HCSA膨胀剂对喷射混凝土微观结构的影响.pdf

弟j 2 巷弟4 朋 2 0 I2 年0 8 月 矿冶工程 M I N l N GANDM E T A L L U R G l C A LE N G 【N E E R 【N G V 0 1 ．3 2 №4 A u g u s t2 0 1 2 H C S A 膨胀剂对喷射混凝土微观结构的影响① 李伏虎，马芹永 安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要在喷射混凝土中适量加入H C S A 嘭胀剂配制成喷射补偿收缩混凝土．通过X 射线衍射 X R D 、扫描电子显微镜 S E M 和 水泥稠凝测定仪等对喷射补偿收缩{ 昆凝中主要胶凝材料的微观形貌、晶体结构及初凝时问等进行了测试。研究结果表明，8 ％ H C S A 膨胀剂与5 ％速凝剂、硅酸盐水泥形成的三元胶凝材料，具有初凝时间短、抗压强度高的特性；掺加适量H C S A 膨胀剂明显促 进了水化产物钙矾石和C a C O ，晶体的生长，钙矾石晶体的生长填充了胶凝材料的微孔洞和缝隙，形成相互交错的网状结构，有利于 提高混凝土的密实度和抗压强度。 关键词膨胀剂；补偿收缩；喷射混凝土；微观结构；钙矾石晶体 中凰分类号T U 4 1 1文献标识码A文章编号0 2 5 3 一∞9 9 2 0 } 2 0 4 一∞0 5 0 3 E f f e c t so fH C S AE x p a n s i v eA g e n to nM i c r o s t r u c t u r eo fS h o t c r e t e L IF u h u ．M AQ i n y o n g M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ’sE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fM i n eU n d e r g r o u n dP r o j e c t s ，A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，H u a i n a n2 3 2 0 0 1 ，A n h u i ，C h i n a A b s t r a c t S h r i n k a g e c o m p e n s a t i n gs h o t c r e t ew a sp r e p a r e db ya d d i n ga na p p r o p r i a t ea m o u n to fH C S Ae x p a n s i v ea g e n t ． M i c r o m o r p h o l o g y ．c r y s t a ls t r O c t u r ea n di n i t i a ls e t t i n gt i m eo fg e l l e dm a t e r i a l si ns h r i n k a g e c o m p e n s a t i n gs h o t c r e t ew e R t e s t e dh yu s i n gX r a yd ；f f r a c t i o n X R D ，s c a n n i n ge l e e t r o nm i c r o s c o p y S E M a n dV i c a ta p p a r a t u s ．T h er e s u k ss h o w e d t h a tt h eg e l l e dm a t e r i a l sw i t hs h o ni n i t i a ls e t t i n gt i m ea n dh i g hc o m p r e s s i v es t r e n g t hw e r ef o r m e db ya d d i n g8 ％H C S A e x p a n s i v ea g e n t ．