掺石灰石粉自密实混凝土性能的研究

2005年第34卷 增刊施 工 技 术

C ONSTRUCTI ON TECH NO LOGY

掺石灰石粉自密实混凝土性能的研究

曹鹏飞,秦鸿根,庞超明

(东南大学,江苏南京 210018)

[摘要]研究了掺石灰石粉自密实混凝土的工作性能、力学性能和抗氯离子渗透性能。讨论了石灰石粉对高性能混

凝土的影响,试验结果表明石灰石粉提高了高性能混凝土的工作性能和早期抗压强度,同时能有效地降低高性能混凝土的自收缩性能。

[关键词]高性能混凝土;石灰石粉;性能[中图分类号]T U502;T U5281311

[文献标识码]A [文章编号]100228498(2005)S220035203

Study on Performance of Self 2compacting Concrete Mixed with Limestone 2powder

CAO Peng 2fei ,QI N Hong 2gen ,PAN G Chao 2ming

(Southeast Univer sity ,Nanjing ,Jiangsu 210018,China )

Abstract :The self 2com pacting concretes (SCCs )with limestone 2powder were prepared in this paper ,and the w orkability ,mechanics performance and the chloride resistance performance of SCC were researched ,and we als o discussed the limestone powder effect on the SCC.The test results showed that limestone 2powder w ould im prove the w orkability and early com pressive strength of SCC ,and at the same time the limestone powder w ould reduce self 2shrinkage of SCC effectively.

K ey w ords :high performance concrete ;limestone powder ;performance [收稿日期]2005212210

[作者简介]曹鹏飞(1982—

),男,江苏宜兴人,东南大学材料科学与工程系硕士研究生,南京东南大学四牌楼2号 210018,电话:139********

自1986年东京大学土木系冈村甫教授在日本水泥协会主办的混凝土讲习会上倡导不振捣自密实混凝土以来,自密实混凝土的发展日新月异,工程应用实例也日益增加。日本明石海峡大桥的2个锚碇分别用了

24万m 3和15万m 3的C25自密实混凝土,澳门观光塔

工程中也使用了C55的自密实混凝土[1]。1998年日本在一次国际会议上宣布到2003年自密实混凝土的用量将超过混凝土总量的50%的计划。自密实混凝土具有较小的屈服应力,却又具备足够的塑性粘度,不离析、不泌水,在少用或不用振捣的条件下,能充分填充空隙,形成均匀而密实的高性能混凝土,并且硬化后混凝土结构致密,渗透性低,具有较高的耐久性[2]。根据国内外的相关资料,自密实混凝土的工作性能指标应达到:坍落度≥240mm ,扩展度≥550mm [3]。自密实混凝土在施工中,消除了浇筑混凝土时的振捣噪声,避免了出现因为振捣不足而造成的空洞、蜂窝、麻面等质量缺陷,提高了施工速度和质量,为改善和解决过密配筋、薄壁、复杂形体、大体积、钢管混凝土等具有特殊要求、振捣困难的工程施工带来了极大的方便。由于自密实混凝土同时兼顾了混凝土的工作性能、耐久性能和施工性能,在这个讲究效率、环保和可持续发展的今

天,自密实混凝土无疑成为混凝土界的宠儿。

目前,自密实混凝土常用矿物掺合料(粉煤灰、矿渣和硅灰等)来调节混凝土的施工性能、提高耐久性。随着建筑规模的不断扩大,建筑施工技术的不断创新,建筑市场迫切需要各种新技术、新材料。在国外一些发达国家,石粉已经被用作混凝土掺合料,尤其是日本把石粉广泛地应用于高流动性混凝土和高性能喷射混凝土中,并收到良好的效果。石粉主要是采石场的副产品,目前国内对它的利用率较低,处理不当还易造成粉尘污染,也有专门的石粉加工厂,主要生产石灰石粉,用于电厂中脱硫和提高燃煤效率。另外由于粉煤灰和矿渣等比较常用的矿物掺合料在建筑工程中被大量使用,资源也日益紧缺,因此有效合理地利用石粉具有重要意义。石粉根据采石场材质的不同又可以分为石灰石粉、玄武岩石粉、花岗岩石粉等,本文就石灰石粉对自密实混凝土性能的影响展开研究。

