用聚羧酸高效減水劑與人工砂配制高性能混凝土試驗研究

1、2007年第6期商品混凝土BetonChineseEditionReady-mixedConcrete17用聚羧酸高效減水劑與人工砂配制高性能混凝土試驗研究時玲云,逄魯峰,常青山,周新新(山東建筑大學(xué)土木學(xué)院,濟(jì)南250101)摘要本文研究用聚羧酸高效減水劑與人工砂配制經(jīng)濟(jì)型高性能混凝土。比例、石粉、外加劑及砂率對混凝土工作性、強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性的影響?；炷辆哂泻鸵仔院?、強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土高、收縮小,抗裂性能高。關(guān)鍵詞高性能混凝土;聚羧酸高效減水劑;人工砂;Abstract:Inthispaper,thehighbyusingpolycarboxylicacidsuperplasticizera

2、ndmanufacturedsand.Theofsandtonaturalsand,stonepowder,admixture,sandrateon,dimensionstabilityofconcretewasanalyzedbyorthogonaldesign.There2sultsshowthatwaspreparedbyusingpolycarboxylicacidsuperplasticizerandmanufacturedsandhasgood,lessshrinkage,highcrackresistance,andeconomicalproperty.Keywords:High

3、performanceconcrete;Polycarboxylicacidsuperplasticizer;Manufacturedsand;Naturalsand0前言天然砂是一種自然資源,隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展和對環(huán)境保護(hù)的需要,現(xiàn)有的天然砂己難以滿足建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要,使用人工砂已成形勢所需。人工砂中最常用的是機(jī)制砂(Manufacturedsand),是由機(jī)械破碎、篩分制成的,粒徑小于4175mm的巖石顆粒,一般含有10%15%左右的石粉(粒m的巖石顆粒),級配中大于2136mm和小于徑小于750115mm的顆粒偏多,細(xì)度模數(shù)普遍在310317內(nèi)。由于人工砂顆粒形狀粗糙尖銳、

4、多棱角,并且人工砂顆粒內(nèi)部微裂紋多、空隙率大、比表面積大,加上石粉含量高等特點,造成人工砂混凝土與天然河砂混凝土相比有較大的差異。國標(biāo)規(guī)定C30C50混凝土用機(jī)制砂石粉含量在5%以下,而未經(jīng)處理的人工砂大部分石粉含量在10%15%左右。若用水洗去除石粉不僅浪費材料、污染環(huán)境,且經(jīng)水洗后的人工砂部分粒徑為0115mm,013mm乃至016mm的顆粒也被帶出,破壞了人工砂的原有級配,導(dǎo)致配制的混凝土粘聚性較差1,混凝土成本增加,人工砂的使用也失去了意義。因此,本文采用聚羧酸高效減水劑配制含有一定石粉的人工砂混凝土以保證混凝土的性能非常有實用意義。1人工砂混凝土試驗研究111試驗用原材料(1)水泥:

5、采用山水集團(tuán)水泥有限公司P.O3215R級水泥,其物理性能見表1。表1P.O3215R級水泥的物理性能標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量(%)145比表面積(m2/kg)330凝結(jié)時間(h:min)初凝2:00抗折強(qiáng)度(MPa)3d31528d610抗壓強(qiáng)度(MPa)3d181228d3910終凝3:50(2)摻合料:黃臺電廠產(chǎn)級粉煤灰,其性能見表2;濟(jì)南魯新建材有限公司生產(chǎn)的S95級礦粉,其性能見表3。表2粉煤灰的性能m篩篩余)(%)(%)燒失量(%)SO3含量(%)細(xì)度(451798317218(3)外加劑:山東華迪建筑科技有限公司產(chǎn):萘系(NF)高效減水劑,減水率為15%;聚羧酸(PCE)高效減水劑,減水率

