用无机掺和料改善混凝土抗渗抗冻性能的研究

文章编号:1007󰀁2284(2005)08󰀁0073󰀁03

73

用无机掺和料改善混凝土

抗渗抗冻性能的研究

杜应吉

1,2

(1.西北农林科技大学水建学院,陕西杨凌󰀁712100;2.河海大学土木工程学院,南京󰀁210098)

󰀁󰀁摘󰀁要:病害修补是延长混凝土耐久性的重要技术措施。通过补强混凝土与普通混凝土的对比试验研究,结论认为,掺加无机混凝土补强剂的混凝土,其抗渗性和抗冻性得到很大的提高,且对施工人员和环境无害,还可消耗工业废渣,是值得研究的方向。

󰀁󰀁关键词:混凝土;无机掺和料;抗渗性;抗冻性󰀁󰀁中图分类号:TV431󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

ExperimentalStudyonAddingInorganicAdmixturetoImprovetheSeepage󰀁ControlandFreeze󰀁ProofPropertiesofConcrete

DUYing󰀁ji1,2

(1.CollegeofWaterResourceandArchitectureEngineering,NorthwestSci󰀁techUniversityofAgricultureandForestry,

YanglingCity712100,China;2.CollegeofCivilEngineering,HohaiUniversity,NanjingCity210098)

Abstract:Reinforcementisanimportanttechnicalmeasuretoprolongthedurabilityofconcrete.Thepaperexpatiatesthesuperiorityofreinforcedconcreteovercommonconcretethroughcomparisontestandexperiment.Theresultshowsthattheconcreteaddedwithinorganicadmixturecannotonlyheightentheseepage󰀁controlandfreeze󰀁proofproperties,butalsoreusetheindustrialwasteresiduewithoutharmfulnesstoworkersandenvironment.Therefore,itisworthtostudy.keyword:concrete;inorganicadmixture;seepage󰀁controlproperty;freeze󰀁proofproperty

筑物的冻害破坏(如裂缝和剥落等),CL-离子渗透和SO2-离4子侵蚀均较严重,从而可能导致混凝土防渗工程的渗漏、开裂等一系列病害,降低其耐久性和安全性[2]。对已产生病害的混凝土进行修补加固,也是提高混凝土耐久性,发挥渠库输水效率的主要措施之一。因此如何提高混凝土补强材料的性能值得研究和探讨。

0󰀁引󰀁言

在渠库防渗材料的技术措施中,混凝土防渗是目前广泛采用的工程技术方法,因为用混凝土来修建控水建筑物和进行渠道衬砌等,具有防渗效果好、抗冲耐磨性好、耐久寿命长等优点。如果单纯从渠道衬砌材料角度分析,混凝土材料作为衬砌板有良好的抗渗抗冻性能,按照渠道防渗抗冻胀理论,引起渠道渗漏冻胀的主要原因应是渠基土的渗漏和冻胀[1];但是如果从广义的角度来看,灌溉技术的开发和利用,除灌溉渠道外,还有水库、斗闸、涵洞等控水设施,而构筑这些灌溉设施的混凝土结构,其抗冻、抗渗能力是影响工程效用的关键因素之一。

在我国西北地区和盐碱化(包括盐湖)地区,渠库混凝土建

收稿日期:2004󰀁11󰀁23

基金编号:国家高技术研究发展计划863项目(2002AA2Z4131)。作者简介:杜应吉(1963󰀁),男,副教授,博士研究生。

1󰀁混凝土常用补强材料及其局限性

渠系建筑物混凝土结构的常见病害有渗漏、裂缝、冻融破坏引起的剥蚀等。目前补强加固材料种类繁多,常见的裂缝修补材料有水泥砂浆、预缩水泥砂浆、丙乳砂浆、BAC砂浆、环氧砂浆、聚氨酯弹性嵌缝材料、GB嵌缝材料等;渗漏修补材料主要有水玻璃水泥砂浆、五矾水泥砂浆801堵漏剂、聚合物水泥砂浆腻子型膨胀橡胶和有机硅[3]等;而剥蚀的修补材料有高抗冻性混凝土、环氧树脂砂浆、抗冲耐磨混凝土等[4]。

