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摻偏高嶺土對(duì)砂漿新拌性能及力學(xué)性能研究

2019-12-23 03:24
福建質(zhì)量管理 2019年22期
關(guān)鍵詞:高嶺土水膠立方體

(廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

一、引言

依托我國(guó)國(guó)情,伴隨著社會(huì)主義初級(jí)階段過(guò)程中大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),我國(guó)混凝土年產(chǎn)量在25億噸的基礎(chǔ)上,每年仍以7% 左右的速度増長(zhǎng)。在生產(chǎn)混凝土的過(guò)程中,其最重要的組分之一——水泥是一種非環(huán)境友好型的材料,據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)[1]每生產(chǎn)1噸水泥熟料就會(huì)向大氣中排放大約0.8~1.2噸的CO2,全世界因水泥生產(chǎn)而向大氣中排放的CO2化約占全球5%~8%的溫室氣體排放量[2,3]。為了保護(hù)我們的生產(chǎn)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)國(guó)家和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,減少水泥用量就成為了一個(gè)刻不容緩的研究問(wèn)題。

偏高嶺土[4](Metakaolin,簡(jiǎn)稱MK)是以高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O,簡(jiǎn)稱AS2H2)為原料,在合適溫度(500℃~900℃)下經(jīng)鍛燒脫水形成的無(wú)水硅酸鉛(Al2O3·2SiO2,AS2),這種硅酸鋁鹽主要以無(wú)定型的形式存在,能與氫氧化鈣反應(yīng)生成具有強(qiáng)度的水化產(chǎn)物。在國(guó)內(nèi)外已有的研究中顯示,偏高嶺土作為輔助膠凝材料,因具有優(yōu)異的火山灰活性,能夠顯著提高水泥制品的早期強(qiáng)度,且在后期對(duì)強(qiáng)度也有較高的改善作用;相對(duì)于硅灰,偏高嶺土有一定的微膨脹作用能夠補(bǔ)償混凝土的早期收縮;此外,偏高嶺土可有效減輕混凝土拌合物的泌水現(xiàn)象,加速水泥的水化進(jìn)程,提高混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度,從而增強(qiáng)構(gòu)件的抗?jié)B性能、耐久性能。

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)高嶺土的資源儲(chǔ)量豐富,排在世界的第五位,己探明的高嶺土儲(chǔ)量在30億噸左右。從礦石的成分上來(lái)看,國(guó)內(nèi)的高嶺土礦石中Al2O3含量(品位)一般為20%左右,最高可達(dá)38%以上。從開(kāi)采程度上看,地質(zhì)礦產(chǎn)部《我國(guó)建材非金屬礦產(chǎn)資源對(duì)2010年國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)保證程度論證報(bào)告》指出,1992年至2010年全國(guó)高嶺土礦石累計(jì)需求量和可采儲(chǔ)量比為1:6.9,至2020年預(yù)計(jì)該比值也僅為1:3.7,這表明著我國(guó)對(duì)高嶺土的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用都還處于起步階段,我國(guó)在對(duì)高嶺土進(jìn)行加工應(yīng)用研究和利用高嶺土開(kāi)發(fā)新材料方面的技術(shù)水平與國(guó)外相比差距明顯,如果將偏高嶺土廣泛應(yīng)用于我國(guó)建筑行業(yè),可以為我國(guó)減少大量的水泥用量,緩解環(huán)境污染,資源浪費(fèi),幫助我國(guó)早日實(shí)現(xiàn)真正意義上的可持續(xù)發(fā)展。此外,偏高嶺土還可以顯著提高混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度等級(jí)和耐久性能,提高建筑物和構(gòu)筑物的抗震性能,延長(zhǎng)其使用壽命,減少維護(hù)經(jīng)費(fèi)。然而目前為止,我國(guó)還沒(méi)有在任何大型項(xiàng)目中運(yùn)用偏高嶺土,這主要是由于國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范的缺失和施工經(jīng)驗(yàn)的不足。綜上所述當(dāng)前我國(guó)工程界急需對(duì)偏高嶺土有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí),加速其應(yīng)用于工程項(xiàng)目中的進(jìn)程,從而使工程更符合綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展方針。

二、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(一)試驗(yàn)原材料

水:采用本地自來(lái)水,比重1.00。

水泥:采用中國(guó)廣州石井水泥公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥。強(qiáng)度等級(jí)為42.5,比重為3.11,比表面積為1.55×106m2/m3。