6、表3礦粉的性能比表面積(m2/kg)450SO3含量(%)310燒失量(%)217活性指數(shù)(%)7d8128d102為30%;脂肪族(SAF)高效減水劑,減水率為23%。(4)石子:港溝石料廠生產(chǎn)的連續(xù)級配5mm25mm碎石,針片狀含量5%,壓碎指標(biāo)8%,含泥量014%。(5)河砂:泰安產(chǎn)中砂,細(xì)度模數(shù)217,堆積密度1550kg/3m,含泥量3%,泥塊含量110%。(6)人工砂:細(xì)度模數(shù)313318,含泥量213%,堆積密度1560kg/m3,表觀密度2680kg/m3,空隙率42%。(7)水:飲用水112試驗方案18商品混凝土BetonChineseEditionReady-mixedCo

7、ncrete2007年第6期表4混凝土配比影響因素因素水平1水平2水平3A:人工砂:河砂014:016016:014018:012B:石粉(%)51015C:外加劑種類NFSAFPCED:砂率(%)414345表5正交試驗設(shè)計編號123456789A:人工砂:河砂014:016014:016014:016016:01401618:012018:012018:012B:石粉(%)C:外加劑種類FPCESAFPCENFPCENFSAFD:砂率(%)石粉含量通過人工砂水洗后內(nèi)摻石粉調(diào)配而成。表6C30混凝土配合比編號123456789kg/m3河砂水水膠比水泥24024024024024024024

8、0240240礦粉粉煤灰808080808080808080人工砂碎石外加劑NFSAFPCESAFPCENFPCENFSAF石粉(%)113試驗結(jié)果與分析11311表5混凝土拌和物性能及立方體抗壓強(qiáng)度編號123456789表6極差分析結(jié)果(初始坍落度)因素水平1kA:人工砂:河砂2372402337B:石粉2372382353C:外加劑種類2352352405mmD:砂率2312402389初始(mm)230240240240240240240235225初始1h(mm)490470500500550480470400400抗壓強(qiáng)度(MPa)3dk坍落度擴(kuò)展度坍落度擴(kuò)展度和易性中良優(yōu)良優(yōu)良良中

9、差水平2水平3極差表7極差分析結(jié)果(1h坍落度)因素A:人工砂:河砂B:石粉/%2172302102232172176C:外加劑種類21021323323mmD:砂率/%2172202203極差202007年第6期商品混凝土BetonChineseEditionReady-mixedConcrete表8極差分析結(jié)果(3d強(qiáng)度)MPa19因素A:人工砂:河砂B:石粉/%1817C:外加劑種類k20101818極差112表9極差分析結(jié)果(28d強(qiáng)度)因素A:人工砂:河砂B:石粉/%4118k431843114211421521MPa圖3各因素及水平對混凝土3d強(qiáng)度的影響極差210從極差分析結(jié)果看最

10、大,其次為人工砂與河砂的比例。石粉主要影響硬化混凝土的強(qiáng)度,砂率主要影響混凝土拌和物的和易性。圖4各因素及水平對混凝土28d強(qiáng)度的影響表現(xiàn)為隨著比例的增加,混凝土保水性變差,容易泌水,粘聚性差,流動性也差。主要因為人工砂顆粒太粗,表面粗糙,為改善混合砂混凝土的和易性可適當(dāng)調(diào)整砂率,同時調(diào)整外加劑的摻圖1各因素及水平對混凝土初始坍落度的影響量。114影響混凝土性能的因素分析11411人工砂與河砂的最佳比例當(dāng)人工砂摻量小于30%時,對混凝土成本節(jié)約不大。因此,人工砂的最低摻量選定為40%。根據(jù)極差分析及圖14可知,當(dāng)人工砂與河砂比例為016014時,混凝土的流動性最佳,擴(kuò)展度最大,并且28天強(qiáng)度最

