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    1. 技術支持成果鑒定

      技術支持

      粉煤灰微珠在超高性能混凝土(UHPC)中的應用

      發布時間:2020-05-16 來 源 :武漢華軒高新

      引言

            超高性能混凝土(UHPC)是一種具備高強度、高韌性、低孔隙率、高耐久性的纖維增強水泥基材料,被公認為未來極具發展前景和應用價值的一種新型結構材料。盡管在過去的三十年中,各國已經開展了超高性能混凝土及其成分相關的深入研究,150MPa的UHPC在振動與高溫養護條件下配制工藝相對成熟,但在沒有特殊處理的情況下,在沒有特殊情況下有一定的難度(如熱養護,加壓或振動)。由于硅灰具有較高的活性效應與良好的微珠效應,在大多數UHPC與RPC中,其最佳摻量達到了15%~30%,又因為硅灰具有較大的比表面積,大摻量情況下,流動度較差,必須使用振動成型條件,而且硅灰在常溫下活性效應發揮有限,因此高溫養護又是其獲得優良力學性能的重要條件。隨著UHPC在建筑各個領域逐漸的廣泛使用。自密實與免蒸養是對UHPC提出的新的性能要求。

            粉煤灰微珠(以下簡稱微珠)是一種新型超微粉體材料,是利用優質粉煤灰經過獨特工藝精選、加工而成的超細且具有連續粒徑分布的一種亞微米、完美的正球狀粉體產品。粉煤灰微珠具有活性高、低水化熱、質輕、耐腐蝕、抗壓強度高、流動性好和熱穩定性好等優異功能,可作為高性能混凝土的新型活性超微骨料。

      本文通過顆粒堆積密實度測試方法進行配合比試驗,研究粉煤灰微珠對UHPC堆積密實度、抗壓強度的影響,從而制備出28d抗壓強度140MPa,56d抗壓強度150MPa的自密實免蒸養UHPC。

            1   試驗部分

            1.1  試驗原材料

            (1)水泥:海螺P·O 52.5級水泥。

            (2)粉煤灰微珠:內蒙古某廠生產的粉煤灰微珠,圖1為微珠顆粒形貌,由圖1可見微珠表面光滑,且均為標準球形,粒徑大多分布于0.5~4μm之間,可以很好的填補水泥與硅灰之間的連續粒徑分布的缺失。表1為微珠與粉煤灰、硅灰的化學成分,可見微珠中SiO2和Al2O3含量較粉煤灰高,各種非活性雜質較少,SiO2是玻璃體的主要成分,也是形成水化硅酸鈣凝膠的主要來源,而粉煤灰中的SiO2、Al2O3對粉煤灰的火山灰性質貢獻很大,一般含量越多,粉煤灰的火山灰活性越大。


            (3)硅灰:山東淄博生產的微硅灰,SiO2>94%,比表面積20900m2/kg。

            (4)石英砂:本文選用20~40目、40~70目的石英砂,通過傳統方法測試堆積密實度,當20~40目∶40~0目=0.5∶0.5時,堆積密實度最高,堆積密度1915kg/m3,密實度72.3%。

            (5)外加劑:西卡540粉體減水劑。

            1.2  試驗方法

            拌合物堆積密實度的測試采用濕顆粒堆積密實方法,Kwan等通過分析、試驗對比與驗證,發展了粉體堆積的濕法試驗測試方法,能較準確測量膠凝材料或粉體在真實狀態下(與水拌和以及在減水劑作用下)的堆積密實度。

            濕顆粒堆積密實度測試方法的原理很簡單,即,將膠凝材料(粉體)以不同復摻比例與不同水膠比拌合,根據各種顆粒的密度與含量,計算出拌合物膠體材料顆粒體積與漿體體積之比,即為顆粒堆積密實度,此數值越大,對應的漿體空隙率越小。通過前期試驗,膠凝材料凈漿在190~210mm之間的流動度,砂漿在270~290mm之間的流動度時具有較高的堆積密實度。

            依據GB/T2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》,測定膠凝材料凈漿強度,采用40mm×40mm×160mm試塊。依據JGJT 283-2012《自密實混凝土應用技術規程》與GB/T31387-2015《活性粉末混凝土》測定UHPC強度,試塊采用100mm立方體試塊。澆筑均采用自密實,養護為標準養護。

