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0.2水胶比下偏高岭土改性砂浆抗压强度研究

更新时间:2016-07-05

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近些年,超高性能混凝土正受到极大研究和关注,并在重要工程中发挥重大作用。超高性能混凝土(UHPC)的水灰比极低,通常低于0.25,甚至能够低至0.12。UHPC的主要组成元素是水泥、活性粉末以及细骨料,同时加入少量钢纤维以提高基体的抗折强度。活性粉末的作用是填充基体的空隙,并与水泥水化产物氢氧化钙发生二次活性反应,能够显著提高混凝土的强度,因此UHPC也称为活性粉末混凝土。最常用的活性粉末材料是硅灰,其高比表面积和高活性是其能够成为UHPC活性填充料的重要因素。

除硅灰外,还有一些活性材料应用到UHPC中也可使混凝土具备良好的力学和耐久性能。比如说将高岭粘土在600℃-900℃下煅烧可制得偏高岭土(MK),同硅灰类似,偏高岭土也具备极高的比表面积和优异的火山灰活性。有很多研究表明MK的活性甚至要优于硅灰[1]。Tafraoui等[2]利用MK制作UHPC,在不同温度下养护,都获得了优异的力学性能。但总体上MK在UHPC中的应用研究还非常少,水化性能和微观机理也不清楚。

很多研究都表明由于UHPC水灰比较低,其水泥水化程度只有30%-40%,未水化水泥颗粒只能充当昂贵的填充料[3]。为节约能源和保护环境,很多研究人员用其他廉价矿物掺和料替代部分水泥。Huang[4]等利用石灰粉替代UHPC中的部分水泥,结果表明UHPC性能同样可以得到较好保持。但是MK和其他矿物掺和料复掺对UHPC性能影响的研究目前还非常匮乏。

鉴于上述研究现状,本文研究0.2水灰比下偏高岭土对水泥砂浆不同龄期抗压强度的影响,除MK外,用粉煤灰(FA)或石灰石粉(LS)替代部分水泥。希望通过本研究对MK在UHPC中的应用提供一定的试验依据。

1 试验

1.1 原材料

本试验采用P.I42.5型基准硅酸盐水泥(C),进口偏高岭土(MK),一级粉煤灰(FA),国标425目石灰石粉(代号LS,CaCO3含量大于95%),聚羟酸系高性能减水剂(SP),强度检验用标准砂(S)。主要原材料的化学组成如表1所示。

“易非大人,稍安勿躁,让老臣先替您尝尝,看有没有毒……”话还未说完,他便装作一副毒发身亡的样子,倒在了沙发上。

(3)从两种系列砂浆抗压强度结果可知,若要制得高强度砂浆试样,偏高岭土掺量应在20%左右,28d时CFA20和CLF20抗压强度分别达到79.4MPa和77.1MPa。

1.2 试验程序

试验共分2个系列,水泥+粉煤灰系列(CFA)和水泥+粉煤灰+石灰石粉系列(CLF)。在每种系列中,粉煤灰或碳酸钙掺量固定为15%,并按不同比例掺入偏高岭土,具体配合比如表2所示。其中减水剂掺量根据砂浆流动度达到230±20mm来确定。

表1 原材料化学元素组成

RawmaterialSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Na2OTiO2K2OILSpecificsurfacearea(m2/kg)C21.904.473.5564.032.902.450.553//1.28349MK52.9643.050.66/0.410.49/1.470.1511.172500FA36.1919.6714.9620.172.452.070.88/2.820382

表2 试样配合比

SpecimensC(%)FA(%)LS(%)MK(%)SP(%)B/SW/BCFA008515000.810.2CFA058015050.810.2CFA107515010110.2CFA1570150151.210.2CFA2065150203.110.2CLF0070151500.510.2CLF0565151550.610.2CLF10601515100.810.2CLF15551515151.010.2CLF20501515204.110.2

利用行星式砂浆搅拌机对原材料进行搅拌,为充分拌匀,先对除水外的所有干燥材料慢速搅拌2min,后加入水继续搅拌直至材料呈现塑性状态,再快速搅拌3min和慢速搅拌2min出锅,并成型40×40×160mm砂浆试样,在20℃养护箱中密封养护24h脱模,后将其放入20℃水中养护至指定龄期测试其抗压强度。

1.3 试验结果

测试各试样3、7、14和28d的抗压强度,结果如图1和图2所示。

图1 CFA系列抗压强度

2 分析和讨论

①在施工期间,技术人员应严格检查混凝土材料的质量,针对浇筑混凝土、搅拌混凝土以及振捣混凝土等环节针对性的采用施工技术。②在灌注桩施工期间,施工人员应针对制定位置使用专门的管材。③浇筑混凝土时,应确保导管底部与钻孔之间的距离保持为500mm,且相关工作人员应在浇筑混凝土之前完成内部水分的试验工作,严格控制混凝土的浇筑时间,确保成品的质量水平。

式中,α为指数加权因子,决定背景估计值的稳定性。背景估计值由两部分构成,一部分是先前的背景估计值,另一部分是当前的回波。动目标回波信息表示式与式(3)相同,从表达式可以看出,指数加权法具有脉冲对消法和背景相消法的特点,通过加权因子对高频变化量进行了平滑处理,因而该算法具有适应性,只要适当调节指数加权因子α可以获得最优探测结果。对于该算法,通过改写其背景估计值表示式:

