1、2 0 1 5年 第 l 2期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 5 No 1 2 De e e mbe r 矿物掺合料对混凝土体积稳定性的影响 史星祥 。 陈晶晶 , 沈玉华 ( 1 苏 州混 凝 土水 泥制 品研究 院有 限公 司 江苏 省 高耐 久性 混凝 土工 程技 术研 究 中心 , 2 1 5 0 0 4 ; 2 中国建 材检 验认 证集 团苏 州有 限公 司 , 2 1 5 0 0 4 ) 摘 要 : 以 C 6 0混凝 土为研究对象 , 通过单掺和复掺不 同比例的粉煤灰 、 矿粉 、 偏
2、高岭土 研究各矿 物掺合料 对 混凝 土抗 压强 度及体积稳定性 的影 响。结果表 明 , 单掺粉煤灰和偏高岭土能有效降低混凝土试件 的收缩 率 , 其 中掺 加 2 0 粉煤灰 的混凝土试件 , 6 0 d收缩率相 比不掺 加时降低了 1 9 0 7 , 单 掺偏 高岭土 1 0 与 2 0 时 , 收缩率 分别 降 低 了 2 8 6 6 和 3 0 2 7 , 二者相差不大 。复掺 1 0 偏高 岭土+ 2 O 粉煤灰 时 , 混凝土试件 的收缩率得 到进 一步 降低 , 6 0 d收缩率仅为空 白样的 6 0 0 2 , 且 2 8 d抗压强度为 6 3 5 M P a , 与空 白样
3、相 比略微降低 。 关键 词 : 混凝土 ; 偏 高岭 土 ; 体积稳定性 ; 收缩率 Ab s t r a c t :E f f e c t s o f t h r e e k i n d s o f mi n e r a l a d mi x t u r e s (fl y a s h ,s l a g p o we r a n d me t a k a o l i n )o n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d v o l u me s t a b i l i t y o f c o n c r e t e a r e r
4、e s e a r c h e d D i fi e r e n t d o s a g e s o f mi n e r a l a d mi x t u r e s a r e a d d e d i n t o c o n c r e t e wi t h s t r e n g t h g r a d e C 6 0 b y t h e me t h o d s o f s e p a r a t e a d d i t i o n a n d c o mp o u n d a d d i t i o n T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t
5、 s s h o w t h a t t h e s hr i nk a g e o f c o nc r e t e s pe c i me n s i s de c r e a s e d a fter a ddi n g fly a s h a n d me t a k a o l i n s e p a r a t e l y At 6 0 d a y s ,c o n t r a s t i n g t o t h e b l a n k s a mp l e wi t h n o a d mi x t u r e s t h e s h rin k a g e o f c o n
6、c r e t e s p e c i me n s wi t h 2 0 fl y a s h i s d e c r e a s e d b y 1 9 0 7 t h e s h r i n k a g e o f c o nc r e t e s pe c i me ns wi t h 1 0 a nd 2 0 me t a k a o l i n i s de c r e a s e d by 2 8 6 6 a nd 3 0 27 r e s p e c t i v e l yThe c o mp o u n d a d d i t i o n o f 1 0 me t a k a