            2   試驗配比設計及試驗結果

            本試驗研究在低水膠比的條件下礦物摻合料摻量對凈漿堆積密實度與強度的影響,配合比及試驗結果見表2、表3。為了保證凈漿與砂漿具有良好的自密實效果與較高的堆積密實度,凈漿應保證在凈漿試模測試條件下具有190~210mm之間的流動度,砂漿應保證在截錐試模測試條件下具有270~290mm之間的流動度。A0和B0分別為純水泥與水泥∶硅灰=1∶0.1的空白對照組。

            表2中,A4配比的強度較高,以其為基本復摻比例,表3為硅灰摻入水泥與微珠復合膠凝材料,等質量代替復摻的膠凝體系,配合比與試驗結果見表3。


            3   試驗結果分析

            3.1  微珠摻量對凈漿性能的影響

            微珠對凈漿的堆積密實度和強度的影響如圖2所示,微珠摻量對凈漿的需水量與強度的影響如圖3所示。

      從圖2、圖3可以看出,凈漿的抗壓強度與凈漿的濕顆粒堆積密實度有很大的正相關,隨著微珠摻量的不斷增加,凈漿濕顆粒堆積密實度先增加后減小。由于微珠的粒型較好,且粒徑小于水泥,有效的填充了水泥顆粒之間的空隙,在保證流動性良好的情況下,不斷降低水灰比,但是強度并沒有不斷增加,主要是因為如果摻量過大,微珠量超過最佳水泥縫隙填充量,多余的微珠既起不到填充效應且微珠與水不能發生化學反應,因此微珠最佳摻量為20%。微珠作為粉煤灰中粒型較好、活性較好的部分,其活性也發揮較慢,因此其后期活性發揮較明顯。


            3.2  硅灰摻量對凈漿性能的影響

            硅灰摻量對凈漿需水量的影響如圖4所示,對凈漿密實度與強度的影響如圖5所示。


            由于硅灰的粒徑小、比表面積比較大,從圖4、圖5可以看出,同樣流動度下,單摻10%(第一個柱形圖)硅灰的凈漿需水量較大,流動性不好,濕顆粒堆積密實度較低,抗壓強度也較低,需要與微珠復摻使用。從圖5中可以得出,硅灰略微提高自密實凈漿的28d抗壓強度,56d強度與單摻微珠抗壓強度差不多,考慮到對流動度的影響,最佳硅灰摻量為6%~12%。因此,在常溫條件下,硅灰的活性效應發揮有限,與學者H.Zanni用SINMR(核磁共振波譜法)定量分析常溫下硅灰的反應程度結論一致。其研究結果表明在養護溫度20℃的情況下進行56d的水養只有10%的硅灰發生反應;在養護溫度為90℃的情況下進行養護48h,56d齡期有49%的硅灰發生反應。

            通過試驗,在水泥∶微珠∶硅灰=1∶0.2∶0.1膠凝體系下,當砂膠比為0.8~1時,砂漿漿體具有良好的流動性,摻入2%的鋼纖維,可以配制出常溫養護28d抗壓強度140MPa,56d抗壓強度155MPa的自密實UHPC。

            4   結論

            (1)粉煤灰微珠良好的形態效應可以大大降低漿體的需水量,提高漿體的流動度。加之微珠活性比一般粉煤灰要高,其形態與火山灰雙重效應將提高漿體的抗壓強度,且后期強度提高明顯,最佳摻量為10%~25%。

            (2)在常溫條件下,硅灰的活性發揮有限,可以略微提高微珠水泥復摻體系常溫28d抗壓強度,由于其對流動度的不利影響,最佳摻量為6%~12%。

            (3)當膠凝體系為水泥∶微珠∶硅灰=1∶0.2∶0.1時,膠凝凈漿具有良好的流動度與抗壓強度,可以達到150MPa。在上述膠凝體系下,當砂膠比為0.8~1時,加入2%的鋼纖維,可以獲得常溫條件下28d抗壓強度140MPa的自密實UHPC。

            (4)膠凝材料凈漿的抗壓強度與濕顆粒堆積密實度有著很強的正相關關系。


          本文來自《試驗研究》



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