极低水胶比下微珠-超细矿粉体系水化放热特性研究_王军.pdf
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1、Industrial Construction Vol.53,No.2,2023工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期183极低水胶比下微珠超细矿粉体系水化放热特性研究王军刘晓峰陈镇衫余辉廖树基(明阳智慧能源集团股份公司,广东中山528437)摘要:采用等温量热仪研究了 0.16 水胶比下粉煤灰微珠、超细矿粉单掺与复掺时的水化放热特性,探讨了其对净浆强度的影响,并提出了 2 种低热胶凝体系。研究表明:微珠与超细矿粉双掺总量为 50%65%时 56 d 抗压强度仍可达 157.3176.5 MPa,且不低于纯水泥强度;微珠较超细矿粉具有更突出的削峰与降热能力,两者双掺可进一步整体降低诱导前期
2、、加速期的放热速率和总水化热,第二放热峰峰值最低可达纯水泥的 48.0%。当微珠掺量超过 35%时,超细粉体产生叠加效应使 8.9 h 前加速期的放热速率高于纯水泥,X射线衍射与热重分析显示叠加效应并未加速早期钙矾石的形成,但一定程度促进了 3 d 后火山灰活性的提前激发,生成更多的低碱性水化硅酸钙和斜方钙沸石;运用所提出的低热胶凝体系配制出 56 d 抗压强度 150160 MPa 的无纤维超高性能混凝土,其绝热温升 T 为 37.441.2、最低水泥用量 35%,为 150 MPa 以上低热超高性能混凝土的配制提供参考。关键词:水化放热;粉煤灰微珠;超细矿粉;超高性能混凝土DOI:10.1
3、3204/jgyjzG22081709*中山市重大科技专项项目(20220506)。第一作者:王军,男,1986 年出生,硕士,高级工程师。电子信箱:wangjun21 mywindcomcn收稿日期:20220817esearch on Hydration Exothermic Characteristics of Micro Beads andSuperfine Slag Powder System at Very Low WaterBinder atioWANG JunLIU XiaofengCHEN ZhenshanYU HuiLIAO Shuji(Mingyang Smart Ene
4、rgy Group Co,Ltd,Zhongshan 528437,China)Abstract:The hydration exothermic characteristics of fly ash micro beads and superfine slag powder when they aremixed alone or in combination at a water-binder ratio of 0.16 were studied by isothermal calorimeter The influence onthe compressive strength of pas
5、te were discussed,and two low-heat cementitious systems were proposed The resultsshowed that the 56 d compressive strength could still reach 157.3-176.5 MPa when the total dosage of micro beadsand super slag powder was 50%-65%,which was not lower than that of pure cement system;compared with superfi
6、neslag powder,micro beads had more prominent peak shaving and heat reduction capacity When the two were mixedtogether,the exothermic rate and total hydration heat in the early induction period and acceleration period could befurther reduced as a whole The second exothermic peak could be as low as 48
7、.0%of the straight cement When thecontent of micro beads was more than 35%,the superposed effect of superfine powder made the exothermic rate in theacceleration period before 8.9 h higher than that of straight cement The X-ray diffraction and thermogravimetryanalysis showed that the superposed effec
8、t did not accelerate the formation of early ettringite,but it promoted the earlyactivation of pozzolanic activity to a certain extent after 3 days,and generated more low alkaline hydrated calciumsilicate and gismondine;the fiber-free ultra-high performance concrete with 56 d compressive strength of
9、150-160MPa was prepared by using the proposed low-heat cementitious system Their adiabatic temperature rise T was 37.4-41.2,and the minimum cement dosage was 35%,which could provide a reference for the preparation of low-heatultra-high performance concrete above 150 MPaKeywords:hydration exothermic;
10、fly ash micro beads;superfine slag powder;ultra-high performance concrete超高性能混凝土(UHPC)作为一种新型的水泥基纤维增强复合材料,因其超高力学性能、耐久性能,被逐步应用于桥梁、特殊建筑、预制构件中1。为实现超高性能,配合比中通常会掺入较多超细粉184工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期体并基于经典的紧密堆积模型进行设计和调整24,其胶凝材料总量高达 8001 300 kg/m3,且水泥用量普遍高达 60%以上1,5,导致 UHPC 的水化放热速率、水化温升和自收缩均明显高于高强混凝土。实体结构中温度应力还与收
11、缩、外约束叠加,虽然加入大量钢纤维(体积掺量 1%3.5%)1 来改善材料抗拉性能,但整体具有较高的早期开裂风险。因此 UHPC 胶凝体系的水化放热特性研究具有重要意义。有关掺合料的水化放热特性,主要集中在低水胶比下的硅灰、普通粉煤灰、普通矿粉等。文献 69研究了 0.290.35 水胶比下硅灰、/粉煤灰、S95 矿粉的水化放热特性,结果表明:硅灰会增大胶凝材料的水化速率、水化热且明显增大自缩和干缩,粉煤灰明显降低水化速率、水化热、自缩和干缩,S95 级矿粉能明显降低水化速率和水化热。卫煜等研究表明,水胶比 0.17 时,25%掺量内的超细复合掺合料(钢渣、矿渣和粉煤灰粉磨而成,平均粒径 3.