5 ％a c c e l e r a t o ri n t op o r t l a n dc e m e n t ．A p p r o p r i a t ea d d i t i o n o fH C S Ae x p a n s i v ea g e n to b v i o u s l y p r o m o t e dt h eg r o w t ho fc t t r i n g i t ea n dC a C 0 3c r y s t a l s ．T h em i c r o - p o r e sa n dc r a c k so ft h eg e l l e dm a t e r i a l sw e r ef i l l e d w i t h t h eg r o w ne t t r i n g i t ec r y s t a l s ，f o r m i n gi n t e r l a c e dB e ts t m c t u r e ，w h i c hw a sb e n e f i c i a lt oi m p r o v i n gt h ed e n s i t ya n d c o m p r e s s i v es t r e n g t ho fc o n c r e t e ． K e yw o r d s e x p a n s i v ea g e n t ；s h r i n k a g e c o m p e n s a t i o n ；s h o t c r e t e ；m i c r o s t r u c t u r e ；e t t r i n g i t ec r y s t a l s A F t 喷射混凝土、锚杆及钢筋网相结合的锚喷支护技 术具有工艺简单、施工快速、安全可靠、经济合理及适 应性强等优点，已成为矿山井巷与地下工程建设中一 种重要的现代化施工手段⋯。由于喷射混凝土施工 工艺的要求，通常需要加入一定比例的速凝剂，以达到 速凝快硬、增加粘结力、减少回弹损失的效果。速凝剂 的加入往往会导致喷射混凝土产生收缩裂缝和渗水现 象，严重影响了支护工程的强度和使用寿命。针对喷 射混凝土存在的这个问题，研究人员采取了添加钢纤 维、碳纤维、聚合物纤维等多种方法．取得了一定效 果。“。同时，开发多功能复合型速凝剂也是喷射混 凝土发展方向之一。最近，马芹永、崔朋勃等研究人员 进行了H C S A 膨胀剂与速凝剂复合在喷射混凝土中应 用的研究，研究结果表明，在喷射混凝土中适当掺人 H C S A 膨胀剂同时配合钢纤维的三维约束，利用膨胀 剂在喷射混凝土中产生的预压应力抵消喷射混凝土收 缩产生的预拉应力，可以起到补偿收缩、减少微裂缝、 提高强度的作用”“1 。但是，关于膨胀剂的加入对喷 射氓凝土微观结构的影响，以及膨胀剂在喷射混凝土 中的作用机理，还需要进行深入研究。 本文研究了添加H C S A 膨胀剂对速凝剂一硅酸盐 水泥二元胶凝材料凝结时间、水化产物和微观结构的 影响，分析了H C S A 膨胀剂- 速凝剂一硅酸盐水泥三元 胶凝材料微观结构演变特征，为提高喷射混凝土宏观 力学性能、推广喷射补偿收缩混凝土在工程上的应用 打下理论基础。 ①收稿目期2 0 1 2 - 0 3 4 4 基金项目高等学校博士学科点科研基金 2 0 0 9 3 4 1 5 1 1 0 0 0 1 作者简介李伏虎 1 9 7 0 一 ，男，安徽宿州人，博t ，讲师，从事混凝土材料微观结构的研究。 万方数据 6矿冶工程 第3 2 卷 1 试样材料与样品测试 11 原材料 水泥普通硅酸盐水泥P O4 2 ．5 级；膨胀剂H C S A 高性能膨胀剂，主要成分硫铝酸钙；速凝剂D 型速凝 剂，主要成分N a A l 0 ， 铝酸钠 。 1 ．2 样品制备 水泥净浆样品制备胶凝材料总量为1 0 0g ，膨胀 剂、速凝剂均采用内掺方式，等量取代水泥。膨胀剂等 量取代水泥8 ％，速凝剂内掺量2 ％～8 ％；水胶比为 0 ．4 。准确称量各种胶凝材料用量，加水制成水泥浆 体，测试胶凝材料的初凝时间；养护ld 、3d 、7d 、2 8d 后取出部分祥品，进行S E M 和X R D 测试。 