摘 要:高强自密实混凝土既要解决高强度要求采用的超低水胶比、高强胶结材料或者高的胶结材用量等配制技术与大流动性之间的突出矛盾,又要解决容易出现的收缩增大问题,采用具有与水泥收缩规律针对性更强的新型多元复合膨胀剂WHU ,能够产生比一般膨胀剂持久的后期膨胀,使最终的体积稳定性得到明显改善,抗渗性提高,研究了WHU 对工作性、强度、渗透性和体积稳定性的影响规律。
关键词: 自密实混凝土; 膨胀剂; 膨胀规律; 耐久性
中图分类号: TU 528 文献标志码: A 文章编号:167124431 (2006) 0520048205
自密实混凝土又称免振捣或自流平混凝土,关于中、低强度级的配制技术已经取得许多研究成果[1 ] 。在实际应用中,高强、超高强混凝土由于钢筋设置密集,振捣不便,对自密实性的要求更加迫切。由于采用硅灰等超细胶结材、较高的胶结材总量和小于0. 25 的超低水胶比,所以高强、超高强自密实混凝土要解决需水比大和早期水化速率高造成的工作性恶化与大流动性以及高的流动性保持率等要求之间的矛盾,同时要解决收缩增大产生的体积稳定性和渗透性问题。采用缓凝型超塑化剂、矿物掺合料以及52. 5 P. Ⅱ水泥配制C80 自密实混凝土,研究了具有多种膨胀源的新型膨胀剂WHU 对工作性、渗透性和不同阶段强度及收缩性能的影响。
1 配制C80 自密实混凝土的技术要求和WHU膨胀剂
1. 1 自密实混凝土的工作性
自密实混凝土的工作性除了采用坍落度及其经时损失评价外,通常还采用扩展值、倒坍时间、Orimet仪、L 型流动仪测试L 型坍落度、移动距离、流动时间等指标。根据Peter 的总结[2 ] ,认为自密实混凝土的工作性典型指标如表1 所示。
一般根据具体工程要求选择其中的部分指标,本研究自密实混凝土要求满足以下工作性:初始坍落度230～260 mm、经1 h 保持率大于80 %、倒坍时间8～15 s、扩展值60～70 cm。同时,使自密实混凝土的抗收缩性能和抗渗透性能显著提高。
1. 2 高强自密实混凝土的收缩性能
无论采用低水胶比、超细材料、高强胶结材料,或者高的胶结材用量,达到高强度的方法一般将产生更大的收缩。高强胶凝材料由于水化的速率快、放热集中,会增加热应力造成的收缩;水胶比低于0. 30 的高强混凝土的自收缩率高达200 ×10 - 6～400 ×10 - 6 [3 ] ;任何类型自密实混凝土的自收缩值都会随着单位体积中粉料量的增加而增加,单位体积粉料量为500 kg/ m3 的自密实混凝土的自收缩值为100 ×10 - 6 ～400 ×10 - 6 [4 ] 。
一般为达到高强度而采用的超细材料如硅灰、磨细矿渣等也将增加混凝土的收缩。含有大量磨细矿渣的大体积混凝土自收缩率可以达到100 ×10 - 6 [5 ] ,而掺10 %硅灰的高强混凝土自收缩率高达100 ×10 - 4 [6 ] 。所以,采用膨胀剂补偿收缩成为常用手段。
1. 3 WHU膨胀剂
WHU 膨胀剂由高钙粉煤灰、氟石膏和钢渣分别经过适当处理后按照1∶1∶1 的比例混磨而成。3 种工业废渣的化学组成如表2 所示。
从表2 中可以看出,WHU 含有多种膨胀源:高钙灰中的f2CaO、氟石膏中的CaSO3·2H2O、钢渣中的f2CaO和MgO。
2 实 验
2. 1 原材料
超塑化剂:聚羧酸类缓凝型X404 , 意大利产, 30 %固含量, 减水率可达到30 % ; 水泥: 日本小野田52. 5 P. Ⅱ;磨细矿渣粉:比表面积450 m2/ kg ,武钢产;硅灰:比表面积2 000 m2/ kg ,湖北产;粉煤灰: I 级,比表面积540 m2/ kg ;膨胀剂:WHU 、市售UEA 型、CAS 型。
水泥及各种矿物材料的化学组成如表3 所示。
2. 2 实验方法
1) 参照GB/ T50080 —2002 测试新拌混凝土的倒坍时间、扩展值、坍落度和经时坍落度;
2) 参照GB/ T50081 —2002 测试各龄期的混凝土强度;
3) 参照GBJ 50119 —2002 采用卧式收缩仪测定长方体(100 mm ×100 mm ×515 mm) 混凝土试件的胀缩率,成型3 d 后拆模,移入养护室,并开始计时,分别浸泡在水中和标准雾气中养护,水养护试样在14 d 后移入干空气中继续养护;
4) 参照ASTM C1202 —97 测试混凝土试样在6 h 内的通电量,将标准养护28 d 龄期的<100 mm ×50mm 圆柱形试样两圆端磨平后移入水中浸泡20 d ,取出自然晾干后放入抽真空室进行8 h 抽真空,然后进行测试;
