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    新型高效混凝土复合早强剂.pdf

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    新型高效混凝土复合早强剂.pdf

    第31卷第4期 2014年12月 土木工程与管理学报 Journal of Civil Engineering and Management V0l|31 No.4 Dee.2014 新型高效混凝土复合早强剂 张长清, 贺 帅, 查道锋, 方英杰, 刘宗祺, 杜明阳 华中科技大学 土木工程与力学学院,湖北 武汉430074 摘要本文选用亚硝酸钠、无水硫酸钠、三乙醇胺和聚羧酸减水剂为新型高效复合早强剂的掺料,应用正交实 验方法设计实验,从而配置新型高效复合早强剂。实验结果表明,在标准养护条件下,该新型高效复合早强剂 可以使得使得水泥试件的1 d强度提高到150%,3 d、7 d、28 d的强度并没有降低;同时,在此基础上,研究该新 型高效复合早强剂对复掺矿渣以及粉煤灰水泥强度的影响,结果表明,与不掺粉煤灰以及矿渣的水泥试块相 比,当水泥试块的粉煤灰或矿渣的掺量为10%时,该新型高效复合早强剂可以适当的提高胶凝体系的早期强 度;但是,当水泥试块的粉煤灰、矿渣掺量为20%及以上时,胶凝体系与空白组相比,抗压强度降低。 关键词普通硅酸盐水泥;减水剂;正交试验;复合早强剂 中图分类号TU528.042.1 文献标识码A 文章编号2095-0985201404-0017-05 Research of New-type Composite Early Strength Accelerator for concrete ZHANG Ch,angqing,HE Shuai,ZHA Dao-reng,FANG ring-fie,LIU Zong-qi,DU -yang School of Civil Engineering and Mechanics,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,China AbstractU,fing orthogonal experimental design ,this paper studies the optimum ratio of new type composite early strength accelerator which includes sodium nitrite,anhydrous sodium sulfate, triethanolamine and polycarboxylate superplasticizer.It is shown in the experimental result that the early strength of cement specimen is dramatically improved after mixing with this additive.Comparing with the control group,the compressive strength of l d can reach up to 150%with no following strength reduction under the standard curing condition.Then the influence of this additive to cement containing fly ash or ground granulated blast-furnace slag was explored,and the results show that when the mixing amount of fly ash or slag is 1 0%and the amount of the early strength accelerator remains the same,comparing with the ordinary Portland cement,the early strength of the cementitious system will be improved by the new