（材料学专业论文）聚丙烯酸酯对活性粉末混凝土性能的影响研究.pdf

摘要 本文以活性粉末混凝土( r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ，简称r p c ) 的基本配制原理为基础，结合国内外活性粉末混凝土的研究现状与存 在问题，通过室内试验，探讨了聚合物对r p c 性能的影响与改善作用。 试验选用水泥一矿渣一硅灰三组分的胶凝材料体系，以净浆流动 度为目标，探讨了高效减水剂与粉末材料、聚丙烯酸酯( p o l y a c r y l i c e s t e r ，简称p a e ) 聚合物之间的相容性，并优选出在低水胶比下与 水泥、活性粉末相容性较好的高效减水剂；以胶砂流动度、强度为目 标，优选出i l p c 的最佳减水剂掺量、水胶比( w b ) 、砂胶比( s b ) 、 胶凝材料配比以及适宜的搅拌时间。 在成功配制r p c 的基础上，重点研究了聚丙烯酸酯聚合物掺量、 养护制度、矿物掺合料对活性粉末混凝土力学性能和干缩性能的影 响。进一步结合微观测试手段，揭示聚合物对r p c 的改性机理。 研究结果表明：聚合物的掺入使得r p c 的抗折强度提高，抗压强 度有所下降，折压比增大，改善了不掺钢纤维时r p c 的韧性；矿物掺 合料对聚合物活性粉末混凝土的强度有明显改善作用。标养条件下的 r p c 干燥收缩较大，聚合物的掺入改善了r p c 在标养下的干缩；热养 护后r p c 干缩显著降低，聚合物的掺入对其没有明显的影响。 关键词活性粉末混凝土，聚丙烯酸酯聚合物，强度，干缩性能，养 护制度 a b s t r a c t i nl i g h to fb a s i cc o m p o s i t i o no fr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e0 r p c ) ， m a i n l ys t u d i e da r et h ei n f l u e n c ea n da m e l i o r a t i o ne f f e c to fp o l y m e ro n t h eb e h a v i o r so f r p c t h r o u g hi n d o o rt e s t sa c c o r d i n g t ot h es t a t u sq u oa n d p r o b l e m so f r p c a th o m ea n da b r o a d t os e l e c tc e m e n t a t i o n sm a t e r i a lc o m p o s e do fc e m e n t - 一s l a g - s i l i c a f u m ef o rat r i a l ，u n d e rt h et a r g e to fc o n c r e t em o b i l i t y ，d i s c u s s e da r et h e c o m p a t i b i l i t ya m o n gs u p e r p l a s t i c i z e r ，p o w d e rm a t e r i a la n dp o l y a c r y l i c e s t e r ( p a e ) s oa st os e l e c tt h es u p e r p l a s t i c i z e ro fb e t t e rc o m p a t i b i l i t y w i t hc e m e n ta n dr e a c t i v ep o w d e ri nl o wr a t i ow a t e r - b i n d e r , a n du n d e rt h e t a r g e to fm o r t a rm o b i l i t ya n ds t r e n g t h , t os e l e c to p t i m u ma d m i x t u r eo f s u p e r p l a s t i c i z e rf o rr p c ，w a t e r - b i n d e rr a t i oa n ds a n d - b i n d e rr a t i o , b i n d e r m a t e r i a lc o m p o s i t i o np r o p o r t i o n , a n dp r o p e rm i x t u r ep e r i o d b a s e do ns u c c e s s f uc o m p o s i t i o no fr p c ，e m p h a s i si sl a i do ne f f e c t s o f p o l y a c r y l i ce s t e rp o l y m e ra d m i x t u r e ，c l l r i n gs y s t e m ，m i n e r a la d m i x t u