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绿色高性能混凝土性能研究 朱平华 陈华建 武汉理工大学 武汉 430070 摘 要研究了一种由固体碱为激发剂制备的碱-矿渣 -高钙粉煤灰渣新型胶凝材料配制的绿色高性 能混凝土的渗透性、碱集料反应、工作性与抗压强度。 结果表明 该混凝土具有良好的抗 Cl-渗透的能力, 不 会产生膨胀性破坏的碱集料反应, 矿渣与粉煤灰渣的质量比、水胶比、减水剂的掺量及粗骨料的种类对绿色 高性能混凝土的工作性和强度有明显的影响, 为混凝土的可持续发展指明了一条新途径。 关键词绿色高性能混凝土 工作性 强度 水胶比 减水剂 新型胶凝材料 粗骨料 A STUDY OF PROPERTY OF GREEN HIGH PERANCE CONCRETE Zhu Pinghua Chen Huajian Wuhan University of Technology Wuhan 430070 Abstract A kind of green high perance concrete was manufactured and its penetration, alkali-aggregate reaction, workability and strengthwere studiedinthis paper. The results showed thatGHPChad excellent resistance to Cl-penetration andhad no alkali-aggregate reaction; mass ratio of slag to fly ash, water -binder ratio, content of water -reducing agent, crushed coarse aggregate type on the workability and strength of GHPC were considerably evident. A new path for the sustainable development of concrete was pointed out. Keywords GHPC workability strength water -binder ratio water -reducing agent green cementing material crushed coarse aggregate 第一作者 朱平华 男 1966年 8 月出生 博士生 收稿日期 2002-12-20 绿色高性能混凝土是一种既具有高施工性能 、 高耐久性与高强度 ,又保护环境、节约能源、有益于 人体健康的新型混凝土, 代表了混凝土的发展方向 。 其中绿色的含义包括三个层次的内容 [ 1] 1 最大限 度地减少能耗大 、 污染严重的熟料水泥的生产与使 用,充分利用工业废渣和其他资源; 2 简化加工 ,尽 量降低使用工业废渣及其他资源时的二次能源消 耗; 3 提高利用工业废渣和其他资源的科学水平 。 本试验采用了一种以固体碱 NaOH -nNa2CO3为激 发剂制备的碱-矿渣 - 高钙粉煤灰渣新型绿色胶凝 材料 [ 2,3] , 研究了用其配制的混凝土的耐久性 、工作 性与强度 。 1 耐久性 1. 1 渗透性 绿色高性能混凝土因其优良的孔结构与较低的 水胶比 ,用传统的加压透水法是无法精确地评价其 渗透性的 。 本试验采用 Nernst-Einstein 方法即 Cl - 渗透系 数法来评价绿色高性能混凝土的渗透性, 试验装置 如图 1 所示 。 图1 Nernst-Einstein 方法试验装置 原材料及配合比同本文正交试验的水平 2。将 100mm100mm 100mm 的混凝土试件标准养护 28d后 ,切割成适当厚度的薄片 ,放入饱和的盐溶液 中。在2～ 5V 的电压下 ,测量其电导率。用式 1 计 算 Cl -的渗透系数 DClf RT F 2C Cl σ 1 其中, DCl为混凝土中 Cl -的渗透系数 ; C Cl为 Cl -浓 度,取值为饱和盐溶液的浓度; f 为修正系数 , 取值 1. 0; R 为气体常数 , 取值 8. 31J molK ; T 为绝对 温度 ; σ为混凝土电导率。