脱硫石膏对高性能混凝土工作性能影响的研究.pdf

2 0 1 3 年 第 8期 (总 第 2 8 6 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 3 ( T o t a 1 N o 2 8 6 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原 材料及 辅助物料 M ATE RI AI ， AND ADM I NI CLE 脱硫石膏对高性能混凝土工作性能影响的研究 钱大行 ( 洛阳理工学院 土木工程系，河南 洛阳 4 7 1 0 2 3 ) 摘要 ： 通过大掺量掺人磨细矿渣和粉煤灰以改善混凝土工作性能基础上 ， 采用脱硫石膏替代粉煤灰 ， 研究其对混凝土工作性 能的影响。 试验表 明： 脱硫石膏掺人对改善高性能混凝土工作性能是有益的。 掺量在 占掺合料总量 8 ， 即胶凝材料中 S O ， 含量在 2 7 时， 可进一步提高新拌混凝土的坍落度和扩展度 ； 同时 3 0 mi n时坍落度和扩展度也得到改善， 即经时损失减小 ， 并能保证混 凝土的力学性能。 关键词： 脱硫石膏；高性能混凝土 ；坍落度；扩展度；工作性能 中图分类号 ： T U 5 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 3 ) o 8 0 0 7 6 0 3 S t u d y o f t h e e ffe c t s 0 1 1 t h e wo r k pe r f o r m a n c e of h i gh p e rfo r m a n c e c o n c r e t e w i t h d e s u l ph u r i z a t i o n g y p s um QI ANDa x i n g ( L u o y a n gI n s t i t u t e o f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yDe p a r t me n t o f Ci v i l E n g i n e e r i n g ， L u o y a n g4 7 1 0 2 3 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： By a d di n g l a r g e a mo u nt o fg r i nd e d s l a g a n d c o a l a s h， t h e pe r f o r manc e o fc o n c r e t e c a r l b e i mp r o v e dI t wa s c o nd u c t e d b y us i n g de s ul p h u r i z a t i o n g y ps u m i n s t e a d o f c o a l a s h t o fin d o ut the e ffe c t o n t h e pe r f o r ma nc e o f c o n c r e t e Th e t e s t r e s ul t s s h o we d t h a t the de s ul p h u r i z a t i o n g yp s u m a d mi x t u r e wa s o f g r e a t b e n e fit t o i mpr o v e t h e wo r k i n g p e rfo r man c e o f h i g h p e rfo r man c e c o n c r e t e Whe n d e s u l p h u r i z a t i o n g y p s u m a c c o un t s f o r 8 o f the t o t a l a d mi x t u r e ， th e S O3 r e a c h e d 2 7 i n the c e me n t i t i o u s ma t e ri a l s ， h i g h e r d e g r e e o f the s l