r e o nm e c h a n i cp e r f o r m a n c ea n dp l a s t i cs h r i n k a g eo fr e a c t i v ep o w d e r c o n c r e t e w i t l lf u r t h e rc l o s e ro b s e r v a t i o n , a m e l i o r a t i o ne f f e c to fp o l y m e r o nr p ci sr e v e a l e d t h er e s e a r c hr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tb l e n d i n go f p o l y m e ri m p r o v e s f l e x u r a ls t r e n g t hb u tm a k e sd u r a b i l i t ys t r e n g t hd e c l i n e t h e r e f o r et h e f l e x u r a la n dd u r a b i l i t yr a t i oi n c r e a s e t h u sd u r a b i l i t yo fr p cw i t h o u t s t e e lf i b e ri si m p r o v e d t h es t r e n g t ho f p o l y m e rr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e i sr e m a r k a b l ym e l i o r a t e dw i t hb l e n d i n go f m i n e r a la d m i x - r n e r p cs h o w s g r e a tc a p a b i l i t y f o rp l a s t i cs h r i n k a g eu n d e rs t a n d a r dc o n d i t i o n , b u t b l e n d i n go fp o l y m e ri m p r o v e sp l a s t i cs h r i n k a g ep r o p e r t yo fr p c 。t h e p l a s t i cs h r i n k a g ec a p a b i l i t yg r e a t l yd e c l i n e su n d e rc u r i n gc o n d i t i o n ，b u t a d d i t i o no f p o l y m e rs h o w sn oo b v i o u se f f e c t so nr p c k e yw o r d sr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ，p o l y a c r y l i ce s t e rp o l y m e r , s t r e n g t h ，p l a s t i cs h r i n k a g e ，c u r i n gc o n d i t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证 书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献 均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：查笠也日期：地 年月坐日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 储始池导师签名学吼手年堕月掣日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着近代建筑工业突飞迅猛的发展，混凝土这种建筑材料以其抗压强度高， 耐久性能好，价格低廉等优点得到了广泛的发展和应用。尤其是高强、高性能混 凝土更以其优异的性能引起了人们的极大关注，成为混凝土研究领域的一大新课 题眦” 高强混凝土( h i g hs t r e n g t hc o n c r e t e ，简称h s c ) 的发展大致可分为三个阶 段哪：第一阶段大约是2 0 世纪3 0 年代初至6 0 年代，其主要技术途径是选用高标号 水泥、降低水胶比、减少砂率配制干硬性高强混凝土，其基本工艺是采用振动， 加压、真空、离心等手段。这一阶段的高强混凝土多为干硬性，坍落度太小，施 工相当困难，无法普及推广，基本上处在工业试验阶段。2 0 世纪6 0 年代高效减水 剂研制成功并在工程上的应用，解决了低用水量导致混凝土低流动性的问题，从 此高强混凝土进入第二个发展阶段。掺用高效减水剂，虽然可在低水灰比的条件 下大幅度提高混凝土的流动性，但是坍落度经时损失大，混凝土的高流动性往往 难于持久。