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寶雞市青少年科技活動中心設計... 閱讀 4662 次 自養護高性能混凝土的試驗研究
摘要：通過正交試驗, 研究了摻加自養護劑高性能混凝土在標準養護和自然養護條件下的 28d 抗壓強度, 分析了配制自養護高性能混凝土的可行性。在高性能混凝土中摻入含水率高的預濕輕質骨料（本文稱之為自養護劑），是一種提高低水膠比高性能混凝土養護效果的新方法。自養護高性能混凝土的應用可極大地節省混凝土的養護費用, 為解決混凝土自干燥問題提供了一條新思路。...
自養護高性能混凝土的試驗研究
張德思 陳會凡
（西北工業大學 西安 710072）
高性能混凝土的原材料與配合比，決定了它的早期水化速度快, 混凝土內部的相對濕度顯著降低，產生不可忽略的自干燥效應, 同時伴隨混凝土產生一定的收縮，稱為自收縮。混凝土的養護條件不同, 早期強度發展也不相同。 低水膠比的高性能混凝土，如果早期養護不充分, 不但自干燥引起的體積收縮增大, 早期裂縫增多, 其早期強度也因內部水分短缺, 水化反應速率慢而大為降低。國內多數學者和工程人員在高性能混凝土的研究和工程應用中, 都以提高混凝土外部環境的養護溫濕度來提高混凝土的早期水化程度及早期強度。通過摻加自養護劑, 研制對外部養護條件不敏感的自養護混凝土, 國內尚少見報導。研究生產自養護高性能混凝土, 不僅對改善施工條件, 節省混凝土養護費用, 推廣高性能混凝土的應用領域和范圍具有重要意義, 也為研究減少高性能混凝土的收縮, 提供一種新思路。
本文通過正交試驗, 以水膠比、自養護劑、硅粉、減水劑摻量為變化因素, 制定方案進行試驗, 比較標準養護和自然養護條件下自養護高性能混凝土28d 強度的異同, 探索配制自養護混凝土的最優方案。
1、試驗研究
1.1試驗目的及原材料
考察水膠比為0.24～0.33 的高性能混凝土摻入自養護劑后, 在標養及自養護即混凝土成型后不進行任何外部養護條件下強度的變化特點, 探索制備自養護高性能混凝土的可行性和最佳配比。試驗用原材料包括: P·O 42. 5R 普通硅酸鹽水泥、硅粉、HSP 萘系高效減水劑、自養護劑預濕粘土陶砂輕骨料 、卵石、河砂及自來水。試驗前，自養護劑陶砂應預先浸泡24h，使其充分吸水，實測24h吸水率為11.6%；實驗中實際加入的水分應扣除輕骨料的表面水。水泥及硅灰化學成分見表 1 , 硅灰粒級見表 2。
表 1 原材料的化學成分 (%)
|
化學成份 |
SiO2 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
Fe2O3 |
Na2O |
K2O |
燒失量 |
|
硅酸鹽水泥 |
20.7 |
6.16 |
64.0 |
1.82 |
4.41 |
0.20 |
1.2 |
1.51 |
|
硅灰 |
90.5 |
未檢出 |
2.31 |
未檢出 |
2.75 |
0.47 |
0.22 |
2.73 |
表 2 硅灰顆粒級配 (%)
|
<1 μm |
1-2 μm |
2-4 μm |
4-10 μm |
10-20 μm |
20-30 μm |
30-40 μm |
|
22.4 |
9.7 |
11.5 |
19.7 |
20.3 |
13.3 |
3.1 |
1.2正交試驗
試驗固定單位用水量為 150kg/ m3 , 砂率 S P=32 %, 考慮水膠比 W/B 、硅粉 SF 摻量、粘土陶砂LWA 摻量及減水劑 HSP摻量四個因素對自養護高性能混凝土的影響, 在標養 20 ±2 ℃, 相對濕度 95 %以上和自然養護室溫 22～32 ℃, 相對濕度 40 %～45 %條件下, 比較混凝土的 28d 抗壓強度, 以確定該混凝土對養護條件的敏感程度。試驗各因素水平的選擇見表 3, 其中自養護劑粘土陶砂 LWA 的摻量采用砂、石總體積的百分數表示, 硅粉用量采用膠凝材料總質量的百分數表示,減水劑摻量為膠凝材料總量的質量百分數。試驗選用L16（45） 正交表, 正交表及試驗數據見表 4。試驗數據分析及各因素趨勢見表 5。