通过计算, DCl4. 17 11 Industrial Construction Vol. 33, No. 8, 2003工业建筑 2003 年第 33 卷第 8期 10 -14m2 s,表明绿色高性能混凝土的渗透性很低。 1. 2 碱骨料反应 在碱 - 矿渣 - 高钙粉煤灰渣绿色胶凝材料中有 大约 2. 0～ 2. 5的碱, 然而矿渣与高钙粉煤灰渣 是碱骨料反应的良好抑制剂 , 将降低或消除产生膨 胀破坏的可能性 。 在碱骨料反应的三种类型 碱 - 硅酸反应 、 碱 - 硅酸盐反应和碱 - 碳酸盐反应 中 ,以碱 - 硅酸反应 最为普遍 ,其检测方法也最为完善 。因此,本试验测 试了碱-硅酸反应。 1. 2. 1 原材料 活性细骨料 采用 0. 15 ～ 0. 75mm 粒级的石英 玻璃 ,其化学成分见表 1。 非活性集料 石英砂 。 表 1 石英玻璃的化学成分 SiO2Al2O3CaOMgOFe2O3 98. 30. 40. 30. 60. 4 1. 2. 2 试件尺寸 试件尺寸为 10mm 10mm 60mm ,共成型 6 组 试件 ,每一试件的端部均有不锈钢测头 。 1. 2. 3 配合比 胶凝材料与骨料的配比为 1∶ 2. 25。水胶比固 定为 0. 40。 1. 2. 4 试验方法 试件带模养护 24 2 h 后脱模, 测其初始长 度。然后放入温度为 37. 8 1. 7 ℃的湿气养护箱 内。试件 90d 的膨胀值见表 2。 表 2 试件 90d 的膨胀值 活性集料含量 0515305075 膨胀值 - 0. 021 3-0. 004 8-0. 002 6- 0. 002 90. 008 30. 001 5 结果表明,90d 的膨胀值低于 0. 05, 说明绿色高 性能混凝土含有活性骨料时不会产生破坏性反应。 2 绿色高性能混凝土的工作性与强度 影响绿色高性能混凝土工作性与强度的因素 为 胶凝材料的用量及水胶比 ; 高效减水剂的种类及 掺量 ; 粗细骨料的种类及用量 ; 砂率以及其他因素 。 本试验测试了以下影响绿色高性能混凝土的工 作性与强度的因素 1 4种胶凝材料配合比为矿渣∶ 高钙粉煤灰渣 30∶ 70; 40∶ 60; 50∶ 50; 60∶ 40。2 4 种 水胶比 0. 28; 0. 30; 0. 33; 0. 36。3 4 种减水剂掺量 0. 7; 1. 0; 1. 5; 2. 0。4 4 种砂率 30; 33; 35; 38。5 两种粗骨料 石灰石与花岗岩。6 两种砂 河砂与海砂。7 两种高效减水剂 Z1 与Z2。共进行 了 16次基本试验与 3次补充试验 。 2. 1 基本试验 使用 L16 4 4 2 3 正交表 2. 1. 1 试验方法及因素水平表 因素水平表见表 3。 表 3 因素水平表 水平因 素 ABCDEFG 水胶比矿渣∶ 粉煤灰减水剂掺量 砂率 粗骨料种类细骨料种类减水剂种类 10. 3630∶ 700. 730石灰石河砂Z1 20. 3340∶ 601. 033花岗岩海砂Z2 30. 3050∶ 501. 535 40. 2860∶ 402. 038 2. 1. 2 试验原材料及配合比 1 原材料 碱- 矿渣-高钙粉煤灰渣胶凝材料 由作者自 行配制 ,其中矿渣为武汉钢铁公司生产的粒化高炉 渣,粉煤灰渣为湖北汉川电厂生产的一级高钙粉煤 灰渣 ,固体碱激发剂由NaOH 与 Na2CO3按一定比例 粉磨而成 。 高效减水剂 Z1为 FDN ,Z2为三己醇胺复合剂。 砂 河砂 , 湖北云梦产, 细度模数为 2. 67; 海砂 为大连产 ,细度模数为 2. 78。 石 石灰石为湖北京山产, 压碎指标为 12. 1; 花岗岩为湖北大悟产 ,压碎指标为 13. 9。两种碎 石的粒径范围均为 5～ 20mm。 2 配合比 配合比按以下原则设计 胶凝材料总量固定为 460kg m 3 ,根据选定的质量比确定矿渣与高钙粉煤 灰用量; 根据水胶比确定单位用水量; 根据因素表中 的要求确定高效减水剂的掺量; 根据砂率确定砂和 石的用量 。 下转第 18 页 12 工业建筑 2003 年第 33 卷第 8期 2 由图 2 可以看出, 强度随着水泥用量的增加 而提高,但当水泥用量较大时 ,由于受粉煤灰细度的 影响 ,强度提高减缓 。 3 由试验可以得出 稍加粉磨后的原状粉煤灰 , 即使细度不够高 ,但粉磨后其表面积增加 ,粒形 、 颗 粒级配等方面都比加工前均匀, 活性提高 。