为了解决这一问题，国内外开始研究通过掺入超细矿物掺合料，以减 少坍落度的损失。至此高强混凝土进入第三个发展阶段。目前所采用的矿物掺合 集料主要有硅灰、超细天然沸石粉、超细粉煤灰和超细矿渣等。 1 9 9 0 年5 月美国国家标准与技术研究院与美国混凝土协会召开会议，首次提 出了“高性能混凝土”这一概念，使高性能混凝土成为近年来混凝土材料研究与 发展的一个主要方向。 高性能混凝土( h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，简称h p c ) 是一类新型的高技术混 凝土，“高性能”主要以混凝土的高强度、高工作性、高耐久性为特征。h p c 的 主要成分与传统的混凝土相似，但是在配合比的设计及外加剂两方面与普通的混 凝土不同。配合比的设计不再是单纯地根据强度来考虑，而是根据结构所要求的 力学性能、耐久性等来设计。通过科学地选择组合材料与配合比，加上良好的生 产、浇筑、养护等质量控制，获得所要求的。高性能”。 高强与高性能混凝土同普通混凝土相比，内部密实度大大提高，骨料与水泥 基体之间的过渡区基本消失，因此耐久性得到了明显的提高。但同时也带来了脆 性大、自收缩引起的早期体积稳定性差等问题，这对混凝土结构的抗震性和抗裂 性极为不利。为解决这些问题，近年来许多国家开始研制超高性能混凝土 ( u l t r a - h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，简称u h p c ) ，较成功的有活性粉末混凝土 硕士学位论文 第一章绪论 ( r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ，简称r p c ) 、注浆纤维混凝土( s l u r r yi m p r e g n a t e d r e i n f o r c e dc o n c r e t e ，简称s i f c o n ) 与压密配筋复合材料( c o m p a c t e dr e i n f o r c e d c o m p o s i t e s 简称c r c ) 等。它们共同的特点是具有高强度和高密实性，通过掺加纤 维改善了材料的笼耋，有效地防止了混凝土的脆性断裂。 1 活性粉末混凝土是续高强度，高性能混凝土之后，于二十世纪末由法国布伊 格( b o u y g u e s ) 公司在1 9 9 3 年率先研制成功的一种超高强、低脆性、耐久性优异 的新型超高强混凝士。它是由级配良好的细砂、水泥、石英粉、粉煤灰( 矿渣) 硅灰、高效减水剂等组成，为了进一步提高材料的延性和韧性，可以掺入微钢纤 维。在r p c 的凝结硬化过程中可采取预压、加热等养护成型工艺，以提高其密实 性、改善微观结构和提高强度旧。目前r p c 已成为国际工程材料领域一个新的研 究热点。p , p c 作为一类新型混凝土，不仅可获得2 0 0 m p a 8 0 0 卿a 的超高抗压强度， 而且具有3 0 m p a 6 0 m p a 的抗折强度。r p c 的优越性能使其在土木、石油、核电、 市政、海洋等工程及军事设施中有着广阔的应用前景。 1 2r p c 的特点 r p c 作为一种新型的水泥基复合材料，选取的却是传统的原材料和传统的混 凝土成型工艺。国内外的研究表明，r p c 具有如下几个特点： 一、优异的力学性能 根据r p c 的组分、养护方法和成型工艺的不同，可按抗压强度分为r p c 2 0 0 和 r p c 8 0 0 。不同强度等级的r p c 所用的原材料与生产工艺有较大的差异。它们与高 性能混凝土( h p c ) 制作工艺及力学性能见表1 - - i 嘲。从表l 一1 中可以看出，相对 于h p c 而言，r p c 表现出极好的力学性能。其抗压强度是h p c 的3 1 2 倍，抗折强度 和断裂能都大大提高。 表1 1r p c 2 0 0 、r p c 8 0 0 和h p c 制作工艺及力学性能对比 2 硕士学位论文第一章绪论 二、优良的韧性 、 脆性是混凝土材料的一大缺陷，而掺加了微细钢纤维的r p c 断裂能达2 0 0 0 4 0 0 0 j m 2 ，从图1 一l 几种混凝土的应力应变全曲线可以看出，掺钢纤维的r p c 受压构件的变形皂能、强度要远远优于普通混凝土( n s c ) 、高性能混凝土( h p c ) 。 用钢管约束和预加压力的r p c 更能提高r p c 的延性，充分发挥r p c 的抗压性能， 更加经济合理地利用r p c 。 05 0 0 0l o o o o1 5 0 0 02 0 0 0 0 应变( 1 矿) 图1 1r i c 与n s c 、h p c 抗压强度一应变全曲线 的r p c 三、优异的耐久性 。 r p c 水胶比低，具有良好的孔结构和较低孔隙率，使其具有极低的渗透性、 很高的抗环境介质侵蚀能力和良好的耐磨性能，从而使r p c 具有优异的耐久性。 r p c 总的孔隙率非常低，孔径分布在纳米级上，表1 - - 2 是用氮吸附法测定的r p c 内部孔径分布情况嗍。表l 一3 是r p c 与其它几种混凝土的耐久性比较m 。 