11、高。因此,人工砂比河砂的最佳比例為016014。11412石粉含量對混凝土性能影響分析根據(jù)試驗結(jié)果及圖14可知,隨石粉含量增加,混合砂混凝土拌和物的坍落度基本沒有受到影響,而擴(kuò)展度呈下降趨勢。石粉改善了混合砂混凝土拌和物的粘聚性和保水性,在一定范圍內(nèi),隨石粉含量的增加,混凝土的工作性在逐步改善,石粉含量高達(dá)15%混凝土工作性依然良好。從該混合砂混凝土的強(qiáng)度來看,隨石粉含量增加,其抗壓強(qiáng)度呈較大的遞增趨勢。圖2各因素及水平對混凝土保塑性的影響首先,人工砂中石粉含量起了微集料填充效應(yīng),同時石粉中含有大量游離CaO,以及較多和較高活性的無定型SiO2,A12O32,CaO發(fā)生水化結(jié)晶自行硬化。再次,

12、石粉改善了混11312混凝土拌和物的和易性所配制的混合砂混凝土能夠基本滿足混凝土的施工要求,不同人工砂與河砂比例對混凝土的和易性有顯著影響。主要凝土的孔隙特征,改善漿集料界面結(jié)構(gòu),并且混凝土晶相有不同程度的改善3。因此,配制中低強(qiáng)度混凝土?xí)r人工砂中的20商品混凝土BetonChineseEditionReady-mixedConcrete2007年第6期石粉不需水洗除去。經(jīng)驗表明,當(dāng)石粉含量增大到20%以上時,由于石粉含量太高,顆粒級配不合理,使混凝土密實性降低,和易性變差;由于非活性石粉不具有水化及膠結(jié)作用,在水泥含量不變時,過多的石粉使混凝土強(qiáng)度減小。聚氧乙烯側(cè)鏈呈絨毛狀伸展在水溶液中,形

13、成強(qiáng)烈的空間位阻作用,使水泥顆粒得到顯著的分散4。而萘系高效減水劑和脂肪族高效減水劑的分子結(jié)構(gòu)為直鏈狀,對水泥的分散效果較低,保持時間較短。同時聚羧酸高效減水劑與水泥的適應(yīng)性強(qiáng),分子活性基團(tuán)多樣性能使產(chǎn)品適合不同的具體應(yīng)用條件。11413外加劑種類對混凝土性能的影響通過極差分析及圖14可知,不同種類外加劑對混凝土性能影響有舉足輕重的作用。不同種類的外加劑對混凝土性能的影響差別很大:聚羧酸高效減水劑的性能明顯優(yōu)于萘系高效減水劑及脂肪族高效減水劑。試驗表明,用聚羧酸高效減水劑配制的混凝土綜合性能最高:坍落度及坍落度保持力好,混凝土強(qiáng)度高,抗裂性能好。這是因為:PCE減水劑具有特殊的梳型分子結(jié)構(gòu),主

14、鏈吸附于水泥顆粒表面,11414砂率的選擇由圖1可知,砂率為43%時和易性最佳,從圖3、4中可看出,此砂率下混凝土強(qiáng)度并不是最高,但砂率對混凝土強(qiáng)度的影響不大。因此,前提下,kg/m3河砂312312312編號123水17517517501420142240240240110110110粉煤灰808080人工砂469469469碎石外加劑NFSAFPCE石粉(%)151515這些支鏈殘留在水泥水化形成的凝膠孔和毛細(xì)孔中,形成相互交叉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),相當(dāng)于纖維均勻地分布在混凝土中5,從而減少收縮,增強(qiáng)混凝土的抗裂性能。另外,聚羧酸高效減水劑還可以降低毛細(xì)孔和凝膠孔中液相表面張力,低毛細(xì)孔和凝膠孔中水