um p a n d e x p an s i o n c o u l d b e a c h i e v e d T h e c o n c u r r e n t i mp r o v e me n t s we r e a l s o f o u n d i n t h e 3 0 mi n s l u mp an d e x p an s i o n d e gr e e ， wh i c h me a n t l e s s l o s s o ft h e ma t e ria l s wi th t i me a s we l l a s ma i n t a i n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t y of c o n c r e t e K e ywo r d s ： d e s u l p h u r i z a t i o n g y p s um ； h i gh p e rf o r ma n c e c o n c r e t e ； s l um p ； e x p and d e gre e ； wo r k p e r f o rm anc e 0 引言 合料基础上， 研究脱硫石膏对高性能混凝土性能的影响。 脱硫石膏多产 自煤炭燃烧时的烟气脱硫工艺 中， 主要 成分是 C a S O 4 2 H 2 0 。 从脱硫石膏的化学成分 、 粒度分布特 点、 作为掺合料特征性能分析可初步判定， 脱硫石膏可掺 入混凝土 中使用 1 】 。 通过进一 步试验表明， 不 同脱硫石膏 中 的主要成分( C a O和 S O ) 含量差别不大 ； 粒度分布较磨细 天然石膏细 ， 而且分布集 中 ， 多在 2 0 6 0 Ix m之间 ； 水化后 硬化晶体结构紧密 ， 较天然石膏提高 1 0 2 0 ； 其掺合料 技术性能 ， 如用水量 、 凝结 时间与天然石膏基本相同， 但抗 折 、 抗压强度可分别提高 5 9 和 9 8 。 目前高性能混凝土掺合料开始采用多掺方式 ， 并多为 粉煤灰、 磨细矿渣等。 作为工业生产的副产品， 在高性能混 凝土中使用， 不仅能够改善混凝土的使用性能， 而且社会效 益、 经济效益和对环境保护具有明显的优势。 所以在研究高 性能混凝土相关性能时， 应考虑以上掺合料同时使用。 不能 因脱硫石膏的利用， 而摒弃其他掺合料， 况且这些材料具有 各自的化学组成、 粒度分布和特征性能 ， 在同时掺加可出 现特性互补和效能叠加效应 。 综上所述， 应在掺加其他掺 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 2 - 0 9 基金项目：河南省科技厅科技攻关项 目( 1 0 2 1 0 2 3 1 0 3 7 1 ) 7 6 1 研 究 思路 工作性能是混凝土非常重要 的技术指标 。 由于运输 、 浇 筑等方面因素， 要求混凝土拌制后一定时间内仍能保证其 工作性能 ， 即经时损失较小 。 所以应在研究各种胶凝材料相 关性能基础上 ， 研究脱硫石膏对混凝土出机和经时两个时 间点 的工作性能影响； 同时应保证混凝土力学性能的要求。 2 胶凝材料性 能 混凝 土 中胶凝 材料所 组成 的体 系是 一个 复杂 的多相 体系， 其宏观流动度的大小与颗粒大小的匹配、 颗粒表面 积大小 、 水 的亲和性 、 颗粒形貌和表面特性 ， 及颗粒之间相 互作用等诸因素有关。 而上述各类效应也是相互作用 、 相 互影响的。 优化粉体颗粒级配和水的亲和性是提高浆体流 动性较为现实的方法 。 胶凝材料影响混凝土工作性能主要是细度和需水量 。 测试所用材料的相关指标表 1 试验表 明， 脱硫石膏需水 量 较小 ， 适量的掺人有利于降低用水量 ， 提高流动性 。 对于 比 表面积仅 能整体判断材 料粗细程度 。 故采用 L S P O P ( n) 型激光粒度分析仪测定各种胶凝材料粒度分布。 表 2试验 表明， 水泥和矿渣粒径分布较为均匀， 粉煤灰和脱硫石膏 7 0 的粒径分别分布在 o 1 0 m 和 2 0 6 0 x m 范 围内。 因 此， 采用脱硫石膏替代部分粉煤灰能改善胶凝材料的颗粒 级配 ， 增加混凝土流动性。 