表3 因素水平表
|
因素
水平 |
A
(W/B / %） |
B
（LWA / %） |
C
（SF / %） |
D
（HSP / %） |
|
1 |
0.24 |
15 |
6 |
1.0 |
|
2 |
0.27 |
20 |
8 |
1.5 |
|
3 |
0.30 |
25 |
10 |
2.0 |
|
4 |
0.33 |
30 |
12 |
2.5 |
表4 L16（45）正交表及試驗數據
|
試驗號 |
A
（W/B） |
B
（LWA） |
C
（SF） |
D
（HSP） |
E
(空列) |
28d 抗壓強度/MPa |
坍落度
（mm） | ||||
|
R1
(標養) |
R2
（自養） | ||||||||||
|
1 |
1（0.24） |
1（15％） |
1（6％） |
1（1.0％） |
1 |
73.8 |
70.2 |
30 | |||
|
2 |
1（0.24） |
2（20％） |
2（8％） |
2（1.5％） |
2 |
71.5 |
80.1 |
50 | |||
|
3 |
1（0.24） |
3（25％） |
3（10％） |
3（2.0％） |
3 |
72.3 |
71.0 |
105 | |||
|
4 |
1（0.24） |
4（30％） |
4（12％） |
4（2.5％） |
4 |
62.8 |
61.5 |
205 | |||
|
5 |
2（0.27） |
1（15％） |
2（8％） |
3（2.0％） |
4 |
68.4 |
73.7 |
120 | |||
|
6 |
2（0.27） |
2（20％） |
1（6％） |
4（2.5％） |
3 |
59.5 |
63.4 |
200 | |||
|
7 |
2（0.27） |
3（25％） |
4（12％） |
1（1.0％） |
2 |
74.2 |
67.9 |
47 | |||
|
8 |
2（0.27） |
4（30％） |
3（10％） |
2（1.5％） |
1 |
62.8 |
67.1 |
193 | |||
|
9 |
3（0.30） |
1（15％） |
3（10％） |
4（2.5％） |
2 |
65.1 |
62.7 |
195 | |||
|
10 |
3（0.30） |
2（20％） |
4（12％） |
3（2.0％） |
1 |
63.9 |
67.7 |
170 | |||
|
11 |
3（0.30） |
3（25％） |
1（6％） |
2（1.5％） |
4 |
62.8 |
68.0 |
166 | |||
|
12 |
3（0.30） |
4（30％） |
2（8％） |
1（1.0％） |
3 |
65.9 |
64.3 |
133 | |||
|
13 |
4（0.33） |
1（15％） |
4（12％） |
2（1.5％） |
3 |
61.0 |
67.9 |
160 | |||
|
14 |
4（0.33） |
2（20％） |
3（10％） |
1（1.0％） |
4 |
65.3 |
66.7 |
130 | |||
|
15 |
4（0.33） |
3（25％） |
2（8％） |
4（2.5％） |
1 |
52.5 |
52.4 |
147 | |||
|
16 |
4（0.33） |
4（30％） |
1（6％） |
3（2.0％） |
2 |
54.8 |
57.7 |
166 | |||
由表 4 可以看出：（1）28d 抗壓強度最高值為第 2組自養護混凝土 80.1MPa。（2）從標養與自養條件下的混凝土對比可知 , 有8 組 （第2、5、6、8、10、11、13、14組）自養護混凝土的 28d 強度高于標養混凝土, 有5 組 （第 1、3、4、9、12 組） 與標養混凝土 28d 強度十分接近 （95 %）。（3）強度值高于或不小于標準養護強度95 %的自養護混凝土組數分布在水膠比的不同水平。以上三條說明, 低水膠比高性能混凝土加入自養護劑, 在自然環境中不進行人工養護, 其 28d 抗壓強度可達到或超過標準養護條件下的混凝土。
