搅拌工艺对混凝土强度及氯离子渗透性影响实验研究.

搅拌工艺对混凝土强度及氯离子 渗透性影响实验研究 蔡瑞环 欧阳东 黄华县 范圆圆 暨南大学力学与土木工程系 广东广州510632 摘要 针对传统混凝土搅拌工艺中存在的问题 研究了先拌水泥砂浆法 先拌水 泥净浆法 水泥裹砂法 水泥裹石法 粗细骨料全造壳法等二次搅拌工艺 测定其3d 28d 的抗压强度和氯离子扩散系数 并与传统搅拌工艺进行了对比实验 实验结果表明 二次搅拌工艺能够提高混凝土的强度和氯离子抗渗性能 尤其是水泥裹砂法和粗细 骨料全造壳法对改善混凝土的强度和氯离子抗渗性能的效果最为显著 关键词 混凝土 二次搅拌工艺 氯离子扩散系数 耐久性 NEL 法中图分类号 TU 528 06 文献标志码 B 文章编号 1002 4972 200803 0009 05 Experimental Study on Influence of Chloride Ion s Permeability and Strength of Concrete by Different Mixing Technologies CAI Rui huan OUYANG Dong HUANG Hua xian FAN Yuan yuan Department of Mechanics and Civil Engineering of Jinan University Guangzhou 510632 China Abstract To counter the existing problems in the process of traditional cement mixing secondary mixing techniques such as pre mix cement mortar pre mix cement paste sand enveloped with cement paste coarse aggregate enveloped with cement paste and aggregate enveloped with cement paste are studied The strength of compression and diffusing parameters of chloride ion in terms of 3days and 28days are measured respectively and the experimental results have been compared with the results obtained by the traditional mixingprocess The results showthat the strength ofcompression and diffusingparameters ofchloride ion could be increased bythose secondarymixingtechniques among which the sand enveloped with cement paste and aggregate enveloped with cement paste are most effective Key words concrete secondary mixing chloride ion diffusion coefficient durability NEL method 收稿日期 2007 08 20 作者简介 蔡瑞环 1985 男 硕士研究生 主要研究方向为混凝土材料及结构耐久性 一百多年来 混凝土搅拌工艺追求的目标是 匀质性 最具代表性的观点是英国 著名混凝土学者A M Neville 于1963年在Properties of Concrete 一书中所称 搅拌的目的是使全部骨料颗粒的表面都被水泥浆包裹 使混凝土各组分 混合成一种均匀的物质 而且 由搅拌机往外卸料的过程中这种匀质性也要保持不破 坏 