脱硫石膏对高性能混凝土性能影响研究.pdf

2 0 1 3年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUC TS 2 0 1 3 No 4 Ap r i l 脱硫石膏对高性能混凝土性能影响研究 钱大行 ， 张 日华 ( 洛阳理工学院 ， 4 7 1 0 2 3 ) 摘 要 ： 在 高性能混凝土 中掺入矿渣微粉 、 粉煤灰等掺合料 改善 混凝土相 关性能的基础上 ， 采 用脱硫 石膏替代 部分粉 煤灰， 改 变混凝土 中胶凝材料 S O 含量 ， 研究其对混凝土工作性能、 力学性能和收缩性能的影响。 试验结果表 明 ， 脱硫石 膏( S O， ) 掺 量在 一定范围内时， 可改善混凝土的工作性 能和 力学性能 ， 并显著减 少混凝土各龄期的 累计收 缩 率 。 关键词 ： 脱硫 石膏； S O3 ； 高性能混凝土 ； 性 能； 收缩率 Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e mi x e d w i t h fl y a s h a n d s l a g p o w d e r t o i mp r o v e i t s p e rfo rm a n c e s ， t h e d e s u l p h u r i z a t i o n g y p s u m i s s u b s t i t u t e d s o me fl y a s h t o c h a n g e t h e S O3 a mo u n t o f c e me n t i t i o u s ma t e ri a l i n c o n c r e t e ， a n d t h e e f f e c t s o f t h e d e s u l p h u r i z a t i o n gy p s u m o n t h e wo r k a b i l i t y ， me c h a n i c a l p rop e r t y a n d s h rin k a g e o f c o n c r e t e a r e r e - s e a r c h e d T h e e x p e ri m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t w h e n t h e a m o u n t o f d e s u l p h u r i z a t i o n g y p s u m ( S O 3 ) i s a p p r o p ri a t e ， i t c a n i m p r o v e t h e w o r k a b i l i t y a n d me c h a n i c a l p rop e rt y o f c o n c r e t e ，a n d o b v i o u s l y r e d u c e t h e a c c u mu l a t i v e s h ri n k a g e r a t e o f c o n - c r e t e a t e a c h a g e Ke y wo r d s ： De s u l p h u r i z a t i 0 n gyp s u m； S O3 ； Hi g h p e rfo rm a n c e c o n c r e t e ； P e rf o r ma n c e ； S h rin k a g e r a t e 中图分类号 ： T U5 2 8 _ 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 O 一 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 1 0 4 - 1 0 - 0 4 0前 言 矿渣微粉 、粉煤灰等工业副产 品经过加工 ， 作 为掺合料在混凝土 中使用有着 明显 的经济效益 和 社会效益 。这些掺合料具有各 自的化学组成 、 粒度 分布和相关性能n - 2 ， 同时掺加可产生优势互补和效 能叠加效应 3 1 ， 因而被广泛采用。