纵观这些混凝土补强材料,可以看出大部分是有机合成高

74

分子材料,主要是环氧、沥青、丙烯酸等高分子化工原料制成的水剂、粉剂和密封膏,大多有一定的毒性和易老化性,对工程周边的环境和施工人员有较大的损害;另外从材料属性分析,有机高分子材料和混凝土(包括水泥砂浆等)是完全不同的两类材料,其微观结合能力和变形协调能力是有限的,这也正是有些补强材料在化学侵蚀和冻融破坏时易脆裂老化的主要原因之一;每年我国发电、炼钢工业排出的粉煤灰、矿渣等,其数量以万吨计,如何有效利用这些工业废渣,就目前的研究还远远不够[5]。有机补强材料的这些局限性与 绿色建材!的环保发展方向是不相适应的[6]。因此研究与混凝土的成分相似且微观结合能力和变形协调能力强的环保型无机掺和料混凝土补强剂就显得十分必要。

用无机掺和料改善混凝土抗渗抗冻性能的研究󰀁杜应吉满足规范要求;细度模数为2.0的渭河砂,其松散密度为1.41g/cm3,含水率1.2%,含泥量1.1%;太白山碎石,密度2.70g/cm3,根据最小空隙率原理,经试验确定碎石最佳混合比应为10~20mm碎石:20~40mm碎石配合比为45%:55%。

(2)主要掺和料。采用西北铁合金厂的磨细废渣,其中SiO2的含量大于85%,比表面积为22m2/g,平均粒径240nm,密度2.22g/cm3。其泌水率、火山灰活性、干缩率等指标均符合一般混凝土配制技术要求。其掺量约为水泥用量的4.2%~9.7%。它在补强剂中的作用是调节混凝土的粘结性能、封堵毛细孔和填充混凝土中的毛细孔等。

(3)纳米微粉。采用某纳米材料有限公司生产的SS1型产品,SiO2是纳米微粉的主要成分,纳米微粉的比表面积为160m2/g,试验时配制成纳米微粉的悬浮液,其掺量为0.1%~0.3%。使用纳米微粉是为了利用其巨大的比表面积和与混凝土常用的掺和料

磨细工业废渣的化学成分相似性以及极

高的化学活性,填充磨细废渣颗粒之间的微孔,有利于水化硅酸钙(C-S-H凝胶)的形成,来提高水泥水化速度和强度,以期改善混凝土(砂浆)的耐久性。

2󰀁无机掺和料的补强机理

混凝土原材料除水泥、粗细骨料和拌和用水这4种组分外,还根据工程需要,加入混凝土的第5组分(如减水剂、加气剂等)、混凝土的第6组分

混凝土的外加剂混凝土掺和料

(如硅粉、磨细矿渣、粉煤灰等)和其他一些材料。对于普通水泥硬化浆体,其总孔隙率约为15%~30%。可分为水化硅酸钙凝胶孔(9~10nm);水泥水化产物之间的气泡、裂缝所组成的毛细孔(100nm~0.5mm)等。而加入外加剂、超细矿粉和聚合物等虽能使直径大于400nm的毛细孔比例降低,但小于150nm的微孔含量却增加;加入纳米微粉后可有效地减少水泥硬化浆体中5~150nm的微孔,使纳米微粉能与水化产物大量地键合,并以纳米微粉为晶核,在其表面形成水化硅酸钙凝胶相,把松散的水化硅酸钙凝胶变成以纳米微粉为核心的网络状结构;适当地增加纳米晶体的含量,以提高水泥石的晶胶比,减少水泥石的徐变度,从而获得具有较高耐久性的混凝土[7]。

混凝土中砂浆封堵骨料之间的空隙,水泥封堵砂浆之间的孔隙,而对于水泥内部的毛细孔和微孔则由无机掺和料和外加剂填充。对大于400nm的毛细孔可利用混凝土无机掺和料来进行封堵,150~400nm的微孔通过混凝土外加剂来进行封堵,而对于小于150nm的微孔可尝试利用纳米微粉的高化学活性和微粒性等性质,对其进行封堵。这里指的封堵,不仅指物理意义上的单纯封堵,而且也包括这些材料和水泥中的某些组分发生化学反应,生成附加水化产物而形成事实上的封堵,通过 梯级封堵!形成一个较完善的密实体系,有效地提高了混凝土的耐久性。

