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        硫鋁酸鹽水泥基高性能混凝土的制備及性能研究*

        2021-10-14 01:04:10閔紅霞
        功能材料 2021年9期
        關(guān)鍵詞:混凝土質(zhì)量

        閔紅霞

        (重慶城市科技學(xué)院 建筑管理學(xué)院,重慶 402167)

        0 引 言

        隨著我國社會(huì)主義現(xiàn)代化的發(fā)展,城市化率不斷提高,混凝土已經(jīng)成為了現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展中必不可少的一部分[1-5]。通?;炷涟凑漳z凝材料分類可分為兩大類:有機(jī)膠凝材料混凝土和無機(jī)膠凝材料混凝土,常見的有機(jī)混凝土有瀝青混凝土、聚合物水泥混凝土、樹脂混凝土和聚合物浸漬混凝土等。無機(jī)膠凝混凝土也是最常用的混凝土,主要有灰硅質(zhì)膠凝材料混凝土、硅酸鹽水泥系混凝土、鈣鋁水泥系混凝土和石膏混凝土等。憑借著可塑性強(qiáng)、握裹力好、安全性高以及優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)性能等特點(diǎn),混凝土在土木工程、建筑材料、交通建筑以及隧道橋梁等均已經(jīng)廣泛應(yīng)用[6-8]。雖然混凝土有著很多的優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也存在一定的缺陷,例如延展性較差、熱導(dǎo)率較大以及抗拉強(qiáng)度低等,這些缺點(diǎn)在一定程度上限制了混凝土的應(yīng)用[9-11]?;炷列阅艿牟町愔饕Q于水泥性能的差異,而水泥性能的好壞跟體系的組成和配比有著密不可分的關(guān)系[12-17]。硅酸鹽系列水泥具有早期強(qiáng)度高、凝結(jié)硬化快、抗凍性好等特性而常用于預(yù)制和現(xiàn)澆的混凝土工程,硫鋁酸鹽水泥具有高抗凍性能、耐蝕性能及高抗?jié)B性能等特點(diǎn)常用于搶修搶建工程、預(yù)制構(gòu)件、低溫施工工程、抗海水腐蝕工程等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,輕質(zhì)、高強(qiáng)度、多功能的混凝土必然是發(fā)展趨勢(shì),人們對(duì)于混凝土的強(qiáng)度及綜合性能也提出了更高的要求。對(duì)于改善水泥性能而言,復(fù)合化是非常有效且簡(jiǎn)便的一種辦法。通過調(diào)整水泥的配比以及熟料礦物的組成,可以實(shí)現(xiàn)將多種水泥優(yōu)點(diǎn)集于一體的復(fù)合混凝土體系[18-21]。近年來越來越多的研究者開始關(guān)注硫鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合體系的研究,徐曉婉研究了普通硅酸鹽水泥、聚羧酸減水劑及礦物摻合料對(duì)普通硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合體系的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、膠砂抗折抗壓強(qiáng)度、砂漿干縮率及水化放熱的影響,結(jié)果表明,在硫鋁酸鹽水泥中摻入普通硅酸鹽水泥會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增大,當(dāng)普通硅酸鹽水泥摻量較小時(shí),凝結(jié)時(shí)間減小,過大時(shí)凝結(jié)時(shí)間增大;聚羧酸減水劑使標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量減少,凝結(jié)時(shí)間縮短。其中減水劑摻量為1.0%時(shí),標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量最小,凝結(jié)時(shí)間最短;隨著礦物摻合料摻量的增加,會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量逐漸增大,凝結(jié)時(shí)間逐漸延長[22]。Zhang X等采用新型試驗(yàn)方法研究了不同復(fù)配合比例的硅酸鹽-硫鋁酸鹽水泥混合體系漿液黏度時(shí)變特性和凝結(jié)變形特性,結(jié)果表明,硅酸鹽-硫鋁酸鹽復(fù)配水泥體系水化過程中出現(xiàn)相互促進(jìn)和水化疊加效應(yīng),水泥水化和凝結(jié)速度加快。水泥漿液儲(chǔ)能模量存在有明顯誘導(dǎo)期,加速期和穩(wěn)定期,呈現(xiàn)出“S”型變化趨勢(shì),且水泥水化進(jìn)入穩(wěn)定期時(shí)存在結(jié)構(gòu)突變現(xiàn)象[23]。

        本文采用硫鋁酸鹽水泥,根據(jù)設(shè)計(jì)配比,配制了硫鋁酸鹽水泥基高性能混凝土,探究了硫鋁酸鹽水泥不同摻量(0,3%,6%和9%)對(duì)高性能混凝土微觀形貌、力學(xué)性能和耐久性能等的影響。

        1 實(shí) 驗(yàn)