細(xì)骨料:采用普通河砂。比重為2.66,細(xì)度模數(shù)1.5,質(zhì)量吸水率為1.10%,含水率0.04%,比表面積為2.16×104m2/m3,最大粒徑1.18mm。

偏高嶺土:某企業(yè)提供的偏高嶺土

減水劑:采用巴斯夫有限公司提供的第三代聚羧酸高效減水劑,比重1.03,含固量20%。

(二)配合比設(shè)計(jì)

通過(guò)結(jié)合參考文獻(xiàn)及試配,確定減水劑的用量及砂漿配合比。本試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)如下表1所示:

表1 碳纖維水泥砂漿配合比設(shè)計(jì)

(三)試驗(yàn)方案

本研究將分為兩個(gè)階段,第一階段新拌性能研究,包括:迷你坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)、石棒粘附性試驗(yàn);第二階段力學(xué)性能研究,軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),共三個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行:

1.迷你坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)

將迷你坍落度筒放于水平、光滑的鋼板或者其它硬質(zhì)底板中心之上;把砂漿倒入迷你坍落度筒中,直到迷你坍落度筒被完全填滿,用泥刀刮平頂部砂漿表面。接著輕輕抬起坍落度筒,使砂漿流動(dòng)和擴(kuò)展至少3分鐘。待砂漿拌合物流動(dòng)穩(wěn)定后,利用迷你坍落度筒和鋼尺測(cè)量坍落度筒頂面與砂漿最高點(diǎn)之間的高度差,即坍落度值,精確至1 mm。然后測(cè)得兩個(gè)相互垂直方向的直徑,精確至1 mm,算得兩者的平均值即為擴(kuò)展度值。注意觀察擴(kuò)展開(kāi)的砂漿形狀,如果偏離圓形,測(cè)得的兩直徑之差大于5cm,則應(yīng)另取試樣重新進(jìn)行試驗(yàn)。觀察最終坍落后的砂漿狀況,如發(fā)現(xiàn)最終擴(kuò)展后的砂漿邊緣有較多水析出,表示此砂漿拌合物抗離析性不好,應(yīng)測(cè)量析出的水環(huán)厚度,精確至1 mm。

2.石棒粘附性試驗(yàn)

利用電子稱稱得粘附性石棒測(cè)量器的重量m4。將砂漿拌合物倒入小桶中,隨后將粘附性石棒測(cè)量器插小桶中的砂漿中約8cm,并保持該狀態(tài)1分鐘。然后將粘附性石棒測(cè)量器緩慢并穩(wěn)定地從砂漿中拔出來(lái),置于支架上靜止2分鐘。隨后利用電子稱稱得粘附砂漿后的粘附性石棒測(cè)量器的重量m5。用石棒粘附量來(lái)表示砂漿拌合物的粘附性,其表達(dá)式如下:

式中:SRA——石棒粘附量,單位g/cm2,精確到0.01 g/cm2;

d—石棒的直徑,為1.9 cm;

l—石棒插入砂漿拌合物中的深度,為9.0 cm。

3.立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

待砂漿試件澆筑并養(yǎng)護(hù)28天后,對(duì)尺寸為70.7mm的砂漿立方體試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),加載裝置采用MATESTC088-01材料壓縮試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)采用每秒1MPa的加載速度連續(xù)均勻地加載。將試塊放入70.7mm砂漿抗壓夾具,待夾具上表面與試驗(yàn)機(jī)上壓板接觸后,試驗(yàn)機(jī)開(kāi)始讀數(shù),達(dá)到預(yù)壓荷載后讀數(shù)自動(dòng)歸零。試驗(yàn)正式開(kāi)始,觀察試驗(yàn)現(xiàn)象,記錄試件破壞時(shí)的荷載值。試件破壞后,加載會(huì)自動(dòng)停止,之后手動(dòng)保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確至0.1MPa。

三、試驗(yàn)結(jié)果與分析

(一)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)迷你坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)、石棒粘附性試驗(yàn),分別測(cè)得并計(jì)算出坍落度、擴(kuò)展度、石棒粘附量,從而判定摻偏高嶺土對(duì)砂漿新拌性能的影響;采用立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定偏高嶺土砂漿28d的抗壓強(qiáng)度,用以評(píng)定其力學(xué)性能;