表1 2r p c 内部不同大小孔比表面积及体积分布 孔径i 攮n y , ( m 2 g )棚( m m 3 g ) 1 5 n m0 1 l1 总量 0 9 32 6 2 3 硕士学位论文第一章 绪论 表1 3 普通混凝土高性能混凝土r p c 的耐久性比较 四、良好的经济性能和环保性能 由于r p c 强度高，用其制作的结构构件截面尺寸减小，单位工程的水泥总用 量将远少于普通混凝土，这对环保有着十分重要的意义。 表1 - - 4 是分别用常规混凝士材料和r p c 2 0 0 材料来建造加拿大s h e r b r o o k e 市步行自行车桁架桥的原材料消耗量比较嘲。从表中可知，虽然r p c 的单方胶 凝材料用量要大于普通混凝土及高性能混凝土，但由于其强度高，对同一工程而 言，水泥总用量最省，这就意味着生产水泥排放的c o ：量减少，这对缓解地球“温 室效应”有着不可估量的意义。 表1 4 同一工程使用三种混凝土原材料消耗量比较 注：n c - 3 0 ：c 3 0 的普通混凝土；6 0 ：c 6 0 的高性能混凝土 表1 5 具有相同抗弯承栽力的各种梁截面的比较 表l - - 5 是具有相同抗弯承载力的四种不同材料梁的截面尺寸、单位长度重 量的比较。由表可见，用r f c 制作的具有相同抗弯承载力梁，其截面高度只是预 4 硕士学位论文 第一章绪论 应力混凝土梁和普通混凝土梁高度的5 3 ，单位长度重量是预应力混凝土梁的 2 8 ，是普通混凝土梁的2 4 5 ；相同抗弯承载力r p c 的x 形断面梁无论是在截 面高度还是单位长度重量上都和钢结构差不多，因此可用r p c 梁来代替钢梁，其 经济效益是很显著的。 1 3 国内外对r p c 的研究现状 国外对r p c 配制技术的研究已较成熟，其中包括对r p c 的原材料的配合比、 养护条件、耐久性和强度等方面进行了大量的试验研究，结果表明由于r p c 具 有较好的匀质性及密实度，其抗压强度和耐久性均有较大幅度地提高。研究了养 护条件对r p c 力学性能的影响，以确定合适的养护条件；研究了r p c 的微观结构， 揭示其高强度及高耐久性的工作机理；进一步对p , p c 制成的放射性核废料储藏 容器的性能进行了研究，指出r p c 不但能够防止放射性物质从内部泄漏，而且能 够抵御外部侵蚀性介质的腐蚀，是制备新一代核废料储存容器的理想材料。另外， 由于它的良好耐磨性能和低渗透性，可以用于生产各种耐腐蚀的压力管和排水管 道。目前，国外r p c 的研究重点已由基本性能转到了构件及结构的设计方法上， 以求将这种超高性能混凝土尽快在结构应用中推广 r p c 在国外已有不少工程实例，主要制品包括；大跨桥梁件、压力管道及放 射性固体废料储存容器。预制构件中采用r p c ，可以减少构件的截面和配筋；r p c 压力管道则可提高工作压力，且增强了其抗侵蚀能力；用r p c 制备的固体废料储 存容器可长期储存中，低放射性废料，其使用寿命可高达5 0 0 年。法国某核电站 的冷却系统采用r p c 生产了2 5 0 0 多根预制梁，耗用混凝土8 2 3 m s ，同时还生产了 大量核废料储存容器。加拿大在对r p c 配合比研究的基础上，9 4 年开始进行工 业性试验，研究了无纤维r p c 钢管混凝土，并用于加拿大魁北克省7 0 米跨的 s h e r b r o o k e 人行混凝土桁架桥上嘲。桥构件采用3 0 m 厚无纤维r p c 桥面板、直 径1 5 0 m 的预应力r p c 钢管混凝土桁架、纤维r p c 加筋肋和纤维r p c 梁，整个 结构在现场进行组装。由于采用了r p c ，不仅大大减轻了桥梁结构的自重，同时 提高了桥梁在高湿度环境、冰盐腐蚀与冻融循环作用下的耐久性能。除此之外， r p c 还能用于安全围墙、抗爆结构、坑道的高强、矿井的衬砌支撑和铁路的轨枕 等“”嘲。 国内近几年才开始r p c 的研究。近年来，我国有少数高校对r p c 的制备技术及 力学性能进行了初步研究。东南大学、清华大学、中南大学、湖南大学等均对r p c 的基本原理及制备方法进行了介绍和研究“”埘。r p c 在我国的研究及应用已经 引起越来越多的关注。与国外采用水泥和硅粉两组分的胶凝材料不同，国内研究 者结合我国h p c 的制备技术及经验，选择了水泥、粉煤灰( 矿渣) 和硅粉三组分胶 硕士学位论文第一章绪论 凝材料体系，对r p c 的基本性能进行了较为系统的试验，主要考察了水胶比，粉 煤灰( 矿渣) 、硅粉和钢纤维掺量对r p c 流动性和强度的影响，同时对养护温度、 养护时间、凝结时间和开始热养护时刻对r p c 强度的影响进行了研究。研究结果 表明：粉煤灰的加入，在极低水胶比( 0 1 6 ) 的条件下，使混凝土的工作性笸弓 成型密实程度得到明显改善，通过适当时间的热养护处理，可以获得与水泥和硅 粉两组分胶凝系统的强度和其它性能相当的效果。为将r p c 实际应用，进一步开 展了搅拌设施、高频振捣与脱模剂的试验研究，其中发展r p c 的原材料选择、制 备技术及生产工艺，是它能够在短短几年里应用在国内工程建设领域里的关键。 1 4r p c 在研究和实际应用中所存在的问题 近几年来，我国的研究人员对高性能混凝土进行了大量的研究，取得了许多 成果。