表 1 水泥、 矿渣、 粉煤灰、 脱硫石膏技术指标 表 2 水泥、 矿渣、 粉煤灰、 脱硫石膏颗粒分布 3混凝 土 试 验 3 1试 验 配 合 比 以不加掺合料 的普通混凝土为基准混凝土 。 在此 基础 上 ， 以磨细矿渣和粉煤灰替代水泥后得 到的高性能混凝 土 为对 比混凝土。 在总替代率不变条件下 ， 逐步增加脱硫石膏 ， 并等量减少粉煤灰掺入量， 使脱硫石膏掺人量占总掺合料 分别为 0 、 3 、 5 、 7 、 8 、 9 、 1 0 、 1 1 、 1 3 。 考虑到不 同脱硫石膏和水泥 中 C a S o 含量不尽相 同， 会引起胶凝材 料 中 S O 。 的变化 ， 对混凝土性能产生不 同影响 。 故 根据所 用材料的化学成分， 计算出脱硫石膏不同掺量时， 胶凝材 料 中 S O ， 总含量 ， 限制其不超 出国家相关规定 。 试验 配合 比见表 3 。 3 2试 验 结 果 根据以上配合比测试新拌混凝土的坍落度、 扩展度 ， 以及 3 0 mi n时以上两项指标来研究脱硫石膏对高性能混 凝土工作性能的影响， 同时测定强度变化情况。 试验结果见 表 4 ， 并分类绘制不同情况的变化曲线 。 表 3 C 4 0混凝土配合比 编号 脱硫石膏掺量 胶凝材料中 掺合料中 工作性能 力学性能 坍落度 m m 扩展度 c m 抗压强度 MP a S O 3 总含量 质量比 0 mi n 3 0 ra i n 0 mi n 3 0 rai n 7 d 2 8 d 4 试验分析 4 1 混凝 土坍 落度 变化 ( 1 ) 新拌混凝土坍落度变化特征。 表 4 表明： 基准混凝 土掺入矿渣和粉煤灰后， 坍落度可提高2 9 4 。 图 1 表明： 脱 硫石膏在掺量较少( 5 ) 和较大( 9 ) 情况下， 坍落度 较对比混凝土有所降低 ， 但仍能满足施工要求； 脱硫石膏 掺量在 8 ， 即胶凝材料中s 0 ， 总含量 2 7 0 0 时， 新拌混凝土的 7 7 脱 硫石霄 掺量 ， 图 1 脱硫石膏掺量一 新拌混凝土坍落度变化 曲线 坍落度可较对比混凝土提高4 5 、 基准混凝土提高 3 5 3 。 其原 因是胶凝材料之间在微观粒径级配更加优化 ， 脱硫石 膏低需水量等方面的因素共同作用的结果。 对于混凝土黏 聚 l生 和保水性在脱硫石膏掺加后始终表现 良好 。 ( 2 ) 3 0 m i n混凝土坍 落度变化 特征 。 图 2 表 明 ： 脱硫 石膏掺量 在 7 一 8 ， 即胶凝材料 中 S O 总含量 在 2 5 2 7 范 围之 间 ， 3 0 mi n时坍 落度较 对 比混凝土 提高 2 3 5 ， 基准混凝 土提高 1 4 7 。 这是脱硫石膏具有 良好 的 保水性， 对坍落度损失有抑制作用所致。 由此可满足由于 混凝土运 输 、 浇筑过程 等方面 的时 间消耗 对混凝 土工作 性能的要求 。 脱硫 石膏掺 量 ， 图 2 脱硫石膏掺量一 3 0 ra i n时混凝土坍落度变化曲线 4 2 混凝土扩展度 变化 ( 1 ) 新拌混凝土扩展度变化特征。 表 4 数据表 明： 基准 混凝土掺加矿渣和粉煤灰后 ， 扩展度可提高 9 2 7 。 图 3 表 明 ： 脱硫石膏掺量 较小 和较大 的情况下 ， 扩展度小于对 比 脱硫石膏掺量 ， 图 3 脱硫石膏掺量一 新拌混凝土扩展度变化 曲线 4 O 3 5 g 3 O 皑 2 5 2 0 0 2 4 b l U l Z l 4 脱硫石膏掺量 图 4 脱硫石膏掺量一 3 0 rai n时混凝土扩展度变化曲线 2 7 时 ， 新拌混凝土的扩展度较对 比混凝土提高 了 5 7 ， 基准混凝土提高 1 0 3 6 ； 并且脱硫石膏掺加后保水性和黏 聚性始终表现较好 。 ( 2 ) 3 0 rai n混凝土扩展度变化特征。 图 4 试验表明 ： 脱 硫石膏的掺加量在 7 8 ， 即胶凝 材料 中 S O ， 总含 量在 2 5 2 7 范 围之 间， 3 0 m i n时扩展度较对 比混凝 土提高 2 1 8 ， 基 准混凝土提高 7 7 3 。 掺量过大或者过小都会降 低混凝土的工作性能， 但都能满足使用要求。 这与相应坍落 度的试验结果是一致 的。 4 3 混凝土强度 变化 对 比混凝土掺加脱硫石膏后 ， 7 d抗压强度普遍提高 ； 掺加 7 时 ， 提高幅度最小 ， 但也可提高 1 0 ； 掺加 1 3 时 ， 提高幅度最大可提高2 0 。 