1 原材料的性能

本研究所用原材料如下:金宁羊4215R 级P ?II 水

5

3

泥,安定性合格,3、28d 抗压强度分别为2519、5219MPa ;镇江谏壁电厂产I 级粉煤灰;S95级矿渣微粉。具体性能指标如表1所示。所用细集料为细度模数为218的中砂;粗集料为5~20mm 连续级配的石灰岩碎石;自来水;聚羧酸高效减水剂JM 2PC A 。

表1 原材料性能

原材料

密度Π(g Πcm 3

)45μm 筛余Π%比表面积Π(m 2Πkg )

需水量比Π%28d 抗压强

度比Π%I 级粉煤灰

2.1711.637289.175.8矿渣微粉

2.8011.635799.695.1石灰石粉

2.69

12.0

450

97.5

84.5

注:石灰石粉烧失量为4311%

2 试验方法和方案

混凝土配合比设计方法和工作性试验参考《自密

实高性能混凝土设计与施工指南》

(送审稿)进行;混凝土力学性能依据《普通混凝土力学性能试验方法》G B Π

T 5008122002进行;氯离子渗透依据《水工混凝土试验

规程》D LT 515022001进行,测定自密实混凝土的工作性能和力学性能,力学性能包括3、7、28d 的抗压强度,28d 的抗折强度、劈拉强度、轴心抗压强度、弹性模量和

C l -

渗透性能等。

本文研究不同石灰石粉掺量和不同水胶比对自密实混凝土性能的影响,采用单掺细度为450m 2

Πkg 的石

灰石粉,复掺石灰石粉与粉煤灰或石灰石粉与矿渣微粉,与单掺I 级粉煤灰的自密实混凝土相比较,探讨自密实混凝土中掺石灰石粉的性能及其合适掺量。具体配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比

组号

配合比参数单位混凝土原材料用量Π(kg Πm 3)

编号水胶比砂率Π%

水泥

掺合料品种水砂碎石JM 2PCA 1LS182350.3545.3445LS ∶981907629207.05(1.3%)2LS182320.3243.3452LS ∶1001777349637.73(1.4%)3LS182290.3243.9452FA ∶99177759963 6.62(1.2%)4LS132320.3243.3468FA ∶51LS ∶51184756988 6.85(1.2%)5LS232320.3243.4459S L ∶50LS ∶50178752980 6.71(1.2%)6LS 2FA 2320.2943.2481LS ∶1051717209489.38(1.6%)7LS 2S L 2320.3245.5480LS ∶71177778931 6.62(1.2%)8FA182320.3245.5

419

LS ∶126174771924 6.52(1.2%)

注:FA 表示粉煤灰;S L 表示矿渣微粉;LS 表示石灰石粉;前面数字表示掺量,后

面表示水胶比

3 试验结果与讨论311 新拌混凝土的工作性能

工作性是自密实混凝土最重要的性能之一,除了要有高流动性之外,还必须具备良好的抗离析性、间隙通过性和抗堵塞性。国外大多用拌合物的扩展度即坍落后拌合物的铺展直径作为混凝土流变性能的度量;间隙通过性可用L 型流动测定装置来测量[4]

。我们从

流动性、抗分离性、间隙通过性和填充性方面考虑,进

行了工作性试验,试验结果如表3所示。

表3 新拌混凝土的工作性能

编号

表观密度Π(kg Πm 3)坍落度Πmm 坍落扩展度Πmm T 50Π

s

V 型漏斗流出时间Πs V 型漏斗流出扩展

度Πmm LS182352420240580 3.6 4.9570LS182322440240600 5.0 2.2480LS182292460240590 5.28.6505LS132322450245675 5.314.5610LS232322430240610 5.2 3.0540LS 2FA 2322430250685 2.0 2.0580LS 2S L 2322440235680 2.5 5.8615FA18232