按照上述試驗(yàn)方法對(duì)各組砂漿分別開(kāi)展新拌性能及力學(xué)性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 摻偏高嶺土水泥砂漿試驗(yàn)結(jié)果

說(shuō)明:X-Y中,X代表水膠比,Y表示偏高嶺土的摻量。

(二)試驗(yàn)結(jié)果分析

1.摻偏高嶺土對(duì)水泥砂漿坍落擴(kuò)展度的影響

不同水膠比組別砂漿試樣的坍落擴(kuò)展度隨著偏高嶺土摻量的變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 不同水膠比時(shí)擴(kuò)展度隨著偏高嶺土摻量的變化

由圖1可得,水膠比越高,擴(kuò)展度越好;在水膠比不變的情況下,隨著偏高嶺土摻量的增加,砂漿試樣的擴(kuò)展度整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。當(dāng)水膠比較低時(shí),隨著偏高嶺土摻量的增加,擴(kuò)展度的降幅均相對(duì)較大。例如,在水膠比為0.9,當(dāng)偏高嶺土摻量從0%增加到30%,擴(kuò)展度從291mm減小至175mm,降幅達(dá)39.9%;但在水膠比為1.5時(shí),當(dāng)偏高嶺土的摻量從0%增加到30%,擴(kuò)展度從394mm減小到388mm,降幅僅為1.5%。

2.摻偏高嶺土對(duì)水泥砂漿粘附性的影響

不同組別砂漿試樣的石棒粘附量隨偏高嶺土摻量的變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 不同水膠比時(shí)SRA隨著偏高嶺土摻量的變化

從圖2中可看出,水膠比越高,石棒粘附量越低。當(dāng)水膠比為0.9時(shí),隨著偏高嶺土摻量的增加,石棒粘附量的增幅達(dá)到117%。而當(dāng)水膠比較高時(shí),隨著偏高嶺土摻量的增加,石棒粘附量波動(dòng)范圍不超過(guò)0.2g/cm2,且呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3.力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

摻偏高嶺土砂漿立方體抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同水膠比時(shí)強(qiáng)度隨著偏高嶺土摻量的變化

由圖3可得,當(dāng)偏高嶺土摻量為10%時(shí),28天強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢(shì);當(dāng)摻量大于10%時(shí),28天強(qiáng)度出現(xiàn)明顯上升,且上升幅度較大,最大增幅在水膠比1.3,隨著偏高嶺土摻量從0%增加為30%,砂漿試塊強(qiáng)度時(shí)增幅為17.3%。

四、結(jié)論

通過(guò)迷你坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)、石棒粘附性試驗(yàn),測(cè)得并計(jì)算出擴(kuò)展度、石棒粘附量,從而判定摻偏高嶺土對(duì)砂漿新拌性能的影響;采用立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定偏高嶺土砂漿28天的抗壓強(qiáng)度,用以評(píng)定其力學(xué)性能;結(jié)合理論與計(jì)算結(jié)果得出以下結(jié)論:

(1)水膠比越高,砂漿的擴(kuò)展度越大;在水膠比不變的情況下,隨著偏高嶺土摻量的增加,砂漿試樣的擴(kuò)展度整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。試驗(yàn)證明,偏高嶺土的摻入,降低了砂漿的靜態(tài)流動(dòng)性。

(2)水膠比越高,石棒粘附量越低;當(dāng)水膠比為0.9時(shí),隨著偏高嶺土摻量的增加,石棒粘附量的增幅達(dá)到了117%。而當(dāng)水膠比較高時(shí),隨著偏高嶺土摻量的增加,石棒粘附量波動(dòng)范圍不超過(guò)0.2g/cm2,且呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在低水膠比時(shí),偏高嶺土的摻入,能大幅度提高砂漿的粘附性。整體而言,偏高嶺土的摻入,降低了砂漿的新拌性能。

(3)當(dāng)偏高嶺土摻量為10%時(shí),28天強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢(shì);當(dāng)摻量大于10%時(shí),28天強(qiáng)度出現(xiàn)明顯上升,且上升幅度較大,最大增幅在水膠比1.3,偏高嶺土摻量從0%增加為30%,砂漿試塊立方體抗壓強(qiáng)度增幅為17.3%。數(shù)據(jù)有效說(shuō)明,當(dāng)偏高嶺土摻量足夠時(shí),在砂漿中摻入偏高嶺土可以有效提高立方體抗壓強(qiáng)度。

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