 ， 严 亮 ， 许 美娟 ， 边 军 ( 1 长春工程学院， 吉林 长春 1 3 0 0 1 2 ； 2 华北水利水电学院， 河南 郑州4 5 0 0 1 1 ) 摘要： 采用平均粒径为 0 5 m的超细 A l ： 0 粉末部分取代水泥配制普通混凝土， 测定超细 A 1 2 O 3 粉末取代水泥比例 分别为 0 8、 1 2 、 1 6 、 2 0 时， 新拌合混凝土的和易性及混凝土在 3 、 7 、 2 8 、 9 0 d龄期时的抗压强度， 并与不掺加 超细 A 1 O 粉末的混凝土进行对比。试验结果表明： 随着 A l ： 0 粉末取代水泥比例的增大， 新拌混凝土的和易性变差， 而抗压强度呈上升趋势， A l 0 粉末取代水泥比例为 1 6 时， 混凝土抗压强度达到最大， 再增大 A l ： 0 ， 粉末取代水泥的 比例 ， 混凝土抗压强度反 而下降。 关键词：超细 A l 2 0 3 粉末；和易性；抗压强度；混凝土 中图分类 号 ：T U 5 2 8 1 ； T V 4 3 t 文献标志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 3 0 3 0 3 8 Ex pe r i me nt a l St ud y o n Co n c r e t e by Pa r t i a l Re pl a c e me n t o f Ce me nt wi t h Ul t r a fin e AI ， O Po wde r s Y A N X u e l i a n ， Y A N L i a n g ， X U Me i - j u a n ， B I A N J u n ( 1 C h a n g c h u n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 1 2 ，C h i n a ； 2 N o a h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r Re s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e c o n c r e t e w a s mi x e d b y c e me n t wh i c h w a s p a i M r e p l a c e d wi t h u l t r a f i n e A1 2 O3 p o wd e r s Uh r a fi n e A1 2 O3 p o w d e wi t h t h e a v e r a g e d i a me t e r o f 0 5 t x m we r e u s e d wi t h c o n t e n t o f O 8 ，1 2 ，1 6 ，a n d 2 0 b y we i g h t ，t h e wo r k a b i l i t y of t h e f r e s h c o n c r e t e a n d t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e c o n c r e t e o f 3， 7， 2 8， 9 0 d we r e t e s t e d Th e r e s u l t s h o ws t h a t t h e wo r k a b i l i t y of t h e f r e s h c o n c r e t e i s d e c r e a s e d a n d t h e c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f t h e c o n c r e t e i s i mp r o v e d b y in c r e a s i n g t h e c o n t e n t o f u l t r a f i n e A1 2 03 p o wd e r s ，t h e ma x i mu m c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f t h e c o n c r e t e i s g a i n e d wh e n t h e r e p l a c e me n t p r o p o rti o n e q u a l s t o 1 6 B u t t h e c o n t e n t o f u l t r a f i n e A1 2 O3 p o wd e r s i s i n c r e a s e d o n c e mo r e，t h e c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f t h e c o n c r e t e d e c r e a s e s Ke y wo r d s：u h r a fin e A1 2 03 p o wd e rs；wo r k a b i l i t y；c o mp r e s s i v e s t r e n gth；c o n c r e t e 混凝土是当代最主要的土木工程材料之一 ， 其主要组成为 胶凝材料、 粗骨料 、 细骨料和水。