2420

245

600

5.8

3.5

350

由表3可以看出,新拌混凝土的坍落度均在

240mm 左右,扩展度均大于550mm ,具有较高的粘聚性

和流动性。粉体材料的球状因子与材料本身的形状和密度有关,由于石灰石粉的球状因子比粉煤灰和矿渣微粉要大(因为石灰石粉的密度比粉煤灰大,而颗粒形状又比矿渣微粉好),因此石粉的加入能明显改善混凝土的流动性能[5]。试验结果也表明,相同水灰比下单掺石灰石粉比单掺粉煤灰的流动性和粘聚性要好。粉煤灰与石粉复掺后,坍落度和扩展度都较大,而且扩展到500mm 和V 型漏斗流出时间也较短。石灰石粉掺量由13%~23%,V 型漏斗流出时间从1415s 缩短为

3s ,说明在一定掺量范围之内,石灰石粉掺量越高,粘

聚性和流动性越好。

312 力学性能和抗氯离子渗透性

图1 不同石灰石粉掺量

的强度发展规律

力学性能是混凝土的重要性能,与结构的耐久性息息相关。按表2配合比制备的混凝土,所测得的混凝土的力学性能试验结果如图

1、2和表4所示。

从图1、2和表4

可以看出,石灰石粉对混凝土早期强度的增长有利,相

同掺量(18%)、相同W ΠB 的情况下,3d 抗压强度超过了粉煤灰的混凝土,而7d 抗压强度和掺粉煤灰的混凝土相当,但14d 和28d ,掺石灰石粉的混凝土的抗压强度略低于掺粉煤灰的混凝土。这可能是由于早期粉煤灰火山灰反应进行较慢,而磨细石灰石粉良好的填充效应使得混凝土早期强度表现出优势。也有研究表明,石灰石粉的存在加速了C 3S 的水化,且CaC O 3在水化物中形成新相[6]。C 3S 开始水化时,大量释放Ca 2+离子,Ca 2+离子具有比[S iO 4]2-离子团高得多

63施工技术

第34卷

图2 掺合料单掺与复掺的强度发展规律

表4 混凝土的力学性能和Cl-扩散系数

编号28d抗压

强度ΠMPa

抗折强度Π

MPa

劈裂抗

拉ΠMPa

弹性模量Π

G Pa

Cl-扩散系数Π

(10-12m2Πs)

LS1823555.1 4.4 3.737.4 3.73

LS1823257.3 4.9 4.040.5 2.92

LS1822965.6 6.0 5.443.1 2.85

LS1323259.9 5.0 4.237.8 2.85

LS2323252.9 4.4 3.536.4 3.19

LS2FA23258.0 4.7 4.937.3 2.06

LS2S L23264.1 5.9 4.142.9 2.09

FA1823259.7 5.4 5.243.6 1.91

的迁移能力,根据吸附理论,当Ca2+离子扩散到CaC O3颗粒表面附近时,首先发生CaC O3颗粒表面对Ca2+离子的物理吸附作用,由于这种吸收,导致水化中的C3S 颗粒周围Ca2+离子浓度降低,从而使C3S水化加速。CaC O3对Ca2+离子的吸附作用也必然使CaC O3颗粒附近Ca(OH)2优先成核,即Ca(OH)2的成核速率增加,促使诱导期缩短,沉积在石灰石表面处的Ca(OH)2增强了此处界面,提高了混凝土的早期强度。随着水化反应的进行,界面上较大的氢氧化钙晶体逐渐被消耗和细化,混凝土的强度也逐渐提高。