3.2󰀁试验设计

(1)水泥净浆配合比。见表1。

表1󰀁水泥净浆配合比

编号AJ1J2J3

水泥/g500495485475

补强剂掺量/%

0135

水/g140140140150

󰀁󰀁按水泥净浆试验方法成型后进行安定性和凝结硬化性能

试验。

(2)砂浆设计配合比。见表2。

表2󰀁砂浆设计配合比

编号A1A2A3

灰砂比

水泥

0.600.430.33

663525434

砂浆配比/(kg󰀂m-3)

砂108512231315

水252252252

󰀁󰀁根据试验进展分别掺加0、1%、3%、5%的无机混凝土补强剂,成型16cm∀16cm∀4cm的砂浆试件,标准养护28d后进行砂浆抗冻试验和抗渗试验研究。测试抗冻等级、强度损失、质量损失、砂浆不透水系数等。

(3)混凝土配比。采用强度等级C20的混凝土配比,混凝土基准配合比为

C#S#G#W=256#563#1483#128=1#2.20#5.78#0.50󰀁󰀁分别掺加0、1%、3%、5%的无机混凝土补强剂,成型15cm∀15cm∀15cm的混凝土试件,标准养护28d后,进行混凝土抗渗试验研究。试验测试项目有抗压强度和渗水高度。

3󰀁基于无机掺和料的环保型混凝土补强剂试

验研究

󰀁󰀁根据以上分析,选用多种无机混凝土掺和料进行多组分试验研究,通过比较掺加无机掺和料的混凝土和普通混凝土(砂浆)的抗压抗折强度、安定性、抗渗抗冻性能,初步选定以磨细废渣为主要成分,掺加微量纳米微粉的环保型无机混凝土补强剂。

3.1󰀁试验原材料

(1)混凝土基本组分。本试验用 天柱!32.5号普硅水泥,密度3.0g/cm3,其安定性、凝结时间、细度和抗压抗折强度均

3.3󰀁初步试验结果

(1)无机混凝土补强剂对水泥净浆凝结硬化性能的影响。

用无机掺和料改善混凝土抗渗抗冻性能的研究󰀁杜应吉由于磨细废渣和纳米微粉的微粒性和高活性,使得水泥石中的反应面积和反应途径增大,表面效应增强,因此掺补强剂的水泥净浆较普通净浆试件其内部的水化反应要快和发展充分。试验表明,无机混凝土补强剂的掺量也不能过大,因为补强剂要消耗大量的水化水和对水泥粒子的水化过程形成阻碍,因而掺量过大反而使其凝结时间变慢。

水泥净浆凝结时间试验结果见图1。

普通混凝土(砂浆)补强混凝土(砂浆)

分类

75

的混凝土比普通混凝土的渗水高度小得多。

表3󰀁混凝土(砂浆)抗渗性试验结果

砂浆

最大水压/不透水系数/MPa0.100.30

(MPa󰀂h-1)

0.1740.354

混凝土

最大水压/MPa1.201.20

渗水高度/cm5.11.7

󰀁󰀁(5)无机混凝土补强剂对混凝土抗冻性能的影响。掺加混凝土补强剂后,极大地改善了混凝土内部的孔隙结构,封堵了孔径小于150nm的微孔,使得混凝土的密实度大大增强,减少了混凝土结构内的孔隙水存量,从而避免了由于孔隙水结冰膨胀而产生裂缝导致的混凝土结构破坏。试验表明,掺有混凝土补强剂的试件E3在冻融60次后才发生冻融破坏。经对试验数据的分析可知,掺加补强剂后其抗冻性至少提高30%以上。

图1󰀁水泥净浆凝结时间试验结果

4󰀁结󰀁语

󰀁󰀁从图1可以看出,随着无机混凝土补强剂掺量的增大,在0~3%时水泥净浆的初凝时间和终凝时间逐步缩短。当掺量为3%时,较普通净浆初凝时间缩短了66%,终凝时间则缩短了47%,其对砂浆(混凝土)凝结硬化性能的影响作用非常明显;当其掺量超过3%后,水泥石的凝结时间开始缓慢增加,但仍小于普通试件。