对r p c 的研究虽然起步较晚，但也取得了一定的成绩。但就总体而言，我 国在r p c 的研究和应用上还是存在着不少的问题： 首先是r p c 的原材料。高标号的普通硅酸盐水泥、砂( 粒径范围1 5 0 6 0 0 岫) 、 硅灰、磨细石英粉( 平均粒l o m ) 、超塑化剂、特制表面镀铜钢纤维( 直径0 1 7 5 岫， 长度1 3 衄) 是r p c 获得超高力学性能和超高耐久性能的核心组分。国外在制备r p c 材料时对粉煤灰、磨细矿渣等工业废渣的利用率几乎为零。典型的r p c 2 0 0 配合 比，硅灰的掺量高达2 5 。我国硅灰资源匮乏，价格昂贵( 2 5 0 0 3 0 0 0 元吨) ， 且硅灰特别轻，运输不便；特制表面镀铜高强钢纤维价格高于普通钢纤维2 3 倍，一些第三世界国家甚至没有条件生产。因此，从制备r p c 的原材料来看，尚 需进一步运用来源广泛、价格低廉的粉煤灰、磨细粒化高炉矿渣、锻烧高岭土每 活性混合材对硅酸盐水泥基材进行改性研究。 其次是r p c 的制备工艺。规范的制备工艺是r p c 材料具备超高性能的重要保 证，也是这一新材料得以在土木工程中推广应用的前提。而现有的研究对r p c 未 作详细报道，缺少一套包括原材料的制备、优化到搅拌、成型、养护各个流程工 艺参数的完备资料。 第三是经热养护的r p c 在长期潮湿环境下是否存在强度下降的问题。关于 d s p ( d e n s i f i e ds y s t e mc o n t a i n i n gh o m o g e n e o u s l ya r r a n g e du l t r a f i n e p a r t i c l e ，简称d s p ，即含均匀分布超细颗粒的致密系统) 类材料，后期强度下降 的机理，目前有两种观点：第一种观点认为，环境湿度变化在d s p 材料的孔缝尖 端产生楔入力，使裂纹扩展；同时水分子的吸附降低了材料的比表面能。但是这 种作用在普通水泥基材料中同样存在，却不会引起强度的下降。第二种观点认为， d s p 材料中的水泥水化程度较低，大量未水化水泥在后期仍将继续水化，是其后 期强度及其它性能劣化的主要原因。这一观点的实验依据是，在标准养护条件下， 6 硕士学位论文第一章绪论 仍可见到低孔隙率水泥基材料的后期( 6 个月) 强度下降现象。如何将这一组成结 构的不稳定因素消除或将其影响降低到最低限度，仍是一个尚待研究的问题。 第四是r p c 材料优异力学性能产生的机理问题。尽管国内外近年来对高性能 水泥基复合材料的基本特性进行了多方面的试验焉究和探索，但研究工作集中在 高效减水剂与硅灰等高活性掺合料复合，降低水胶比，提高基体硬化密实度，同 时掺加钢纤维提高抗弯拉强度，获得所需要的高强度、高韧性和延性等方面，而 对混凝土存在的力学上( 骨料与砂浆弹性模量的差异) 、物理上( 硬化砂浆和骨料 的线膨胀系数的差异) 的非匀质性和原材料颗粒级配优化等方面关注较少，缺乏 能准确阐明r p c 材料高性能产生机理的系统研究。此外，关于r p c 混凝土细观机理 与宏观变形、断裂能与断裂韧性及破坏行为的研究也有待深入展开。 第五个问题是r p c 材料收缩的试验研究与限制。收缩是混凝土的一项重要变 形行为，对混凝土结构和性能造成不良影响。自收缩对高强混凝土危害更为显著。 影响混凝土收缩的因素很多，机理也很复杂。目前，国际上没有测试自收缩的统 一方法。 1 5r p c 的发展与应用空间 r p c 结合了钢材的强度、韧性高和传统混凝土抗火、抗腐蚀性强的优点于一 体，可应用的领域也非常广泛。目前，它的应用已经深入到桥梁与路面工程、建 筑工程、水利工程、特种结构等多个领域“”。 1 5 1r p c 在桥梁中的应用 r p c 有效减小结构自重，在具有相同抗弯能力的前提下，r p c 结构仅为钢筋 混凝土结构的1 2 1 3 ，几乎与钢结构相近。r p c 具有高抗拉强度和由抗拉强度 决定的高抗剪强度，这使r p c 结构可以直接承受剪力，取消梁中的附加抗剪钢筋， 设计出更薄的界面及更加新颖且合理的截面形式“埘。加之r p c 的韧性好，可以 生产综合成本低、使用寿命高、耐久性强的预制构件，用于市政工程中的立交桥、 行人过街天桥、城市轻轨高架桥、交通工程中的大跨度桥梁等。另外，采用新型 r p c 人行道板结构形式来替代传统的角钢支架及普通混凝土板是一次大胆的创 新，可以大大减少人行道板结构的维修工作量。 1 5 2 无纤维r p c 钢管混凝土 由于r p c 材料和钢材的性能优势，具有极高的抗压强度、弹性模量和抗冲击 韧性。由钢管约束r p c ，使其在凝固前受到压缩，夹杂其中的空气及早期化学收 缩大都被排除；在压缩期间，从拌合物中挤出部分拌合水，进一步减少了水胶比， 7 硕士学位论文 第一章绪论 提高了密实度。用作高层或超高层建筑的支柱，可大幅度降低截面尺寸，增加建 筑物的使用面积和美观。 1 5 3r p c 在抗震结构的应用 r p c 随强度的提高而减轻了自重，同时，轻盈的结构体系降低了惯性荷载， 横截面的减小增大了结构在弹性范围内的挠曲变形，高断裂能使r p c 构件具有很 高的韧性，从而使构件在破坏前能够吸收大量的能量。