rpc性能试验研究

rpc性能试验研究

0硅灰和硅灰材料的配合剂对rpc性能的影响自1993年法国bouigues实验室的研究和生产以来，国内大学、暨南大学、大学城和其他大学也对材料性能、混合质量、反应比、维护制度和胶结体系进行了大量研究，生成了较为稳定的epc。在制备活性粉末混凝土时通常选择水泥加硅灰的二元胶结体系,用量较大的水泥和硅灰将使混凝土收缩变形增大,极易引起混凝土的早期开裂。为解决这一矛盾,清华大学覃维祖等采用磨细粉煤灰取代部分水泥及硅灰,形成水泥、硅灰和粉煤灰组成的三元胶结体系,不仅起到降低成本、保护环境的作用,同时还可利用掺粉煤灰混凝土后期强度缓慢增长的特性,解决RPC的强度倒缩现象;湖南师范大学何峰等研究了硅灰和石英粉掺量对RPC性能的影响,发现加入硅灰后流动性及强度明显提高,组织更加致密,石英粉在高温养护下对提高强度的作用较为显著;福州大学何雁斌等研究了RPC组成材料的选用,指出在配制RPC时,选择与胶凝材料相匹配的高效减水剂可以较好地改善RPC的性能。前期工作中,已配制出了具有较高强度的RPC材料,但发现用天先硅灰和花王减水剂拌制的RPC试件中含有许多微小的孔洞,影响了其抗压强度及耐久性。因此,通过水泥适应性试验分别考察了三种硅灰及减水剂对胶凝材料流动性的影响,确定了合适的硅灰及减水剂品种;同时,考虑在RPC中掺入粒径为10nm的SiO2纳米材料和缓凝剂,来进一步提高RPC的流动性、密实度及强度,这在目前的研究工作中还很少报道。通过大量抗压强度试验,较系统地研究了水胶比、缓凝剂、纳米硅和硅灰掺量等对RPC流动性和抗压强度的影响规律。1关于水泥兼容性的研究1.1材料、试剂与仪器水泥:(1)哈尔滨水泥厂天鹅牌P·O42.5级普通硅酸盐水泥;(2)河北冀东水泥厂P·O52.5级普通硅酸盐水泥。硅灰:(1)天先特种材料研究所生产,灰白色粉末,实测密度2.13g/cm3;(2)挪威埃肯公司生产的半聚集态硅微粉,表观密度2.23g/cm3;(3)上海天恺公司生产的天恺970、940U微硅粉。粉煤灰:黑龙江省阿城市黑宝建筑材料厂生产的I级特细粉煤灰,实测密度2.21g/cm3。细砂:福建平潭按旧标准产的天然河砂,粒径范围0.25~0.65mm,密度2.59g/cm3。石英粉:275~320目石英粉,实测密度2.64g/cm3。高效减水剂:(1)西卡(中国)建筑材料有限公司生产的Viscocrete3301聚羧酸系减水剂,无色液体,含固量为17%;(2)上海花王化学有限公司生产的迈地21S,属羧酸系共聚物,淡褐色液体,含固量为20%;(3)德国DEGUSSA公司开发生产的美尔福斯1641F,为改性聚羧酸聚合物,黄色粉末。钢纤维:天津市路桥钢纤维厂生产的表面镀铜光面平直钢纤维,纤维直径0.18~0.2mm,长度15mm,长径比约为79(抗压强度试验使用)。缓凝剂:葡萄糖酸钠。纳米SiO2:粒径10nm,比表面积640m2/g。1.2外加剂对水泥流动性的影响为确定水胶比、硅灰和减水剂品种对RPC流动性的影响,首先进行了水泥适应性试验,试验工况如表1所示。表中数据以克为单位,各配合比胶凝材料的总量均为600g。测试方法依据GB/T8077—2000《混凝土外加剂均匀性试验方法》中附录A“混凝土外加剂对水泥的适应性检测方法”。为了详细了解胶凝材料的流动性随时间的变化情况,分0、5、15、30、45、60min六次进行测定。其中:高效减水剂掺量为胶凝材料用量的1%,缓凝剂掺量为减水剂用量的4%。