7、 o l i n a n d 2 0 fl y a s h h a s a b e t t e r e f f e c t o n r e d u c i n g t h e c o n c r e t e s h r i n k a g e , a c c o r d i n g t o da t a ,t hi s c o n c r e t e s hr i nk a g e i s o n l Y a bo u t 60 02 o f t h e b l a nk s a mpl e ,a t t he s a me t i me ,2 8 d c o mp r e s s i v e
8、 s t r en g t h r e a c h e s t o 6 3 5 MP a , w h i c h i s n o t mu c h d i f f e r e n c e t o t h e b l a n k s a mp l e Ke y wo r d s : Co n c r e t e ; Me t a k a o l i n ; Vo l u me t ric s t a b i l i t y ; S h r i n k a g e r a t i o 中图分 类号: T U 5 2 8 0 4 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 4 6 3 7
9、( 2 0 1 5 ) 1 2 2 8 0 4 0前 言 混凝土 的体积稳定性指混凝 土在凝结 硬化与 服役过程中, 在各种外界作用( 包括荷载作用 、 侵蚀 介质作用等) 下保持其初始几何尺寸的能力【 I 。在混 凝土结构中 , 混凝 土材料难免要受到内部或夕 I- 部的 约束作用 , 导致其宏观体积和局部微观体积发生变 化 内部 出现应 力 若混 凝 土 体积 稳 定 性 不 良 就很 容易产生裂缝 ,这将大幅度增加混凝土的渗透性 , 从 而 导 致 混 凝 土 抗 碳 化 、 抗 化 学 侵蚀 、 抗 钢 筋 锈 蚀 及 碱集 料 反应 等 性 能 的降 低 。 由此 可 见 , 混凝
10、土 体 积 稳 定 性 直 接 影 响 着 混 凝 土 结 构 的耐 久 性 和 服 役 年 限 。 偏 高岭 土 是 一种 比表 面积 很 大 的超 细 微 粉 , 掺 入 混 凝 土 中时 , 偏 高岭 土 良好 的保 水 性 能 , 可 保 证 混凝 土 中后 期 强 度 的增 长 。 同时 , 生 成 的硅 铝 酸 盐 产物 也 具有 一 定 的微 膨 胀性 , 可 以改 善混 凝 土 的 体 积稳定性 。粉煤灰 的加 入可 以降低材料 的总水化 热 , 减 轻 混 凝 土 的 开 裂 倾 向 ; 并 且 通 过 掺 合 材 料 的 微 集 料效 应 和二 次 水化 反 应 , 改 善
11、 混凝 土 中最 薄弱 一 2 8 一 的 水 泥 石 骨 料 的 界 面 过 渡 区 以 及 基 体 的毛 细 孔结构 , 能够提高混凝 土材料的密实性 , 从 而降低 混凝土 的抗渗性 改善混凝土 的体积稳定性及 耐久 性能l 2 l。 本文以偏高岭土、 粉煤灰和矿粉作为矿物掺合 料拌合混凝土 通过混凝 土收缩试验 以收缩率评 判混 凝 土 的体 积 稳定 性 研 究各 项 矿 物 掺 合料 单 掺 与复掺对混凝土体积稳定性 的影响 , 并分析其变化 规律 1 原材 料 与试 验方 法 1 1 原 材料 水 泥 : 试 验所 用水 泥 为 P 0 5 2 5级普 通 硅酸 盐 水 泥 细骨