高剪切强度产生高抗弯强 度，而且高剪切强度和高断裂能增加了结构失效的各项限值。把r p c 用于框架节 点加固，将大大提高节点的抗震承载力，解决节点区钢筋过密、箍筋绑扎困难、 混凝土难以浇筑密实等问题。基于上述优势，把r p c 应用于抗震设计具有极大可 开发潜能。 1 5 4 印c 在特种结构中的应用 r p c 的超高强度及高韧性与预应力技术相结合，在保证结构的整体刚度的同 时将进一步增加跨越能力，替代工业厂房的钢屋架和高层、超高层的上部钢结构。 在r p c 预应力结构中，主拉应力由预应力抵消，次拉应力、剪应力及所有压应力 都直接由p , p c 材料承担；构件受压区无需配置为防止梁的受压在预拉应力下发生 开裂的预应力筋：保证了后张法构件在张拉钢筋时，锚头局压区的混凝土不产生 纵向裂缝，防止了锚具下承压面引起过大的压缩变形而造成的预应力损失。 r p c 的另一显著特性是徐变和收缩现象极微小在1 3 天的热处理过程中 能观察到适度收缩，热处理结束后再没有任何残余收缩，基本徐变不足普通混凝 土或高强混凝土的1 0 , 6 ，这使r p c 预应力构件几乎不存在由材料收缩或徐变引起 的预应力损失( 这项损失是传统预应力构件中各项损失中最大的一项) ，提高了 张拉控制应力的工作效率。 1 5 5r p c 在路面工程中的应用 r p c 的早期强度发展快，后期强度高，耐磨性能好。用于改造或修复路面、 桥面或其它修补工程，既可保持混凝土体系的有机整体性，提高承载能力，还能 降低工程费用( 相对于钢材、有机聚合物) 。 1 5 6 在装饰材料中的应用 r p c 的高密实性与良好的工作性能，使其与模板相接触的表面具有很高的光 洁度，外界的有害介质很难侵入到r p c 中去，而且r p c 中的着色剂等组分也不易 向外析出，利用这一特点可作建筑物的外装饰材料。 硕士学位论文第一章绪论 1 6 本文的主要研究内容 本文主要是在国内外活性粉末混凝土研究的基础上，结合国内的实际情况， 通过大量室内试验，重点研究了聚丙烯酸酯对r p c 力学性能与干缩性能的影响 并对数据进行统计分析。具体工作如下： ( 1 ) 研究在低水胶比下胶凝材料、高效减水剂、聚合物之间的相容性，并 选出与胶凝材料相容性较好的减水剂。 ( 2 ) 在基准配合比的基础上，改变水胶比、砂胶比、胶凝材料配合比、减 水剂掺量等参数，研究它们对r p c 性能的影响，在此基础上优选出最佳的r p c 配 合比。 ( 3 ) 分析比较聚合物掺量、养护制度( 标准养护、热水养护以及养护龄期) 、 矿物掺合料对掺聚合物的活性粉末混凝土强度的影响。 ( 4 ) 应用扫描电镜对掺聚合物的活性粉末混凝土的微观结构进行初步研究， 分析不同养护制度对其性能的影响。 ( 5 ) 研究r p c 在不同养护制度下的干缩，同时对比分析聚合物掺量的变化对 r p c 性能的影响。 9 硕士学位论文第二章粉体材料、聚合物与减水剂之间的相容性 第二章粉体材料、聚合物与减水剂之间的相容性 2 1 试验简介 2 1 1 原材料性能 水泥( c ) ：湖南湘乡水泥厂生产的韶峰牌4 2 5 级普通硅酸盐水泥。化学成 分如表2 - 1 所示，性能如表2 - 2 所示。 矿渣( p s ) ：湖南湘潭钢铁厂水淬粒化高炉矿渣经磨细并改性得到，化学组 成如表2 - 1 所示。 硅灰( s f ) ：贵州遵义铁合金厂生产，灰白色粉末，平均粒径0 2 啪，比表 面积约1 8 0 0 0 m 2 k g ，化学组成如表2 1 所示。 高效减水剂：上海花王化学有限公司生产的“迈地”高效减水剂，粉剂；江 苏博特生产的聚羧酸高效减水剂，固含量为2 2 。 聚合物( p ) 。聚丙烯酸酯( p a e ) ，白色乳液，固含量4 0 。 水( w ) ：自来水 表2 - 1 水泥、矿渣硅灰的化学成分( x ) 注：筛余率( 8 0 啪方孔筛) 2 1 2 试验方法 相容性试验 水泥、矿物掺合料、高效减水剂和聚合物混合材料拌合物用净浆搅拌机拌合。 试验以水泥净浆流动度为目的，按照混凝土外加剂匀质性试验方法 g b 8 0 7 7 - - 8 7 测试水泥净浆的流动，并采用饱和点和经时损失两个指标来评价水 泥、矿物掺合料、聚合物与减水剂之间的相容性。 1 0 硕士学位论文第二章粉体材料、聚合物与减水剂之间的相容性 2 2 高效减水剂与水泥相容性 在水胶比较低的情况下，并不是每一种符合国家标准的水泥在使用一定的高 效减水剂时都有相同的流变性能；同样，也并不是每一种符合国家标准的高效减 水剂对每一种水泥流变性能的影响都相同。这就是所谓的水泥和高效减水剂之间 存在相容性问题。 近年来，国内开始对h p c 进行广泛的研究，研究表明：与普通混凝土比较， 采用h p c 建造各种类型的结构物有很大的优越性，可以获得良好的综合效益。而 制备这种性能优异的混凝土，关键是在保证其流变性能良好，满足施工和易性要 求的前提下，采用尽量低的水胶比。为达到这一目的，当然首先必须选择好骨料， 其次则是相容性好的水泥与高效减水剂。相容性好坏在很大程度上决定了可采用 水胶比的大小，或者在同一水胶比下显示出差异很大的初始工作度与坍落度损 失。