高性能混凝土掺加 以上掺合料后 ， 水泥石组分结构会发生改变 ， 与普 通混凝土有着本质区别 ， 会 出现早期 自收缩率超 过 普通混凝土的问题 。这是因为掺加掺合料后 ， 相对 减少 了混凝 土 的水 泥用 量 ，导致 胶凝 材料 中 S O 总 含量降低 ， 从而产生混凝土早期 自收缩率增加。因 此 ， 在混凝土中应保证适 当的 S O s 含量 ， 不仅可以降 低混凝土早期 自收缩 ， 同时对其他相关性能也有 改 善 。 脱硫石膏是煤炭燃烧时烟气 中 S O 与石灰石料 浆反应并氧化后的产物 ，主要成分是 C a S O 2 H z O。 从脱硫石膏化学成分和应用状况分析 ， 脱硫石膏可 在混凝土 中使用 5 1 ，为混凝 土胶凝材料水化提供 S O 。因此 ， 应在 了解脱硫石膏特征性能和正常掺加 其他掺合料的基础上 ， 研究脱硫石膏对混凝土性能 基 金 项 目 ： 河 南 省 2 0 1 0年 科 技 计 划 项 目( 编 号 1 0 2 1 0 2 3 1 0 3 7 1 ) 。 一 1 0一 的影 响。 1 脱硫石膏的特征性能 1 1 化学 成分 根据 G B T 5 4 8 4 -2 0 0 0 ( 石膏化学分析方法 检 测不同产地石膏和天然石膏的化学组成 ， 结果见表 1 。由表 1 看出， 不同产地石膏的化学组成均有所不 同， 其原 因在于燃煤来源不同导致 S O 浓度变化 ， 同 时石灰石料浆产地和脱硫装置运转也存在差异性。 但各产地石膏之间所含 C a O和 S O 差别不大， 并与 天 然石 膏基本 一致 。 1 2 粒度分布 用 L S P O P ( m) 型激光粒度分析仪测定部分脱 硫石膏的粒度组成 ，并与磨细天然石膏相对 比， 结 果见表 2 。 表 2试验表 明， 产地和工艺设备不同的脱 硫石膏 ， 粒度分布不尽相 同。整体上脱硫石膏粒径 在 2 0 - 6 0 1 x m的颗粒含量超过 7 0 ， 2 0 8 0 1 x m粒径 颗粒含量 占 9 5 以上 ， 粒径分布范围较为集 中。而 磨细天然石膏颗粒分布较为平均 ， 且粒径较大。这 是因为两种石膏颗粒形成方式不同。天然石膏是经 粉磨而成 ， 粒径分布有大有小 ； 脱硫石膏是在脱硫 装置中 S O ： 与石灰石反应形成 ， 由于反应时间、 反应 物浓度等因素相差不大 ， 形成的反应产物晶粒尺寸 钱大行 ， 张 日华 脱硫石膏对高性能混凝土性能影响研究 也就基本接 近 ， 因此 ， 脱硫石膏 的粒径分 布较 为集 中。脱硫石膏粒径分 布特点有 助于发挥其颗粒效 应 ， 对混凝土性能改善将更 为显著 ， 效果将好 于磨 细天然石膏。 2混凝 土相 关 性能试 验 2 1 试验方案及配比 试验 以不掺加掺合料 的混凝 土为基准混凝 土 ( 用 J Z表示 ) ， 在此基础上 ， 以矿渣微粉 、 浮选 I级粉 煤灰作为掺合料 ， 替代 4 5 水泥 ， 得到 的高性 能混 凝土为对 比混凝土 ( 用 D B表示) 。 在水泥 、 掺合料总 量不变 的前提下 ， 仅逐步增加脱硫石 膏掺量 ， 等量 减少粉 煤灰掺量 ，使胶 凝材料 中 S O s 含量分 别为 1 9 、 2 - 3 、 2 5 、 2 7 、 2 9 、 3 1 、 3 3 、 3 5 ， 测 试混凝土的相关性能。混凝土配合 比见表 3 。 采用 G B 仃 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 ( 普通混凝土拌合物性 能试验方法标准 、 G B 厂 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 和 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 分别 检测脱硫石膏掺量对混凝土工作 性能、 力学性能及 不同龄期混凝土收缩率的影响。 2 2 试验材料 试验采用洛阳产 P O 4 2 5级水 泥， 洛河产细度 模数为 2 - 3的中砂 ， 伊川产 5 - 2 0 ra m连续级配碎石 ， $ 9 5级矿渣粉 ，洛 阳某热电厂浮选 I级粉煤灰 和脱 硫石膏 。所用材料技术指标均满足国家相关规定。 