15、分消耗時產(chǎn)生的附加壓力會隨之降低,從而減小混凝土的自收縮。同時,礦渣與粉煤灰的疊合效應(yīng)也減少了混凝土的早期收縮。3經(jīng)濟(jì)與環(huán)境分析用聚羧酸高效減水劑配制的混合砂混凝土表現(xiàn)出了優(yōu)良的綜合性能。目前,聚羧酸高效減水劑單價雖比萘系、脂肪族稍高,但其摻量低,與水泥的適應(yīng)性強(qiáng)。在滿足混凝土施工性能和力學(xué)性能的前提下,應(yīng)力求綜合造價最低,以達(dá)到最高的性價比。同時,聚羧酸高效減水劑合成時無甲醛等有毒物質(zhì),是一種綠色產(chǎn)品。大量研究表明,用聚羧酸高效減水劑配制的混凝土收縮小,體積穩(wěn)定性好,耐久性高。特別是用人工砂替代河砂配制混凝土?xí)r,聚羧酸高效減水劑能明顯改善混凝土的性能。表11以C30混凝土為例,計算了一立方米

16、混凝土的造價。結(jié)果顯示:用萘系高效減水劑配制的混合砂混凝土造價比純河砂混凝土低7162元,用聚羧酸高效減水劑配制的混合砂混凝土造價比用萘系高效減水劑配制的混合砂混凝土低0181元。本文研究的用聚羧酸高效減水劑與人工砂配制高性能混凝土比普通混凝土單方造價低8143元,節(jié)約成本約6%。kg/m3碎石圖5不同外加劑對混凝土早期收縮的影響從圖中可看出,用聚羧酸高效減水劑配制的混合砂混凝土收縮最小,尤其是在混凝土硬化前,且3d后基本趨于穩(wěn)定。萘系高效減水劑及脂肪族高效減水劑影響效果相當(dāng),混凝土硬化前收縮值較大。聚羧酸減水劑能減少混凝土收縮,提高混凝土的抗裂性能:一方面,聚羧酸減水劑分子結(jié)構(gòu)中含有COO-

17、、OH等基團(tuán),易與水泥水化析出的Ca2+形成穩(wěn)定的絡(luò)合物,通過化學(xué)鍵和膠凝材料強(qiáng)烈地粘結(jié)在一起。另一方面,聚羧酸減水劑分子結(jié)構(gòu)中含有較多的支鏈,在水泥水化后,表11C30混凝土配合比成本分析編號123水175175175水泥240240240礦粉110110110粉煤灰808080人工砂河砂781外加劑NF:10175NF:9146PCE:2165成本(元/m3)469469312312(下轉(zhuǎn)第13頁)2007年第6期商品混凝土BetonChineseEditionReady-mixedConcrete13圖9恒溫變濕條件下的試驗結(jié)果大。因此,其發(fā)展趨勢符合規(guī)律。4結(jié)論(1),并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動

18、采集,;所采用的模具具有較小的約束,故測試過程中不需要拆模,適合水泥基材料早期體積變形測試,對研究水泥基材料的早期變形性能具有重要意義;(2)與試驗室試驗不同,材料變形實際是多種因素的作用下產(chǎn)生的,因此采用本儀器可以模擬所需的工程環(huán)境,并在該環(huán)境下進(jìn)行變形測試,對研究水泥基材料在不同環(huán)境下(溫度、濕度及氣體濃度)的體積變形性具有重要意義;(3)本儀器也可以適合于玻璃、陶瓷、墻體材料、石材等材料的變形測試。參考文獻(xiàn)1席耀忠.水泥混凝土的體積變形及其測量J.混凝土,2000(9):3539.2田倩,孫偉,繆昌文.高性能混凝土自收縮測試方法探討J.建筑材料學(xué)報,2005(2):8289.,朱金銓.高性能混凝土的自收縮問題J.建筑材料學(xué)報,2001,4(2):1591666LoukiliA,ChopinD.Anewapproachtodetermineautog2enousshrinkageofmortaratanearlyageconsideringtempera2turehistoryJ.CCR,2000,30(6):915922.),男,武漢理工大學(xué)材料學(xué)院作者簡介鄢佳佳(1983111碩士研究生,研究