        1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

        硫鋁酸鹽水泥:化學(xué)組成主要為8.157%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SiO2,25.412%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Al2O3,3.014%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Fe2O3,45.97%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的CaO,1.365%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的MgO,13.972%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SO3,0.36%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的K2O,1.75%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的TiO,武漢吉業(yè)升化工有限公司;硅酸鹽水泥:20.92%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SiO2,5.01%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Al2O3,2.77%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Fe2O3,66.74%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的CaO,1.41%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的MgO,1.66%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SO3,1.08%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的K2O,0.07%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Na2O,0.34%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的TiO,武漢吉業(yè)升化工有限公司;粉煤灰:南京熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)灰,徑粒在9~10μm之間;S95級(jí)礦渣粉:河北友勝耐火材料有限公司;脫硫石膏:武漢吉業(yè)升化工有限公司。

        1.2 樣品制備

        水泥砂漿的成型按照國標(biāo)《水泥膠砂強(qiáng)度》(GB/T17671 1991 )的要求進(jìn)行操作。按照設(shè)計(jì)配比稱取硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、粉煤灰、礦渣、石膏、實(shí)驗(yàn)用自來水及外加劑制備樣品,待試樣制備成型后,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24 h 后,拆模并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù) 3和28 d,待養(yǎng)護(hù)完成后,即測(cè)試樣品的抗壓強(qiáng)度。硫鋁酸鹽水泥基高性能混凝土的設(shè)計(jì)配比如表1所示。

        表1 硫鋁酸鹽水泥基高性能混凝土的設(shè)計(jì)配比Table 1 Design ratio of sulphoaluminate cement based high performance concrete

        2 結(jié)果與討論

        2.1 XRD分析

        圖1為不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土3和28 d的XRD圖譜。從圖1(a)可以看出,摻雜硫鋁酸鹽水泥的高性能混凝土與未摻雜對(duì)比,鈣礬石(AFt)的衍射峰逐漸增強(qiáng),當(dāng)水泥拌水到初凝,C3S與水迅速反應(yīng)生成飽和CH溶液,因此可發(fā)現(xiàn)圖中CH衍射峰最強(qiáng),當(dāng)硫鋁酸鹽水泥的摻量為6wt%時(shí),AFt衍射峰最強(qiáng),說明硫鋁酸鹽水泥在3 d已經(jīng)發(fā)生了水化反應(yīng),水泥熟料中的高硅酸三鈣(C3S)與石膏迅速反應(yīng),形成鈣礬石晶體,一般水化反應(yīng)超過1d后可達(dá)最大值。當(dāng)硫鋁酸鹽水泥摻量為9wt%時(shí),圖譜中未出現(xiàn)CH峰,說明硫鋁酸鹽水泥摻量較多的情況下,已無Ca(OH)2結(jié)晶生成。從圖1(b)可以看出,隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加,CH的衍射峰逐漸降低,AFM的衍射峰均增強(qiáng),這是因?yàn)閺某跄?,石膏含量逐漸消耗殆盡,AFt會(huì)轉(zhuǎn)化成AFm,因此AFM衍射峰增強(qiáng),水化產(chǎn)物數(shù)量不斷增加,高性能混凝土的結(jié)構(gòu)變得更加致密。

        圖1 不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土3和28 d的XRD圖譜Fig 1 XRD patterns of HPC with different content of sulphoaluminate cement at 3 and 28 d

        2.2 SEM分析

        圖2為硫鋁酸鹽水泥復(fù)合體系28 d的SEM圖。從圖2可以看出,所有試樣中的六方板狀的Ca(OH)2均比較厚,且呈現(xiàn)出片層狀,當(dāng)未摻雜硫鋁酸鹽水泥時(shí),整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出致密結(jié)構(gòu),而隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加,整體的密度有變得蓬松的趨勢(shì),這是由于CH是水泥石中最易受侵蝕的物質(zhì),當(dāng)水泥初凝時(shí),CH會(huì)很快達(dá)到飽和狀態(tài),而當(dāng)28 d時(shí),AFt轉(zhuǎn)化AFm已完成,C-S-H凝膠形成的覆蓋層會(huì)減緩水泥的水化作用,并且由于CH的層狀結(jié)構(gòu),層間連接較弱,易產(chǎn)生層狀解理,當(dāng)硫鋁酸鹽水泥摻量過多時(shí),在受力過程中會(huì)出現(xiàn)裂縫,并且某些侵蝕離子會(huì)在此聚集,反而對(duì)試樣的強(qiáng)度有減弱趨勢(shì)。

        圖2 不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土28 d的SEM圖Fig 2 SEM images of HPC with different content of sulphoaluminate cement in 28 d

        2.3 TG-DTG分析

        對(duì)不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土試樣采用綜合熱分析儀進(jìn)行測(cè)試分析,在氮?dú)獗Wo(hù)下,室溫條件下升溫速率設(shè)為5 ℃/min,溫度范圍選定為25~1 050 ℃。

        圖3為不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土的TG-DTG曲線。從圖3可以看出,在0~400 ℃出現(xiàn)了明顯的質(zhì)量損失,這是由于AFt中水分的蒸發(fā)所導(dǎo)致的,當(dāng)溫度處于400~500 ℃時(shí),對(duì)應(yīng)的吸熱峰為CH的吸熱峰,當(dāng)溫度處于550~700 ℃時(shí),C-S-H凝膠發(fā)生水分蒸發(fā)出現(xiàn)了失重,隨著硫鋁酸鹽摻量的增加,CH的含量會(huì)增加,提高了前期的水化放熱能力,因此失重峰與硫鋁酸鹽水泥的摻量呈現(xiàn)出正比關(guān)系。