2 3 试验结果 表 4为混凝土工作性能和力学性能试验结果 ， 表 5为混凝土收缩率试验结果。 表 3 混凝土配合 比 k s m 2 0 1 3年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 4期 注 ： 表 中收缩率值为对应龄期 的累计收缩率 ； 表 中脱硫石膏掺量为在胶凝材 料中所 占的重量 比； 表 中 S O ， 含量为在胶凝 材料 中所 占的 比例。 3试 验 结果分 析 3 1 对混凝土工作性能影响分析 表 4结果表明， 对于基准混凝土掺加矿渣微粉 和粉煤灰后 ， 新拌混凝土坍落度提高 2 9 4 。 随着脱 硫石膏的替代 ，在掺加量较少 ( 5 ， S O ， 含量 2 3 ) 和较大( 9 ， S O ， 含量 2 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。 脱硫石膏掺加量在 8 ，即胶凝材料 中 S O 含量在 2 7 时 ，新拌 混凝 土坍 落度 较对 比混凝 土提 高 4 5 、较基准混凝土提高 3 5 3 。脱硫石膏掺量在 7 8 ( S O 含量在 2 5 2 7 )时 ， 3 0 m i n时坍落 度较对 比混凝 土提高 2 3 5 ，较基 准混凝土提高 1 4 7 。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 。在脱硫石膏掺 加后对于新拌和 3 0 m i n时混凝土粘聚性和保水性 始终表现良好 。以上规律在扩展度试验中也得到同 一 1 2一 样结论 。其原因是粉煤灰具有较好的颗粒形态效 应 ， 脱硫石膏需水量小 、 保水性好 ， 通过替代一定的 胶凝材料 后 ， 微观粒径级配更加优化 ， 使混凝土流 动性增加 ， 坍落度经时损失减小 。 3 2 对混凝土抗压强度影响分析 表 4试 验表 明 ， 在 基 准混 凝 土 中掺 加 矿渣 微 粉 和粉煤灰后 ， 对 比混凝土早期强度下 降 ， 后期强度 提高。对比混凝土掺加脱硫石膏后 ， 7 d抗压强度普 遍提高 ； 脱硫石膏掺量 7 ( S O ， 含量 2 5 ) 时提高 幅度最小也可达 1 0 ； 掺量 1 3 ( S O ， 含量 3 5 ) 时 提高幅度最大可达 2 0 。在总体过程中 ， 脱硫石膏 掺人可改善对 比混凝土 的抗压强度 ，变化较 为平 稳。因而 ， 掺加脱硫石膏可进一步提高高性能混凝 土的早期强度 。在实际应用中对缩短拆模时间 、 加 快材料周转是有益的。2 8 d抗压强度在脱硫石膏掺 量小于 5 ( s o 3 含量2 3 ) 时 ， 随掺量提高抗压强 钱大行 ， 张 日华 脱硫石膏对高性能混凝土性能影响研究 度增大 ； 随后 随掺量提高抗压强度减小。在掺量为 1 O ( S 0 3 含量 3 1 )时小于对 比混凝土抗压强度 。 因 此 ，脱 硫 石 膏 掺 量 不 宜 大 于 1 0 ( S O 含 量 3 1 ) ， 否则会影响混凝土后期强度 。其原因是粉煤 灰和脱硫石膏 7 0 的粒径分别 分布在 0 1 0 m和 2 0 6 0 1 m范围内。 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 ，混凝土密实度得 到改 善。加之在矿渣和粉煤灰火山灰效应 、 形态效应 、 填 充效应 ， 以及脱硫石膏对硫酸盐活性激发效应和析 晶效应共 同作用下 ，可使混凝土早期强度有所 提 高。后期在脱硫石膏激发火山灰活性和 自身析 晶效 应作用下 ， 随着矿渣和粉煤灰 各种效 应加 强 ， 二次 水化反应 开始显现。通过脱硫石膏激发和析 晶 ， 更 多水化物产 生 、 填充可使微结构更 加密实 ， 表 现为 混凝土后期抗压强度提高。 3 3 对混凝土收缩性能影响分析 根据表 5试验绘制脱硫石 膏不 同掺量 时龄期 与其对应 累计收缩率相关曲线 ( 如 图 1 ) 。试验结果 表 明， 基准混凝土通过复合掺加矿渣微粉与粉煤灰 降低 了混凝土收缩率 ， 特别是 3 0 d前后收缩降低较 为明显 ， 可避免在小掺量掺加矿渣时出现混凝土收 缩率增大问题 ， 发挥 出掺合料双掺技术对减小混 凝土 自收缩的作用 。