矿物掺合料对聚合物改性多孔水泥混凝土的性能影响研究.pdf

2 0 1 2年 第 4期 (总 第 2 7 0期 ) Nu mb e r 4i n2 0 1 2 ( T 0 诅l No 2 7 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ERI AL A D ADMI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 4 0 1 4 矿物掺合料对聚合物改性多孔水泥混凝土的 性能影响研究 徐方 ，朱婧 ，陈建平 。周明凯 a ( 1 中国地质大学( 武汉)工程学院 土木工程系，湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 ；2 湖北交通职业技术学院 道桥系，湖北 武汉 4 3 0 0 7 9 ； 3 武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 为有效改善聚合物改性多孔水泥混凝土( P P c ) 的力学性能， 在混合料中加人粉煤灰、 硅灰等矿物掺和料。 优化了P MP C中矿 物掺和料的掺量， 研究了矿物掺和料对其强度性能、 透水性能、 表面功能性的影响， 并提出了P MP C的结构模型， 揭示了P M P C的强度形 成机理。 试验结果表明： 在混合料中加入 1 0 掺量的粉煤灰或 6 掺量的硅灰 ， 其 2 8 d 抗压强度分别达到 2 3 、 4 7 MP a ， 2 8 d 抗折强度分别 达到 5 2 、 5 9 MP a ， 透水系数分别达到 O 3 6 、 0 3 4 c m s ， 其表面构造深度可达到 1 mm以上， 表面抗滑摆值可达到4 0 B P N以上。 关键词： 聚合物改性多孔水泥混凝土；矿物掺合料；力学性能；透水性能；表面功能性 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 4 1 0 4 I nf l ue nc e o f m i ne r al admi x t ur e on t he p er f or ma nc e o f p ol ymer modi f i ed por ou s c onc r e t e XUF a n g1 , ZHUJ ing ， CHEN J i a n- ping ， ZHOUMi n g- k a i ( 1 F a c u l t yo f E n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i tyo f Ge o s c i e n c e s ， Wu h a n4 3 0 0 7 4 ， C h i n a ； 2 De p a r t m e n t o fRo a d a n dBrid g e， Hu b e i Co mmun i c a t i o n st e c h ni c a l Co l l e g e， W u h a n4 3 0 0 7 9， Ch i n a； 3 S t a t e L a b o r a t o r y f o r S i l i c a t e Ma t e ri a l S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h an 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t oi mp r o v e t h e me c h ani c a l p e rfo r ma n c e o f p o l y me r mo d i fi e dp o r o u s c o n c r e t e ( P MP Cf o r s h o r t ) ， t h emi n e r a l a d mi x t u r e s ， i n - c l u d i ng fl y a s h a n d s i l i c o n r un i c， a r e a d d e d i n t o t h e c o n c r e t e S t ud i e s the o p t i mu m d o s a g e o f the mi n e r a l a d mi x t u r e s ， the i n flu e nc e o f the mi n e r a l a dm i x t u r e s o nthe s e n g t hp e rfo rm a n c e ， p e r me a b i l i typ e rf o rm a n c e a n dt h e s u rf a c ef u n c t i o np e rf o rm a n c e T h e mi c r o s c o p i c t e s t o f S E M a r eu s e dt o e x p l o r e t h e i mp r o v e me c h an i s m o f the mi n e r a l a dm i x t u r e s T h e t e s t r e s u l t s i n d i c a t e