12、64 m)的浆体水化速率和累积放热量总体低于单掺硅灰、纯水泥浆体10。可见,对极低水胶比下除硅灰外的其它超细粉体的水化放热特性研究较少。通过研究 0.16 水胶比下水泥超细矿粉、水泥粉煤灰微珠、水泥超细矿粉粉煤灰微珠 3 种胶凝体系的水化放热特性,探讨超细矿粉、粉煤灰微珠及两者双掺时对胶凝体系净浆强度、水化放热历程和绝热温升的影响,以探索可用于配制 UHPC 的低热胶凝体系,为低热 UHPC 配制提供参考。1原材料与试验方法1.1原材料试验用原材料为:海螺 P 52.5 水泥(C)、粉煤灰微珠(WZ,简 称 微 珠,下 同)、超 细 矿 粉(USL)。水泥与超细粉体的主要物理性能与化学组成分别
13、见表 1 和表 2。其粒径分布见表 3。其中水泥、超细矿粉的比表面积采用勃氏法测得,微珠比表面积采用马尔文帕纳科 Mastersizer 3000 激光粒度仪以湿法方式经强力超声分散测得,其值供参考。表 1水泥与超细粉体的主要物理性能Table 1Main physical properties of cement and superfine powder品种比表面积/(m2 kg1)需水量比/%水化热/(J g1)抗压强度/MPa抗压强度比/%1 d3 d7 d7 d28 d56 d7 d28 d56 dP 52.5 水泥36510022133237845.459.664.6100.0100
14、.0100.0粉煤灰微珠2 4468837.462.674.785.6103.1115.6超细矿粉90610651.175.767.3112.6127.0104.2抗压强度比所用水泥为海螺 P 52.5表 2水泥与超细粉体的化学组成Table 2Chemical compositions of cement andsuperfine powder%品种CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSO3水泥61.5319.885.293.852.682.38粉煤灰微珠7.9958.3120.535.640.740.14超细矿粉39.6233.6216.330.366.102.07表 3水泥与超细粉体
15、的粒径分布Table 3Particle size distribution of cement andsuperfine powderm名称D10D25D50D75D90P 52.5 水泥1.264.1712.3015.5034.40粉煤灰微珠0.481.171.7910.6021.60超细矿粉0.841.743.546.159.121.2配合比胶凝体系净浆试验水胶比为 0.16,其配合比见表 4。超细粉体单掺时,粉煤灰微珠、超细矿粉的掺量均分别为 20%、30%、40%;双掺时,微珠与超细矿粉的总掺量为 50%65%。以上掺量均为胶凝材料总量的质量比,所有试验体系均经充分搅拌至流动度(22
16、020)mm,通过无缓凝组分的聚羧酸减水剂进行调整,以减小因浆体流动度不同产生的凝结时间差异对水化放热的影响。表 4胶凝体系配合比Table 4Mix proportions of cementitious systems%代号CUSLWZ减水剂掺量C1002.5080C20USL80202.2070C30USL70302.0060C40USL60401.8080C20WZ80201.2070C30WZ70301.1060C40WZ60400.9050C20USL30WZ5020300.8040C20USL40WZ4020400.4735C30USL35WZ3530350.601.3成型与养护
17、净浆强度试验的搅拌采用行星式净浆搅拌机进行,程序如下:1)加入全部质量的减水剂与水和 1/2极低水胶比下微珠超细矿粉体系水化放热特性研究 王军,等185总质量的胶凝材料并慢速搅拌 2 min;2)加入余下总质量 1/2 的胶凝材料慢速搅拌 2 min;3)加入余下的胶凝材料并慢速搅拌 2 min,最后快速搅拌 3 min。对于较黏的胶凝体系,在最后一次粉料加入后适当延长慢搅时间,至出浆后快搅 3 min;4)注模成型,试件尺寸为 40 mm40 mm40 mm;5)(202)环境下静置 24 h 后脱模,标准养护至规定龄期进行抗压强度测试。1.4试验方法净浆试件的抗压强度测试采用 600 kN
18、 万能试验机进行,试件尺寸为 40 mm40 mm160 mm;混凝土抗压强度测试采用 3 000 kN 电液伺服试验机进行,试件尺寸为 100 mm100 mm100 mm,结果乘以 0.95。以上养护条件均为标准养护。胶凝体系的水化放热测试采用 TAM AI 等温量热仪进行,测试时间为复合浆体拌和完成后的 072 h,试验环境温度为(202)。采用 PANalytical X Pert Pro MPD 衍射仪对硬化浆体进行 XD 分析,扫描范围为 5 70;采用NETZSCH STA499F5 同步热分析仪进行 TGDTG分析,测试温度范围为 25 950、升温速率为10 /min。所有规
