用聚羧酸高效减水剂与人工砂配制高性能混凝土试验研究

1、2007年第6期商品混凝土BetonChineseEditionReady-mixedConcrete17用聚羧酸高效减水剂与人工砂配制高性能混凝土试验研究时玲云,逄鲁峰,常青山,周新新(山东建筑大学土木学院,济南250101)摘要本文研究用聚羧酸高效减水剂与人工砂配制经济型高性能混凝土。比例、石粉、外加剂及砂率对混凝土工作性、强度、尺寸稳定性的影响。混凝土具有和易性好、强度比基准混凝土高、收缩小,抗裂性能高。关键词高性能混凝土;聚羧酸高效减水剂;人工砂;Abstract:Inthispaper,thehighbyusingpolycarboxylicacidsuperplasticizera

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

3、performanceconcrete;Polycarboxylicacidsuperplasticizer;Manufacturedsand;Naturalsand0前言天然砂是一种自然资源,随着我国基础设施建设的发展和对环境保护的需要,现有的天然砂己难以满足建筑业可持续发展的需要,使用人工砂已成形势所需。人工砂中最常用的是机制砂(Manufacturedsand),是由机械破碎、筛分制成的,粒径小于4175mm的岩石颗粒,一般含有10%15%左右的石粉(粒m的岩石颗粒),级配中大于2136mm和小于径小于750115mm的颗粒偏多,细度模数普遍在310317内。由于人工砂颗粒形状粗糙尖锐、

4、多棱角,并且人工砂颗粒内部微裂纹多、空隙率大、比表面积大,加上石粉含量高等特点,造成人工砂混凝土与天然河砂混凝土相比有较大的差异。国标规定C30C50混凝土用机制砂石粉含量在5%以下,而未经处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仅浪费材料、污染环境,且经水洗后的人工砂部分粒径为0115mm,013mm乃至016mm的颗粒也被带出,破坏了人工砂的原有级配,导致配制的混凝土粘聚性较差1,混凝土成本增加,人工砂的使用也失去了意义。因此,本文采用聚羧酸高效减水剂配制含有一定石粉的人工砂混凝土以保证混凝土的性能非常有实用意义。1人工砂混凝土试验研究111试验用原材料(1)水泥:

5、采用山水集团水泥有限公司P.O3215R级水泥,其物理性能见表1。表1P.O3215R级水泥的物理性能标准稠度用水量(%)145比表面积(m2/kg)330凝结时间(h:min)初凝2:00抗折强度(MPa)3d31528d610抗压强度(MPa)3d181228d3910终凝3:50(2)掺合料:黄台电厂产级粉煤灰,其性能见表2;济南鲁新建材有限公司生产的S95级矿粉,其性能见表3。表2粉煤灰的性能m筛筛余)(%)(%)烧失量(%)SO3含量(%)细度(451798317218(3)外加剂:山东华迪建筑科技有限公司产:萘系(NF)高效减水剂,减水率为15%;聚羧酸(PCE)高效减水剂,减水率

6、表3矿粉的性能比表面积(m2/kg)450SO3含量(%)310烧失量(%)217活性指数(%)7d8128d102为30%;脂肪族(SAF)高效减水剂,减水率为23%。(4)石子:港沟石料厂生产的连续级配5mm25mm碎石,针片状含量5%,压碎指标8%,含泥量014%。(5)河砂:泰安产中砂,细度模数217,堆积密度1550kg/3m,含泥量3%,泥块含量110%。(6)人工砂:细度模数313318,含泥量213%,堆积密度1560kg/m3,表观密度2680kg/m3,空隙率42%。(7)水:饮用水112试验方案18商品混凝土BetonChineseEditionReady-mixedCo

7、ncrete2007年第6期表4混凝土配比影响因素因素水平1水平2水平3A:人工砂:河砂014:016016:014018:012B:石粉(%)51015C:外加剂种类NFSAFPCED:砂率(%)414345表5正交试验设计编号123456789A:人工砂:河砂014:016014:016014:016016:01401618:012018:012018:012B:石粉(%)C:外加剂种类FPCESAFPCENFPCENFSAFD:砂率(%)石粉含量通过人工砂水洗后内掺石粉调配而成。表6C30混凝土配合比编号123456789kg/m3河砂水水胶比水泥24024024024024024024

