无熟料水泥混凝土的物理力学特性.pdf

2 0 1 2年 第 1期 (总 第 2 6 7 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 6 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES E ARCH 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 1 0 1 1 无熟料水泥混凝土的物理力学特性 秦毅 a 。朴应模 ( 辽东学院 a 土木工程系；b 建筑材料研究所，辽宁 丹东 1 1 8 0 0 3 ) 摘要 ： 无熟料水泥混凝i( N S C) 是用水淬高炉矿渣( G B F S ) 和激发剂的混合物作为胶凝材料而配制的新型混凝土， 其性能取决于 O B F S的碱度、 化学成分、 玻璃化率以及激发剂的种类和数量。 为此， 以磷石膏作为G B F S的激发剂来配制NS C后， 采用与普通水泥混凝 土( 简称 O P C) 对比的方法、 进行了和易性、 强度及其与钢筋黏结强度的试验探讨。 结果表明： N s c的和易性优于 O P C ； 早期强度主要来源 于钙矾石并接近O P C， 长期强度则主要来源于 C S H水化物且远远超过 O P C 。 关键词： 无熟料水泥混凝土；和易性；抗压强度；钢筋黏结力 中图分类号： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 3 11 0 3 Phy s i c al a nd m e c ha ni c al c ha r a c t er i s t i c s of non c l i n k er c ema nt c onc r e t e s 。 J N ， P I AO Y i n g - mo ( a De p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ； b B u i l d i n gMa t e r i a l R e s e a r c hD e p a r t me n t ， L i a o d o n gu n i v e r s i t yD a n d o n g ， Da n d o n g1 1 8 0 0 3C h i n a ) Ab s t r a c t ： No n c l i n k e r c e me m c o n c r e t e s ( NS C) i s a n e w t y p e o f c o n c r e t e s ， wh i c h i s g o t b y wa t e r ,q u e n c h b l a s t f u r n a c e( GB F S ) a n d g r i d i n g T h e p e rfo r ma nc e d e p e n d s o n t h e a l k a l i n i t y o f GBFS， t h e c h e mi c a l c o mp o s i t i o n， t h e r a t e o f v i t r i fic a l i o n a n d t h e t y p e a n d q u a n t i t y o f e x c i t ant T h e r e f o r e ， WC ma d e GB F S b yt h e e x c i t ant o f p h o s p h o r u s g y p s u m， we t e s t the W o r k a b i l i ty ， s t ren g t h a n dt h eb o n d s t r e n g t ho f r e i n f o r c e db yu s i n gthe me t h o d c o mp a r e wi t ho r d i n a r yc e me n t c o n c r e t e( OP C) Th e r e s u l t s h o wi n g the Wo r k a b i l i tyo f NS Ci s b e a e r tha nOP C me e a r l y s t r e n g t hl i e s i nthe e t t