12、 料 : 长 江 砂 , 细度 模 数 2 6 4 , 属 于 级 配 区 中砂 , 含泥量 0 6 5 粗骨料 : 石灰岩碎石 , 表观密度 2 6 1 7 k g m , 压碎 值 6 4, 针片状含量 4 3 , 含泥量 0 5 4 。 偏 高岭 土 :选 自云南 某 偏 高 岭 土生 产 厂 家 , 其 化学 组成 如表 1 所 示 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 史星祥 , 陈晶晶 沈玉华 矿物掺合料对混凝土体积稳定性的影响 粉煤灰 :选 自苏州某电厂所产的 级粉煤灰 , 表 观密度 2 2 5 g e ra ,需水 量 比 1 0 3 , 2 8 d
13、活性 指 数 7 4 1 3 。 矿粉 : $ 9 5级矿粉 , 其 主要 性能 如 表 2所 示 。 表 2矿 粉 的主 要 性 能 指 标 减 水 剂 : 试 验 选 用 聚 羧 酸 高 效 减 水 剂 , 减 水 剂 性能符合 G B 8 0 7 7 -2 0 1 2 混凝土外加剂匀质性试 验方法 中的相关要求 。 1 2 试 验方 法 1 2 1 混凝土收缩率测试方法 混凝土收缩 率的测定按照标准 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 ( 普通混凝土长期性能和耐久性 能试验方法标 准 中的 接触 法 进 行 。试 件 为 l O O m mx l O O m m 5 1 5
14、m m 的棱柱体 , 每组测试试件 为 3条 , 在试件两 端预埋铜侧头 将制好 的试件放人标准养护室 中, 试件在 3 d龄期时从标准养护室取 出 ,在恒温恒湿 环境下 , 通过卧式 收缩仪测定其初始长度 , 此后分 别 在 1 d 、 3 d 、 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 、 4 5 d 、 6 0 d测 定 其 变 形 读 数 。收缩率按照下式计算 : = 式中 : 为试验其为 ( d ) 的混凝土收缩率 , 从 测定初始长度时算起 ; 为试件的测定标距 , 用混凝 土收缩仪测量时应等于两侧头 内侧 的距离 , 即等于 混凝土试件长度减去两个侧头埋人深度之和; 为 试 件长
15、度 的初始读数 , m m; L , 为试件 在试验期 为 ( d ) 时测得的长度读数 , mm。 其 中, 每组试件取 3个试件收缩率 的算术平均 值作为该组混凝土试件的收缩率测定值 , 计算精确 至 1 O x l O 。 1 2 2 混 凝土 抗压 强度 试验 方法 混 凝 土 的 抗 压 强 度 测 定 按 照 G B 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标准中抗压强度 试 验 进行 。 2试 验结果 与 分析 2 1 矿物掺合料单掺对混凝土性能的影响 2 1 1 配合 比设计 本部分试验 以 C 6 0混凝 土配合 比作为空 白试 验 的研究对象 , 通
16、过单掺不同掺量的粉煤灰 、 矿粉 、 偏高岭土配制混凝土 , 制成相应的试件 , 研究各矿 物掺合料单掺对混凝 土抗压强度 与体积稳定性 的 影响 , 掺量均为 1 0 、 2 0 , 具体见表 3 。 表 3 不 同矿物掺合料掺量 的混凝 土配合 比 2 1 2 不同矿物掺合料掺量对 混凝 土抗 压强度 的 影响 根 据 表 3的 各 组 混 凝 土 配 合 比 按 照 G B 5 0 0 8 1 2 o 0 2制 成 1 0 0 mm l O O mr n x l 0 0 m m 的 立 方 体试 件 ,测 定其 3 d、 7 d 、 2 8 d抗 压 强度 ,结果 如 表 4 所示 。从
17、表 4中数据 可 见 , 空 白样 2 8 d抗 压强 度 为 6 7 6 MP a A 2和 A 3组 分 别 掺 加 了 1 0 和 2 0 的 粉 煤灰 随着粉煤灰掺量的增加 , 试 件抗压强度 逐渐 表 4不同矿物掺合料掺量的混凝 土抗 压强度 MP a 降低 , 掺量为 2 0 时为 5 9 5 MP a , 降低 了 1 1 9 8 。 A 4 和 A 5分别掺加了 1 0 和 2 0 的矿粉 , 掺加 1 0 时, 一 2 9一 一 一 =畲 一 斛 一 3 2 3 5 一 卯 铊 2 5 穗 2 一 一 4 A一 如 盯 期一 d d 一 勰 学兔兔 w w w .x u e