19、定龄期的硬化浆体试样均经中止水化后研磨、过筛后封存测试。绝热温升试验采用天津港源热物理性能测定仪进行,试验箱体带 80 mm 聚氨酯发泡保温层密封,混凝土拌和物体积 4550 L,温度校准曲线实时显示,箱体内外跟踪精度0.05,无热源 50 L 水72 h 跟踪精度0.05,电脑实时控制采集数据。混凝土初始温度为 2025。2结果与讨论2.1胶凝体系净浆抗压强度水泥石基体强度是 UHPC 具备超高力学性能的必要条件之一,图 1 显示了各二元胶凝体系的净浆抗压强度发展规律。由图可知:粉煤灰微珠、超细矿粉单掺时均存在最优掺量且分别为 30%、20%,其标准养护28 d、56 d 的强度分别达到 1
20、64.3,172.8MPa 和 200.5,215.8 MPa。随着微珠掺量的增加,CWZ体系强度先增大后减小,各掺量下均大幅提高了水泥石的强度,且 2856 d 强度增幅随掺量的增加而增大并高达 1521 MPa,甚至当掺量至 40%时 56 d 强度仍达 176 MPa;而在 CUSL 体系中,超细矿粉对应掺量下的强度却逐步降低,28 56 d增幅仅36 MPa,且当掺量30%时,低于纯水泥体系强度。可见,相同掺量下,微珠体系的各龄期强度均高于超细矿粉体系,虽然微珠 28 d 活性明显低于超细矿粉,但其更小粒径和良好的形貌具有更突出的孔隙填充效应,有利于提升浆体的密实度,同时其微细颗粒更有
21、利于作为成核质点促进水泥水化产物的生成与富集,再者其火山灰活性可持续至 56 d(表1),这有利于更多的二次反应水化产物生成。从对水泥石的强度影响上看,单掺时微珠掺量可提高至30%40%、超细矿粉掺量不宜超过 20%。CUSL28d、CUSL56d 分别表示单掺 USL 时试件28 d、56 d 的抗压强度,其他同;CWZ28d、CWZ56d 分别表示单掺 WZ 时试件 28 d、56 d 的抗压强度,其他同。图 1微珠、超细矿粉单掺时净浆强度对比Fig1Comparisons of paste strength for cement mixed with WZ or USL基于单掺时的强度试
22、验结果,优选了 3 种CWZUSL 体系测试强度,结果如图 2 所示。可知,3 种复合胶凝体系的 56 d 抗压强度仍可达157.3176.5 MPa,水泥石基体仍具有足够高的强度,28 d 至 56 d 强度增幅降低至 1013 MPa。50C20USL30WZ 体系的强度最优。图 2CUSLWZ 体系净浆强度对比Fig2Comparisons of paste strength for CUSLWZ system2.2水泥超细矿粉二元胶凝体系水化放热特性超细矿粉单掺时的水化放热历程和水化热见图3。水泥 50 h 内的水化过程可分为诱导前期、诱导期、加速期和减速期7 4 个阶段。水泥在加水后
23、的015 min 内出现第 1 个放热峰主要是由钙矾石的生成及胶凝材料的润湿热造成的7。从图 3a、b 中可看到,相比纯水泥体系,超细矿粉的加入使得诱导186工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期前期、诱导期和加速期的放热速率整体降低,整体提高减速期后期的放热速率。随着超细矿粉掺量的增加,诱导前期整体推迟,诱导期的放热速率逐渐升高,但诱导期时间仅 20%掺量时小幅延长(30%、40%时与纯水泥相当);在加速期阶段,放热速率逐渐增加且达第 2 放热峰的时间逐渐提前,即掺量的增加反而导致凝结时间小幅缩短,这与低水胶比下凝结时间随普通矿粉掺量的增加而延长的特征不一致1112;在减速期后期阶段,放
24、热速率呈逐渐减小趋势。图 3c 显示,超细矿粉的增加,并没有完全降低纯水泥体系的总水化热,仅 20%掺量时表现出降低。综合来看,二元胶凝体系中超细矿粉的较优掺量为 20%。a放热速率;b05 h 放热速率;c放热量。C;80C20USL;70C30USL;60C40USL。图 3C 与 CUSL 体系的水化放热情况Fig3Hydration heat release rates of C and CUSL systems通常认为,水泥水化的各阶段是溶解反应扩散的综合过程8,13。从表 3 中可知:超细矿粉的中位径约水泥的 1/3.5 且比表面积约为水泥的 1.7倍,浆体中的自由水和水泥水化产生
25、的 Ca2+、OH易被超细矿粉颗粒及其团聚体吸附,使得 Ca2+、OH向水泥粒子及其团聚体中扩散和迁移的能力降低,因此 CUSL 体系中的诱导前期时间随超细矿粉掺量的增加而延长。但进入诱导期阶段时,虽然这种吸附倾向使得水泥颗粒表面的离子浓度达饱和时间推迟,但被超细矿粉粒子吸附的 Ca2+、OH逐渐激发高活性超细矿粉参与水化反应,且这种激发表现可能随超细矿粉掺量的增加逐渐明显,并加速了水泥粒子的水化,这可能是导致 30%、40%掺量时的诱导期时间并未延长的原因。随着反应的进行,水泥粒子表面形成的水化产物因渗透压达到临界值而发生破裂,水泥的水化进入加速期7。此阶段具有更大比表面积的超细矿粉粒子可能
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