r i n g i t e and a p p r o a c h i n g OPC T he l o n g t e r m i n t e n s i t y l i e s i n t h e C S H and Fa r mo re t h a n OP C K e y wo r d s ： NS C； wo r k a b i l i ty； C o mp r e s s i v e s tr e n g t h ； b o n d s t r e n g t h o f r e i n f o r c e d 0 引言 NS C的主要胶凝材料是水淬高炉矿渣( 简称 G B F S ) ， 约占 无熟料水泥质量的 8 0 - 9 0 。 由于 G B F S在冷却处理过程中 所形成的玻璃体结构具有潜在水硬性， 当遇到水分时， 其中的 氧化硅矿物成分首先溶解于水中， 且其水化物在颗粒表面上形 成致密的薄膜层， 阻碍水分向颗粒内部的渗透和内部水化物的 向外扩散 ， 使得水化反应不能持续进行 。 若在此时添加适量 的碱类或硫酸盐类 就能破坏已形成的薄膜层或阻止薄膜层的 形成 ， 进而促进 G B F S 颗粒中的各种矿物成分持续地溶解和扩 散在水中， 并使这些溶化物就像普通水泥一样在水 中凝结硬化 成坚硬的人造石【3 。 由于 GB F S具有这种特殊的的水化反应机 理，其混凝土的各种性能不尽与 O P C相同。 为了探讨这一点 ， 用 GB F S配制 NS C后 ， 对其拌合物和硬化体进行了大量的物理 力学及耐久性试验。 强度与和易性是其中的一部分， 目的在于为 NS C的进一步研究提供必要的参考依据。 1 试 验 方 法 1 1 原材料及其配合比 胶凝材料的主要成分为碱度大于 4 5 ， 玻璃化率 9 8 5 以上 的 G MF S和磷石膏。 其中， 为消除磷石膏中的磷酸对NS C性能 的影响在0 5 的石灰水溶液中洗涤 5 mi n后， 分别在温度 4 5 0 ( 型无水石膏， 简称 AP G) 和 8 0( 二水石膏， 简称 D P G) 中进 行了干燥处理。 原材料的矿物成分及物理性质见表 1 。 NS C的配合比如表 2所示。 粗骨料为粒径 2 0mm的碎石 ； 细骨料为粒径 5 11 2 1 T 1 以下的河砂； 钢筋为HR B3 3 5的螺纹钢。 另 外， 为比较 NS C的和易性和强度特性配制了普通混凝土( O P C) 和水泥 高炉矿渣为 5 0 5 0的高炉矿渣水泥混凝土( B S C) 。 1 2试验 内容 为了解 NS C搅拌物的和易性及硬化后的强度特性分别进 表 1 各种原材料的矿物成分及物理性质 收稿 日期 ：2 0 1 l - 0 7 _ J 0 l 基金项目：国家自 然科学基金资助项目( 5 0 1 6 2 0 0 1 ) ； 辽宁省教育厅科研项目( 2 0 0 6 0 2 9 5 ) ； 辽宁省丹东市科研项 目( 1 9 0 9 0 4 ) 33 表 2 NS C及其混凝土配合比 行了和易性、 抗压强度 、 与钢筋黏结强度等试验。 其中， NS C和 钢筋的黏结试验依据 AS T M C 2 3 4规范进行后 ， 用式( 1 ) 计算 了黏结强度 ： r = ( U L) ( 1 ) 式中： r 黏结强度， MP a ； F 钢筋拔力， MP a ； u 钢筋周长， c m； ， J 钢筋埋深 ， c m。 2 试验结果与分析 2 1 和 易性 NS C拌合物的坍落度试验结果如图 1 所示 ， O P C的坍落度 随时间急剧减小， 而 N S C的坍落度则缓慢降低， 到 1 2 0 m i n 时， 两者之间的坍落度损失率之差约为 5 0 。 由于组成 NS C的G MF S 和激发剂具有密度小 、 比表面积大的特点( 表 1 ) ， 在相同配合 比 条件下， 可增加单位体积的水泥浆体数量 ， 进而更有效地减少 骨料之间的咬合力和摩擦力， 赋予? 昆 凝土良好的流动性。 换言之， NS C在减少水灰比的条件下仍能获得与 O P C相同的坍落度， 进而降低多余水分蒸发而产生的毛细孑 L 数量， 为其结构的长期 耐久使用创造有利的内部条件。 NS C的泌水现象比 O P C略大 一 些， 主要原因在于其早期水化速度比O P C相对缓慢。 过大的泌 水性可能会导致材料的分层离析， 不但影响混凝土的早期强度 和长期强度，而且直接影响其结构的长期耐久性。 因此，在配制 NS C时有必要适当控制水灰 比。 