18、t u t u .c o m 2 0 1 5年第 l 2期 混 凝土 与水 泥制 品 总第 2 3 6期 抗 压 强 度 略 微 提 高 , 2 0 时 ,为 6 3 8 MP a ,降低 了 5 6 2 。A 6和 A 7分 别 掺加 了 1 0 和 2 0 的偏 高 岭 土 , 随着其掺量 的增加 , 试件抗压强度得到了显著 的增 强 , 掺 量 1 0 时 增 加 了 7 1 0 , 掺 量为 2 0 时 , 增 加 了 1 6 4 2 2 1 3不同矿物掺 合料掺量对混凝土体积稳定性 的影 响 根 据 表 3的 混 凝 土 配 合 比 每 组 成 型 3条 1 0 0 m mx l O
19、 O mmx 5 1 5 ra m 带 铜侧 头 的混 凝 土试 件 , 按 照 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9测 试方 法 测 定并 计 算各 龄期 试 件 的收缩 率 , 如 图 1 所示 。 里 斟 婿 龄 期 , d 图 1 不同矿物掺合料掺量对混凝土收缩率的影响 由图 1中收缩率随着龄期变化的曲线可知 各 组试 件 在 成型 初期 均 发生 一定 的收缩 , 7 d与 1 4 d内 的收缩较为显著 , 随着龄期 的延长 , 试件 的收缩不 断增加 。 但是收缩率的增长幅度呈下降趋势 在 6 0 d 时曲线 已经 比较平缓 , 此时试件的收缩较为缓慢。 其 中空 白试
20、样 6 0 d收缩率为 4 2 6 5 7 x l 0 , 与掺 加粉 煤灰的试样相 比 早期收缩率相差不大 , f H 线 变化较为一致 , 但是在 2 8 d后 , 试件 的收缩得 到 了 一 定 的改善 其 中掺 1 0 粉 煤 灰 的混 凝 土 试件 , 6 0 d 的收 缩率 为 3 9 1 8 3 x 1 0 , 降低 了 8 1 4 , 掺量 为 2 0 时 , 收缩率降低 了 1 9 0 7 。 由此可见, 粉煤灰能起到 一 定 的抗收缩作用 , 其改善机理为【 。 1 : 粉煤灰的加 入 , 减少 了水泥用量 , 同时其水化属于胶材体系的 二 次 水 化 反 应 进 行 过
21、程 较 为 缓 慢 。 降 低 了混 凝 土 的 硬 化 速 度 和 总水 化 热 ,混凝 土 内部 水 化产 物 减 少 , 产生的 自收缩减少。微集料效应 , 粉煤灰颗粒 一 般在 2 0 t z m 以下 , 具 有 良好 的分 散性 能 改善 混凝 土 的不均 匀 性 : 未 水化 的粉煤 灰 颗粒 能填 充 到水 泥 颗粒 的微小孔隙 中,堵塞砂浆 内部的毛细孔和大 孑 L , 并 将 大 毛 细孔 分 割 为若 干微 细孑 L , 使 毛 细 孔 数 量减少 , 孔隙、 孔径变小 , 提高体系的密实度 。活 性效应 , 粉煤灰中的活性二氧化硅与 C a ( O H) , 和高 一
22、3 0一 碱性 的 C S H凝胶 发 生 r二次水 化 反应 。 游 离 氢氧 化 钙 的强 度 极低 , 稳 定 性 很 差 , 而 粉 煤 灰 通 过 火 山 灰反应降低 了骨料界面与水泥石中大颗粒 C a ( O H ) 结 晶体 含 量 改 善混 凝 土 中最 薄 弱 的水 泥石 一 骨 料 的界面过渡 区以及基体的毛细孔结构 , 提 高混凝土 内部匀质性和密实性 , 使得因毛细管效应产生 的收 缩力大大降低 , 最终改善体系的体积稳定性 。 当试 件 中掺 加 了矿 粉后 1 0 掺 量 的 曲线 与 空 白样 相 比 , 早 期 相 差 不 大 , 较 为 一 致 , 但 在 1
23、 4 d之 后 其 收缩 率要 大 于 空 白样 , 在 6 0 d时 , 收 缩率 比空 白样提 高 了 9 1 5 。 掺 量 为 2 0 , 收 缩率 的增 加更 为 明显 , 从早期开始就 已经远远大于空 白样 , 其中 6 0 d 时 比空 白样高 了 2 4 8 l 。 由此可 见 , 矿粉 的掺加 不 利于混凝土体积稳定性的改善。 当加 入 偏 高 岭 土 后 , 由 罔 1中 的 曲线 可 以 发 现 , 无论 早期还是后期 , 收缩率均有了显著的改善 , 偏高岭土掺量为 l 0 和 2 0 H , 6 0 d收缩率较空 白 样 分 别降低 了 2 8 6 6 和 3 0 2