在对 比混凝土中用脱硫石膏替 代粉煤灰 ， 在掺量较小 ( 5 ， S O 3 含量 2 3 ) 时 ， 虽然可降低混凝土收缩率 ， 但效果不太 明显 。这是 由于脱硫石膏含量较小 ， 所起 的作用不大。在较大 掺量 ( 7 - 1 3 ， 即 S O 3 含量 2 5 - 3 5 ) 时能够 较 好地降低混凝土后期 收缩 ， 较基准混凝土平均降低 2 7 ，较对 比 昆 凝 土降低 1 7 ，并且在中期( 6 0 - 1 2 0 d ) 混凝土产生微膨胀现象 ， 对于避免混 凝土裂 缝产生非常有利。从总体上看 ， 在一定范围内， 随脱 硫石膏掺量的增加可减少混凝土 收缩 ， 但脱硫石膏 掺量大于 9 后减少收缩的效果开始减弱。其原 因 是水泥一 掺合料体 系中混凝土收缩与掺合料水化活 性 、 掺量成正相关性。采用高掺量矿渣和粉煤灰替 代水泥 ， 由于掺合料对水泥的“ 稀释效应 ” 和 自身活 性较低等原 因使水化减缓 ， 收缩减小 。脱硫石膏加 入后在水化过程中活性激发和 自身析晶作用下 ， 首 先使浆体水化 物 中钙矾石增 加 ，而且产生时 间提 前 ， 7 d时水化物有棒状与针状结构 的三硫型硫铝酸 钙 ( A F t ) 产生 ； 随着脱硫石膏对掺合料 活性激发作 用加强 ， 后期二次水化反应得到放大 。 2 8 d硫铝酸钙 相对较多导致膨胀型水化产物钙矾石出现更早 、 更 多 ， 可在提高强度的同时起到补偿收缩作用 。 5 0 0 4 0 o 0 3 0 0 褂 姆 擎 2 0 0 1 0 0 0 0 2 5 5 0 7 5 l O 0l 2 5 1 5 0l 7 5 2 0 02 2 52 5 0 2 7 53 0 03 2 5 3 5 03 7 5 龄期， d 图 1 脱 硫石膏掺量一 混凝土各龄期累计收缩率相关 曲线 4结语 通过对脱硫石膏特征性能分析表明 ， 混凝土中 掺入脱硫石膏比天然石膏更具技术性能优势 。试验 表明 ， 脱硫石膏掺量 占总掺合料量 8 ， 即胶凝材料 中 S O 含量在 2 7 左右时 ， 可提高高性能混凝土工 作性能、 力学性能和耐久性能等各项指标 。脱硫石 膏同时也是工业副产品 ， 在混凝土中使用具有社会 效益、 经济效益和环保作用。对于其他配 比混凝土 ， 脱硫石膏对其相关性能影 响的最佳掺量会有一 定 差别 ， 有待进一步研究 。 参考文献 ： 1 】 黄 峰， 曹德光 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 响 J 水泥 技术， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 2 6 3 0 3 】 谭 平， 王海 云 电厂脱硫 石膏粉在 水泥基 胶凝材 料 中的 复合效应【 J 】 非金属矿， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 3 9 - 4 1 4 】 吴 中伟 ， 廉慧珍 高性能 混凝 土 M 北京 ： 中国铁道 出版 社 ，1 9 9 9 5 】 钱 大行 ， 董现松 脱硫石膏作为高性能 混凝 土掺合料 的特 征性 能研究 J 混凝土， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 7 8 - 8 0 6 欧阳华林， 白山云 高性能混凝土 收缩徐变性能 的试验研 究 J 桥梁建设， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 4 - 6 【 7 】 王建福， 杨全兵 矿渣对净浆 早期开裂 的影 响 J 混凝 土 与水 泥制品， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 1 0 1 3 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 2 2 6 作者简介 ： 钱大行 ( 1 9 6 6 一 ) ， 男 ， 副教授 。 通讯地址 ： 洛阳市洛龙区王城大道 9 0号 联 系 电话 ： 1 3 6 5 3 8 9 0 5 2 5 E- ma i l ： q d x 9 4 1 s o h u c o m 一 1 3