工况1测定了水泥净浆的流动性,工况2、3、4分别考察不同减水剂对流动性的影响,工况5考察缓凝剂的影响,工况6、7、8考察了不同硅灰对流动性的影响,工况9、10、11考察水胶比对流动性的影响,工况11、12考察相同硅灰不同掺量时胶凝材料的流动性,工况13、14、15考察不同硅灰相同掺量时对流动性的影响。1.3试验结果的分析(1)水泥浆体流动性下降工况2、3、4、5的试验结果如图1所示。由图1可知,掺ME粉末减水剂(工况2)的水泥浆体前期流动性明显高于花王和西卡减水剂,后期流动性降低;掺花王减水剂(工况3)的水泥浆体前期流动性较差,但随着时间的增长其流动性增强,后期高于西卡和ME粉末减水剂;掺西卡减水剂(工况4)的水泥浆体性能很稳定,但其流动性普遍低于其它工况;工况5加入了缓凝剂,该工况具有良好的流动性,且随时间增长流动性变化稳定,60min后其流动性还稍有提高,故选择ME粉末外加4%缓凝剂作为本文制备RPC的减水剂。(2)水泥浆体流动性这里需要指出的是,工况7、8原定的水胶比为0.18,但几乎测不出流动性,因此采用0.20的水胶比,工况5、6采用0.18水胶比,结果如图2所示。由图2可知,掺埃肯硅灰的水泥浆体流动性明显好于其它工况。在0.2水胶比下,天恺940和天先硅灰(工况7、8)的流动性普遍高于天凯970(工况6),但仍然不如埃肯硅灰在0.18水胶比下的流动性(工况5)。考虑到较低水胶比有利于RPC强度的发展,因此首选埃肯硅灰。(3)结果图1工况9、10、11的水胶比分别为0.14、0.16、0.18,试验结果如图3所示。由图3可知水胶比对流动性的影响很大,水胶比越高流动性越好。水胶比为0.14和0.16的水泥浆体前期流动性损失较大,后期逐渐稳定;水胶比为0.18的水泥浆体前期流动性降低较少,后期比较稳定。(4)配方的确定工况13硅灰掺量为0.3,工况9、10硅灰掺量为0.1,试验结果如图4所示。由图可知,在不掺粉煤灰的情况下,使用相同硅灰,硅灰含量越多浆体流动性越差;硅灰含量相同时,埃肯硅灰的流动性好于天恺970。另外,掺10%硅灰(工况14、15)的浆体流动性接近或要高于水泥净浆的流动性,这说明一定含量的硅灰对水泥浆体的流动性是有贡献的。根据以上试验结果,制作立方体试件的材料选择埃肯硅灰、ME粉末减水剂、缓凝剂和粉煤灰。从RPC强度考虑,并兼顾水泥浆体的流动性,水胶比以0.16为主,同时考察0.14水胶比对强度的影响。2抗压强度试验2.1试件的成型、养护通过水泥相容性试验确定了以下14种抗压强度试验工况,见表2。试验采用15L行星式搅拌机,手动控制搅拌时间,将水泥、硅灰、粉煤灰、砂和80%溶有高效减水剂的水倒入搅拌锅内搅拌3min;然后加入剩余的20%溶液,搅拌3min;对于掺钢纤维的工况,在加入钢纤维后继续搅拌6min。混凝土搅拌完,将拌和物浇筑于立方体试模中,置于振动台上振动5min成型,24h后拆模。本试验考察了两种养护制度:(1)蒸汽养护:将试件先放置在蒸汽池里面养护3d,然后放置在(20±2)℃潮湿环境中养护至28d;(2)蒸压养护:将试件先放在蒸压釜内养护8d(7个大气压,180℃),然后标准养护3d。试验在哈尔滨工业大学土木工程学院结构试验中心的500t压力试验机上进行。加载方式:以6kN/s的速度加载直至破坏。2.2试验结果的分析流动性与抗压试验结果如表3所示。(1)活性粉末混凝土试件对于素RPC的立方体抗压试验,从试验过程中可以看到,试件大都呈爆炸性的纵向劈裂破坏。