超缓凝半水混合料的力学性能及水化机理研究.pdf
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1、新型建筑材料圆园23援090引言随着地下工程深度的增加与规模的扩大,井下对湿喷用喷射混凝土流动性保持能力和力学性能的要求越来越高,喷射混凝土的功能性损失与其集料在地下储存的问题一直是工程界急需解决的难点与热点1。目前,喷射混凝土使用过程中存在的问题主要有2-4:(1)现有工艺将砂石在井下混合。一方面,井下环境潮湿,水泥在井下存放时间过长,易受潮板结,失去胶结能力;另一方面,现场拌料容易导致喷射混凝土搅拌不均匀,质量难以把控,存在后期强度受损的风险。(2)喷射混凝土施工时工作环境差,喷射混凝土回弹大。(3)井下施工人员裁减,配料工艺复杂,工作强度大,工作效率低。(4)为保证湿喷工艺顺利实施,混凝
2、土拌合物需要进行超长时间的运输,这就需要混凝土具备一定的流动性保持能力。超缓凝半水混合料的力学性能及水化机理研究张小卫(焦作千业新材料有限公司,河南 焦作454000)摘要:针对湿喷用喷射混凝土功能性损失与其集料在地下储存的实际工程问题,研究了一种高减水、超缓凝、可调节的超缓凝剂(SRA),进而研制出超缓凝半水混合料,通过单轴抗压、坍落度及水化热试验讨论了混合料的力学性能及水化机理。研究结果表明:SRA 掺量为 3.5%时,水化热突然降低,72 h 后仍具有缓凝作用,SRA 最佳掺量为 3.0%。对于静置 72 h 的超缓凝半水混合料,随SRA 掺量的增加,坍落度逐渐增大,经时坍落度损失逐渐减
3、小;SRA 掺量为 2.8%3.0%时,拌合物的流变性最好。当 SRA 掺量为3.0%时,超缓凝半水混合料试块的单轴抗压强度最高,28 d 单轴抗压强度可达 28.93 MPa。SRA 中的三聚磷酸钠(STPP)和聚羧酸减水剂(PC)抢夺吸附点,二者相互抑制,从而发挥缓凝作用。关键词:超缓凝;半水混合料;水化热;流动性;力学性能;吸附模型中图分类号:TU528.042文献标识码:A文章编号:1001-702X(2023)09-0032-05Study on the mechanical properties and hydration mechanism of ultra slow setti
4、ng semi water mixtureZHANG Xiaowei(Jiaozuo Qianye New Material Company,Jiaozuo 454000,China)Abstract:A high water reducing,super retarding,and adjustable super retarder(SRA)was studied to address the functionalloss of sprayed concrete for wet spraying and the practical engineering problems of its ag
5、gregate storage underground.Furthermore,asuper retarding semi water mixture was developed,and the mechanical properties and hydration mechanism of the material werediscussed using uniaxial compression tests,slump tests,hydration heat tests,and other tests.The research results indicate that:whenthe S
6、RA content is 3.5%of cement,the hydration heat suddenly decreases,and after 72 hours,it still has a retarding effect.Theoptimal SRA content is 3.0%of cement.The slump of the concrete mixture increases with the increase of SRA content,and theloss of slump decreases with the increase of SRA content wh
7、en it is left standing for 72 hours.When the SRA content is between2.8%and 3.0%,the rheological properties of the concrete mixture are the best.When the SRA content is 3.0%,the uniaxial com原pressive strength of the ultra slow setting semi water mixture test block is the highest,and the 28 d uniaxial
8、 compressive strengthcan reach 28.93 MPa.Sodium tripolyphosphate(STPP)and polycarboxylate water reducing agent(PC)in SRA seize the adsorptionpoint,and the two inhibit each other,playing the role of retarding.Key words:super-retard,semi-water mixture,hydration heat,liquidity,mechanical property,adsor