t h a t ： t h e d o s a g e o f 1 0 fl y a s h o r o f 6 s i l i c o n f u me i s the叩 - t i mu m d o s a g e At t h e s e d o s a g e s o f t h e mi n e r a l a dmi x t u r e s ， the 2 8 d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h c a n r e a c h 2 3， 4 7 MPa， the 28 d fle x i b l e s e n gt h c a n r e a c h 5 2 ， 5 9 MP a ； t h e p e rm e a b i l i ty c o e ffic i e n t C an r e a c h 0 3 6， O 3 4 c m s ， me e t i n g t h e s p e c i fi c a t i o n o f r o a d d r a i n a g e T h e s u r f a c e f u n c t i o n i s g o o d wh i l e the s u r f a c e d e p t h C an r e a c h a b o ve l mm a n d t h e s l i d e r e s i s t a nc e c o e ffic i e n t C an r e a c h a b o v e 40 BP N Ke ywor d s： po l y me rmo d i fi e dpo r o us c o n c r e t e ； mi n e r a l a dm i x t u r e ； me c h an i c a l p e rfo rm a n c e ； p e rm e a bl ep e rfo rm anc e ； s u r f a c ef u nc t i o n 0 引言 多孔水泥混凝土是由水泥、 集料和水拌制而成的新型混凝 土， 由于无砂或少砂 ， 这种混凝土硬化后存在较多与较大的孔 隙， 从而使其具有良好的排水性能及抗滑、 降噪等表面功能性， 该材料适用于公路路面、 停车场等工程领域， 但由于普通多孔 水泥混凝土脆性大 ， 抵抗变形破坏的能力低， 限制了其在工程 领域的应用【 1- 2 。 相关研究表明 ， 在多孔水泥混凝土掺加适量 高分子聚合物可有效降低其脆性 ， 从而大幅度提高多孔水泥混 凝土的柔韧性 以及抵抗变形的能力。 聚合物改性多孔混凝土 ( P M P C ) 属于骨架一 孔隙型结构， 其强度与接触点数量、 面积以 及接触点的强度正相关， 而这些都和多孑 L 混凝土中浆体的组成 和结构有关， 通常水泥和一些辅助胶凝材料的硬化浆体被称为 水泥石， 因此水泥石的性质是决定 P MP C强度的关键因素， 而 硬化水 泥石 的性质取决于胶凝材料的组成以及掺合料的种类 与用量4 - 5 ， 目前国内研究的多孔混凝土材料水泥用量较大 ， 但 是混凝土强度却并不高， 而且大多数没有充分考虑用矿物掺合 料来取代部分水泥对混凝土性能的影响， 本试验通过在 P MP C 中加入适量的粉煤灰、 硅灰等矿物掺合料以提高其力学性能， 研 究了矿物掺合料对 P MP C强度性能、 透水性能、 表面功能性能 的影响， 并提出了P MP C的结构模型以揭示其强度形成机理， 该 研究有助于 P MP C在工程领域中的推广应用 ， 并为其具体设计 与施工提供了相关参考依据。 1试 验 1 1 原材料 ( 1 ) 水泥： 选用华新堡垒牌 P 0 4 2 5 级水泥 其各项性能指 标满足国家标准要求。 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 1 O _ J 0 4 基金项 目：中国博士后科学基金面上资助项 目( 2 0 1 1 M5 0 0 9 0 6 ) ； 湖北省自然科学基金一般项目( 2 0 1 1 C D B 0 5 3 2 1 ) ； 中央高校基本科研试验业务费专 项资金科研项 目( C U G L 1 0 0 2 1 4 ) 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 2 ) 聚合物乳液： 采用上海高桥 B AS F分散体有限公司的 羧基丁苯 S D 6 2 3乳液， 固含量为 4 7 ， 最低成膜温度为 1 1， 黏度 为 0 0 3 P a S 。 ( 3 ) 集料 ： 选用湖北京山玄武岩碎石( 4 7 5 9 5 n l n 3 ) 以及与 碎石相同岩性的机制砂， 其中碎石与机制砂的复合掺配合比例 为 9 ： 1 ， 集料的物理力学性能及复合级配曲线如表 1 、 图 1 所示。 ( 4 ) 粉煤灰 ： 阳逻电厂 I I 级粉煤灰 ， 其4 5 Ix m筛余为 1 1 7 ， 比表面积为 6 2 0 mV k g ， 表 观密度为 2 1 0 g c m 。 ( 5 ) 硅灰 ： 采用挪威埃肯公司生产的硅灰 ， 其 比表面积为 1 8 0 0 0 m 2 k g ， 表 观密度 为 2 2 3 g c m 。 