也就是说，水胶比很低时，尽管所用水泥和高效减水剂的质量都符合国家标 准的指标，但配制出的拌合物不理想，即使高效减水剂掺量很大，混凝土仍显得 干硬；或者从另一角度说，即使水胶比降下来，而且还出现严重的坍落度损失甚 至凝结时间不正常等，这些现象是水泥一高效减水剂相容性不好所导致。因此， 在选择水泥与高效减水剂时，从流变性能的角度进行优化，对降低水胶比及坍落 度损失控制有重要意义。 高效减水剂又称超塑化剂，是高分子量( 2 3 万) 阴离子表面活性剂，它对水 泥颗粒有明显的分散作用。水泥粒子的分散可以说是由于外加剂中承担分散作用 的成分吸附在水泥粒子表面而产生的静电斥力，高分子吸附层的相互作用产生的 立体斥力及由于水分子的浸润作用而引起的。 高效减水剂是配制r p c 材料的关键组分。不同减水剂与水泥之间适应性存在 很大的差别，即不同外加剂应用于同一种水泥，其减水效果及坍落度损失会有很 大的不同。为使水泥浆体在低水胶比下获得良好的流动性，必须保证水泥与外加 剂是相容的。a i t i c i n 等人认为洲：外加剂掺量不大即达到饱和，饱和点明显， 且1 小时后损失小，则意味着水泥与高效减水剂相容性良好；相反，对应于饱和 点的高效减水剂掺量大，相应净浆粘度还很高，而且随时间迅速增长，则表明水 泥与高效减水剂体系相容性不好；若介与两者之间，则认为相容性一般。所谓饱 和点口1 1 就是测量净浆流动度在水灰比一定时随高效减水剂掺量变化的趋势时，外 加剂掺量增大，流动度随之增大，到某一剂量后再增大，流动度不再增加的点。 掺用超过饱和点的剂量没有好处，因为过量的高效减水剂会使水泥浆和骨料离 析。 影响相容性的主要因素有：水泥的矿物成份及化学成份和高效减水剂嘲 硕士学位论文第二章粉体材料、聚合物与减水剂之间的相容性 水泥化学参数中，影响水泥一高效减水剂拌合物性能的因素主要是：c 3 a 和g a f 的含量、c 3 a 的形态、硫酸钙含量及形态；石膏，半水石膏或硬石膏以及 含碱量。已有的研究表明：g a 、c , a f 的含量越低，水泥一高效减水剂相容性越 妊且c 3 a 含量对相容性的影响远比c 4 f 大。这是由于高效减水剂优先吸附于 c 4 或其初期水化物的表面，c 3 a 的水化速度比c 。a f 快，且随水泥细度的加大而 增大。 水泥中硫酸钙的形态、二水石膏、半水石膏或硬石膏，对水泥一高效水剂的 相容性有着重要的影响。含半水石膏、二水石膏的水泥与高效减水剂的相容性比 含硬石膏的要好，原因是释放硫酸根离子的速度前者比后者要快。试验表明：石 膏掺量及其溶解速率对于水泥与高效减水剂的相容性有重要的影响。含碱量对水 泥与高效减水剂的相容性也有着重要的影响，含碱量越低，水泥与高效减水剂的 相容性越好。 高效减水剂对水泥流变行为的作用通常认为从两方面进行分析魄蚓：一方 面，普遍认为高效减水剂要吸附在水泥颗粒表面，带电聚合物的吸附使水泥颗粒 产生很高的表面电荷( e 电位) ，这使颗粒间产生大的斥力，必然对分散与防止 絮凝起重要作用，这种作用与流变行为有很大关系；至于高效减水剂对水化产物 形态的影响，则认为高效减水剂的存在使钙矾石从针状结晶变成接近立方体的微 晶，对水泥浆体流动的阻碍小得多。这种形态的变化肯定可以归因为产生流化的 机理之一，但尚不清楚影响的程度有多大；另一方面，吸附在c n 表面还有一些 好处：磺酸基团- - s o 。一可以代替硫酸根基团( s 0 4 1 吸附在c , a 表面，改变水化反 应过程并使水化产物改性，延缓了表面水化反应，这对减小流动度损失很重要。 高效减水剂作用的大小隰捌，与其内在性质有密切关系，包括磺化度、平均 分子量、分子量分布以及聚合性质( 直链、支链与环状) 。平均分子量在一定范围 内越大，减水效果越好；分子量增大影响分散作用和水化产物的形态，但是分子 量有个最佳值，超过后粘度太大，生产时难以搅拌均匀；萘环上磺酸基的位置、 聚合物链的长度、起中和作用的反离子性质也都是影响高效减水剂流化效果的因 素。 本文在低水胶( w b = 0 2 2 ) 下研究上海花王萘系和聚羧酸高效减水剂与水 泥的相容性，优选出相容性较好的高效减水剂。 图2 - - 1 给出了花王和聚羧酸高效减水剂与水泥拌合后5 m i n 和l h 流动度的 试验结果。从图中可以看出，随着减水剂掺量的增加，浆体流动度增加。当花王 高效减水剂掺量为1 2 时，浆体的初始流动度可达2 0 5 m m ，且饱和点明显，与 l h 时浆体流动度的曲线相比，两条曲线比较靠近，经时损失度较小。而聚羧酸 高效减水剂虽然在掺量为1 0 9 6 时，浆体的初始流动度就可达2 0 0 m ，但随着减水 硕士学位论文第二章粉体材料、聚合物与减水剂之间的相容性 剂掺量的增加，流动度继续增大。比较5 m i n 和1 h 两条流动度曲线，其经时损 失度较大。又由于聚羧酸减水剂具有引气作用，对混凝土的强度是不利的。因此， 本文试验最终选用花王高效减水剂。 唇 v 魁 需 姥 图2 一l 水泥与高效减水剂相容性 2 3 矿物掺合料对水泥浆体性能的影响 在高强高性能混凝土中掺加超细矿物掺合料是一项重要措施，常用的矿物细 掺料主要有硅粉、粉煤灰、超细矿粉和磨细矿渣等。超细矿物掺合料的微细颗粒 由于其物理填充作用以及形态效应，有益于改善浆体的流动性。