5) 采用溶液气压法渗透性[7 ]测试混凝土试样在高压条件下的水渗透深度,该方法是研究混凝土渗透性的新方法,其优点是测试方法简单,可重复性强,采用<100 mm ×(50～150) mm 圆柱形混凝土试块,测试时将圆柱侧面和1 个圆平面用环氧树脂密封,只暴露出1 个圆平面,然后将试样浸泡在低压密闭容器内的水溶液中,充氮气加压,根据初步判定的试样抗渗透性确定压力和恒压时间,一般为0. 5～4 MPa 、6～24 h ,对于研究的高强混凝土,采用的试样龄期为60 d ,压力和恒压时间分别为2 MPa 和24 h 。撤压后将试样劈开,通过比较水溶液渗入试样的深度来评价其抗渗性。实验装置如图1 ,试样劈开实验见图2 。
2. 3 C80 自密实混凝土配合比
为了比较硅灰对收缩的影响以及考察矿粉和粉煤灰对收缩的改善作用,分别采用了单掺硅灰和同时复掺硅灰、矿粉、粉煤灰的配合比设计。为了检验WHU 的膨胀特性,同时采用了目前实际工程中应用较广的UEA 型和CAS 型膨胀剂做对比实验。实验配合比如表4 所示。
3 结果与分析
3. 1 工作性及力学性能
根据表4 所做的混凝土工作性及力学性能实验结果见表5 。
从表5 可以看出,与1 # 空白样相比,内掺10 %硅灰的2 # 样工作性不能满足表1 自密实要求,扩展值明显缩小,倒坍时间显著延长,坍落度下降,但强度大幅度增加,这是因为硅灰巨大的比表面积增加了表面吸附水,使工作性变差,而其微填充作用改善了微观结构,使强度增加;在2 # 样基础上再内掺10 %WHU 的3 #样,其工作性比2 # 样改善,但仍不及空白样,不能满足自密实要求,各龄期强度略低于2 # 样,这是因为WHU具有的火山灰活性造成的,其对水泥的稀释作用降低了早期水化程度,减少了水量消耗,同时其二次水化作用需要依靠水泥水化产生的CH ,所以工作性改善而强度发展滞后;在2 # 样基础上再内掺5 %矿粉和5%粉煤灰的4 # 样,其工作性、力学性能与3 # 样相近,机理也相似;复掺矿粉、粉煤灰和硅灰并采用不同膨胀剂的5 # 、6 # 、7 # 样,工作性均较2 # 、3 # 、4 # 样显著提高,达到或超过空白样,满足自密实要求,采用WHU 的(5 #样) 3 d、7 d 等早期强度略低,28 d 强度相近,但60 d 龄期强度显著提高,这是因为WHU 含有的硫酸盐较低,所以对早期的活性激发作用不及UEA 和CAS ,但其所含钢渣粉具有较高的后期增强作用。
总体可以看出,内掺5 %矿粉、5 %粉煤灰、10 %硅灰和10 %膨胀剂能够制备出C80 自密实混凝土;采用WHU (5 # 样) 能够得到最佳的工作性和最高的后期强度,WHU 具有显著的后期增强作用,其早期强度发展虽然受到一定影响,但仍达到空白样水平;单掺硅灰能够得到较高的各龄期强度,但工作性显著恶化,不能满足自密实混凝土要求。
3. 2 胀缩性能及渗透性能实验结果与分析
根据表4 所做的混凝土胀缩性能及渗透性能实验结果如表6 所示。
从表6 中关于Cl - 渗透通电量的实验结果可以看出,随着矿物掺合料的增加,库仑值从1 # ～7 # 样依次减少,其主要与矿物掺合料的掺量有关,而与矿物种类关联性不明显,这主要是由于矿物的二次水化作用改善了微结构并对Cl - 具有固化和捕获作用[8 ] ;溶液气压渗透实验显示,渗透值随着矿物掺合料的增加而降低,空白样已经完全被水渗透,并且不同矿物对渗透值的影响不同,膨胀剂对渗透值的降低作用最明显,而3种膨胀剂中WHU 的渗透值最低,这是因为膨胀性水化产物使结构更加致密,WHU 比CAS 和UEA 具有更持久的微膨胀性,所以产生的抗渗透性更强。
根据表6 中的胀缩性能实验结果,水中和雾气中养护条件下的胀缩值不同,但发展规律类似。以水中养护的实验结果来看, 空白样、单掺硅灰、硅灰与WHU 复掺、硅灰与矿物掺合料复掺的1 # ～4 # 实验结果如图3所示,3 种膨胀剂对胀缩的影响如图4所示。
从图3 可以看出,掺加硅灰的2 #样比1 # 控制样收缩明显增加,同时复掺矿粉、粉煤灰与硅灰后的4 # 样收缩性能改善,进一步复掺WHU 的3 # 样显示了良好的体积稳定性,在14 d 以前略有膨胀,其后至90 d 的龄期之间基本保持了零胀缩;
从图4 可以看出,3 种膨胀剂都起到了抵制水泥收缩的作用。掺加UEA 的6 # 及掺CAS 的7 # 样在14 d表现为膨胀并达到最大膨胀值,至28 d 时基本保持零收缩,但到60 d 及90 d 时仍产生了一定的收缩;图4 # 样类似,各龄期的体积变化不大,早期没有UEA 及CAS 的膨胀性强,但后期的持续膨胀性强。