混凝土试块制备按C 3 0 基准混凝土设计，H C S A 膨胀剂掺量0 ～1 0 ％，钢纤维体积掺量1 ．2 ％，具体材 料配合比及养护条件见文献[ 5 ] ，混凝土试块养护2 8 d 后测试抗压强度。 1 ．3 试验仪器 使用水泥稠凝测定仪 维卡仪，无锡建材仪器厂 测试三元胶凝材料的凝结时间。使用扫描电子显微镜 S E M ，日本日立公司，S - 3 0 0 0 N 型 观测样品的微观形 貌特征；使用x 射线衍射仪 X R D ，北京普析通用有限 公司，X D - 3 型，C u ／K 。．辐射源，扫描范围5 。～6 0 。 测 试样品的晶体结构特征。采用T Y E - - 2 0 0 0 型压力机 测试混凝土试块抗压强度。 2 结果与分析 21 膨胀剂对速凝剂硅酸盐水泥二元胶凝材料凝结 时间的影响 在混凝土中添如H C S A 膨胀剂可以提高其密实 度，减少收缩造成的裂缝，但对于喷射混凝土来说，还 要满足速凝快硬、回弹量少、不易脱落的施工工艺要 求。因此，本文对比了添加H d S S A 膨胀剂前后，速凝 剂．硅酸盐水泥二元胶凝材料凝结时间的变化情况，结 果见表1 。从表l 中可以看出，二元胶凝体系中加入 不同比例的H C S A 膨胀剂后，相比于掺加前的初凝时 间变化不大。而胶凝材料的初凝时问主要取决于速凝 剂的添加量，当速凝剂掺量为5 ％时初凝时间最短，具 有最佳的促凝效果。 ～些研究表明速凝剂的水化反应速度很快，通常 在几分钟至十几分钟内完成”1 ，而膨胀剂水化反应生 成钙矾石晶体的速度较慢，通常需要5 ～7d 才能达到 钙矾石生长的最大值”“1 ，所以，在速凝剂一硅酸盐水 泥胶凝材料中掺加H C S A 膨胀剂，没有影响速凝剂的 促凝作用。 表1膨胀剂、速凝剂和硅酸盐水泥胶凝材料的凝结时间 9 5 8 9 s 7 8 51 035 3 2 ．2 膨胀剂对喷射混凝土抗压强度的影响 喷射混凝土中加入H C S A 膨胀剂后，对其抗压强 度也有影响。膨胀剂掺量对喷射混凝土抗压强度的影 响见图1 。从图1 可以看到，随着膨胀剂掺量的增加， 试块抗压强度先缓慢增大后下降，掺量8 ％时，抗压强 度达到最大，相比不掺加膨胀剂的喷射混凝土抗压强 度提高了71 ％。膨胀剂对喷射混凝土抗压强度的影 响与其微观结构的变化有着密切的关系。 H C S A 膨胜剂掺量／％ 图1不同掺量H C S A 膨胀剂的喷射混凝土抗压强度 2 ．3 H C S A 膨胀剂对速凝剂- 硅酸盐水泥二元胶凝材 料微观形貌的影响 H C S A 膨胀剂对喷射混凝土宏观力学性能的影 响，是因为改变了混凝土材料的微观结构和组成。为 了更清楚地说明这一点，本文对比研究了添加8 ％ H C S A 膨胀剂前后胶凝材科不同龄期微观形貌的演变过 程，如图2 、3 所示。从图2 中可以看到，未掺加膨胀剂 的速凝剂，硅酸盐水泥二元胶凝材料在水化初期 1d 有较多的片状C a O H 晶体生成 图2 a ，水化7d 有少量的针棒状钙矾石 A F t 晶体生成 图2 C ，水 化2 8d 的微观结构仍较为疏松，明显有微裂缝存在 图2 d 。 “ 雅鹞i 4 O 盂兰＼鹫隈坦嫔 万方数据 第4 期 李伏虎等H C S A 膨胀剂对喷射混凝土微观结构的影响 图3 膨胀剂1 8 ％卜速凝剂C 5 ％ 硅酸盐水泥三元胶凝 材料不同龄期的S E M 图像 a 水化1d ； b 水化3d ； c 水化7d ； d 水化2 8d 而二元胶凝材料中添加H C S A 膨胀剂后形成的膨 胀剂速凝剂一水泥三元胶凝材料微观形貌发生了明显 的变化 图3 。三元胶凝材料水化反应1d 时，水化 晶体产物以片状和异方型C a O H ，结晶为主，针棒状 钙矾石晶体很少 图3 a 。水化3d 时，胶凝材料中 针棒状晶体明显增多，这些针棒状钙矾石A F t 晶体在 材料的微孔洞和缝隙中生长，逐渐搭接在一起形成相 互交错网状结构 图3 b 。从图3 c 中可以看到， 水化7d 后的胶凝材料比较密实，颗粒状C a C O ，晶体 和针棒状A F t 晶体较多，水化晶体产物基本填充了微 孔洞和缝隙。