其颗粒填充于水 泥浆体的基相中，能置换出颗粒间隙的填充水，增加浆体的流动性，有研究表明， 这种密实填充置换水的作用在低水胶条件下，与高效减水剂复合掺加时效果更明 显矧。本节主要研究单掺和双掺矿物掺合料对水泥浆体流动性的影响，为制备 r p c 合理选用和组合矿物掺合料提供理论和试验依据。 2 3 1 单掺矿物掺合料对水泥浆体流动性的影响 本试验采用矿渣、硅灰分别取代不同质量的胶凝材料，矿渣的取代量为5 5 0 ，硅灰的取代量为5 2 5 ，花王高效减水剂的掺量为1 2 b ( b ：胶凝材料) ， 水胶比为o 2 2 ，按g b 8 0 7 7 8 7 规定方法测定净浆的流动度。 图2 2 给出了花王高效减水剂与矿渣复合时浆体5 m i n 和l h 的流动度。从图中 可以看出，不掺矿物掺合料时，水泥浆体的流动度只有2 0 5 m ：当掺入不同量的 矿渣后，浆体的流动度有不同程度的提高。随着矿渣掺量的增加，浆体的流动度 随之增大。当矿渣掺量为2 0 9 6 时，就可显著改善水泥浆体的初始流动度及1 h 的流 动度，随着矿渣掺量增加至3 0 ，流动度达到最大值。此后再继续增加矿渣的掺 量，浆体的流动度下降。因此，就流动度而言，矿渣的最佳掺量为3 0 9 6 左右，此 硕士学位论文第二章粉体材料、聚合物与减水剂之间的相容性 时浆体5 m i n 的流动度为2 5 0 m ，l h 的流动度为2 3 0 m ，对比图中两条流动度曲线可 以看出，净浆流动度经时损失很小。 2 5 0 2 2 0 曼1 9 0 幕1 6 0 臻 1 3 0 1 0 0 01 02 03 04 05 0 矿渣掺量( ) 图2 2 单掺矿渣对浆体流动性的影响 图2 3 给出了花王高效减水剂与硅灰复合时浆体5 m i n 和1 h 的流动度。从 图中可以看出，单掺硅灰时的浆体流动度变化规律与单掺矿渣的基本相同。就改 善浆体流动度而言，单掺硅灰的最佳掺量在1 0 左右，此时浆体5 m i n 和1 h 的流 动度都较大，经时损失较小。当掺量超过1 5 时，流动度急剧下降。掺量为2 5 时，已无法形成浆体。所以，在单掺硅灰的情况下，硅灰的适宜掺量为不超过胶 凝材料的1 0 。 星 v 魁 需 壤 硅灰掺量( ) 图2 3 单掺硅灰对浆体流动性的影响 2 02 5 试验表明，在低水胶比下，矿渣、硅灰对浆体的流动性有明显的改善作用。 对比图2 2 和2 3 可以看出，在低水胶比下，矿渣、硅灰对浆体的流动性都有 1 4 o o o o o o 嬲 拢 均 埔 ” 加 硕士学位论文 第二章粉体材料，聚合物与减水剂之间的相容性 改善作用，但硅灰对流动性的改善作用远小于矿渣。 产生上述流动性变化的原因可归结为：超细粉的粒形效应、物理填充效应的 减水作用与超细粉末较大比表面积的吸附增水作用两方面的综合效应。矿渣以及 硅灰的粒径极小，可填充于水淫葭子间隙和絮凝结构中，占据了充水空间，原来 絮凝结构中的水被释放出来，使浆体稀化。超细颗粒填充于水泥颗粒之问，具有 润滑和减阻作用，降低了浆体的粘滞阻力。此外，由于超细粉具有很高的表面能， 会迅速吸附降低其表面能的高效减水剂分子，减弱自身吸附成团或与水泥颗粒吸 附的趋势，从而充分发挥其稀化作用，使浆体流动性显著增大。 幺3 2 双掺矿物掺合料对水泥浆体流动性的影响 试验采用3 ( f o 矿 渣十5 2 5 硅灰复合等量取代胶凝材料，水胶比为o 2 2 ， 花王高效减水剂的掺量为1 2 b ( b ：胶凝材料) 。 图2 4 为花王高效减水剂与矿渣、硅灰复合时浆体的流动度。从图中可以 看出：在相同条件下，掺入3 0 的矿渣后，浆体的流动度可达2 5 0 m 左右，而掺 入3 0 矿渣+ 1 0 9 6 硅灰可使浆体流动度达到2 6 5 m m ，且随着硅灰复合量的增大，浆 体流动性增加。单掺矿渣量超过3 0 以后，随着掺量的增加，浆体的流动性逐渐 下降，5 0 的胶凝材料取代率时，单掺矿渣的浆体流动度为2 1 5 r a m ，而掺3 0 0 珂- 渣 + 1 5 硅灰的浆体流动性达到2 7 0 m m 。试验结果表明：在水胶比为0 2 2 ，减水剂掺 量一定时，复合掺入一定量的矿渣、硅灰比单掺矿渣、硅灰对浆体流动性有进一 步的改善，当两者的组合比例不同时，浆体的流动度也不同，在获得相同的流动 性的情况下，复合矿渣、硅灰可取代更多的水泥。 051 01 52 02 5 硅灰掺量( ) 图2 4 矿渣，硅灰复合对浆体流动性的影响 2 4 聚合物对浆体流动性的影响 硕士学位论文 第二章粉体材料、聚合物与减水剂之间的相容性 2 4 1 聚合物、单掺矿物掺合料对浆体流动性的影响 本试验采用矿渣取代2 0 、3 0 、4 0 的胶凝材料质量，硅灰取代l0 9 6 、1 5 、 2 0 的胶凝材料质量，高效减水剂的掺量为1 2 b ( b ：胶凝材料) ，水胶比为0 2 2 ， 按g b 8 0 7 7 8 7 规定方法测定净浆的流动度。 试验中聚合物乳液的掺量为胶凝材料的百分比，在计算水胶比时扣除了聚合 物中的含水量( 本文中的聚合物掺量均按此种方式掺加) 。 图2 - - 5 给出了聚合物、矿渣复合时浆体5 m i n 的流动度。从图中可以看出， 随着聚合物掺量的增加，浆体的流动度出现一定起伏。矿渣掺量为2 0 时，浆体 的流动度随聚合物掺量的增加明显增大