        圖3 不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土的TG-DTG曲線Fig 3 TG-DTG curves of HPC with different content of sulphoaluminate cement

        2.4 力學(xué)性能分析

        水泥砂漿力學(xué)性能測(cè)試按照國標(biāo)《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T17671 1999 的要求進(jìn)行操作,采用NYL-2000D液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)連續(xù)均勻地對(duì)試件進(jìn)行加載,加載速度為0.4 MPa/s。

        圖4和表2分別為不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土在3和28 d的抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度值。從圖4和表2可以看出,隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加,所有試樣的抗壓強(qiáng)度在3和28 d均得到了明顯的提高,呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著硫鋁酸鹽水泥的加入,提高了早期水化反應(yīng)的速率,降低了體系的自由水含量,使前期的強(qiáng)度有了明顯的增強(qiáng)。對(duì)比3和28 d的抗壓強(qiáng)度發(fā)現(xiàn),當(dāng)硫鋁酸鹽水泥的摻量為9%時(shí),試樣的抗壓強(qiáng)度均為最高,且在28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值41.1 MPa,相比3 d的34.3 MPa,增加了19.83%,但是當(dāng)硫鋁酸鹽水泥摻量過多時(shí),會(huì)產(chǎn)生較多的產(chǎn)物及侵蝕離子,影響了高性能混凝土的強(qiáng)度,對(duì)比28 d時(shí)0和3%試樣可發(fā)現(xiàn),強(qiáng)度增加了7.72%,對(duì)比6%與9%試樣,強(qiáng)度增強(qiáng)了7.44%,發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度的增幅隨硫鋁酸鹽水泥摻量的增加而降低。

        圖4 不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土3和28 d的抗壓強(qiáng)度Fig 4 Compressive strength of HPC with different content of sulphoaluminate cement at 3 and 28 d

        表2 高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度值Table 2 Compressive strength of high performance concrete

        2.5 耐久性分析

        為研究不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土的耐久性及侵蝕性能,稱取無水硫酸鈉配置濃度為8wt%的硫酸鹽腐蝕溶液,將試樣放入腐蝕溶液中,并用保鮮膜進(jìn)行封裝,腐蝕時(shí)間為28和90 d,隨后對(duì)試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試,并對(duì)比分析。

        圖5和表3分別為不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土28和90 d的強(qiáng)度損失率和強(qiáng)度損失值。從圖5和表3可以看出,在經(jīng)過腐蝕液腐蝕28和90 d后,未摻雜硫鋁酸鹽水泥的試樣強(qiáng)度損失最小,隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加,強(qiáng)度損失逐漸增加,當(dāng)硫鋁酸鹽水泥的摻量為9%時(shí),腐蝕90 d強(qiáng)度的損失率達(dá)到了最大值10.3%,分析其原因?yàn)榱蜾X酸鹽水泥引入后,漿體中的填料成分減少,孔隙率增加,密度減小,使得腐蝕性溶液更容易進(jìn)入基體,從而降低了高性能混凝土的耐久性能。

        圖5 不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土28和90 d的強(qiáng)度損失率Fig 5 Strength loss rate of HPC with different content of sulphoaluminate cement at 28 and 90 d

        表3 不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土28和90 d的強(qiáng)度損失值Table 3 Strength loss of HPC with different content of sulphoaluminate cement at 28 and 90 days

        3 結(jié) 論

        XRD分析表明,隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加,鈣礬石(AFt)衍射峰逐漸增強(qiáng),水化反應(yīng)加快,不同硫鋁酸鹽水泥摻量的高性能混凝土的結(jié)構(gòu)變得更加致密。SEM分析發(fā)現(xiàn),所有試樣中的六方板狀的Ca(OH)2均比較厚,且呈現(xiàn)出片層狀,整體結(jié)構(gòu)的致密性比較接近,而隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加,整體的密度有變得蓬松的趨勢(shì),當(dāng)摻量過多時(shí),在受力過程中會(huì)出現(xiàn)裂縫,并且某些侵蝕離子會(huì)在此聚集,反而對(duì)試樣的強(qiáng)度有減弱趨勢(shì)。TG-DTG分析可知,隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加,CH的含量增加,前期的水化放熱能力得到提高,失重峰與硫鋁酸鹽水泥的摻量呈現(xiàn)出正比關(guān)系。力學(xué)性能分析表明,隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加,在3和28 d時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),當(dāng)硫鋁酸鹽水泥的摻量為9wt%時(shí),試樣的抗壓強(qiáng)度在28 d達(dá)到了最大值41.1 MPa,相比3 d增加了19.83%,但對(duì)比發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度的增幅隨硫鋁酸鹽水泥摻量的增加而降低。侵蝕分析發(fā)現(xiàn),隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加,試樣的強(qiáng)度損失逐漸增加,耐久性變差,當(dāng)硫鋁酸鹽水泥的摻量為9wt%時(shí),腐蝕90 d的強(qiáng)度損失率達(dá)到了最大值10.3%。

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