水化2 8d 后，晶体产物的生长基本稳 定，可以看到针棒状晶体变得粗壮，针棒状、层片状和 块状晶体交错搭接在一起，使胶凝材料形成高强度的 整体 图3 d 。对比图2 与图3 两种胶凝材料微观 形貌的差别，可以清楚地看到，添加H C S A 膨胀剂明显 促进了针棒状钙矾石A F t 晶体的生长，形成相互交错 的网状结构，减少微裂缝的产生，有利于胶凝材料密实 度和强度的提高。 2 ．4H C S A 膨胀剂对速凝剂一硅酸盐水泥二元胶凝材 料晶体结构的影响 对胶凝材料不同龄期的水化反应产物进行X 射线 衍射测试，可以研究其水化反应产物晶体组成特征的演 变规律。图4 和图5 分别为添加H C S A 膨胀剂前后速 凝剂- 硅酸盐水泥胶凝材料水化产物不同龄期的X R D 测试图谱。从图4 中可以看到，二元胶凝材料的主要水 化产物包括c a O H 2 、C a C O ，、C S H 、c A H 及 A F t 等晶体化合物，水化1 ～7d 期问C a C O ，和c A H 的衍射峰较强，水化2 8d 时C a O H 的衍射峰较强。 2 口， 。 围4 建凝剂硅酸盐水泥二元胶凝材料水化产物X R D 图谱 ；t o ／ ‘ 囤5 膨胀剂速凝剂硅酸盐水泥三元胶凝材料水化产物的 X R D 圈谱 速凝剂一硅酸盐水泥二元胶凝材料添加H C S A 膨 胀剂后水化产物的组成基本没有变化 图5 ，但水化 产物x 射线衍射峰的强弱发生了改变。水化1d 时， C a O H 和c s H 的衍射峰较强，随着水化龄期 下转第1 2 页 万方数据 2 矿冶工程第3 2 卷 高经济效益，延长矿山服务年限，从而可为矿山决策提 供科学的理论与实践依据，促进矿山科学化管理。 本文以松动爆破情况为例，验证了基于三维矿业 软件D I M I N E 的露天矿配矿方法的有效性，其基本前 提是爆堆形态和品位分布变化不大。考虑抛掷情况、 改进爆堆品位分布和爆堆形态的预测方法，进一步提 高配矿模型的精度将是后续研究的重点内容。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 舒航．国内外配矿研究现状与发展趋向[ J ] 冶金矿山设计与 建设，1 9 9 4 3 1 3 1 7 Q i ng I l u aG ，c 玉w I lL ，J i n p i n gG ，e ta lD y n a m i cm a n a g e m e n ts y s t e m o fo r eb l e n d i n gi na no p e np i tm i n eb a s e dO nG I S ／G P S ／G P R S [ J ] M i n i n gS c i e n e ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 1 0 2 0 1 3 2 1 3 7 Z h a n gR ，L uJ ，Z h a n gG ．Ak n o w l e d g e - b a s e dm u l t i r o l ed e c i s i o n s u p p o r ts y s t e m f o ro mb l e n d i n gc o s to p t i m i z a t i o no fb l a s t f u M [ J ] E u r o p e a nJ o u r n a lo f O p e r a t i o n a lR e s e a r c h ，2 0 1 1 ，2 1 5 1 9 4 2 0 3 黄启富，陈建宏基于P S O 的矿山企业动态配矿优化研究[ J ] 计算机工程，2 0 1 l 8 1 7 5 1 7 7 [ 5 ] 杨珊．陈建宏，杨海洋，等基于X p r e s s - M P 堆积型铝土矿堆 场配矿优化研究[ J ] 金属矿山，2 0L O 3 9 1 1 [ 6 】侯煜．线性规划法在露天矿配矿领域的应用[ J ] ．