表 1 集料的物理 力学性能 类别表观密度 ( g c m )紧装密度 ( g c m ) 吸水率 含泥量 1 、 槲 赠 强度还略有提高， 而且后期强度增进率大 ， 2 8 d强度比7 d强度 提高 3 0 5 0 。 对于硅灰， 其比表面积达 1 8 0 0 0 m2 k g ， 硅灰极 细微的颗粒能够产生 良好的微填充效应 ， 显著增大集料等结构 单元之间的接触面积； 在另一方面， 粉煤灰或硅灰会与水泥水 化后产生的氢氧化钙发生火山灰反应， 形成一定量的胶凝性水 化产物 ， 也减少了氢氧化钙晶体在界面过渡区的富集和定向生 长， 从而在一定程度上增加了界面过渡区硬化浆体的强度， 并且 其较好的火山灰活性对 P MP C强度的增长极为有利， 取代水泥 后对 7 d强度的提高贡献很大， 后期强度的增长也十分明显。 表 2试验基准配合比 在 P MP C中加入适量粉煤灰或硅灰， 对混凝土的孔隙率和渗 透系数也有一定程度的影响， 结果如图3 5 所示。 采用适量粉煤灰 或硅灰取代部分水泥， 由于浆体体积的增加 ， 混凝土的孔隙率 出现下降的趋势， 其渗透系数也有所降低。 由于硅灰的密度与粉 煤灰相当， 浆体体积的增加也基本相当， 两种掺合料对混凝土孔 隙率和渗透系数的降低幅度相差不大， 加入掺量为 1 0 的粉煤 灰或 6 的硅灰时， 混凝土的渗透系数分别达到 0 3 6 ， 0 3 4 c r n s ， 满足 公路排水设计规范 【 中对渗透系数的相关要求。 因此， 相 对于增加水泥掺量而言， 掺加适量粉煤灰或硅灰等矿物掺合料 对聚合物改性多孔水泥混凝土的性能具有更好的影响。 2 5 日2 O 口一 1 5 、 1 0 霞5 0 7 d 抗折 2 8 d 抗折 7 d 抗压 2 8 d 抗压 图 2粉煤灰对 P MP C强度性能的影响 4 5 0 5 瓠 粉煤灰掺量， 图 3 粉煤灰对 P MP C透水性能的影响 如 加 m 如 加 m 5 B d 苫、 骥 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m g 吕 、 赋 吕 吕 、 蚓 蠼 硅灰 掺量 ， 图 5 硅灰对 PMP C透水性能的影响 5 0 45 40 3 5 著 3 0 、 2 5 ： 1 O 0 5 粉煤 灰掺 量 ， 图 6 粉煤灰对 PMP C表面功能性的影响 硅 灰掺量 ， 图 7硅灰对 P MP C表面功能性 的影 响 造深度及抗滑系数影响显著， 随着粉煤灰、 硅灰取代量的不断 提高， 表面构造深度 、 抗滑摆值不断减小 ， 当粉煤灰取代量为 1 0 或硅灰取代量为 6 时， P MP C表面构造深度均大于 1 mm， 表面抗滑摆值均大于4 0 B P N， 满足 公路水泥混凝土路面施工 技术规范) 【 8 】 中有关表面功能性的要求。 2 3 P MP C 的结构模 型 P MP C的结构模型如图 8 所示。 P MP C的结构骨架是由开 级配的粗集料以及适量细集料所组成的， 其结构可以看成是表 面包裹有一定厚度的胶凝材料浆体的粗集料相互堆叠、 嵌锁， 细 集料与矿物掺合料填充在粗集料形成的大孔中而组成的聚集 体 ， 矿物掺合料的加入能增强集料颗粒之间的接触， 混凝土仍 然保留有足够的连通孔隙， 并且混凝土的强度得到了一定程度 的提高。 多孔混凝土的强度不仅仅是 由其结 构单 元的强度决定 的 ， 而是取决于结构单元之间的黏结。 P MP C绝对强度通常只有 1 0 3 0 MP a ， 而 P MP C的主要结构单元相集料的强度通常都 在 n x l O MP a 与 n x l 0 MP a 之间 ， 因此 P MP C的强度与结构单 元的自身强度关系不大， 而与结构单元之间的界面接触单元的 强度密切相关 ， 而界面接触单元的强度主要依赖于接触面积以 及连接点处结合料的黏结强度， 以及相互接触的集料颗粒间的 嵌挤和内摩擦力。 因此 P MP C材料的强度不能借鉴普通混凝土 图 8 聚 合物改性多孔水 泥混凝 土结构模型 的水灰比以及胶集比强度理论， 其强度构成应建立一种新的模 型来反映， 一种接触元模型嘲 和其结构特征比较吻合， 其基本思 想可以由式( 1 ) 来描述： n n 1 、1 R i X i+ ( 1 ) i=l i=l 式中： R 。 材料强度； R 接触点处连接强度； 接触点面积； 接触点处的内摩擦系数 ； 接触点处的压力。 这个模型可以解释如下现象： 虽然水泥石的抗压强度较高， 通常在 5 0 MP a以上， 但 P MP C由于孔隙多， 接触点面积小 ， 强 度通常在 1 0 3 0 MP a ， 抗弯拉强度通常在 1 5 - - 4 5 MP a 。 当水泥、 聚合物用量小以及级配不良时， 接触点面积过小， 其内摩擦系 数也有待提高， 从而导致 P MP C的强度陛能明显降低。 由此可见 ， 适量的水泥、 聚合物、 矿物掺合料掺量以及 良好集料级配是保 证 P MP C强度性能的基础 。 3结 论 ( 1 ) 掺人适量粉煤灰或硅灰等矿物掺合料可有效提高聚合 物改性多孔水泥混凝土( P MP C) 的力学性能， 当掺加水泥质量 取代率为 1 0 的粉煤灰或 6 的硅灰时， P MP C的力学性能达 到较大值， 其 2 8 d 抗压强度分别达到 2 3 、 4 7 MP a ， 2 8 d 抗折强度 分别达到 5 2 、 5 9 MP a ， 其渗透系数分别达到 0 3 6 、 0 3 4 c m s ， 能 够满足相关规范具体要求。 ( 2 ) P MP C的表面构造深度及抗滑系数与粉煤灰或硅灰的 掺量成反比， 其中水泥质量取代率不宜大于 1 0 ， 硅灰的水泥质 量取代率不宜大于 6 ， 此时 P MP C的表面构造深度大于 1 r f l lT l ， 表面抗滑摩擦摆值大于 4 0 B P N， 满足相关规范要求O ( 3 ) 采用接触元模型可有效评价 P MP C的结构特征及其强 度形成机理， P MP C的强度主要取决于结构单元之间的联接 ， 而与结构单元 自身的强度关系不大， 在 P MP C中掺加适量矿物 掺合料 ， 可有效加大粗集料等结构单元之间的接触点面积以及 内摩擦系数， 从而显著改善材料强度性能。 参考文献 ： 1 Y A NG J i n g ， J I AN G G u o - l i a n g E x p e r i m e n t a l s t u d y o n p r o p e r t i e s o f p e r - v i o u s c o n c r e t e p a v e m e n t ma t e r i a l s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 3 ) ： 3 8 1 3 8 6 2 】B E N T Z D P Vi rt u a l p e r v i o u s c o n c r e t e ： mi c r o s t r u c t u r e ， p e r c o l a t i o n， a n d 4 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m p e r me a b i l i t y J A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 8 ， 1 0 5 ( 3 ) ： 1 3 5 - 1 4 2 【 3 】 张朝辉， 杨江金 透水混凝土制备工艺研究 J 新型建筑材料 ， 2 0 0 8 ( 9 )： 1 - 4 【 4 】 杨志峰 多孔混凝土透水基层的材料组成 、 性能与应用研究 D 】 武 汉： 武汉理工大学 ， 2 0 0 8 5 】G E R H AR Z B P a v e me n t s o n t h e b a s e o f p o l y me r - mo d i f i e d d r a i n a g e c o n c r e t e J C o l l o i d s S u r f a c e s A 2 0 5 - 2 0 9 【 7 J T J O 1 8 9 7 ， 公路排水设计规范 s 】 - E 京 ： 人民交通出版社， 1 9 9 8 8 J T G F 3 0 - -2 0 0 5 ， 公路水泥混凝土路面施工技术规范【 S 】 _ E 京 ： 人民 交通出版社， 2 0 0 5 9 沈卫国 工业固体废弃物路面基层材料( I S W- R B M) 组成设计与性能 研究 D 武汉： 武汉理工大学， 2 0 0 5 作者简介 ： 联系地址 ： 【 6 J T G E 3 0 - - 2 0 0 5 ， 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 s 】 北京： 人 民交通出版社， 2 0 0 5 联系电话 上接第3 3页 混凝土强度等级 图 9 混凝土强度对嵌入光圆 F RP筋加 固梁跨 中挠度的影响 混凝 土强度 等级 图 1 0 混凝土强度对嵌入螺旋 F RP筋加 固梁承载 力的影响 混凝 土强度 等级 图 1 1 混凝土强度对嵌入螺旋 F R P筋加 固梁跨中挠度的影响 时， 各梁的跨中挠度变化差别不大。 对于采用螺纹 F R P筋、 具有 不同混凝土强度等级的加固梁， 其极限承载力较采用光圆 F R P 筋的加固梁的极限承载力提高了2 0 以上 ， 但在加固梁破坏时， 梁的跨中挠度却相对减小了6 0 以上。 可以看到， 由于混凝土强度增加导致 F R P筋与混凝土之间 的局部黏结强度增大 ， 其对嵌入式 F R P筋加固梁承载力的影响 远远小于 F R P筋的表面特征( 变形筋 ) 对加固梁承载力的影响。 3结 论 ( 1 ) 加固筋的表面特征是影响加固梁黏结性能的重要因素， 并导致对加固梁极限承载力的影响， F R P筋的材料种类对承载 力的影响不明显。 嵌入光圆筋加固梁的承载力提高程度在 5 0 以上； 嵌人螺旋 F R P筋加固梁的承载力提高程度在 7 0 左右。 ( 2 ) 加固筋的表面特征可能影响加固梁的破坏模式。 采用 光圆 F R P筋的加固梁产生因F R P筋一 黏结剂 黏结剂一 混凝土 44 徐方( 1 9 8 2 一 ) ， 男， 博士后， 讲师。 武汉市洪山区鲁磨路 3 8 8 号 中国地质大学( 武汉) 工程学 院土木工程系( 4 3 0 0 7 4 ) 1 3 8 7 l 2 2 5 6 4 O 界面的剥离引起的加固梁弯曲破坏 ， 梁的挠度较大； 采用螺旋 F R P筋的加固梁可能产生沿轴线方向裂缝， 并最终发生由混凝 土保护层的劈裂、 剥落引起的加固梁弯曲破坏。 ( 3 ) 在 其他试验 条件相 同时 ， 采用 光 圆 GF R P筋 和采用光 圆 C F R P筋的加固梁的极限承载力没有明显差异 ， 但在发生剥 离破坏时， G F R P筋的最大剥离应变明显大于 C F R P筋， 相应加 固梁的跨中破坏位移也较大。 ( 4 ) 对于嵌人式 F R P筋加固的混凝土梁 ， 混凝土强度等级 的提高对于加固梁的极限承载力影响很小， 在破坏时， 各加固 梁的跨中挠度的变化也差别不大。 ( 5 ) 随着混凝土强度等级的提高 ， 嵌入式 F R P筋与混凝土 的局部黏结强度增大， 但其对加固梁承载力的影响远小于 F R P 筋的表面特征( 变形筋) 对加固梁承载力的影响。 参考文献 ： 1 】D E L O R E N Z I S L ， N A NN I A C h a r a c t e r i s t i c s o f F R P R o d s a s NS M Re i n - f o r c e m e n t J AS C E J o u r n a l o f C o m p o s i t e s C o n s t r u c t io n， 2 0 0 1 ， 5 ( 2 ) ： 1 1 4 -1 21 【 2 DE L O RE N Z I S L ， ME C E L L I F ， L A T E G OL A A P a s s i v e a n d a c t i v e n e a r s u rf a c e m o u n t e d F R P r o d s f o r fl e x u r a l s t r e n g t h e n i n g o f RC b e a m s C 】 P r o - c e e d i n g o f t h e Th i r d I n t e r n a t i o n al Co n f e r e nc e o f Co mp o s i t e i n I n f r a s - t rne t u r e s ， S a n F r a n c i s c o， Ca l i f o rn i a， 2 0 0 2 【 3 T A L J S T E N B， C A RO L I N A C o n c r e t e b e a ms s t r e n gth e n e d w i t h n e a t s u f a c e mo u n t e d C F R P l a mi n a t e s C F i b e r - Re i n f o r c e d P l ast i c fo r R e i n f o r c e d C o n c r e t e S t r u c t u r e s( F R P R C S )， P r o c e e d i n g s o f t h e S t h I n t e r n a t i o n al c o n f e r e n c e ， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 1 0 7 1 1 6 f 4 R e n a t o P a r r e t t i ， An t o n i o N a n n i S t r e n gt h e n i n g o f R C m e m b e i $ u s i n g N S M F R P c o m p o s i t e s ： De s i g n o v e r v i e w J Ad v a n c e s i n S t r u c t u r a l E n g i n e e r - i n g， 2 0 0 4 5 】D E L O RE N Z I S L， N A N NI AC h a r a c t e ri s t i c s o f F R P r o d s a s N S M r e i n f o r c e me n t J AS C E J o u rna l o f C o m p o s i t e s C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 1 ， 5 ( 2 ) ： 1 1 4 一 l 21 【 6 D E L O R E N Z I S L ， T E NG J G N e a r - s u rf a c e mo u n t e d F R P r e i nfo r c e m e n t ： A n e m e r g i n g t e c h n i q u e f o r s t r e n gt h e n i n g s t ruc t u r e s J C o mp o s i t e s ： P a r t B， 2 0 0 7 ( 3 8 ) ： 1 1 9 1 4 3 作者简介 ： 联系地址 联系电话 徐明磊( 1 9 7 8 一 ) ， 男， 博士研究生， 工程师， 研究方向： F R P 加固混凝土。 北京市海淀区西四环中路 1 6 号院 1 号楼 9 0 4 室( 1 0 0 0 3 9 ) 1 3 81 0 3 7 5 0 5 6 团 一 上 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m