type composite early strength accelerator.It had to be mentioned, when the amount of mixture is equal to or greater than 20%,the compressive strength of the cementitious system reduces in contrast with the control group. Key wordsordinary Portland cement;water reducing agent;orthogonal test;compound early strength agent 早强剂可以加快水泥胶凝体系的水化速度, 减少其凝结时间,有效提高水泥、混凝土材料的早 期强度 。早强剂原料易得,成本低廉,性能稳 定,普适性强,效果显著,被广泛应用于土木工程 行业中 。我国地域幅员辽阔,各地温差较大, 尤其在北方,冬季施工时温度很低,导致混凝土水 化反应速度降低,凝结时间变长,不利于工期及质 量控制。这时采用早强剂可以有效改善并解决这 一问题E3,4]。 目前我国较为常用混凝土早强剂主要有氯化 收稿日期2014-05-23修回日期2014-09-25 作者简介张长清1964一,男,湖北武汉人,副教授,硕士,研究方向为建筑材料Emailchangqingz2008qq.com 通讯作者贺帅1993一,男,山西晋中人,本科生,研究方向为建筑材料Emailhustheshuai163.com 18。 土木工程与管理学报 2014年 物系、硫酸盐系、有机物系及复合早强剂 。由 于复合早强剂通常情况下比单组分早强剂效果 好,并且可以弥补其不足,故本实验着眼于复合早 强剂的配制。硫酸盐系早强剂,在各种养护条件 下均可提高混凝土的强度,对其后期强度也有一 定程度的增强 ;在有机物系列早强剂中,三乙 醇胺是应用最广泛的,它不仅可以提高混凝土的 早期强度,还可以增加其密实度和抗渗性 ;亚 硝酸钠能够使混凝土各龄期的强度得到平稳增 长,且其本身又是一种良好的阻锈剂,可以用于钢 筋混凝土中,因此采用这三种物质作为早强剂的 原料 J。通过大量资料我们发现,早强剂对于水 泥胶凝体系的强度提升作用有限,而保持流动性 一定的情况下通过降低水灰比,即掺人聚羧酸减 水剂,可以大幅度提高水泥的早期强度 。本 文着眼于研究新型高效复合早强剂,以达到大幅 度提高水泥早期强度的效果。 1实验原料及仪器 实验原料包括华新P.0 42.5普通硅酸盐水 泥、无水硫酸钠分析纯,精细化工有限公司、亚 硝酸钠分析纯,上海风舜精细化工有限公司、 三乙醇胺分析纯,天津市科密欧化学试剂有限 公司、聚羧酸减水剂、二级粉煤灰与矿渣。 仪器包括JJ.1型水泥搅拌机、40ram40mm 水泥模具、电子天平精度0.01 g及0.1 g、YE一 30型液压式压力实验机、YY 40B型标准恒温恒 湿养护箱、水泥净浆流动度试验锥模。 2实验基本步骤 本次试验主要是通过电阻率实验选出三种早 强剂;接着通过固定水灰比来选择减水剂掺量,固 定减水剂掺量来选择水灰比;通过正交试验来确 定早强剂各组分的掺量;最后在水泥中复掺粉煤 灰与矿渣来模拟实际工程内容。 2.1电阻率实验 实验步骤称量2600 g水泥,同时按照表1 称量出各试剂,与水泥混合搅拌后,将其灌入电阻 率实验仪器中,记录一天的电阻率变化。 表I电阻率实验各试剂掺量 % 试剂 硫酸钠三乙醇胺甲酸钙硫酸钾NaNO。 掺量 1 0.03 1.5 1 1.5 2.2流动性实验 2.2.1 固定水灰比探寻减水剂的合适掺入量 配制水灰比为0.3的水泥浆,借助电子天平 秤量0.2%、0.5%、1%减水剂并与水混合,倒入 水泥搅拌机搅拌。充分拌匀后,按标准流动性测 量程序测量其所对应的流动性,根据实验所测得 的流动性指标确定减水剂合适掺人量。 2.2.2 以合适减水剂掺量探寻合适实验水灰比 设立水灰比为0.4的不添加减水剂空白组, 同时设三组水灰比分别为0.2、0.24、0.28对照 组,对照组加入0.5%减水剂与水混合加入减水 剂后,水的掺入量应扣除相应水的重量,倒入水 泥搅拌机搅拌,充分拌匀后,按标准流动性i贝4量程 序测量其所对应的流动性。加入减水剂的三组流 动性数据分别与空白组对照得到最佳减水剂掺 量,以得到流动性在180~220mm之问的组合。 