混凝土中的粗 、 细骨料起骨架 作用， 水泥等胶凝材料与水拌和使混凝土拌合物具有可塑性， 进而通过物理化学作用凝结硬化产生强度” 。现在将火山灰、 粉煤灰和高炉矿渣等掺合料作为混凝土的第五大组分掺入混 凝土中， 并掺加少量外加剂( 如减水剂、 引气剂) 改变混凝土的 某些性能 I 3 J 。而近几年新的外加剂超细粉末的加入可 实现混凝土的某些特定用途。因此 ， 选用超细 A 1 ： O 粉末部分 取代水泥， 研究混凝土的性能 J 。A 1 ： O 粉末与水泥中的氧 化钙等生成水化硫铝酸钙， 这样在混凝土中能够形成“ 凝胶” ， 从而提高混凝土的性能。因此， 为了提高混凝土的性能 ， 添加 超细 A 1 ， O 粉末是可以实现的 。 J 。 1 试验研究 要物理性能见表 1 。采用 3 2 5普通硅酸盐水泥作为胶凝材料， 其成分见表 2 ， 经检验， 水泥的烧失量为 3 4 0 ， 容重为 1 6 0 0 k g m 。细骨料采用普通信阳河沙， 沙子的细度模数为2 3 0， 体 积质量为2 6 0 0 k g i n 。粗骨料采用连续级配的石灰岩碎石， 体积质量为 2 9 5 0 k g m 。各种原材料质量均符合国家的相应 标 准。 表 1 超细高纯 A l 2 03粉末主要物理性能 含量2 1 6 3 5 2 6 3 2 5 5 4 1 6 6 3 5 3 5 4 0 2 0 0 9 6 1 1 试验原材料 作 者简 介 ： 闫 雪 莲 ( 1 9 7 5 ) ， 女， 辽宁 昌 图 人， 讲师 ， 硕士 ， 主 要从 事 水 利 及混 凝 试验采用超细高纯 A 1 2 0 3 粉末的平均粒径为0 5 tx m， 其主 E 一 a i l ： 3 4 。8 2 8 3 q q 。 ， 土方面的教学与研究工作。 1 1 3 人 民 黄 河2 0 1 3年第 3期 1 2 试验设计 根据试验经验 ， 并参考已有成果资料， 试验采用超细 A I ： 0 粉末取代率分别为 0 8 、 1 2 、 1 6 、 2 0 ， 记为 c 1 、 c 2、 c 3 、 C 4 ， 为了对比试验结果 ， 平行做一组不掺加超细 A 1 ： O 粉末 的混凝土试件作为基准混凝土， 记为 c 0 。沙率采用 3 2 ， 水胶 比为 0 4 1 ( 水： ( 水泥 +A I O 粉末) ) ， 具体配比见表 3 ， 其中细 骨料为 4 9 0 k g m ， 粗骨料为 1 1 5 0 k g m 。 表 3 普通水泥和超细高纯 A l 2 03粉末配合 比 1 3 试验注意事项 ( 1 ) 每组试验制作 3个尺寸为 1 5 0 m m1 5 0 mm1 5 0 m m 立方体试件 ， 共 2 0组， 6 0个试件 ， 在同 l d内浇筑完成。每组 试件在装模前现场测定其和易性。 ( 2 ) 浇筑时， 分两次装入 ， 每次振动 1 0 S ， 在振动台上振动 密实。 ( 3 ) 试件振实后 ， 用薄膜覆盖保湿， 2 4 h后拆模 ， 并在水中 养护， 然后测定 3 、 7、 2 8 、 9 0 d龄期立方体试件的抗压强度 。 2 试验结果分析 2 1 混凝土的性能 2 1 1 新拌混凝土的和易性 基本上混凝土的坍落度越大， 混凝土的和易性越好 ， 表明 混凝土易于流动成型， 但是 昆 凝土不能离析。通过试验测定了 不同A 1 O 粉末取代率下新拌混凝土的和易性 ， 见表 4 ( 表中给 出的是 3个试件的平均值) 。从表 4可以看 出， 在水灰比不变 的情况下， 掺加 A 1 ， 0 粉末的新拌混凝土的和易性不如未掺加 A 1 O 粉末的好。掺加超细高纯 A 1 ： 0 ， 粉末的新拌混凝 土都具 有较低的坍落度 ， 且随着 A 1 ： 0 ，粉末取代率的增大， 坍落度减 小 ， 即流动性变差 。这可 能是 加入 超 细 A 1 0 ， 粉 末后 ， 比表 面 积增大 ， 需要更多的水去润湿水泥颗粒。 表 4 新拌 混凝 土拌合物 的和 易性 2 1 2混凝 土 的强度 分别测定混凝土 3 、 7 、 2 8 、 9 0 d的抗压强度， 测定结果见表 5 ， 从表 5可以看出， 与基准? 