8、0240240矿粉粉煤灰808080808080808080人工砂碎石外加剂NFSAFPCESAFPCENFPCENFSAF石粉(%)113试验结果与分析11311表5混凝土拌和物性能及立方体抗压强度编号123456789表6极差分析结果(初始坍落度)因素水平1kA:人工砂:河砂2372402337B:石粉2372382353C:外加剂种类2352352405mmD:砂率2312402389初始(mm)230240240240240240240235225初始1h(mm)490470500500550480470400400抗压强度(MPa)3dk坍落度扩展度坍落度扩展度和易性中良优良优良良中

9、差水平2水平3极差表7极差分析结果(1h坍落度)因素A:人工砂:河砂B:石粉/%2172302102232172176C:外加剂种类21021323323mmD:砂率/%2172202203极差202007年第6期商品混凝土BetonChineseEditionReady-mixedConcrete表8极差分析结果(3d强度)MPa19因素A:人工砂:河砂B:石粉/%1817C:外加剂种类k20101818极差112表9极差分析结果(28d强度)因素A:人工砂:河砂B:石粉/%4118k431843114211421521MPa图3各因素及水平对混凝土3d强度的影响极差210从极差分析结果看最

10、大,其次为人工砂与河砂的比例。石粉主要影响硬化混凝土的强度,砂率主要影响混凝土拌和物的和易性。图4各因素及水平对混凝土28d强度的影响表现为随着比例的增加,混凝土保水性变差,容易泌水,粘聚性差,流动性也差。主要因为人工砂颗粒太粗,表面粗糙,为改善混合砂混凝土的和易性可适当调整砂率,同时调整外加剂的掺图1各因素及水平对混凝土初始坍落度的影响量。114影响混凝土性能的因素分析11411人工砂与河砂的最佳比例当人工砂掺量小于30%时,对混凝土成本节约不大。因此,人工砂的最低掺量选定为40%。根据极差分析及图14可知,当人工砂与河砂比例为016014时,混凝土的流动性最佳,扩展度最大,并且28天强度最

11、高。因此,人工砂比河砂的最佳比例为016014。11412石粉含量对混凝土性能影响分析根据试验结果及图14可知,随石粉含量增加,混合砂混凝土拌和物的坍落度基本没有受到影响,而扩展度呈下降趋势。石粉改善了混合砂混凝土拌和物的粘聚性和保水性,在一定范围内,随石粉含量的增加,混凝土的工作性在逐步改善,石粉含量高达15%混凝土工作性依然良好。从该混合砂混凝土的强度来看,随石粉含量增加,其抗压强度呈较大的递增趋势。图2各因素及水平对混凝土保塑性的影响首先,人工砂中石粉含量起了微集料填充效应,同时石粉中含有大量游离CaO,以及较多和较高活性的无定型SiO2,A12O32,CaO发生水化结晶自行硬化。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够基本满足混凝土的施工要求,不同人工砂与河砂比例对混凝土的和易性有显著影响。主要凝土的孔隙特征,改善浆集料界面结构,并且混凝土晶相有不同程度的改善3。因此,配制中低强度混凝土时人工砂中的20商品混凝土BetonChineseEditionReady-mixedConcrete2007年第6期石粉不需水洗除去。经验表明,当石粉含量增大到20%以上时,由于石粉含量太高,颗粒级配不合理,使混凝土密实性降低,和易性变差;由于非活性石粉不具有水化及胶结作用,在水泥含量不变时,过多的石粉使混凝土强度减小。聚氧乙烯侧链呈绒毛状伸展在水溶液中,形

13、成强烈的空间位阻作用,使水泥颗粒得到显著的分散4。而萘系高效减水剂和脂肪族高效减水剂的分子结构为直链状,对水泥的分散效果较低,保持时间较短。同时聚羧酸高效减水剂与水泥的适应性强,分子活性基团多样性能使产品适合不同的具体应用条件。11413外加剂种类对混凝土性能的影响通过极差分析及图14可知,不同种类外加剂对混凝土性能影响有举足轻重的作用。不同种类的外加剂对混凝土性能的影响差别很大:聚羧酸高效减水剂的性能明显优于萘系高效减水剂及脂肪族高效减水剂。试验表明,用聚羧酸高效减水剂配制的混凝土综合性能最高:坍落度及坍落度保持力好,混凝土强度高,抗裂性能好。这是因为:PCE减水剂具有特殊的梳型分子结构,主