在这个理论指导 下 出现了各种不同的所谓的 二次投料 混凝土搅拌工艺 比较典型的是先拌水 泥砂浆法 先拌水泥净浆法 水泥裹砂法 水泥裹石法 粗细骨料全造壳法 又称裹砂 石法等 分次投料 搅拌工艺 20世纪80年代中期 我国也先后出现了先拌净浆法 先 拌砂浆法 水泥裹砂法 净浆裹石法 粗细骨料全造壳法等 分次投料 搅拌工 2008年3月 第3期总第413期 Mar 2008 No 3Serial No 413 水运工程 Port 砂为广州西江河砂 Mx 2 86 中砂级配 区 石料为碎石 5 25mm连续粒径分布 减水剂采用高效缓凝减水剂WH A 采用天津市化学试剂一厂的NaCl 分析纯 1 2实验主要仪器 搅拌机为浙江上虞市胜飞试验机械厂制造的60L SJD60型单卧轴强制试验搅拌机 压力机为上海华龙测试仪器有限公司生产的全自动 WEY 3000微机液压压力实验机 混凝土渗透性电测仪为清华大学研制 北京耐尔科技有限 公司生产的NEL PDR型快速混凝土渗透性电测仪 1 3实验方法 本实验采用混凝土传统搅拌工艺和二次投料 2 搅拌工艺 以其3d 28d的抗压强 度和氯离子扩散系数为评价标准来评定各种搅拌工艺的优劣 所谓传统混凝土搅拌工艺是指将砂 石 水泥 水 减水剂等所有原材料一次性 投入混凝土搅拌机 搅拌数分钟后再出料 二次投料搅拌工艺是在考虑混凝土中各组 分相互均匀混合作用的基础上 利用投料 搅拌顺序对混凝土内部结构形成的影响 综合提高其性能的工艺方法 4 具体搅拌方法见表2所示 本实验采用6种不同搅拌工艺 编号分别为A1 A2 A3 A4 A5 A6 同一配比 搅拌 时间4min 仅改变投料的顺序 详细配合比如表3所示 并测定新拌混凝土的坍落度 表 4 混凝土抗压强度实验采用100mm 100mm 100mm试件 测出混凝土强度再乘折减 系数0 95 混凝土氯离子扩散系数试验采用 100mm 50mm的圆柱体试件 NaCl溶液配 为4mol L 试件总共24组 表1NEL评价混凝土渗透性标准 水灰比28d强度 MPa C l 扩散系数 10 10cm2 s 1 渗透性等级渗透性评价 0 61000 很高0 45 0 630 40500 1000 高0 4 0 4540 60100 500 中0 35 0 460 8050 100 低0 3 0 3580 1005 50 很低0 2 0 3100 2005 10 极低200 5 可忽略 表2不同搅拌工艺具体搅拌方法 搅拌工艺具体搅拌方法 传统搅拌工艺 A1水泥 石 砂 水 减水剂 4min 出料 先拌水泥砂浆法 A2 水泥 一半水 砂 减水剂 2min 另一半水 石 2min 出料 先拌水泥净浆法 A3 水泥 水 减水剂 1min 砂 石 3min 出料 水泥裹砂法 A4 砂 一半水 1min 水泥 1 5min 另一半水 石 减水剂 1 5min 出料水泥裹石法 A5 水泥 一半水 1min 石 1 5min 另一半水 减水剂 砂 1 5min 出料粗细骨料全 造壳法 A6 一半水 砂 石 1min 水泥 1 5min 另一半水 减水剂 1 5min 出料 10 第3期表3 混凝土配合比 W C W kg m 3C kg m 3S kg m 3G kg m 3S d 减水剂 0 55 187 340740113339 51 5 表4 不同搅拌工艺混凝土工作性 编号A1A2A3A4A5A6坍落度 mm 190165170175180175是否泌水轻微否否否否否是否离析 轻微 否 否 否 否 否 抗压强度试验和氯离子扩散试验各12组 每组为 3块 放在标准养护室中养护 分别测其3d 28d 抗压强度和氯离子扩散系数 氯离子扩散系数的测定采用NEL 法 是清华大学路新瀛根据Nernst Einstein 方程建立的混凝土渗透性快速测定法 基于测量饱盐混凝土电导率 从而计算混凝土 的氯离子扩散系数来评价混凝土的渗透性的新方法 优点是 既适用于普通混凝土也 适用于高性能混凝土 测试时间短 结果可靠性高 稳定性好 该实验方法已经列入 