2.3正交试验 本次试验采用正交设计,可科学分析多因素 对试验的影响。它可在多个试验方案中挑选出代 表性强的因素,并且通过分析试验结果,直观地判 断出最优方案,亦可作进一步的分析,从而得到更 多有关各因素的潜在信息。本实验采用L933 正交表,因素水平表见表2。 表2正交实验配比及分组 % 正交实验设9组实验,在水灰比0.24,减水 剂含量0.5%的水泥浆中掺入三种不同水平的早 强剂。 按表1称量NaNO、NaSO 、三乙醇胺表中 数值均为百分比,以水泥质量为基准确定早强剂 掺量,混合搅拌。 配置三乙醇胺溶液,按正交表中所需要的量 进行稀释,称量NaNO 、Na SO ,混合搅拌,其溶 质含量见表3所示表中数值均为百分比,以水 泥质量为基准确定早强剂掺量。 表3试验正交设计因素水平 % 第4期 张长清等新型高效混凝土复合早强剂 19 配制水灰比为0.24,减水剂含量0.5%的水 泥浆,将配制好的溶液与水泥一起倒入水泥搅拌 锅中先手工搅拌..后使用JJ一1型水泥搅拌机充分 搅拌。充分拌匀后测试水泥浆的流动性,并倒入 水泥模具中,采用人工插捣成型的方法制作水泥 强度试件。在插捣完毕后进行人工振捣以减少水 泥中的气孔,制作成边长为40 mm的立方体水泥 试件,放入标准养护箱中进行标准养护温度20 1℃,相对湿度90%以上,养护至1、3、7、28 d 时分别取出6块试件进行水泥抗压实验,取6块 平均值作为实验结果。 同时,本组实验设两组空白组,一组水灰比 0.4不加减水剂以及早强剂,另一组水灰比为 0.24加入0.5%的减水剂但不加早强剂,具体操 作步骤同上。 2.4矿渣、粉煤灰实验 后续实验对复掺粉煤灰或矿渣的普通硅酸盐 水泥进行测试,以探究该最佳掺量对掺粉煤灰、矿 渣的普通硅酸盐水泥的早强效果。实验选用水灰 比0.3,减水剂含量0.5%以及最佳配比的早强 剂,实验步骤同前。对照组实验仅将其中部分水 泥替换为10%、20%、30%的粉煤灰或矿渣,其他 掺人量将保持不变,具体掺量见下表3。 表4粉煤灰及矿渣配比 g 注该空白组用来怍为与复掺粉煤灰或矿渣水泥的对比试验。 3实验结果与分析 3.1电阻率实验 相关电阻率分布见图1。 0 200 加O 600 800 1000 1200 1400 时间/min 图1电阻率分布 水泥浆的电阻率能反映水泥的水化过程,根 据其电阻率发展的特征曲线,可将水泥水化过程 分为溶解期、诱导形成期和诱导期、凝结硬化期。 其中,凝结硬化期阶段,其电阻率特征曲线明显加 速上升。曲线的上升拐点出现越早,斜率越大,说 明其早强效果就越好 。从电阻率随时间变化 的曲线图中可知,三乙醇胺和甲酸钙的拐点出现 较早,但由于甲酸钙在后期的电阻率增长较慢,因 此不考虑甲酸钙作为本次实验的早强剂。在剩下 的几种早强剂中,虽然其出现拐点时问都相对较 晚,但由于硫酸钠的电阻率随时间变化增长较快, 因此将其作为本次实验的早强剂之一。 3.2流动性实验 试验后得到的实验数据见下表5。 表5流动性与减水剂掺量关系 经多方面考虑,为保证流动性在合适范围内, 考虑到流动性在180~220 mm范围内效果较好,但 是聚羧酸减水剂的推荐掺量在0.5%~1.5%之间, 为了保证掺减水剂有效果且其效果较好,选择0.5% 的掺量,这也是后面选择降低水灰比的原因。 表6流动性与水灰比关系 实验可得水灰比为0.20和0.24的水泥浆流 动性均在180~220 mm范围内,效果较好,但由 于水灰比太小,其工程意义不大,故选用0.24作 为正式实验所用水灰比。 3.3复合早强剂最佳配合比的确定 3.3.1抗压强度 由标准抗压实验得到的数据表7所示。 表7正交试验抗压强度 MPa 9 8 7 6 5 4 3 2 O g. 一\q 20 土木工程与管理学报 2014年 3.3.2正交实验流动性分析 表8正交试验流动性 c作用效果不显著,从经济性的角度,可选择 111111 A3BIC1; 试样编号 流动性 2对于3 d强度,B因子显著,A较显著,C 第一组 95 第二组 87 第三组 78 第四组 123 第五组 96 第六组 75 第七组 125 第八组 73 第九组 76 根据实验结果,增加硫酸钠的用量可以降低 水泥浆的流动性,具有增稠效果。 3.3.3极差分析 根据正交试验分析法对以上数据进行极差分 析,把抗压强度随各个水平因素的变化情况用下 图表示出来,见图2。 