24、7 。同时 发现 , 两种 掺 量情况下 , 两条 曲线相差很小 , 在综合考虑成本及 性 能 情 况下 , 偏 高 岭 土掺 量可 以选 择 1 0 。偏 高 岭 土改善混凝土体积稳定性 , 主要是 因为其具有较大 的比表 面积 , 在混凝土 中, 早期可以吸附大量的拌 合水 , 保证混凝土 内部 的湿度 , 为混凝 土中胶凝 材 料 的继续水化提供 了有效 的“ 内养护” , 同时 , 偏高 岭土 的 微集 料 效应 和活性 效 应 较粉 煤 灰 更 为 显著 因而能够有效降低体系的孑 L 径和数量 , 提高体系的 密实度 , 降低 冈毛细管效应产生的收缩 , 水化 反应 生 成 的硅 铝
25、 酸盐 产 物 也具 有 一定 的微膨 胀性 , 可 以 改善 混凝 士 的体 积稳 定性 I圳 。 2 2 矿物掺合料复掺对混凝土性能的影响 2 2 1 配合 比设计 以 1 0 偏 高岭 土掺 量 为 基础 , 同时 复掺 1 0 与 2 0 的粉煤灰 , 研究两种矿物掺合料共同作用下 , 混 凝 土 试件收缩 率 的变化 , 混 凝 土配合 比 见表 5 。 2 2 2矿物 掺合料 复 掺对 混凝 土抗 压强 度 的影 响 根 据 表 5的各 组 混 凝 土 配 合 比 ,按 照 G B 5 0 0 8 1 2 0 0 2制 成 l O O m m l O O mmX 1 0 0 m m
26、 的 立 方 体试 件 测 定其 3 d 、 7 d 、 2 8 d抗压 强 度 ,结 果如 表 6 所 示 从 表 6中数据 可 见 , 空 白样 2 8 d抗 压 强度 为 6 7 6 MP a ,掺 加 1 0 偏 高 岭 土 后 抗 压 强 度 提 高 到 7 2 4 MP a 。当复 掺粉煤 灰后 数值 有 所 降低 , 其 中 1 0 偏高岭土+ 1 0 粉煤灰复掺下 , 2 8 d抗压强度降低了 2 7 6 , 1 0 偏高岭 土+ 2 0 粉煤灰复掺下 , 强度降低 了 1 2 2 9 , 但 与原 始 空 白样 相 比相 差 不 大 均 能满 足 C 6 0混凝 土 的强度要
27、 求 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 史星祥 , 陈晶晶, 沈玉华 矿物掺合料对混凝土体积稳定性的影响 表 5 不 同矿物掺合料复掺 的混凝土配合 比 表 6不同矿物掺合料复掺的混凝土抗压强度 MP a 2 2 - 3 矿 物掺 合 料 复 掺对 混 凝 土 体积 稳 定 性 的 影 响 根 据表 5的混 凝土 配 合 比 ,每组 成 型 3条 1 0 0 mm X 1 0 0 m inX 5 1 5 m m带铜侧头的混凝土试件 , 按 照 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9测试方法 , 测定并计算各龄期 试件的收缩率 , 如图 2所示。 O
28、l O 0 呈一 2 0 0 斟 蜚一 3 0 0 -40 0 - 5 0 0 O 1 0 2 O 3 O 4 0 5 O 6O 龄期 d 图 2不 l司矿 物 掺 合 料 复 掺对 混凝 土 收 缩率 的影 响 由图 2中收缩率随龄期变化 的曲线可知 偏高 岭土单掺及其 与粉煤灰复掺 可以显著 降低 混凝土 的收缩率。当复掺 1 0 偏高岭土+ 1 0 粉煤灰时 , 收 缩率随着龄期的延长而不断增加 2 8 d之前曲线的 斜率 比较大 , 收缩率增加速度较高 , 之后曲线逐渐 趋于平缓 。主要是 由于前期的水化反应 比较快 , 混 凝土 自收缩大 , 而后期水化反应逐渐缓慢 , 同时矿 物掺