相同水灰比下,随着石灰石粉掺量的增加,混凝土抗压、抗折和劈裂抗拉强度逐渐降低,氯离子扩散系数增大,但是石灰石粉掺量从13%增加到18%,混凝土的抗压、抗折强度降低幅度不大,而对弹性模量和劈拉强度的影响较明显。氯离子扩散系数掺粉煤灰最小,矿渣次之,随着石灰石粉掺量的增加,

氯离子扩散系数增大;虽然掺适量石灰石粉的混凝土28d抗压强度均接近甚至超过掺粉煤灰组,但抗拉强度和弹性模量还是相对较弱,抗氯离子扩散能力也相对较差,可能是由于粉煤灰、矿渣的火山灰反应生成C2S2H凝胶更能密实地填充混凝土内部孔隙,而石灰石粉活性相对较低,内部结构密实程度相对较差的缘故。要彻底搞清楚石灰石粉在水化前后所扮演的角色,尚须进一步深入的研究。相同石灰石粉掺量(18%)的条件下,减小水灰比,则混凝土的抗折强度、劈拉强度、弹性模量相应增加,氯离子渗透系数明显减小。

313 自收缩

混凝土自收缩是指混凝土在与外界环境不发生水分等交换(即密封的条件下),混凝土所产生的收缩变形。一般说来,收缩和失水现象密切相关,失水愈多,收缩愈大。自密实混凝土由于浆体含量较高,集料含量相对较少,因此收缩一般都比较大,我们对此也做了比较试验。所测得混凝土的自收缩性能试验结果如图3所示。

图3 自密实混凝土自收缩值

从图3中可以看出,各组早期的收缩增长速度很大,随后逐渐降低,随着龄期的增长,混凝土的水化程度越大,混凝土的内部结构越来越密实,内部水分更难以挥发,最后增长速率趋于零,收缩基本达到恒定值。不同掺合料对混凝土的自收缩值影响不同:研究表明,掺12%~24%Ⅰ级粉煤灰的C50高性能混凝土自收缩率比对比混凝土低10%左右[7]。

本研究表明,掺石灰石粉的自密实混凝土自收缩明显低于掺粉煤灰混凝土,28d自收缩不超过0103%,仅为掺粉煤灰的30%左右;采用石灰石粉和粉煤灰双掺或者采用石灰石粉与矿渣微粉双掺时,其收缩值处于单掺粉煤灰和单掺石灰石粉之间。可能是由于石灰石粉基本上不参与水化反应,作为一种填充性细料,密实地填充了集料之间的空隙,而且在混凝土硬化后,由于凝胶体量较少从而导致掺石灰石粉的混凝土具有较小的收缩值。由此可见,石灰石粉的掺入有利于限制混凝土的自收缩。

4 结论

(1)石灰石粉可以作为水泥掺合料替代部分水泥或其他矿物掺合料,可明显改善混凝土的流动性、保水性和抗离析性。

(2)石灰石粉掺量以13%~18%为宜,相同WΠB 下,随着石灰石粉掺量的增加,混凝土力学性能和抗氯离子渗透能力逐渐下降;随着WΠB的减小,相同石灰石粉掺量混凝土力学性能和抗氯离子渗透能力逐渐提高。

(3)石灰石粉作为一种低活性材料,与粉煤灰、矿渣相比,石灰石粉的掺入更有利于混凝土早期强度的发展,但是混凝土的后期强度发展相对较弱,可以通过控制水胶比或者与粉煤灰、矿渣微粉等复掺来弥补后期强度发展的不足。

(下转第43页)

73

2005增刊曹鹏飞等:掺石灰石粉自密实混凝土性能的研究

表6 施工配合比

考核指标设计参数材料用量Π(kgΠm3)