但对混 凝土早期强度的贡献低于水泥 ,随着龄期的增长, 粉 煤灰对混凝土后期强度的提高是明显的 。 4 高性能混凝土用砂一般应大于等于 2. 60 [ 1] , 砂率一般为 34～ 45。由于本地的混凝土用砂 大都为细度模数为 1. 60 的细砂 ,故本试验采用30 的低砂率,试验证明 细度模数为1. 60的细砂完全可 图 2 单位用水量 160 kg 时强度与水泥用量的关系 以配制高性能混凝土。 4 结 论 1 配制 60～ 70 MPa 的混凝土 ,水泥用量不宜超 过 450 kg。 2 稍加粉磨后的原状粉煤灰,即使细度不够高, 对混凝土的后期强度的提高也是十分有利的, 并且 在一定范围内随掺量的增加而提高 ; 但早期强度较 低 与基准混凝土比较 。 3 细度模数较小的细砂同样可以用来配制高性 能混凝土 。 4 从试验结果可以得出, 利用邯郸本地材料配 制高强、大流动性的混凝土是完全可以实现的。 参考文献 1 吴中伟, 廉惠珍. 高性能混凝土. 北京 中国铁道出版社, 1999 2 项翥行. 建筑工程常用材料试验手册. 北京 中国建筑工业出版 社, 1998 3 蔡正咏, 王足献. 正交设计在混凝土中的应用. 北京 中国建筑工 业出版社, 1985 上接第 12页 2. 2 L16 4 4 2 3 正交试验及结果分析 应该特别指出的是 绿色高性能混凝土的工作 性不能用单一的坍落度指标来评价 [ 4] 。本试验采用 L -型流变仪 ,用坍落度 Ls与扩展值 Lf两个指标评 价混凝土的工作性。 正交试验结果表明 1 影响绿色高性能混凝土 工作性的因素按由大到小的顺序为 A 水胶比 ※B 矿渣与粉煤灰的质量比 ,为方便起见, 以粉煤灰的 质量百分比表示 ,下同 ※C 减水剂掺量※ G 减水 剂种类 ※ D 砂率 ※ E 粗骨料种类 ※F 细骨料种 类 。2 影响绿色高性能混凝土 28d 抗压强度的因 素按由大到小的顺序为 B ※A ※ C ※E ※D ※ F ※ G 。 3 当水胶比为0. 33,粉煤灰掺量为 60 矿渣∶ 高钙 粉煤灰渣 40∶ 60 , 减水剂掺量为 1. 5, 砂率为 35时, 混凝土的 28d 抗压强度最高 , 工作性良好 。 减水剂种类对混凝土的 28d 抗压强度并无显著影 响,但对工作性有较大的影响 ; 粗骨料种类对工作性 无显著影响 ,但对 28d 抗压强度有较大的影响; 细骨 料种类对工作性和 28d 抗压强度均无显著影响。 2. 3 补充试验 由以上分析 , 将减水剂固定为 Z1, 粗骨料固定 为花岗岩 ,细骨料固定为河砂 ,其他材料用量如表 3 所列 。补充试验及其结果见表 4。 可见 ,补充试验的结果验证了正交试验的结论 。 表 4 补充试验结果 编号AB C D Lf cmLs cm强度 MPa 170. 33601. 5357023. 185. 1 180. 33601. 5357323. 891. 3 190. 30501. 0337725. 787. 6 3 结 论 1 绿色高性能混凝土应以耐久性为主要设计技 术指标, 在此基础上研究其工作性和强度更有价值。 2 绿色高性能混凝土因其渗透性低, 具有优良 的孔结构 ,以及矿渣与高钙粉煤灰渣的有效抑制作 用, 因此不会产生导致膨胀性破坏的碱集料反应 。 3 当水胶比为 0. 33,矿渣与高钙粉煤灰渣的质 量比为 40∶ 60 ,砂率为 35 ,减水剂掺量为 1. 5时, 绿色高性能混凝土的 28d 强度最高,工作性良好 。 4 绿色高性能混凝土充分利用工业废渣, 强调 混凝土的绿色含量 ,为混凝土的可持续发展探明了 一条新途径。 参考文献 1 吴中伟, 廉慧珍. 高性能混凝土. 北京 中国铁道出版社, 1999. 62 ～ 103 2 朱平华, 陈华建. 绿色高性能混凝土研究 1 . 武汉理工大学学报, 2002 10 3 马保国, 朱平华, 黄立付. 固体碱激发制备碱-矿渣-高钙粉煤灰 渣胶凝材料的研究. 武汉理工大学学报, 2000 5 4 杨 静, 覃维祖, 吕建锋. 评价高性能混凝土工作性的新方法. 工 业建筑, 1998, 28 4 5～ 9 5 王启宏. 材料流变学. 北京 中国建筑工业出版社, 1985. 81～ 94 18 工业建筑 2003 年第 33 卷第 8期