2 8 d 抗压强度在脱硫石膏掺量 小于 5 时 ， 随着掺量的提高 ， 抗 压强度 增大 ； 大于 5 时 ， 随掺量提高抗压强度减小 。 在掺量为 1 0 时 ， 出现小于对 比 混凝土 ； 脱硫石膏掺量在 8 ， 即胶凝材料 中 S O 总含量在 混凝土强度 。 所 以脱硫石膏掺加量不宜大于 1 0 。 表 5 G 3 0混凝土工作性能和力学性能测试结果 78 下转第 8 2页 。 2 斟 婚 0 5 O l O O 1 5 O 2 0 0 龄期 ， d 图3 膨胀剂掺量对 自密实混凝土收缩影响的回归分析 曲线 且居 中， C的 。 值最小 。 说 明了 D的收缩 率增加速度最快 ， A与 B的收缩率增加速度接近且居中， 而 C的收缩率增加速 度最慢， 尽管 1 d 时 C和D收缩率之差为 1 5 6 x 1 0 ， 到 3 6 0 d 时 ， D和 C的收缩率与龄期 回归 曲线基本重叠。 b 值随着膨 胀剂掺量的增加一直在减小 ， 表明 白密实混凝土早期 ( 1 d ) 收缩率随着膨胀剂掺量的增加在降低 ， 当膨胀剂掺量 1 2 时 ， 自密实混凝 土的 b 值为负值 ， 表现为膨胀率。 B收缩率 与龄期回归曲线中的b 值与其 1 d 实测值吻合最好，仅有 4 6 7 6 x 1 0 误差， A收缩率与龄期回归曲线中的 b 值与其 1 d 实测值之间误差最大 ， 达到 了 3 4 2 8 x 1 0 ， C和 D收缩率与 龄期回归曲线中b值与其 1 d 实测值之间的误差居中， 分 别为 1 0 5 2 6 x 1 0 和 2 2 3 5 x 1 0 4 。 3结论 ( 1 ) 自密实混凝土收缩率随着膨胀剂掺量增加在降低 ， 其降低幅度随龄期增加而减小， 早期( 3 、 7 d ) 的收缩率降低 上接第 7 5页 【 1 2 AKB AR R A， AM1 R RE Z A P， MAHDI L M， e t a 1 P r a c t i c a l e v a l u a t i o n o f r e l a t i o ns h i p b e t we e n c o n c r e t e r e s i s t i v i t y， wa t e r p e n e t r a t i o n， r a p i d c h l o ri d e p e n e t r a t i o n a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 0 1 1 ， 2 5 ( 5 ) 2 4 7 2 - 2 4 7 9 1 3 J G J 5 5 2 0 1 1 ， 普通混凝土配合比设计规程【 s 】 E 京 ： 中国建筑 工业出版社 ， 2 0 1 1 【 1 4 J T G T B 0 7 0 1 2 0 0 6 ， 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规 范 s 1 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 6 上接第 7 8页 5 其他混凝土试验及分析 按照 以上相同试验方法对 C 3 0 混凝土的工作性能和强 度进行相关测试 ， 结果详见表 5 。 试验表明， 掺人脱硫石膏可 改善混凝土的工作性能 ， 总体变化不及 C 4 0 混凝土明显。 这 是由于低强度等级混凝土中胶凝材料总量较少 ， 浆骨 比降 低 ， 对混凝土流动性影响减弱而造成的。 混凝土强度也有相 同的现象。 但脱硫石膏掺量在 8 时， 工作性能和强度都能 超过对 比试样 和基准试样 ， 与 C 4 0 结果一致 。 6结论 高性能混凝土掺合料掺量较大时， 通过脱硫石膏替代 部分粉煤灰可改善胶凝材料之间的颗粒级配和需水量， 提 高混凝土的工作性能。 特别是， 脱硫石膏掺量在 8 ， 即胶凝 材料中S O 总含量在2 7 时， 新拌混凝土坍落度和扩展度 提高幅度较大 ， 经时损失减小 ， 并具有 良好 的黏聚性和保水 82 显著 ， 9 0 d以后收缩率降低幅度趋于稳定； 自密实混凝土 收缩率随着龄期增加在增加 ， 其增加幅度随着龄期增加在 降低 ， 与 A相 比， B、 C和 D的收缩率在 7 d以内增加慢 ， 在 7 9 0 d内增加快 。 ( 2 ) 同龄期 自密实混凝 土收缩落差随膨胀剂掺量的增 加出现了先减小后增加的发展规律， C的收缩落差最小 ， 而 D的收缩落差最大； 自密实混凝土收缩落差随着龄期的 增加在增加 ， 其增加幅度随龄期的增加在减小。 ( 3 ) 用对数 函数表征 自密实混凝 土收缩率 ( d ) 与其龄 期( f ) 的关系较为合适， 且与实测值吻合较好。 参考 文献 ： 【 1 】阎培渝， 廉慧珍， 覃肖， 等 使用膨胀剂配制补偿收缩混凝土时 需要注意的几个问题【 J 1 硅酸盐学报， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 1 2 ) ： 4 3 4 5 f 2 12 刘加平 ， 等 膨胀剂和减缩剂对于 高性能混凝土收缩开裂的影 O f J I 东南大学学报， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 1 ) 3 3 尚建丽高性能混凝土中膨胀剂效用的试验研究 J 】 新型建筑材 料 ， 2 0 0 3 ( 1 1 ) 4 】张向军掺超细矿渣和膨胀剂的高性能混凝土试验研究叽新型 建筑材料， 2 0 0 4 ( 7 ) 5 何延树， 等 膨胀剂对免振捣自密实混凝土性能的影响J 1 长安 大学学报 ， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 1 1 ) 6 李宁 膨胀剂掺量对自密实混凝土收缩性能的影响 J 】 _ 建筑技 术 ， 2 0 1 1 ( 1 2 ) 作者简介： 联系地址 ： 联系电话： 孟志良( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 教授。 河北省保定市灵雨寺街 2 8 9号 河北农业大学城乡建 设学院( 0 7 1 0 0 1 ) 1 51 27 2 6 0 5 ； 2 6 1 5 G B r 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试验方法标准阿北京： 中 国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 ( 4 ) 作者简介： 赵卓( 1 9 7 0 一 ) ， 男， 博士， 教授， 从事工程结构与材料耐 久性试验研究。 联 系地址： 河南省郑 州市文化路 9 7号 郑 州大学 土木工程 学 院 ( 4 5 0 0 0 2 ) 联系电话 ： 1 3 9 0 3 7 1 0 2 4 5 性。 同时混凝土力学性能也能得到一定程度提高。 参考 文献 ： 1 黄峰， 曹德光， 等 脱硫石膏粒径分布及其水分对水泥粉磨过程 和性能的影响【 J 水泥 ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 8 - 1 0 2 施惠生 ， 蔡勇 脱硫石膏对矿渣水泥性能 的影晌 J 水泥 技术 ， ( 1 ) ： 2 6 3 0 3 13 陈瑜， 高英力， 王盛铭 粉煤灰一 脱硫石膏双掺砂浆试验研究与 应用 长沙理工大学学报： 自然科学版， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 4 8 8 0 【 4 】 谭平， 王海云 脱硫石膏掺量对混凝土性能的影响 J 矿产综合 利用， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 4 6 4 8 【 5 】 谭平， 王海云， 等 电厂脱硫石膏粉在水泥基胶凝材料中的复合 效应 非金属矿， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 3 9 4 1 作者简介： 钱大t ( 1 9 6 6 一 ) ， 男， 副教授， 主要从事混凝土及施工 技术研究。 联系地址： 河南省洛阳市洛龙区王城大道 9 0 号 洛阳理工学院 土木工程系( 4 7 1 0 2 3 ) 联系电话 ： 1 3 6 5 3 8 9 0 5 2 5 0