至于 B S C的和易性位于 NS C 和 OP C之间。 罨 料 辎 樾 密 t mm 图 1 N S O的坍落度 2 2 强度特 性 图2表示了NS C的抗压强度。 NS C的早期强度( 7 d ) 与 O P C 强度很相近， 此后的强度均超过 O P C， 且龄期 1 年的抗压强度 达到了O P C的 1 5 倍。 NS C的早期强度主要来源于钙矾石。 由 于 G MF S中含有大量而水化速度最快的 A ， s 矿物成分( 表 1 ) ， 一 旦开始水化反应， 在短期内就能生成远多于 O P C的钙矾石。 这些钙矾石晶体随龄期不断长大并相互交织成空间网状结构 ， 进而大幅度提高 NS C的早期强度。 关于这一点可用 NS C的 X R D和 T G D T A图谱来验证。 NS C的 X R D图谱如图 3所示 ， 随着龄期的增加钙矾石的数量和峰值也随之急剧增加， 到龄期 7 d时就能观察到大量而发达的钙矾石峰值 ， 表明这个期间内的 34 山 羔 憩 龄期 d 图 2 N SC抗压强度 8 d d d 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 2 0， ( 。 ) 图 3 NS C水泥硬化体的 XRD 主要水化生成物是钙矾石。 与此相比， 在此期间内虽然能观察到 C S H的峰值 ， 但显得很微弱 ， 说明NS C中被融化的氧化钙和 氧化硅开始进行水化反应并生成 C S H水化物。 但龄期超过 7 d 后， 钙矾石的峰值急剧下降， 而 C S ， H的峰值却明显增多。 当龄 期为 2 8 d时， 很少观察到钙矾石的峰值， 但可观察到数量很多 且非常发达的C S - H峰值。 这些后期生成的C S H将逐渐填充 NS C中的毛细孔和钙矾石中的孔隙， 增加密实度的同时， 相互 黏结在一起而形成 NS C的长期强度。 其次， 钙矾石中的结合水蒸发所需温度是 1 0 0 1 7 0。 图 4 为 T G D T A图谱。 NS C的第一个吸热峰值出现在该温度范围 之内， 且最高吸热峰值出现在龄期 7 d的曲线上， 表明NS C的 早期水化物主要是钙矾石 ； 第二个吸热峰值则出现在 1 7 5附 近， 是由部分二水石膏失去水分而变成 I I I 型无水石膏所形成的 吸热峰值 ， 且其峰值随龄期而减小， 表明大部分石膏已经消耗 在生成钙矾石的水化反应中。 再次 ， 在混凝土中骨料和水泥硬化体之间普遍存在由氢氧 化钙晶体所形成的间隔带 。 图 5为从骨料表面上取出水泥硬 化体薄片后， 用电子显微镜放大 l 0 0 0 倍拍照的O P C和N S C的 水化物结构图片。 在 O P C的图片中， 能观察到形成在间隔带里 的大量的氢氧化钙晶体( 图中 C H) 和少量的 C S H凝胶体。 由 于氢氧化钙无黏结能力， 一旦受到外力， 应力就会集中在间隔 带的封E l 处。 随着外力的增加， 间隔带的长度和宽度也随之增大， 最终各独立的间隔带逐步相连并形成破裂面， 使得 O P C的实际强 度远小于理论强度。 但在NS C的图谱中， 几乎看不到氢氧化钙晶 加热温度， 图 4 N S C的强热减量 ( T G D T A) ( a ) O P C( 1 O O 嘴 )( b ) NS C 0 O O O 倍) 图 5 NS C间隔带 SE M图谱( 2 8 d) 体， 能看到的只是大量的C S H水化物和未水化的G MF S 颗粒。 这 一 点可用NS C的T G DT A图谱( 图4 ) 来证实， 在C a ( Oi l ) ： 的分解 温度 4 5 0附近并未出现吸热峰值， 说明NS C在水化过程中几 乎不生成 C a ( O H) ： ， 因而不存在由C a ( O H ) 晶体所形成的间隔 带， 为NS C中的骨料和水泥硬化体紧紧黏结在一起创造了条件。 这是NS C的水化反应的最大特点， 是区别于 O P C水化反应的根本 标志5 】 ， 也是长期强度远高于 O P C的主要原因之一。 至于 BS C 的强度特点则位于 NS C和OP C之间。 2 3 NS C与钢 筋黏 结力 钢筋和混凝土的黏结力是判断其结构物稳定性的重要指标。 为此， 在大量的试验数据基础上， 进行了数理统计分析， 其结果 如图 6 所示， 表明NS C的黏结强度和抗压强度之间有一定的内 在联系， 其相关关系为： _ 0 0 8 2 x + 1 3 2 6 。 