由于活性粉末混凝土的高度匀质性,没有粗骨料的销栓作用,试件大部分是从上到下整齐的被劈开。掺钢纤维的RPC由于钢纤维的阻裂作用非常明显,试件不再是脆性的劈裂破坏,裂缝的开展受到钢纤维的阻碍,试件最后的破坏形态是裂而不散。另外,试件内部的微孔比例较前期试验明显降低。(2)原材料的影响见表2(a)纳米SiO2的影响:工况6(0.5%SiO2)与工况9(不掺SiO2)比较,两种养护制度下的强度没有提高,但坍落度和扩展度提高幅度很大,说明纳米材料在掺量较小时可填充于其他颗粒之间,从而起到润滑作用,提高了拌合物的流动性,但对强度发展贡献不大;掺1%纳米SiO2的工况7与工况9比较,蒸汽养护的强度变化不大,但蒸压养护的强度有了显著的提高,坍落度、扩展度也有改善;但掺1%纳米SiO2的流动性比0.5%SiO2时有所降低,说明此时具有较大比表面积的纳米SiO2产生的吸水作用要高于其润滑作用,其掺量不宜过高,否则将影响流动性;另外,只有在蒸压养护时,纳米SiO2才能很好地参与水化反应,适当比例的掺入可以明显的提高RPC强度。(b)砂品种的影响:掺标准砂的工况8与掺石英砂的工况3比较,强度提高了18%,工况8的流动性较好,而工况3则几乎没有流动性,主要原因可能是石英砂中存在大量的粉末,导致其蓄水严重,致使拌合物流动性明显降低,试件不易成型,强度较低。(c)钢纤维的影响:工况8和11比较,强度提高了一倍,提高幅度很大,工况5和4比较,强度提高了24.5%,在低水胶比的情况下,掺钢纤维的强度也有所提高,说明钢纤维的掺入对提高RPC强度作用很大;同时看到,工况11的坍落度和扩展度非常大,分别为250、390mm,说明素RPC在配合比适当的情况下,可以获得很好的流动性。(d)硅灰的影响:工况8和9比较,强度比较接近,说明硅灰掺量对强度影响不大;工况8和10比较,掺埃肯硅灰的强度提高了23%,这说明硅灰的种类和性能对强度影响很大。(e)缓凝剂的影响:比较工况12和9,流动性没有改善,但强度提高了25%,可以看出,缓凝剂不会增大浆体的流动性,但可以延缓拌合物的凝结时间,这对试件成型起到了一定的积极作用。因此,添加适量的缓凝剂有助于提高RPC的强度。(f)石英粉的作用:比较工况13和9,发现掺石英粉能提高强度,但是效果很不明显,且石英粉的加入,极大的降低了RPC的流动性。因此,从经济和方便施工的角度考虑,配制RPC时可不掺石英粉。(g)水泥强度等级的影响:比较工况9和14可以看出,高强度等级水泥的强度反而低,说明水泥可能存在质量问题,没有达到提高强度的效果。(h)养护条件的影响:相同工况不同养护条件下,有三组蒸汽养护强度高于蒸压养护,一组相反,说明少掺或不掺纳米SiO2时蒸压养护对强度的提高作用不大,纳米SiO2掺入的比例适当时,高温下能参与水化反应改善RPC的微观结构,因此蒸压养护时强度较高。同时可以看出,掺20%硅灰的试件蒸汽养护时强度倒缩现象比蒸压养护严重,掺10%硅灰的工况则基本不发生强度倒缩现象。纵上所述,为得到适合工程应用的RPC,原材料可选用:哈尔滨水泥厂“天鹅牌”P·O42.5级水泥、埃肯硅灰、I级粉煤灰、标准砂、钢纤维、ME粉末减水剂和缓凝剂。虽然硅灰的价格较高,含10%和20%硅灰的强度差别不大,但是掺量为20%时RPC的流动性较好,有利于质量稳定,所以选择20%的硅灰比例,RPC配合比如表4所示。4配合剂对家庭粉液流动性的影响本文通过水泥相容性试验和活性粉末混凝土抗压强度试验研究,得到以下结论:(1)由于纳米SiO2粒径远远小于硅