客运专线混凝土矿物外加剂复合配伍及外加剂优选技术研究.pdf

文章编号：1 0 0 7 0 4 6 X( 2 0 1 1 ) 0 5 - 0 0 3 9 - 0 4 生态建材 客运专线混凝土矿物外加剂复合配伍及外加剂优选技术研究 Mi x Ra t i o a n d Op t i mi z e d S e l e c t i o n S t u d y o f M i n e r a l Co n c r e t e Ad mi x t u r e s f o r P a s s e n R e r De d i c a t e d L i n e 张玉海 f 中铁十二局集 团公司，山西太原0 3 0 0 2 4 ) 摘 要： 优选出与水泥适应性好、明显改善混凝土拌合物性能、性价比较 高的高效减水剂，同时进行不同品种矿物外加荆单掺 、 复 合配伍 技 术的试验 研 究 ，使 配制 的混凝 土达 到优质 耐 久的 目的 ，为客运 专线做 好施 工 准备 。 关键词 ： 客 运专 线 ；耐 久性 混凝 土 ；外加 剂 ；矿物 外加 剂 中 图分 类 号 ：TU5 2 8 31 文 献 标 识码 ：A 0前 言 本方案用不同掺量粉煤灰对混凝土耐久性的影响以及 不同品种矿物 t , J J n 剂单掺、复合配伍技术进行试验研究， 同时进行外加剂优选，优选出与水泥适应性好、明显改善 混凝土拌合物性能、性价比较高的高效减水剂。 1试验内容 1 1原材料 水泥：安徽怀宁海螺牌P 0 3 2 5 水泥。 粉煤灰：安徽淮南坪圩电厂 级粉煤灰。 矿粉：芜湖朱家桥水泥有限公司生产的磨细矿渣粉。 硅粉：山西忻州铝业有限公司生产的硅粉。 粗集料：金寨隧道项 目 部石料场生产的5 1 6 m m， l 6 3 1 5 m m二级配碎石。 细集料：金寨朝阳砂场 区中砂。 1 2单掺矿物外加剂的试验研究 1 2 1粉煤灰掺量与新拌混凝土工作性能相关性分析 试验研究了0 5 0 范围内粉煤灰掺量对新拌混凝土 坍落度和扩展度的影响。新拌混凝土工作性能试验结果见 图 1，随着粉煤灰掺量的增加， 混凝土拌合物的坍落度和 扩展度逐渐增加， 坍落度增加较为平缓， 掺量为 2 0 3 0 时扩展度增加比较明显，掺量超过 3 0 以后，扩展 度增加趋于平缓。 原因分析：用粉煤灰取代等质量的水泥，粉煤灰的体 积要比水泥约大 3 0 ，大量的浆体填充了集料间的空隙， 包裹并润滑了集料颗粒，同时，粉煤灰为表面光滑的球状 玻璃体颗粒，可以减少浆体一 集料界面的摩擦， 从而改善了 新鲜混凝土的和易性。 I 遗 犍 密 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 l O 0 0 0 l O 20 3 0 4 0 50 6 0 粉煤灰掺量 图 1 粉煤灰掺量与新拌混凝土性能关系曲线 1 2 2粉煤灰掺量与混凝土力学性能相关分析 从图2可以看出，粉煤灰掺量对混凝土早期强度影响 大，掺加粉煤灰混凝土的早期强度均低于不掺粉煤灰的基 准混凝土。但 2 8 d以后，基准混凝土强度发展曲线与掺加 粉煤灰的混凝土相比较为平缓，粉煤灰掺量为 1 0 4 0 的混凝土的 5 6 d 抗压强度与基准混凝土的抗压强度基本相 当。粉煤灰掺量为 5 0 的混凝土的抗压强度明显低于基准 混凝土及掺量为 1 0 一 4 0 的混凝土。 6 0 5 0 4 0 3 0 2 O l 0 O 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 龄期 d 图 2 不同粉煤灰掺混凝土强度与龄期关系曲 线 由图 3 可以看出，粉煤灰掺量在 0 4 0 范围内时， 5 2 0 1 1 粉煤灰 3 9 越曛 混凝土早期及后期抗压强度随粉煤灰掺量的增加均有所降 低，但曲线下降较为平缓；粉煤灰掺量自4 0 增至5 0 后，抗压强度下降比较明显。