2004中国土木工程学会标准CCES 01 2004 作为 当前混凝土结构耐久性设计与施工中检测混凝土渗透性的先进方法推荐使用 并得到前工程院院士吴中伟教授的较高评价 具体方法是将混凝土成型一定厚度的 试件 养护一定龄期后 放入 NEL VJ 混凝土真空饱盐设备进行真空饱盐 饱盐 一定时间后测试其扩散系数 一般测试时间为一个试块6min 2实验结果与分析2 1 实验结果 试验主要考查混凝土的抗压强度和氯离子渗 透性系数 实验结果见图1 图2 表5 6种不同搅拌工艺新拌混凝土的工作性能见 表4所示 2 2传统搅拌工艺和二次搅拌工艺作用机理普通混凝土的破坏一般是发生在水 泥浆与集 料的界面 主要是因为现有的混凝土传统搅拌工艺几乎是所有固相材料同时倒 入搅拌机中 在加水搅拌过程中使砂石表面形成了一层自由水膜 削弱了水泥浆与集 料的粘结 使水泥浆体的作用没有完全发挥出来 此外 水泥颗粒被石子夹裹 加水后 易形成水泥小团粒并包裹拌和水 不易被 搅拌均匀 导致水泥不能充分水化 降低了混凝土质量 国内外资料显示 相同条 件下用不同搅拌工艺 得到的混凝土拌和物的品质是不一样的 表5不同搅拌工艺混凝土强度及Cl 扩散系数 图2不同搅拌工艺混凝土氯离子扩散系数 图1 不同搅拌工艺混凝土抗压强度 蔡瑞环 等 搅拌工艺对混凝土强度及氯离子渗透性影响试验研究 A230 1212 64 6959 4A328 556 84 7558 3A428 677 24 37515 6A526 51 0 94 7807 828 A139 182 661A239 611 12 4577 7A341 185 12 5344 8A441 395 62 4358 5A539 97 2 02 4268 8A6 44 23 12 9 2 315 13 0A629 209 24 23718 3 A126 745 185 3 龄期 d 编号 强度 MPa 强度 提高 Cl 扩散 系数 10 8 cm 2 s 1Cl 扩散 系数减少 11 2008年 水运工程 因为混凝土的某些特性依赖于各组分进入搅拌机 的顺序 4 5 普通混凝土强度主要取决于骨料强度 水泥石强度以及水泥石和骨料界面过渡 区的粘结强度 大量研究表明 传统的一次搅拌形成的混凝土 在距骨料表面约100 m 以内 有着明显的界面 过渡区 在这一过渡区 存在水灰比梯度 密度梯度和强度梯 度 水泥浆体本体结构致密 显微硬度较高 而过渡区结构疏松 显微硬度低 成为混凝 土中最薄弱的环节 也成为有害离子最容易渗透的通道 6 7 采用二次投料混凝土搅拌工艺 当将搅拌均匀的砂浆 水泥净浆等与骨料再次搅 拌时 其中的水是整个配比中的一部分 从而使骨料表面的水膜受到抑制或减少了水 膜层的厚度 造成了相对较低的水胶比区 这样较为有效地克服或改善传统混凝土骨 料界面这一薄弱环节 采用SEM对两种不同搅拌工艺混凝土界面的形貌进行观察 可 以发现 采用一般搅拌工艺的混凝土 界面结构较为疏松 有较多大孔 而采用二次搅 拌的混凝土界面结构较为密实 孔隙小 数量少 仔细观察界面中的孔隙 一般工艺的 混凝土在孔内充满大量定向排列的Ca OH 2 晶体 而二次搅拌工艺混凝土的孔中主要是纤维状的水化产物 只有少 量小尺寸Ca OH 2 晶体 二次搅拌主要就是通过界面区微结构的改善来提高混凝土的强度和耐久 性 2 3试验结果分析 2 3 1二次搅拌工艺改善混凝土的工作性 从表4中可以看出采用二次投料搅拌工艺 新拌混凝土的坍落度都比采用传统搅 拌工艺的混凝土坍落度有所减小 但保塑性能比传统搅拌工艺混凝土有所改善 任何材料的宏观性能都是和它结构形成过程中的种种现象密切相关的 各种造 壳搅拌工艺制得的拌和物都有一共同的特征 即泌水量大大减少 产生这种现象的原 因可以解释为 骨料外的壳浆水灰比较小 它们像无数个 海绵体 造成了稀浆中水分 外逸的屏障 外泌的水分还没有逸出到拌和物表面 已被那些 海绵体 吸收了 简言 之 泌水这样一个体系内外的水分迁移过程被体系内部的运输 均化 水灰比梯度小过 程取代了 