14、链吸附于水泥颗粒表面,11414砂率的选择由图1可知,砂率为43%时和易性最佳,从图3、4中可看出,此砂率下混凝土强度并不是最高,但砂率对混凝土强度的影响不大。因此,前提下,kg/m3河砂312312312编号123水17517517501420142240240240110110110粉煤灰808080人工砂469469469碎石外加剂NFSAFPCE石粉(%)151515这些支链残留在水泥水化形成的凝胶孔和毛细孔中,形成相互交叉的网状结构,相当于纤维均匀地分布在混凝土中5,从而减少收缩,增强混凝土的抗裂性能。另外,聚羧酸高效减水剂还可以降低毛细孔和凝胶孔中液相表面张力,低毛细孔和凝胶孔中水

15、分消耗时产生的附加压力会随之降低,从而减小混凝土的自收缩。同时,矿渣与粉煤灰的叠合效应也减少了混凝土的早期收缩。3经济与环境分析用聚羧酸高效减水剂配制的混合砂混凝土表现出了优良的综合性能。目前,聚羧酸高效减水剂单价虽比萘系、脂肪族稍高,但其掺量低,与水泥的适应性强。在满足混凝土施工性能和力学性能的前提下,应力求综合造价最低,以达到最高的性价比。同时,聚羧酸高效减水剂合成时无甲醛等有毒物质,是一种绿色产品。大量研究表明,用聚羧酸高效减水剂配制的混凝土收缩小,体积稳定性好,耐久性高。特别是用人工砂替代河砂配制混凝土时,聚羧酸高效减水剂能明显改善混凝土的性能。表11以C30混凝土为例,计算了一立方米

16、混凝土的造价。结果显示:用萘系高效减水剂配制的混合砂混凝土造价比纯河砂混凝土低7162元,用聚羧酸高效减水剂配制的混合砂混凝土造价比用萘系高效减水剂配制的混合砂混凝土低0181元。本文研究的用聚羧酸高效减水剂与人工砂配制高性能混凝土比普通混凝土单方造价低8143元,节约成本约6%。kg/m3碎石图5不同外加剂对混凝土早期收缩的影响从图中可看出,用聚羧酸高效减水剂配制的混合砂混凝土收缩最小,尤其是在混凝土硬化前,且3d后基本趋于稳定。萘系高效减水剂及脂肪族高效减水剂影响效果相当,混凝土硬化前收缩值较大。聚羧酸减水剂能减少混凝土收缩,提高混凝土的抗裂性能:一方面,聚羧酸减水剂分子结构中含有COO-

17、、OH等基团,易与水泥水化析出的Ca2+形成稳定的络合物,通过化学键和胶凝材料强烈地粘结在一起。另一方面,聚羧酸减水剂分子结构中含有较多的支链,在水泥水化后,表11C30混凝土配合比成本分析编号123水175175175水泥240240240矿粉110110110粉煤灰808080人工砂河砂781外加剂NF:10175NF:9146PCE:2165成本(元/m3)469469312312(下转第13页)2007年第6期商品混凝土BetonChineseEditionReady-mixedConcrete13图9恒温变湿条件下的试验结果大。因此,其发展趋势符合规律。4结论(1),并实现数据的自动

18、采集,;所采用的模具具有较小的约束,故测试过程中不需要拆模,适合水泥基材料早期体积变形测试,对研究水泥基材料的早期变形性能具有重要意义;(2)与试验室试验不同,材料变形实际是多种因素的作用下产生的,因此采用本仪器可以模拟所需的工程环境,并在该环境下进行变形测试,对研究水泥基材料在不同环境下(温度、湿度及气体浓度)的体积变形性具有重要意义;(3)本仪器也可以适合于玻璃、陶瓷、墙体材料、石材等材料的变形测试。参考文献1席耀忠.水泥混凝土的体积变形及其测量J.混凝土,2000(9):3539.2田倩,孙伟,缪昌文.高性能混凝土自收缩测试方法探讨J.建筑材料学报,2005(2):8289.,朱金铨.高性能混凝土的自收缩问题J.建筑材料学报,2001,4(2):1591666LoukiliA,ChopinD.Anewapproachtodetermineautog2enousshrinkageofmortaratanearlyageconsideringtempera2turehistoryJ.CCR,2000,30(6):915922.),男,武汉理工大学材料学院作者简介鄢佳佳(1983111硕士研究生,研究