坍落度Π

cm 抗压强度Π

MPa

劈拉强度Π

MPa

WΠ(C+F)βsΠ%

粉煤灰取代率Π

%

外加剂掺量Π

%

水水泥碎石河砂粉煤灰外加剂钢纤维

18~20431741170135501018215180421853853921219100 注:(1)材料 ①水泥P?O4215R;②粉煤灰Ⅰ级;③碎石最大粒径15mm;

(2)搅拌工艺 钢纤维、水泥、粗、细骨料、掺合料干搅均匀,而后加水及外加剂湿拌均匀

部分,原设计采用钢纤维混凝土连续梁结构。

根据设计规定,钢纤维混凝土抗压强度≥

4317MPa,劈拉强度≥412MPa,按泵送混凝土方案组织

施工,混凝土坍落度一般为180~200mm,该工程掺用

钢纤维混凝土约1550m3。其工程部位及混凝土强度情

况如表7所示。

表7 钢纤维混凝土应用情况

序号工程部位

混凝土

强度

等级

混凝

土量Π

m3

28d抗压

强度平均

值ΠMPa

28d劈裂

抗拉强

度ΠMPa

28d抗

折强度Π

MPa

1防撞墩基础C45515541351657123

2防撞栏C45495501551556196

3铺装层C45500551261127152

4铺装层收缩缝C4532561061457193

412 钢纤维混凝土性能

该工程防撞墩基础、防撞栏、铺装层及收缩缝等采用掺100kgΠm3钢纤维混凝土,混凝土搅拌出槽后,纤维分散均匀,基本没有聚团现象,拌合物表现良好的保水性和粘聚性,混凝土泵送性能较好,在整个浇筑过程中没有发生过堵塞,特别是6~9月气温达35℃左右施工未发现裂缝。

413 钢纤维的选择

试验中我们采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号3种,Ⅰ、Ⅱ号价格接近6500元Πt,Ⅲ号价格4700元Πt,考虑工程造价并能达到设计要求,实际生产选用Ⅲ号剪切矩形纤维。

414 经济性与适应性

本工程部分采用钢纤维混凝土,每m3混凝土中掺100kg钢纤维,与不掺该材料混凝土相比,造价增加近450元Πm3,但混凝土质量可以得到保证,同时可以节省工程造价,因为可以取代预应力施工工序,耐久性的提高会使结构安全使用期得到保证甚至延长,维修费、工程费均可大大降低。

5 结语

(1)影响钢纤维混凝土性能因素很多,运用正交设计法进行配合比设计、试验和分析,可用较少的试验次数,找出各影响的主次顺序和各因素的最佳组合,是多快好省进行施工配合比设计、试验的科学方法。

(2)钢纤维的品种、外形、表面状态和掺量,是影响钢纤维混凝土坍落度和劈拉强度的主要因素,合理选择钢纤维的品种、规格和掺量,对确保钢纤维混凝土强度、耐久性和工作性能至关重要,也是降低混凝土成本的有效措施。

(3)钢纤维在混凝土中的均匀分布,对充分发挥钢纤维混凝土的增强、增韧和阻裂作用十分重要,故在配合比设计时,除应考虑钢纤维的各项参数对混凝土均匀性影响外,还应重视混凝土基体各组成材料的相关参数(如粗骨料的最大粒径、砂率、水胶比及水泥砂浆的数量等)与钢纤维参数的合理匹配,才能保证钢纤维在混凝土中的均匀分布。

参考文献:

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[5] 冯乃祥.实用混凝土大全[M].北京:科学出版社,2001.

(上接第37页)

(4)掺石灰石粉的自密实混凝土能减少自密实混凝土的自收缩,其自收缩值仅为掺粉煤灰自密实混凝土的30%。

(5)采用单掺石灰石粉或者与粉煤灰复掺来配制自密实高性能混凝土,不仅具有显著的技术经济效益,而且可以充分利用石粉资源,减少环境污染,具有良好的社会效益。

参考文献:

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34

2005增刊虞孝伟等:正交设计法在泵送钢纤维混凝土施工配合比设计中的应用研究

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