因此工作性能也得到了改善 6 2 3 2二次搅拌工艺改善混凝土的强度和耐久性 从表5 图1 图2中都可以看出采用二次搅拌工艺 混凝土3d 28d强度都有不同幅度 的提高 3d 28d强度提高的幅度最高分别达到12 6 和12 9 对混凝土的耐久性也有 所提高 3d 28d氯离子扩散系数减少最高分别达到18 3 和13 主要原因是因为传统的一次 投料搅拌工艺使混合料中的水泥很难均匀地覆裹在砂石料表面 水泥易结团而不能 充分水化利用 二次投料搅拌工艺刚好克服了这点 能够充分利用水 因此水泥水化相 对更充分 搅拌得更加均匀 改善了过渡区胶料与集料界面的强度和密实性 因此提高 了混凝土的抗压强度和耐久性 二次搅拌工艺能够减小混凝土的孔隙率 更主要的是 可使毛细孔变细 且对强度不利的孔的含量大为减少 使渗水通路变得更加迂回曲折 因此显著提高了混凝土的强度和抗渗能力 6 从实验结果可以看出 采用水泥裹砂法和粗细骨料全造壳法对改善混凝土的强 度和氯离子抗渗性能的效果最为显著 水泥裹砂法是因为水泥砂浆对石子的包围更 加简单而易于均匀 从而极大地改善混凝土的过渡区界面 提高了混凝土强度和耐久 性 而粗细骨料全造壳法可能是兼具有水泥裹砂法和水泥裹石法的优点 因此对改善 混凝土的力学性能和耐久性方面是最显著的 混凝土材料科学的基本观点认为 材料的形成过程必然伴随着界面的产生 消失 和转化 而且材料的结构首先是键和界面的结合 8 因而 不同的界面演变过程必然 引起材料形成过程的差异 也就决定了材料内部结构的区别 现以传统搅拌方法和粗细骨料全造壳法 又称裹砂石法为例来说明界面演变过 程的不同 在传统搅拌方法中 所有的固相材料几乎同时倒入搅拌机 在水与固相材 料接触之前 砂 石 水泥混合体中主要是固 s气 g界面 在搅拌过程中 水必然要浸 润所有的固相材料表面 从而形成固 s 液 l界面 但在此过程中 必然同时产生了气 g 液 l界面 而且不可避免地还保留一部分固 s 12 第3期 气 g界面 即有相当数量的气相留在液体和固体的包围中 因此搅拌后混凝土内 部产生小气泡 降低了混凝土的强度和耐久性 在粗细骨料全造壳法 又称裹砂石法 中 当砂石与第一次加入的水W1接触后 主要形成固 S1 液 L1界面 还存在着液 L1 气 g界面 而固 S 气 g界面基本消失 气相减小 水泥投入后 又增加了固 S2 液 L1界面 加入第二次水 W2后 在水灰比梯度减小的过程中 水向水泥壳内渗透 而 水泥粒子向稀浆中渗透 在此固液两相迁移过程中 改变了原有气相的几何形态 气孔 被分割 细化 使孔径分布改善 进而改善了混凝土的力学性能和耐久性 9 3结论 1在本实验条件下 5种不同二次投料搅拌工艺都可以提高混凝土的工作性能 抗 压强度和氯离子抗渗性能 3d 28d强度都有不同幅度的提高 3d 28d强度提高的幅度 最高分别达到12 6 和12 9 对混凝土的耐久性也有所提高 3d 28d氯离子扩散系数减少最高分别达到18 3 和13 2在本实验条件下 水泥裹砂法和粗细骨料全造壳法对改善混凝土的强度和氯离 子抗渗性能的效果最为显著 3混凝土二次搅拌工艺主要是通过改善混凝土界面过渡区来改善混凝土的强度 和耐久性的 4对现代混凝土生产线而言 二次投料混凝土搅拌工艺简单易行 这种工艺只是 改变原材料的投料顺序 无需增加材料和专门设备和技术 不增加生产管理人员 不延 长搅拌时间 就能够有效地改善混凝土的工作性能 力学性能和耐久性 具有很强的 实用性 值得大力推广应用 参考文献 1 宋培建 混凝土多步搅拌工艺 J 建工技术 1997 3 29 34 2 邵树人 林依平 二次投料配制钢纤维粉煤灰混凝土 粉煤灰混凝土试验研究 J 公路 2001 6 100 103 3 Ryu J S Improvement on strength andimpermeabil ity of recycled concrete made from crushed coarse aggregate J Journal of Materials Science