由此可见， 4 0 掺量成为粉 煤灰掺量对混凝土抗压强度影响关系曲线的拐点。 U l U 20 j U 4 0 5 0 b0 粉煤灰掺量 图 3 不同龄期混凝土强度与粉煤灰掺量关系曲线 原因分析：随着粉煤灰掺量的增加，胶凝材料中水泥 数量减少， 混凝土中的， 早期水化产物减少，造成混凝土的 早期强度降低， 但随着龄期的增长及水泥水化程度的增加， 粉煤灰中活性氧化硅、氧化铝与水泥水化生成的氢氧化钙 作用生成水化硅酸钙、水化铝酸钙，因此混凝土的后期强 度迅速增加，基准混凝土的强度相当。但混凝土粉煤灰掺 量应有一定的限度，配制客运专线耐久性混凝土粉煤灰掺 量，不宜超过4 0 ，以确保工程混凝土的强度和耐久性。 1 2 3粉煤灰掺量与混凝土抗氯离子渗透性分析 该环境下混凝土的耐久性评价主要是针对混凝土抗氯 离子侵入的能力，本课题试验研究了掺入粉煤灰后混凝土 电通量的变化及不同粉煤灰掺量对混凝土电通量的影响规 律。试验结果见图4 。 U 哪 蚓 2 l 0 0 l 9 0 0 1 7 0 0 l 5 0 0 1 3 0 0 l 1 0 0 9 0 0 7 0 0 5 0 0 圈 4 不同龄期混凝土电通量与粉煤灰掺量关系曲线 混凝土电通量试验结果如图4 所示，从图4 可以看出， 2 8 d 、5 6 d 龄期时， 粉煤灰掺量由0 增加到4 0 时，通过 混凝土试件的电量明显降低，这主要是由于粉煤灰的火山 灰效应和密实填充效应。随着龄期的不断延长，粉煤灰的 火山灰效应开始逐渐显现 ，粉煤灰与水泥水化生成的 C a ( O H ) 发生反应，使混凝土中水化产物增多，混凝土固 化氯离子的能力提高；同时，混凝土中氢氧化钙晶体含量 降低，尺寸减小，取向度下降，浆骨界面间C a ( O H ) 富集 的程度减小，界面 “ 薄弱”的属性得以改善；再由于粉煤 灰火山灰反应消耗毛细孔隙中的水分，水化产物占居原充 4 0 COAL ASH 5 2 01 1 水空间，导致浆体中大孔含量减小，毛细孔径进一步细化， 浆体总孔隙率降低，混凝土更为密实。而当粉煤灰掺量超 过 4 0 以后，由于粉煤灰掺量较大，二次水化反应进行 得比较缓慢，混凝土中还有大量未水化的粉煤灰颗粒，混 凝土内部结构不够密实，因此混凝土的抗渗透性能降低， 电通量增大， 但比不掺粉煤灰的混凝土其抗渗透性能仍有 所提高。 1 2 4粉煤灰掺量与混凝土抗硫酸盐侵蚀性能分析 本课题根据不同粉煤灰掺量的胶凝材料胶砂试体浸泡 在硫酸钠溶液中的抗折强度与洁净的饮用水中的同龄期抗 折强度之比计算抗蚀系数，比较胶凝材料抗硫酸盐侵蚀的 性能。试验结果见图5 。 辐 揖 避 2 0 1 9 1 8 l 7 l 6 1 5 1 4 l 3 1 2 粉煤灰掺量 图 5 粉煤灰掺量与混凝土抗硫酸盐侵蚀性能关系曲线 如图5 所示，粉煤灰掺量为0 5 0 时， 胶凝材料胶 砂抗蚀系数均0 8 0 ，判定抗硫酸盐侵蚀性能合格。粉煤 灰掺量在 0 4 0 范围内，随着粉煤灰掺量的增加，混 凝土的抗腐蚀系数逐渐增加，当掺量超过 4 0 达到 5 0 后， 抗腐蚀系数减小，抗硫酸盐侵蚀能力降低。 原因分析： 混凝土中掺入适量粉煤灰后，大大改善混 凝土的性能，提高了混凝土的密实性，抗硫酸盐腐蚀能力 提高，但掺入过多的粉煤灰后，由于能够激发粉煤灰火山 灰效应的氢氧化钙数量有限，多余的粉煤灰只能惰性填充 在混凝土孔隙中，使得混凝土的密实度降低，抗硫酸盐侵 蚀能力下降。 1 2 5掺加粉煤灰混凝土的微观分析 混凝土中掺加粉煤灰后，拌合物性能及力学性能均发 生很大变化，随着粉煤灰掺量的不同，表现出不同的变化 规律，本课题对掺加粉煤灰的混凝土进行了电镜、 x衍射 和压汞测孔微观分析。 ( 1 ) 通过电镜比较分析可知，掺人粉煤灰后，界面处 的微结构发生了很大的变化，C a ( O H ) 数量减少，孔隙率 降低，提高了结构的密实程度。 ( 2 ) X 一 衍射分析后，试验结果表明在同一龄期时，随 着粉煤灰掺量的增加，氢氧化钙x 一 衍射峰值逐渐降低，说 明混凝土中的氢氧化钙数量逐渐减少，参与反应的粉煤灰 _ 暑 嚼 数量逐渐增加；对于同一粉煤灰掺量的混凝土，5 6 d 龄期 时x 一 衍射峰值明显低于 7 d 龄期时x 一 衍射峰值，随着龄期 的增长，混凝土中氢氧化钙数量逐渐减少，消耗掉的氢氧 化钙用于激发粉煤灰的火山灰效应，混凝土中水化产物逐 渐增多，混凝土的密实程度提高。 ( 3 ) 经过压汞测孔分析看出，同一龄期混凝土随着粉 煤灰掺量的增加，混凝土的孔隙率逐渐减小，中值孔径逐 渐减小，有害孔逐渐减少，无害孔逐渐增加；同一粉煤灰 掺量的混凝土，随着龄期的增长，混凝土孔隙率逐渐降低， 有害孔逐渐减少，无害孔逐渐增加。因此混凝土宏观表现 为随着粉煤灰掺量的增加混凝土的密实程度提高。 1 3矿物外加剂复合配伍技术的试验研究 1 3 1矿粉一 粉煤灰复合配伍研究 将矿粉一 粉煤灰按不同比例复合掺入混凝土中，从中 优选二者在混凝土中的最佳复合比例，其配合比见表 1 。 表 1 矿粉一 粉煤灰的配合 比 注 ：S L F A 表不矿粉 一粉煤灰 通过混凝土和易性、力学性能和抗氯离子渗透性三方 面研究确定耐久性混凝土复合矿物外加剂的优化配伍。随 着矿粉在复合矿物外加剂中比例增加，粉煤灰的比例减小， 坍落度、扩展度增大， 超过一定比 例时又下降，当二者比 例为5 0 ： 5 0时，坍落度和扩展度均达到最大值。随着矿粉 比例的增加，抗压强度有所增加，比例达到5 0 ： 5 0 时， 7 d 、 2 8 d强度均达到最大值，以后随矿粉比例的增加，抗压强 度有所下降，但强度降低较小。随矿粉比例的增加，粉煤 灰比例的减少，电通量逐渐降低，到达一定比例后电通量 又逐渐增大，矿粉一 粉煤灰存在最佳比例使得混凝土的抗 氯离子渗透性能最佳。矿粉与粉煤灰的比例为 5 0 ： 5 0 左右 时，对改善混凝土的力学性能、和易性和抗氯离子渗透性 均有良好的表现，可以认为此比例为矿粉一 粉煤灰体系最 佳复合比例。 1 3 2其他矿物外加剂复合配伍研究 O P C 组以纯硅酸盐水泥为全部胶凝材料，作为基准组。 P S L 、P F A组分别单掺矿粉、粉煤灰取代 3 0 水泥。 P S F 组分别单掺硅灰取代 8 0 0 水泥。 P S F组为矿粉 一 粉煤灰 5 0 ： 5 0复合取代 3 0 水泥。 P S F S 组为矿粉 一 粉煤灰一硅灰 2 5 ： 7 0 ： 5复合取代 3 0 水泥。 各组配合比见表 2 。 表 2 分析复合矿物外加剂特性的混凝土配合比 1 3 2 1混凝土和易性特征分析 单掺硅粉 P S F组混凝土坍落度较基准组 O P C小，单 掺粉煤灰的P F A 组、掺复合矿物外加剂的P S F 、P S F s 混凝土坍落度均较基准混凝土大。这是因为从粉体颗粒形 貌而言，水泥、 矿粉多为不规则且表面粗糙的颗粒，粉煤 灰为表面光滑的球状玻璃体颗粒，硅灰为直径很小的球形 颗粒。由于矿粉颗粒不规则且表面粗糙，掺入混凝土中会 降低新拌混凝土的流动性，但矿粉与粉煤灰的复合却可以 补偿这一损失。硅灰颗粒直径小，需水量大，掺人混凝土 中用水量一定的情况下会导致坍落度减少，如果与粉煤灰 复合也有明显的增塑减水作用。 1 3 2 2混凝土力学性能分析 掺有矿物外加剂的混凝土较基准混凝土早期抗压强度 低并且发展缓慢，而后期强度 ( 5 6 d ) 增长较大。单掺硅 灰的P S F组早期强度较高，但后期强度发展较为缓慢。水 泥一矿粉 一 粉煤灰体系的 P S F组混凝土的各龄期抗压强 度均比单掺矿粉 ( P S L ) 或粉煤灰 ( P F A)的高，而水泥一 矿粉一 粉煤灰一硅灰体系的P s F S 组各龄期抗压强度均 比P S F 组高，但强度高出不多。 