󰀁󰀁(2)掺加无机混凝土补强剂对水泥净浆安定性的影响。在试验过程中还可以看到掺加无机混凝土补强剂试件的粘聚性、保水性得到明显改善。因为掺加无机混凝土补强剂后水泥石中的f-CaO和f-MgO的含量随着水化反应的发展而减少,且掺加的磨细废渣可以增加水泥浆的粘度,提高了抗压强度和抗弯能力,从而提高了水泥浆的安定性。

(3)掺加无机混凝土补强剂对砂浆强度的影响。在不同的水灰比和龄期情况下,砂浆的抗压、抗折强度均随无机混凝土补强剂掺量的增加而变化,且总体呈增加的态势。当灰砂比为0.43时,这时砂浆的强度较高,7d抗压强度最大值约在掺量3%~5%,比基准组的强度提高29.7%,7d的抗折强度达最大值时无机混凝土补强剂掺量为3%~5%,比基准组强度提高17.9%;28d抗压强度达最大值时无机混凝土补强剂掺量为5%,比基准组强度提高44.2%,28d抗折强度达最大值时无机混凝土补强剂掺量为5%,比基准组强度提高17.7%。

综合分析当灰砂比为为0.33~0.60时,无机混凝土补强剂掺量3%~5%时,7d抗压强度比基准组强度提高5.1%~29.7%,7d抗折强度比基准组提高3.7%~17.9%;28d抗压强度比基准组提高27.9%~44.2%,28d抗折强度比基准组提高9.2%~17.7%。

(4)无机混凝土补强剂对混凝土抗渗性能的影响。掺加无机混凝土补强剂后,由于磨细废渣封堵了毛细孔,而高活性的纳米微粉又封堵了水泥和磨细废渣中的微孔。使混凝土内的孔隙率大幅下降,有效地提高了混凝土的密实度,阻滞了渗水的通道,从而提高了混凝土(砂浆)的抗渗性。试验结果见表3。从表3中明显可以看到,同样在1.20MPa水压力下,掺补强剂

[1]󰀁冯广志,周福国.渠道防渗、衬砌技术发展中的若干问题与建议

[A].中国灌区协会.渠道防渗技术论文集[C].北京:中国水利水电出版社,2003,10.

[2]󰀁冯广志,周福国.渠道防治衬砌技术发展中的若干问题与建议

[J].节水灌溉,2004,(5).

[3]󰀁季仁保,周福国.渠道衬砌技术新进展[J].中国农村水利水电,

2003,(4).

[4]󰀁李迎九.高性能混凝土的高强机理分析及试验研究[J].铁道工程

学报,2001,70(2):118-122.

[5]󰀁于珊泉,李忠卫.有机硅防水剂在防渗混凝土工程修补中的应用

[J].混凝土,2001,131(4):19-20.

[6]󰀁黄国兴,陈改新.水工混凝土建筑物修补技术及应用[M].北京:

中国水利水电工业出版社,2002,3.

[7]󰀁蔡丽明,赵丽君.环保型混凝土的特性及开发应用[J].福建建材,

2004,81(1):26-28.

[8]󰀁汪一拂.国外混凝土补强材的性能与使用情况[J].山西建材,

2000,(3):13-14.

[9]󰀁叶󰀁青.纳米复合水泥结构材料的研究与开发[J].新型建筑材

料,2002,(1):15-19.

[10]󰀁苏胜昔,刘慧君.环保型再生砂配制混凝土技术性质研究[J],河

北大学学报,2003,23(4):430-433.

本试验配制的无机混凝土补强剂可消耗工业废渣,且在施工时对人员和环境无害;由于其与混凝土(砂浆)成分的相似性和高活性,可以更好地增强微观结合能力和变形协调能力,使得混凝土的抗渗抗冻性能得到极大改善[8]。

初步优选的补强剂掺量经试验认为在3%~5%较合适,而纳米微粉在补强剂中是作为 添加剂!微量使用的,其掺量可控制在0.1%~0.3%,其增加的施工成本与市售的混凝土外加剂基本相当。随着纳米微粉的大规模工业化生产,其成本会不断下降。采用这种环保型混凝土补强剂除显著改善混凝土强度等力学性能外,还可极大改善节水工程混凝土最重要的抗渗性和抗冻性。参考文献:

∃