其中： Y 为黏结强度； 为 抗压强度； 相关系数为R Z =- 0 8 7 。 由相关系数中可以看到， 黏结强 度与抗压强度之间的相关关系并不是很密切。 这可能与试验统 计数量不足且在相关分析中未考虑混凝土的安全系数等因素有 上接 第 3 2页 最佳砂率的i s c ， 属于坍落度 或水泥用量 c对 S C求极值问 题 ， 即 = 。或 。 。 得到 q 2 一 卢， 称 卢为最佳 Pc - 砂灰比参数， 它是确定最佳砂灰比唯一参数， 。 l + Ps 最佳砂率取决于水泥、 砂石的品种和密度P o , P 。 、 P a ， 集料的 密实系数e 。 以及水灰比 W C 和最佳砂灰比 q 。 最佳砂灰比满足本文式( 1 6 ) ( 1 9 ) ， 代人式( 5 ) 、 ( 6 ) 可求得 最佳砂率。 参考文献 ： 1 WA N G L i - j i u ， A I H o n g - m e i C a l c u l a t i o n o f s a n d a g g r e g a t e r a t i o a n d w a 一 钢筋埋 深 c m 图 6 N SC与钢筋黏结力( 2 8 d) 关。 但龄期 2 8 d的 NS C黏结强度均高于 O P C和 AS T MC 2 3 4 规范所规定的黏结强度。 3结语 NS C是一种新型混凝土， 通过以上分析初步得出了如下结论： ( 1 ) NS C的和易性优于 O P C和 S B S 。 ( 2 ) NS C的早期强度主要来源于钙矾石及其形成的网络空 间结构。 ( 3 ) NS C的长期强度主要来源于 C S H水化物的数量及其 胶结力。 ( 4 ) 在NS C中无隔离带是长期强度远高于 O P C的主要原因。 ( 5 ) NS C的黏结强度大于 O P C， 且存在 0 0 8 2 x + 1 3 2 6的 相关关系。 参考文献 ： 1 11 R E G OU R D M 7 c o n g r e s s o f t h e c h e mi s t r y o f c e me n t J 1 9 8 0， i ( i i i ) 2 1 0 2 2 6 【 2 】VO I NO V I C HE T A L I A S i l i c a t e s i n d u s t r i d s J 1 9 7 6 ( 4 1 ) ： 2 0 9 2 1 2 3 】3 朴应模 无机激发齐 U 对无熟料高炉矿渣水泥的作用机理及强度效果 延边大学学报： 自然科学版， 2 0 0 3 ， 2 9 ( 3 ) ： 2 2 0 2 2 4 1 4 】 朴应模 ， 等 无机激发剂对高炉矿渣水泥抗压强度与细孔结构的影 O Nc 大韩建筑学会论文集， 2 0 0 1 ： 1 4 3 1 5 0 5 朴应模 无熟料高炉i 渣水泥的水化反应特征 J 哈尔滨工业大学学 报 ， 2 0 0 9 ， 4 1 ( 1 0 ) ： 2 1 0 2 1 3 作者简介 联 系地址 联系电话 秦毅( 1 9 7 1 一 ) ， 女， 讲师， 硕士。 辽宁省丹东市辽东学院( 北校区) 城市建设学院土木工程 系( 1 1 8 0 0 3 ) 1 3 8 41 5 8 9 5 5 2 t e r d o s a g e o f o r d i n a r y c o n c r e t e C o m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 3 ) ： 4 3 2 王立久， 曹明莉， 艾红梅 混凝土密实系数研究【 M 】 混凝土 2 0 0 2 ( 8 ) ： 9 1 1 【 3 王立久建筑材料学 M 】 C 京： 中国电力出版社 ， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 1 0 6 f 4 】 钱亍， 万兆忠 泥沙运动力学 M】 E 京： 北京科学出版社， 1 9 7 5 5 】 扬荣俊， 扬玉启， 朱连滨， 等 高性能混凝土配合比简易设计法， 水泥 基复合材料学与技术 M 】 - E 京： 中国建材工业出版社， 1 9 9 9 ： 1 2 0 1 2 3 作者简介： 王立久( 1 9 4 5 一 ) ， 男， 教授， 博士生导师。 联系地址： 大连理工大学建筑材料研究所 2 2 0室( 1 1 6 0 2 4 ) 联系电话 ： 1 3 6 1 0 9 5 8 2 0 1 35