1 3 2 3混凝土耐久性分析 与基准水泥混凝土相比，掺有矿物外加剂的各组混凝 土的电通量都有不同程度的降低，因此矿物外加剂的掺人 可以有效改善混凝土的抗氯离子渗透性能，从而提高混凝 土的耐久性。 1 4优选外加剂 客运专线高性能混凝土用外加剂的质量标准明显高于 国家标准，尤其是对氯离子含量、保塑性、常压泌水率、 含气量和相对耐久性指标要求比较高，因此客运专线耐久 性混凝土应选用具有高效减水、适量引气、碱含量低、保 5 2 o l 1 粉煤灰 4 1 塑性好、能明显改善或提高混凝土耐久性能的新型外加剂。 聚羧酸系高效减水剂的特点是采用接枝共聚方法进行 合成，其结构特点是憎水性的主链为脂肪族的烃类，而亲 水性的官能团则是侧链上所连的一 s 0 ， H、一 C O O H、一 O H 或聚氧烷基烯类 E 0长侧链 ( c H C I J ， 0) mR等。聚 羧盐系高效减水剂在水泥颗粒表面的吸附量较小，但由于 其带有许多支链及齿形吸附方式，可以产生空间位阻效应， 在掺量很小 ( 0 1 0 一 ， 0 2 0 )的情况下就可产生较好的 分散效果，并具有优良的缓凝、早强或保持坍落度的作用。 聚合物侧链上的乙氧基链节不仅对减水率有影响，而且对 抑制混凝土坍落度损失也有重要作用。因此，与常用的萘 系和蜜胺系高效减水剂相比，聚羧酸系高效减水剂具有掺 量低、增强效果好、坍落度保持性好、与水泥适应性更好 等特点，适宜配制客运专线耐久性混凝土。 为此，本研究在 1 0 种外加剂中进行了广选，选用外 加剂试验检测结果见表3。表 3中D 、F两种外加剂的综 合性能较好，与所用水泥的相容性较好，优选为配制耐久 性混凝土的高效减水剂。 表 3 选用外加剂试验检测结果 2小 结 参考文献 ( 1 ) 试验研究了粉煤灰掺量对混凝土拌合物工作性能、 力学性能、抗氯离子渗透性能、抗硫酸盐侵蚀性能的影响 规律，并采用微观分析对宏观分析结果进行了证实，大量 试验结果表明，粉煤灰掺量对混凝土性能有很大的影响， 4 0 掺量是影响混凝土多种性能的拐点，单掺4 0 粉煤 灰是配制客运专线耐久性非预应力和非抗冻性混凝土的优 选方案。 ( 2) 矿物外加剂复合可以充分发挥各种矿物 b J U 剂的 叠加效应，通过大量对比试验得出粉煤灰一 矿粉按 l ： 1比 例复合掺配可以有效改善混凝土的多种性能，是配制 C 5 0 混凝土的优选方案，具有良好的经济效益。 ( 3 ) 通过大量试验，从 1 0种外加剂中优选出了与水 泥相容性好、增强效果好、坍落度保持性好、性价比高、 适宜配制客运专线耐久性混凝土的聚羧酸类外加剂。 4 2 CD 工 妇 5 2 01 1 1 】吴中伟， 廉慧珍 高性能混凝： Iz E M 北京： 中国铁道出版社，1 9 9 9 【 2 】秦鸿根， 潘钢华， 等 掺粉煤灰高性能混凝土耐久性研究 J 混凝土与 水泥制品，2 0 0 0( 5 ) ：1 1 1 3 【 3 】姚燕， 王玲， 田培 高性能混凝土【 M 】 北京： 化学工业出版社，2 0 0 6 4 】贾伟霞，裴树林 粉煤灰对混凝土耐久性影响的分析与试验研究 J 】 山西建筑， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 1 3 ) ： 1 4 5 1 4 6 5 房皓， 王迎辉 粉煤灰对水泥水化热的影响规律研究 J _西部探矿工 程，2 0 0 5( 4 ) ： 1 7 2 1 7 3 6 高少霞，穆红英 粉煤灰对硅酸盐水泥水化热影响的试验研究 J 】 大 众科技 ，2 0 0 5 ( 9 ) ： 6 8 6 9 7 】张长福，王木柯，毛建林 客运专线高性能混凝土的试验研究【 J 】 铁 道建筑技术，2 0 0 7 ( 2 ) ： 1 9 2 1 作者简介：张玉海，高级工程师，太原理工大学土木工程专业毕业 通信 地址：山西省太原市西矿街1 3 0 号 邮编：0 3 0 0 2 4 收稿 日期： 2 0 1 0年 1 1月 2 0日