3. 3 膨胀机理分析
混凝土膨胀剂一般分为石膏型(也称钙矾石型) 、氧化钙型、镁氧型、铁氯型等,主要通过硫铝酸盐、CaO、游离CaO、MgO 等膨胀源在水泥水化过程中与水或水泥的水化产物反应生成钙矾石AFt 、羟钙石Ca (OH) 2和水镁石Mg (OH) 2 等膨胀性物质,按照时间顺序,依次发生钙矾石、羟钙石和水镁石膨胀。钙矾石型膨胀在14 d 龄期左右达到最大值,其后膨胀性能明显减弱并很快消失;羟钙石型膨胀发生在0. 5～2 年[9 ] 。因f2CaO存在形式不同使膨胀期延长;由于以方镁石形式存在的MgO 比f2CaO 更难水化,所以水镁石膨胀发生在1～20 年的更长期限内。一般膨胀剂采用1 种或2 种膨胀源,并且因为钙矾石型膨胀针对水化早期的较高收缩、效果明显而成为首选,但由于其膨胀期短,水泥后期水化产生的收缩得不到补偿。WHU 含有的多种膨胀源依次发生膨胀,早期膨胀源的量低于UEA 及CAS ,产生的钙矾石、羟钙石膨胀较弱,而后期产生了UEA 及CAS 所没有的水镁石膨胀,所以,WHU 表现出与水泥收缩对应性更强的膨胀规律。
4 结 论
a. 采用10 %WHU 膨胀剂、5 %矿粉、5 %粉煤灰和10 %硅灰制备出C80 自密实混凝土;与UEA 及CAS相比,WHU 具有一定的后期增强作用,其早期强度受到一定影响;
b. Cl - 渗透实验结果表明,WHU 膨胀剂与矿粉、粉煤灰、硅灰等矿物掺合料具有相近的二次水化作用,内掺后使通电量减少;
c. 溶液气压渗透实验表明,WHU 膨胀剂产生的抗渗透性比UEA 及CAS 更强;
d. 混凝土自由线胀缩实验表明,WHU 产生的早期膨胀性比UEA 及CAS 弱,膨胀性持续时间长,表现出与水泥收缩对应性更强的膨胀规律。
参考文献
[1 ] 陈剑雄,张 旭,刘巧玲. 自密实混凝土的研究进展[J ] . 建筑技术开发,2003 , (12) :92～95.
[2 ] Peter J M ,Bartors. Testing2SCC: Towards New European Standards for Fresh SCC[A] . SCC’20052China 1st InternationalSymposium on Design , Performance and Use of SCC[C] . Changsha : RIL EM Proceeding ,2005. 25～44.
[3 ] Mak S L , Torii K. Strength Development of High Strength of Ultrahigh Strength Concrete Subjected to High Hydration Tem2perature[J ] . CCR , 1995 , 25(8) :1791～1802.
[4 ] Roy R , Larrard F. Creep and Shrinkage of High Performance[A] . The 5th International Age of Concreted[C] . London : E &FN Spon ,1993. 499～504.
[ 5 ] Tazawa E , Matsuoka Y, Miyazawa S. Effect of Autogenous Shrinkage on Self Stress in Hardening Concrete[A] . Proceeding ofInternational RIL EM Symposium; Thermal Cracking in Concrete at Early Ages [ C ] . Munich : RIL EM Proceeding , 1994.221～228.
[6 ] 何永佳. 免振捣微膨胀高性能混凝土的研究[D] . 武汉:武汉理工大学,2002.
[7 ] 曹 芳,马保国,于友国,等. 溶液气压法测试混凝土渗透性能的研究[J ] . 混凝土,2000 ,10 :18～21.
[8 ] 马保国. 海洋高性能混凝土(OHPC) 的研究[D] . 武汉:武汉理工大学,2000.
[9 ] 姚 晓,唐明述. 镁氧类水泥膨胀剂的作用机理及影响因素[J ] . 油田化学,1997 , (12) :372～376.52