昆 凝土相比， 掺加超细 A I O 粉末 的混凝土在各个龄期的抗压强度都比较高， 2 8 d时混凝土的抗 压强度均在 3 7 MP a以上， 完全可以用于普通混凝土结构工程。 为了分析混凝土的抗压强度随龄期及 A 1 0 粉末取代率 的变 化规律， 绘制混凝土抗压强度随龄期变化曲线( 图 1 ) 和混凝土 1 1 4 抗压强度随 A 1 ： O ， 粉末取代率变化曲线( 图2 ) 。 表 5混凝土抗压强度 时间 d 图 1混凝 土抗压 强度 随龄期变化 曲线 图 2混凝土抗压强度随 A l 2 o3粉末取代水泥 比例变化 曲线 从 图 1可以看 出 ， 随着 龄期 的延 长 ， 混凝 土抗 压强 度增 大 迅速， 2 8 d龄期以后? 昆 凝土抗压强度增大速度减慢 ， 这与普通 混凝土抗压强度变化规律是一致的。从 图2可以看出， 随着超 细 A 1 O 粉末取代水泥比例的的增大， 混凝土抗压强度呈增大 趋势， 但是当 A 1 ： 0 ， 粉末取代水泥的比例为 1 6 时， 混凝土抗 压强度达到最高值 ， 再继续增大 A I 0 粉末的取代率， 强度反 而开始下降。原因是水泥早期水化形成 的 C a ( O H) ，快速消 耗， 而水泥早期水化速度则与 A 1 ， 0 颗粒的活性密切相关。水 泥水化加速， 水化产物的数量增多。超细 A 1 O 粉末的使用增 大 了混凝土 的颗粒堆 积 密度 ， 缩小 了水 泥浆 体孔 隙 的体 积 ， 从 而使混凝土抗压强度增大。而当混合物中纳米 A I O 粒子数 量多于水化过程中与自由氧化钙结合所需要的量时， 二氧化硅 过剩浸出引起混凝土抗压强度下降。此外 ， 可能是 A 1 ， 0 粉末 分散而产生了薄弱区， 薄弱区产生了缺陷。但需要指出的是， 虽然 A 1 O 粉末取代率为 2 0 时， 混凝土强度比 A 1 0 粉末 取代率为 1 6 时低， 但是仍然比基准混凝土的抗压强度高。 3 结语 加入超 细 A I ， 0 粉末可 以改善混凝 土的抗 压强度。而 A 1 O 粉末作为一种塑化剂 ， 其掺加类型和数量的选择取决于 其本身的物理化学性质， 如颗粒形状、 表面纹理、 表面孔隙度、 表面能、 粒径等 ， 由于这些因素对混凝土的影响很复杂 ， 因此关 于这些因素的综合影响效果尚未达成共识。通常情况下 ， 增加 水泥中细颗粒的含量会改变拌合物的流变性能， 从而影响新拌 ? 昆凝土的和易性。通常假设固体的体积浓度保持不变 ， 在满足 一 定和易性要求下 ， 增大水泥细度会因增加了表面积而增加水 的需求量。对于掺加了超细粉末的混凝土该情况会更加明显。 ( 下转第 1 1 7页) 皇襁嘟 黑 堪 人 民 黄 河2 0 1 3年第 3期 水平均高度与相对渗透系数成正比， 因此纤维膨胀剂是影响膨 胀纤维混凝土抗渗性能的最重要因素， 而沙率对其影响较小。 表 4 膨胀纤维混凝土平均渗水高度极差分析 注 ：I 、 、 l ll j分别 为表 1第 列水平 1 、 水平 2、 水 平 3试验 结果之 和； 为 I ， 、 J 、 的极差。 2 2点图分析 为了便于分析各因素掺量变化对膨胀纤维混凝土抗渗性 能的影响， 并推荐最佳配合比， 绘制抗渗性能正交分析点图， 见 图3 。根据图 3可以得 出： 膨胀纤维混凝土的平均渗水高度 随着纤维膨胀剂掺量的增加 ， 呈先下降后上升的趋势； 随着减 水剂用量的增大呈现逐渐下降的趋势； 随着沙率的增大， 也呈 现先下降后上升的趋势。由于混凝土平均渗水高度越小， 相 对渗透系数也越小， 抗渗性能就会越好， 因此获得最佳抗渗性 能的膨胀纤维混凝土组合为A ： B ： C D ， 即粉煤灰掺量为 2 0 、 纤维膨胀剂掺量为5 、 减水剂掺量为 1 2 、 沙率为3 5 。 鑫 * 摹 因素 图 3 抗渗性能正交分析点图 以上结果表明， 适量的纤维膨胀剂可 以细化和封闭孔结 构 ， 改善混凝土结构 内部 的均匀性 ， 提高混凝土的抗渗性 能。 若掺量偏大， 聚丙烯纤维对混凝土早期裂缝的抑制远远小于膨 胀应力的作用， 导致混凝土内部质点间距增大， 产生微裂缝， 混 凝土的渗透性增强。掺加减水剂 ， 降低水胶比， 增加了混凝土 结构的密实度 ， 有利于其抗渗性能的提高。适当的沙率可以 较好地包裹粗骨料， 填充其孔隙， 切断混凝土硬化后形成 的毛 细渗水管道， 提高混凝土的抗渗性能 ， 但沙率较大反而会促进 收缩 ， 降低其抗渗性。 - - - - - - 卜。- - o - o- -。 ( 上接第 1 1 4页) 掺加 A 1 O ， 粉末的混凝土与不掺加 A 1 ： 0 粉末的混凝土相 比， 抗压 强度 增大 。