本文研究偏高岭土对复掺粉煤灰和碳酸钙的0.2水灰比砂浆抗压强度影响,得到如下结论:

图2 CLF系列抗压强度

图2为CLF系列抗压强度结果,与CFA系列不同的是,CLF系列的抗压强度并不完全随MK掺量的提高而增加。CLF00和CLF05在各龄期强度相差不大,且在14d后强度有一明显增长,这主要是由于FA与LF的协同效应在起作用,研究表明LF可与FA或MK中的铝相发生活性反应[7],进一步消耗Ca(OH)2。而CLF10和CLF15在7d时强度就有明显增长,这主要是因为偏高岭土的活性反应,14d后的强度增长则要归因于FA的活性反应。需要注意的是,CLF10抗压强度在各龄期增长都较为缓慢,这可能是由于MK掺量较少导致早期MK活性反应较低,后期FA活性较其他组更为滞后。因此FA和MK复掺时,若MK掺量较低时后期FA活性反应会较为明显;若MK掺量较高时,早期MK活性反应会较为明显,而后期FA的活性反应仍会占据主导地位,这可能是由于水化早期FA颗粒存储了一部分自由水,从而保证了水化后期的活性反应。

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由图1、2可知CFA20和CLF20的3d抗压强度明显偏低,这是因为这两组试件在拌合时掺加的减水剂较多导致早期活性反应明显滞后。

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高MK掺量时,7d之前强度增长非常明显,说明MK与水泥水化产物Ca(OH)2发生了较为明显的活性反应,但14d和28d强度增长不再明显,并且28d抗压强度较14d时还有略微下降。这主要是因为超低水灰比下水泥水化程度很低,导致可用的Ca(OH)2数量也下降严重;另外水化后期由于自由水数量锐减导致MK活性反应与水泥水化相冲突,两者会争夺自由水而使反应降低[6]。正是这两方面的原因致使CFA15和CFA20的14d和28d抗压强度增长极为缓慢。而低掺量MK砂浆后期抗压强度还在持续增长,尽管增长幅度不大,这说明此时浆体中仍然有可供反应的自由水。

(1) 单掺粉煤灰时,砂浆抗压强度随偏高岭土掺量增加而提高,并且高偏高岭土掺量试样14d后强度增长非常缓慢;

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本文中,用角散径向衍射技术在准静水压环境以He作为传压介质研究压力加到47 GPa,得到了压力-体积(P-V)压缩曲线.此外,利用角散径向衍射技术研究了铬到68 GPa的强度.

(2) 复掺粉煤灰和碳酸钙时,低掺量偏高岭土时粉煤灰的活性反应起主要作用,高掺量偏高岭土时早期MK活性反应起主要作用,后期粉煤灰活性反应较为明显;

[32] 《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议》,北京:人民出版社,2010年。

参考文献

图1CFA系列抗压强度结果表明,随MK掺量增加抗压强度随之增长,但低MK掺量下(5%-10%)强度增长较为缓慢,而高MK掺量(15%-20%)时,强度增长极为明显。出现这种现象主要有两方面原因:(1)MK填充效应和(2)MK与Ca(OH)2活性反应。低掺量时由于MK数量较少,不能完全填充水泥和骨料颗粒之间的空隙故早期强度较CFA00增长并不明显;而正是由于浆体中MK数量少,导致其与水化产物接触面积小,MK的活性不能得到充分激发,后期强度也没有明显增长[5]

[1] Jiang G.,Zhidan Rong, Wei Sun. Effects of metakaolin on mechanical properties, pore structure and hydration heat of mortars at 0.17 w/b ratio[J]. Construction and Building Materials, 2015, 93: 564-572.

[2] Tafraoui A., G. Escadeillas, S. Lebaili, et al. Metakaolin in the formulation of UHPC[J]. Construction and Building Materials, 2009, 23: 669-674.

[3] Korpa A., T. Kowald, R. Trettin. Phase development in normal and ultra-high performance cementious systems by quantitative X-ray analysis and thermoanalytical methods[J]. Cement and Concrete Research, 2009, 39(2): 69-76.

[4] Huang W., H. Kazemi-Kamyab, Wei Sun, et al. Effect of cement substitution by limestone on the hydration and microstructural development of ultra-high performance concrete (UHPC)[J]. Cement and Concrete Composites, 2017, 77: 86-101.

[5] 乔春雨,倪文,王长龙.较大偏高岭土掺量下偏高岭土-水泥硬化浆体性能与微观结构[J].建筑材料学报,2015,18(3): 393-399.

[6] Huang W., H. Kazemi-Kamyab, Wei Sun, et al. Effect of replacement of silica fume with calcined clay on the hydration and microstructural development of eco-UHPFRC[J]. Materials and Design, 2017, 121: 36-46.

[7] Antoni. M, J. Rossen, F. Martirena, et al. Cement substitution by a combination of metkaolin and limestone[J]. Cement and Concrete Research, 2012, 42:1579-1589.

莫宗云,周慧文,白力改,宋雪峰,王振武
《北华航天工业学院学报》2018年第1期文献

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