表 5 極差分析及方差分析表
|
考核指標 |
因子 |
T1 |
T2 |
T3 |
T4 |
極差 |
平方和 |
自由度 |
均方和 |
F值 |
顯著性 |
|
坍落度 |
A(W/B) |
97.5 |
140.0 |
166.0 |
150.7 |
68.50 |
10163.44 |
3 |
3387.81 |
2.79 |
|
|
B(LWA) |
126.25 |
137.5 |
116.3 |
174.3 |
58.0 |
7348.44 |
3 |
2449.48 |
2.01 |
| |
|
C(SF) |
140.5 |
112.5 |
155.8 |
145.5 |
43.25 |
3815.44 |
3 |
1271.81 |
1.05 |
| |
|
D(HSP) |
85.0 |
142.3 |
140.3 |
186.8 |
101.8 |
20456.44 |
3 |
6818.81 |
5.61 |
* | |
|
空列 |
135.0 |
114.5 |
149.5 |
155.25 |
40.75 |
3648.94 |
3 |
1216.31 |
- |
| |
|
標準
養護
R28 |
A(W/B) |
70.10 |
66.23 |
64.42 |
59.39 |
10.71 |
233.25 |
3 |
77.75 |
9.01 |
** |
|
B(LWA) |
67.05 |
65.55 |
65.04 |
62.60 |
4.45 |
40.61 |
3 |
13.54 |
1.57 |
| |
|
C(SF) |
63.70 |
64.60 |
66.40 |
65.50 |
2.70 |
15.69 |
3 |
8.63 |
1.0 |
| |
|
D(HSP) |
69.79 |
64.52 |
65.86 |
59.97 |
9.82 |
197.13 |
3 |
65.71 |
7.62 |
** | |
|
空列 |
63.23 |
67.40 |
64.69 |
64.81 |
4.17 |
36.08 |
3 |
8.63 |
- |
| |
|
自
養護
R28 |
A(W/B) |
70.71 |
68.03 |
65.69 |
58.55 |
12.16 |
326.60 |
3 |
108.87 |
9.64 |
** |
|
B(LWA) |
68.62 |
69.47 |
62.94 |
61.93 |
7.54 |
178.30 |
3 |
59.42 |
5.26 |
** | |
|
C(SF) |
64.10 |
65.7 |
66.9 |
66.2 |
2.79 |
17.0 |
3 |
11.3 |
1.0 |
| |
|
D(HSP) |
67.28 |
70.77 |
66.80 |
58.11 |
12.66 |
348.0 |
3 |
116.0 |
10.3 |
*** | |
|
空列 |
62.44 |
66.39 |
66.64 |
67.49 |
4.20 |
60.79 |
3 |
11.3 |
- |
|
注：F檢驗臨界值為：Ｆ０．０１（３，３）＝２９.５；Ｆ０.０５（３，３）＝９.２８；
Ｆ０.１（３，３）＝５.３９；
1.3試驗結果分析