29、合料的微粉填充效应和活性效应 , 有效降低了 体 系的孔径和数量 , 提高了体系的密实度 , 降低 了 因毛细管效应产生的收缩。 当复掺 1 0 偏高岭土十 2 0 粉煤灰时 。 前期与单 掺 偏 高 岭 土 相 比 , 收 缩 率 略 小 。 但 是 后 期 改 善 效果 较 为 明 显 , 6 0 d 收 缩 率 仅 为 单 掺 偏 高 岭 土 的 8 6 9 4 , 仅 为 空 白样 的 6 2 0 2 。主要 是 因为在 同 时 掺人水泥 、粉煤灰和偏高岭土三种粉料 的情况下 , 起 到 了协 同增 效 的作 用 。 由于各 自粒径 的差 异 性 , 它们能在混凝土 中发生 良好 的粉
30、料堆积填充效应 降低混凝土的孔隙率 , 提高混凝 土的密实度 。再加 上粉煤灰和偏高岭土较高的比表面积 使得混凝土 能具有优异 的保水效果 , 提供了 良好的“ 内养护 ” 环 境 ,同时较高的活性使得 多种微细粉料相互作用 , 改 善 混凝 土 中最 薄弱 的水 泥 石 一 骨 料 的界 面过 渡 区 以及基体 的毛细孑 L 结构 ,减少混凝土 中的细小裂 纹 , 提高混凝土材料 的密实性 , 从 而降低混凝土 的 抗渗 性 , 改善 混凝 土 的体积 稳定 性 。 3结 论 ( 1 ) 粉 煤灰 的掺 加对 混 凝 土试 件 抗 压 强度 影 响 较大 , 掺量为 2 0 时 2 8 d抗
31、压强度仅为 5 9 5 MP a , 相 比空 白样降低 了 l 1 9 8 。 掺加偏高岭土后试件抗压 强度得 到了显著增强 , 掺量为 2 0 H , 强度增加了 1 6 4 2 。 ( 2 ) 粉煤灰具有一定 的抗收缩性能 , 单掺 2 0 时 , 6 0 d混 凝 土 试 件 收 缩 率 相 比空 白样 降 低 了 1 9 0 7 。矿粉单掺时 , 收缩率反而显著增加 , 不利于 混凝土体积稳定性的改善。偏高岭土具有 良好 的抗 收缩效果 , 可以显著降低混凝土试件的收缩率 , 1 0 和 2 0 掺量下 , 收缩率较空白样分别降低了 2 8 6 6 和 3 0 2 7 , 相差不大
32、, 综合考虑 , 偏高岭土掺量选择 1 0 即可 ( 3 ) 复掺 1 0 偏高岭土+ 2 0 粉煤灰时 。 混凝土 试件抗压强度 6 3 5 MP a , 与空 白样相差不大 , 仅降低 了 6 0 7 , 仍达到 C 6 0混凝土强度要求。 ( 4 ) 当复 掺 1 0 偏 高岭 土+ 2 0 粉 煤 灰 时 , 混 凝 土试件收缩率得 到了显著改善 , 6 0 d收缩率仅为空 白样 的 6 2 0 2 。主要是水泥 、 粉煤灰和偏高岭土三 种粉料共 同作用下 , 起 到了协 同增效 的效果 , 良好 地发挥了各 自的微集料效应与活性效应。 参考文献 : 1 付志恒 偏高 岭土对混凝 土体
33、积稳 定性及 显微结构 的影 响 D 】 武汉: 武汉理工大学, 2 0 1 1 【 2 】 刘辉 高掺量 粉煤灰对 高性能混 凝土体 积稳定性 及耐久 性 的影 响 J 铁道建筑, 2 0 1 0 ( 6 ) :2 4 - 2 7 3 伦 云霞 , 刘绍 瞬, 周 明凯 粉煤灰 和矿粉对水 泥基 钢渣细 集 料砂 浆 体积稳 定 性 的影 响研究 J 混 凝 土与水 泥 制 品, 2 0 1 1 ( 1 1 1 : 1 - 5 f 4 1 R a f a t S i d d i q u e Wa s t e Ma t e r i a l s a n d B y P r o d u e t s i n C o n e r e t e M 1 B e r l i n : S P r i n g e r ,2 0 0 7 : 4 1 4 3 收 稿 日期 : 2 01 5 1 0 2 1 作者简介 : 史星祥 ( 1 9 8 8 一 ) , 男 , 工程师。 通讯地址 : 苏州市三香路 7 1 8号 联 系电 话 : 1 5 1 9 0 5 6 2 0 1 5 E -ma i l : wi s s 15 21 O 01 2 6 c o m 一 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m