试 验结 果 表 明， 在 一定 超 细 A 1 0 粉 末取 代率条件下， A 1 ： 0 ， 粉末取代水泥的量越大， 其配制的混凝土抗 压强度越高， 在 A 1 ： 0 粉末取代率为 1 6 时， 混凝土的抗压强 度达到最高， 继续增大 A 1 ： 0 ，粉末的取代率 ， 混凝土的抗压强 度反而下降。超细高纯 A 1 0 。 粉末部分取代水泥会降低新拌 混凝土的和易性， 因此使用减水剂是必要的， 具体掺加减水剂 的量还需要进一步试验确定。该混凝土若用于工程施工 ， 则应 根据现场变化， 调整原材料的用量。 参考文献 ： 1 赵玉青， 王丽梅， 王静， 等 灰色系统模型在混凝土坝体温度预测中的应用 2 3 修补效果分析 根据正交试验的择优原则， 选择 G 5修补后的混凝土试件 和无缺陷的普通混凝土试件2 8 d平均渗水高度进行对比， 发现 修补后的混凝土试件平均渗水高度 比无缺陷的普通混凝土试 件降低了3 6 6 ， 说明修补后抗渗效果较好。 3 结语 通过试验分析可以得出， 具有最佳抗渗性能的膨胀纤维混 凝土配合比正交组合为 A B GD ： ， 即粉煤灰掺量为2 0 、 纤维 膨胀剂掺量为 5 、 减水剂掺量为 1 2 、 沙率为 3 5 。由表 3 可知， 修补后混凝土试件较原混凝土试件渗水平均高度大部分 有了大幅度下降， 说明用膨胀纤维混凝土对缺陷进行修补取得 了较好的抗渗效果。随着纤维膨胀剂掺量的增加， 膨胀纤维混 凝土的平均渗水高度先减小后增大， 说明并非是纤维膨胀剂用 量越大抗渗性能越好。随着沙率的增大， 膨胀纤维混凝土的平 均渗水高度呈现先下降后上升的趋势， 说明并非是沙率越大抗 渗性能越好。虽然用于缺陷修补的膨胀纤维混凝土沙率取值应 稍大一些， 但也应经过试验确定， 避免取值较大或过大增加混凝 土的收缩， 从而对抗渗性能产生不利影响。另外， 为了保证膨胀 纤维混凝土缺陷修补的整体质量， 应严格控制修补施工程序， 并 及时对修补后的混凝土进行养护( 养护期至少为 1 4 d ) 。 参考文献 ： 1 蒋正武， 龙广成， 孙振平 混凝土修补： 原理、 技术与材料 M 北京 ： 化学工 业出版社 ， 2 0 0 9 2 孙道胜， 邓敏， 唐明述， 等 聚丙烯纤维增强膨胀混凝土阻裂抗渗性能研究 J 工业建筑， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 3 ) ： 4 9 5 2 3 胡本勇 水工混凝土常见的缺陷修补处理措施及其施工 J 水利水电企业 科技与发展 ， 2 0 1 0 ( 1 4 ) ： 1 6 0 1 6 2 4 张志和， 张永飞， 李斌华 ， 等 混凝土缺陷修补技术在水电工程中的应用 J 贵州水力发电， 2 0 1 1 ， 2 5 ( 2 ) ： 3 4 3 6 5 吴翊， 李永乐， 胡庆军 应用数理统计 M 长沙： 国防科技大学出版社， 2 0 o 8 6 温国梁， 姚学健， 白梅荣， 等 济平干渠衬砌混凝土耐久性的试验研究 J 混凝 土， 2 0 0 8 ( 1 1 ) ： 1 0 2 1 0 4 【 责任编辑吕艳梅】 J 人民黄河， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 7 ) ： 5 1 5 3 2 赵玉青， 王静， 李庆安 基于灰色动态模型的碾压混凝土温度特性分析 J 人 民黄河 ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 8 ) ： 4 9 5 2 3 胡玉珊， 邢振贤 粉煤灰掺人方式对再生混凝土强度的影响 J 新型建筑 材料 ， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 2 6 2 7 4 沈在康 混凝土结构试验 M 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 5 5 王冲， 蒲心诚 纳米颗粒材料在水泥基材料中应用的可行性研究 J 新型 建筑材料， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 2 2 2 3 6 唐明， 巴恒静， 李颍 纳米级 S i O x 与硅灰对水泥基材料的复合改性效应研究 J 硅酸盐学报， 2 0 0 3 ， 3 1 ( 5 ) ： 5 2 3 5 2 7 7 严吴南， 计丽珠 建筑材料性能学 M 重庆： 重庆大学出版社。 1 9 9 6 8 B a r n e s P 水泥的结构和性能 M 吴兆琦， 汪瑞芬 译 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 1 【 责任编辑吕艳梅】 l 1 7 Jn V 卜