由表 5 可知: （1） 對混凝土拌合物坍落度的影響主要來自 HSP萘系減水劑, 且隨著減水劑摻量增加坍落度相應增大, 影響顯著。 （2） 影響標養混凝土強度的順序為 A （水膠比） →D （減水劑摻量） →B （自養護劑摻量） →C(硅粉摻量) , 其中水膠比與減水劑摻量對混凝土 28d 抗壓強度的影響非常顯著; 影響自養護混凝土強度的順序為 D→A →B →C, 其中減水劑摻量對 28d抗壓強度的影響十分顯著, 水膠比與自養護劑的影響亦非常顯著。自養護劑僅在自然養護條件下對強度影響顯著, 這說明當混凝土水化水分出現不足時, 自養護劑中的蓄水為混凝土提供了后備水源, 使水化反應得以繼續進行, 混凝土內水化產物增多, 密實度提高, 強度增大。（3） 比較同一因素, 不同 T 值不同水平指標在標準養護和自然養護條件下的變化情況可知: （a） 水膠比為 0.24～0.30 , 自養護混凝土的強度高于標養混凝土, 水膠比為0.33的自養護混凝土強度是標養混凝土強度的 98 %。（b）標養混凝土隨自養護劑摻量增大強度相應降低, 但摻量在 20 %～30 %時, 對強度的影響很小; 自養混凝土中自養護劑摻量從 15 %增大到 20 %, 強度反而有所增加, 摻量繼續增大, 強度相應降低。(c) 在自養混凝土中, 硅粉在自然養護條件下增強效應比標養條件下好, 硅粉摻量在 10 %增強效應最好。 (d) 減水劑摻量在 1. 5 %左右增強效果最明顯。
綜上所述, 水膠比在 0.24～0.33 時配制自養高強混凝土是完全可行的。從強度和坍落度兩方面綜合考慮, 本試驗的最優方案取水膠比 0.24 , 自養護劑摻量20 %, 硅粉摻量10 %, 減水劑摻量1.8 %， 單位用水量150 kg/ m3 , 砂率 Sp =32 % 。
1.4重復性驗證試驗
為驗證上述結論的穩定性、可靠性, 取最優配比方案進行了5 組重復性試驗, 試驗結果見表6。
表 6 重復性試驗數據
|
試驗組號 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
坍落度/ mm |
122 |
118 |
126 |
115 |
116 |
|
標準養護28d抗壓強度/ MPa |
81.6 |
84.8 |
85.4 |
82.4 |
82.1 |
|
自養護28d抗壓強度/ MPa |
79.1 |
82.7 |
83.7 |
81.2 |
80.3 |
由表6的試驗結果可知, 摻入自養護劑可配制出坍落度不低于 110mm , 混凝土28d抗壓強度達 80MPa 的高性能自養護混凝土。
2、結論
試驗表明摻入自養護劑后, 水膠比為0.24～0.33的低水膠比高性能混凝土對養護環境條件的敏感性大大降低, 在自然環境下無需人工養護, 其28d 抗壓強度和相應的標養混凝土相同。在高性能混凝土中摻入含水率高的預濕輕質骨料（本文稱之為自養護劑），是一種提高低水膠比高性能混凝土養護效果的新方法。輕質骨料均勻的分散在整個膠凝材料中，起內部蓄水池的作用，只要水化過程中出現水分不足，就有濕度梯度存在，輕骨料中的水分首先依靠毛細管吸力傳送至水泥漿體，然后通過水蒸汽擴散作用向四周擴散，接著是毛細冷凝作用為水化反應供給所需水分，從而支持水化反應繼續進行。新的水化產物填充混凝土中的空隙或者是由于干燥作用產生的微裂縫，使混凝土對養護缺陷不再敏感，硬化水泥漿體結構更加密實，微裂縫更少。由于該方法依靠混凝土骨料蓄水對混凝土自身進行養護，形成混凝土內部的密實結構，因此可以形象地稱其為自養護HPC。自養護高性能混凝土應用于工程實際中無需人工養護, 節省了混凝土的養護費用。本試驗中自養護劑的摻量以骨料總體積的20 %為宜。在實際應用中, 自養護劑的摻量與其吸水率有一定的關系, 摻入自養護劑的硅灰高性能混凝土，其微觀結構中附加養護水的分布情況以及自養護劑的養護效率和機理還有待于進一步的深入研究。
參考文獻：
[1] 劉紅宇.養護方法對高強混凝土強度的影響[J ]. 山西建筑,2001(6)
[2] 于韻,蔣正武,唐曉淘. 養護條件對混凝土早期內部相對濕度的影響研究[J ].江西建材,2003 (1)
(本文來源：陜西省土木建筑學會 文徑網絡：文徑 楊葉 編輯 劉真 審核)
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