矿业工程， 2 0 0 6 f 1 2 2 2 4 [ 7 】段军，郝全明包钢白云铁矿计算机辅助采场配矿系统研究 [ J ] 包头钢铁学院学报，1 9 9 4 3 3 6 7 7 6 [ 8 ]董子良，王李管，毕林基于D I M I N E 的无底柱采矿回采设计 [ J ] 矿冶工程，2 0 1 l 3 2 6 2 9 [ 9 ] 李翠平，李仲学，郝秀强，等地矿工程可视化仿真中品位与储 量的计算实现[ J ] 北京科技大学学报，2 0 0 7 9 8 5 9 8 6 2 [ 1 0 ] 徐铁军，杨鹏基于模糊多目标优化算法的矿山配矿优化 [ J ] 北京科技大学学报，2 0 0 9 1 1 1 3 6 3 1 3 6 7 [ 1 1 ]王克让．陆厚华，杜稚君利用0 - 1 整数规划法进行原矿配矿 [ J ] 轻金属，1 9 9 7 1 2 1 3 1 5 [ 1 2 ] 宋念东，杨宏伟王官营水泥灰岩矿地质勘探的总评价及开采 利用[ JJ 中国水泥，2 0 1 0 7 8 3 8 6 ． 。1 3 ] 吴恒金，郝诗海石灰石矿山迭代优化配矿方法[ J ] 新世纪水 泥导报，1 9 9 6 1 1 1 一1 3 上接第7 页 的延长，C a C O ，和钙矾石晶体A F t 的衍射峰明显增强， 水化3 ～7d 期间钙矾石A F t 增长最快，随后逐渐稳 定，这符合H C S A 膨胀剂水化反应生成钙矾石的规 律”J 。水化2 8d 时，C a C O ，晶体的衍射峰最强，这有 利于提高胶凝材料抗压强度”o 。对比图4 和图5 可以 发现，添加H C S A 膨胀剂明显促进了钙矾石和C a C O ， 晶体的生长，这与扫描电子显微镜图像是一致的。 3 结论 1 H C S A 膨胀剂与速凝剂、硅酸盐水泥形成的三 元胶凝材料，在速凝剂掺量为5 ％时具有较快的初凝 时间，H C S A 膨胀剂掺量为8 ％时，喷射混凝土抗压强 度可以提高7 ．1 ％。 2 对比掺加H C S A 膨胀剂前后胶凝材料的微观 结构发现，掺加8 ％H C S A 膨胀剂可以促进水化产物钙 矾石晶体和C a C O ，晶体的生长，有助于提高凝胶材料 的抗压强度。 3 钙矾石晶体的生长填充了胶凝材料的微孔洞 和缝隙，形成了相互交错的网状结构，减少了微裂缝的 产生，有利于提高凝胶材料的密实度。 参考文献 [ 1 ] 程良奎喷射混凝土[ M ] ．北京中国建筑工业出版社，1 9 9 0 [ 2 ] 黄伟，马芹永，周仁战巷道钢纤维喷射混凝土支护结构的数 值分析与工程应用[ J ] 混凝土，2 0 1 0 8 1 2 5 1 2 8 [ 3 ]陈晓东钢纤维喷射混凝土在隧洞加固处理中的应用[ J ] 现代 隧道技术，2 0 0 2 ，3 9 1 6 1 6 4 [ 4 ]鲁统卫，郭蕾，李占印，等聚丙烯纤维对补偿收缩混凝土的影 响[ J ] 商品混凝土，2 0 0 7 5 1 7 2 0 [ 5 ] 崔朋勃，马芹永膨胀剂对喷射补偿收缩钢纤维混凝土力学性能 的影响[ J ] 混凝土与水泥制品，2 0 1 0 5 4 5 4 7 [ 6 ]黄伟，马芹永喷射补偿收缩混凝土中腔凝材料微观结构分析 [ J ] 煤炭科学技术．2 0 1 I ，3 9 3 2 2 2 8 [ 7 ] 石建，何水清喷射混凝土速凝剂影响因素及应用[ J ] 混凝 土．2 0 0 3 4 3 1 3 2 [ 8 ]游宝坤我国混凝土膨胀剂的发展近况和展望[ J ] 混凝土，2 0 0 3 4 3 6 ． [ 9 ] M o n o s iS ，T m l iR ，F a v o n iO ．e ta l E f f e c to fS R AO i lt h ee x p a n s i v e b e h a v i o u ro f m Ⅲa 碍b a s e do ns u l p h o a l u m i n a t ea g e n t [ J ] C e m e n t ＆ C o n c r e t eC o m p o s i t e s ．2 0 1 1 ，3 3 4 8 5 4 8 9 ．1 0 ] 刘德春，熊小丽新型双膨胀源膨胀剂的研究[ J ] 新型建筑材 料，2 0 1 1 6 8 1 I 万方数据