三乙醇胺 掺量/% 图2正交试验极差分析 根据上图可以得到相关的极差数据,见下表。 表9极差分析数据 由正交分析原理可得,某水平因素的极差越 大,则该因素的变化对结果的影响就越大,该因素 即为主要因素。在1、3、7 d龄期,硫酸钠、三乙醇 胺、亚硝酸钠的极差分别最大,由此可得出在相应 龄期内其早强效果更为显著的结论。 3.3.4方差分析 正交试验中,方差数据体现了该因子在所测 数据中的贡献作用大小如1 d强度实验中,因子 A均方差较大,F值较大,体现A因子1 d强度实 验中的强度贡献作用更大。F值越大,其贡献越 大,且当F值大于9时该因素对实验影响显著。 对此处方差实验数据进行分析,可得出以下结论 1对于1 d强度,A因子作用效果显著,B、 不显著,则选择A3B1c1; 3对于7 d强度,因子A、B、c作用效果均 不显著,同时考虑经济性要求,则选择A2B1C1; 4对于28 d强度,因子A、B、C作用效果均 不显著,则选择A3B1C1。 表10方差分析数据 根据正交试验结果选择A3B1C1即硫酸钠 1.5%、三乙醇胺0.02%、亚硝酸钠0.5%作为最 佳掺量组合。以此重做验证试验,实现了1 d强 度56.0 Mpa,3 d强度68.7 Mpa的优良早强效 果。试验数据显示1 d试验强度与0.24水灰比 时添加减水剂空白组相对比提高了50%。 表l1各组强度对比 MPa 注D代表空白组,即0.24水灰比和0.5%的减水剂,作为 比较只掺减水剂下的强度提高的对照组;E代表硫酸钠、三乙醇 胺、硝酸钠的含量分别为1.50%、0.50%、0.02%的最佳配比,作 为比较只掺早强剂下的强度提高的对照组;F代表最佳配比以及 0.3水灰比,用于对比最佳掺量下其强度提高程度。 由实验数据可知采用最佳组合配比,与不加 入早强剂相比可使1、3、7、28 d强度分别提高到 150%、l12%、l13%、108%;水灰比增加会使每个 第4期 张长清等新型高效混凝土复合早强剂 2l 龄期的强度相应降低。 3.4粉煤灰、矿渣实验 粉煤灰、矿渣抗压强度试验结果见表1 2。 表12粉煤灰与矿渣试验强度 山 魑 日 鼎 粉煤灰、矿渣掺量对强度影响见图3和图4。 1 3 7 28 时间/d 图3 粉煤灰掺量对水泥强度影响趋势 图4矿碴掺量对水泥强度影响趋势 1对粉煤灰实验结果进行分析得出 加入少量粉煤灰10%可使普通硅酸盐水 泥1 d抗压强度41.8 Mpa提高到51.7 MPa,提高 幅度约23.98%;3 d强度由63.0 MPa提高到 70.1 MPa,提高幅度为11.2%。但随着掺量的逐 渐增加,1 d强度显著下降。30%粉煤灰掺量对 应1 d强度为34.7 MPa,比普通硅酸盐水泥下降 了17.O%;3 d强度为48.4 MPa,比普通硅酸盐水 泥下降了23.2%。 2对矿渣实验结果进行分析得出 加入少量矿渣10%可使普通硅酸盐水泥1 d抗压强度41.8 MPa提高到48.6 MPa,提高幅度 约16.3%;3 d强度由63.0 MPa提高到66.5 MPa,提高幅度为5.6%。但随着掺量的逐渐增 加,1 d强度逐渐下降。30%粉煤灰掺量对应1 d 强度为41.7 MPa,与普通硅酸盐水泥强度一致;3 d强度为58.0 MPa,比普通硅酸盐水泥下降了 7.9%。与粉煤灰相比矿渣对水泥早强的提高效 果温和许多。 4 实验结论 1该复合早强剂的最佳组合配比为 A3B1C1,即硫酸钠、三乙醇胺、硝酸钠的含量分别 为1.50%、0.50%、0.02%,同时加入0.5%的减 水剂。其1 d试验强度与空白组相对比提高到 150%,3 d强度提高到112%,7 d和28 d强度不 降低。 2加入10%的粉煤灰可使普通硅酸盐水泥 1 d、3 d抗压强度分别提高到124.0%、111.2%。 但掺量过大时,抗压强度与普通硅酸盐水泥相比 会有下降了。 3加入10%矿渣可使普通硅酸盐水泥1 d、 3 d抗压强度分别提高到116.3%、105.6%。但 掺量过大时,抗压强度与普通硅酸盐水泥相比无 促进作用。 参考文献 [1]熊大玉,王小虹.混凝土外加剂[M].北京化学工 业出版社,2002. - [2]卢璋,吴佩刚,顾德珍.}昆凝土外加剂概论[M]. 北京清华大学出版社,1985. 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