9、ption model基金项目:国家自然科学基金项目(42107200)收稿日期:2023-04-24;修订日期:2023-07-31作者简介:张小卫,男,1979 年生,博士研究生,高级工程师,主要从事新型混凝土材料、高性能混凝土与混凝土外加剂的研究,E-mail:。中国科技核心期刊32晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂近年来,学者们对井下喷射混凝土面临的热点问题进行了研究。张经双和马芹永1提出将预拌水泥砂浆技术应用于喷射混凝土,研究了砂石骨料含水率对喷射混凝土微观结构和力学性能的影响,论证了预拌喷射混凝土的可行性。为改善井下施工环境,降
10、低喷射混凝土回弹率,采用湿式喷射工艺进行喷射混凝土施工5-7。为保证喷射混凝土的泵送性能,将聚羧酸减水剂应用于井下喷射混凝土8-9,在改善喷射混凝土流动性的同时还可以提高其强度。但聚羧酸减水剂掺入过量将会导致喷射混凝土流动性太大,不黏着在受喷面,无法完成支护作用。基于以上经验,为解决喷射混凝土井下施工问题,提出将水泥、05 石子、中砂、复配超缓凝剂(SRA)及定量的水在地表按照试验配合比拌合,装入双层防潮袋后,形成超缓凝半水混合料,运输至井下后与水和速凝剂混合后制得喷射混凝土。可通过调节 SRA 掺量来实现缓凝时间的调控。通过对静置 72 h的超缓凝半水混合料的水化热、坍落度、流变性和力学性能
11、进行测试,论证超缓凝半水混合料的可行性。1试验1.1试验材料水泥:P O42.5R,符合 GB 80762008 混凝土外加剂 的要求,千业水泥提供,主要化学成分见表 1;粉煤灰:域级。石(05 石子):粒径 510 mm;砂:中砂,细度模数 2.83.1,砂石均来自千业新材料有限公司。三聚磷酸钠(STPP):白色粉末,国药化学试剂有限公司,杂质最高含量见表 2;聚羧酸高效减水剂(PC):中国建筑材料科学研究总院,黄色液体,pH 值为7.6,相对密度 1.03,固含量 40%,减水率 10%30%,STPP 和PC 的分子结构见图 1;速凝剂:低碱型粉状速凝剂。表 1水泥的主要化学成分%表 2
12、STPP 中杂质最高含量%图 1STPP 和 PC 的分子结构1.2SRA 的合成在 500 mL 烧杯中,加入一定量的水(从含水率水量中扣除,质量为稀释 PC 固含量到 10%的用水量),先将 STPP 白色粉末倒入水中,搅拌至无颗粒状态,再加入 PC 液体,搅拌均匀后可得 SRA 液体。其中 m(PC)颐m(STPP)颐m(水)=1颐0.40颐4.16,制得的 SRA 为淡黄色接近于无色的液体,pH 值为 8.1.相对密度为 1.23,固含量为 19.23%。1.3样品制备与养护在试验设计中,固定 m(水泥)颐m(粉煤灰)颐m(中砂)颐m(05石子)=1颐0.15颐2.46颐1.54,含水
13、率以砂石骨料总质量的 3%,速凝剂掺量为胶凝材料质量的 2%,水胶比为 0.55,SRA 掺量分别为胶凝材料质量的 2.5%、2.8%、3.0%、3.5%。按配比进行配料和样品制备,先按比例将水泥、05 石子、中砂与粉煤灰同时投入搅拌机中搅拌 60 s,然后添加配制好的 SRA 溶液拌合均匀,得到超缓凝半水混合料。采用防潮承拉抗压的聚乙烯塑料袋双层编织袋贮存上述超缓凝半水混合料,并用尼龙扎带封口,使其相对处于封闭不漏气环境。将袋装的半水混合料置于实验室内,并在室温下储存。72 h 后观察超缓凝半水混合料的贮存情况,筛分后,将未发生凝结反应的超缓凝半水混合料浇筑于 100 mm伊100 mm伊1
14、00 mm 模具中,置于标准养护室内养护至规定龄期后进行性能测试。1.4试验方法1.4.1水化热测试使用八通道微量热仪(Thermometrics TAMair)进行水化热试验,测试掺 2.5%、2.8%、3.0%、3.5%SRA 拌合物的水化热。1.4.2流动性能测试采用坍落度表征喷射混凝土拌合物的流动性能10,使用高 300 mm 的截头圆锥(上口尺寸 100 mm,下口尺寸 200 mm)型坍落度桶进行测试,每 30 min 测试 1 次,至 120 min 为止,每次测试前要将坍落度桶用水湿润,防止测试时水分损失。1.4.3流变性能测试使用同轴圆筒旋转黏度计进行流变性能测试,将放置 7
15、2h 的超缓凝半水混合料取出,按 0.55 水胶比,测试不同 SRA掺量拌合物的剪切应力-剪切速率曲线。1.4.4单轴抗压强度测试采用微机控制电液伺服压力试验机(YAW-4206 型,美特斯工业系统中国有限公司)进行喷射混凝土单轴抗压强度测试。2结果与讨论2.1SRA 掺量对拌合物水化热的影响不同 SRA 掺量拌合物的水化热曲线如图 2 所示,水化热SiO2Al2O3Fe2O3SO3CaOMgOK2ONa2O烧失量4.682.432.3558.271.931.060.293.6023.65不溶物PbClAsSO42-Fe0.030.010.010.0020.100.03张小卫:超缓凝半水混合料
16、的力学性能及水化机理研究33新型建筑材料圆园23援09参数如表 3 所示。图 2不同 SRA 掺量拌合物的水化热曲线由图 2 可见,当 SRA 掺量为 2.5%、2.8%、3.0%时,在 72 h内,SRA 有效延长了水泥水化的诱导期,添加一定量的水后,更高的水化程度打破了水泥表面的覆盖层,水泥水化放热速率开始急剧加大,水泥水化快速进入加速期,水泥水化放热速率开始急剧加大,经过 1012 h 后,到达最大放热速率。但当SRA 掺量为 3.5%时,水化热曲线有显著差异,在水泥水化的诱导期被延长的同时,降低了加速期的反应速率,同时还降低水泥水化主放热峰的高度,另外还使水泥水化主放热峰变宽,表明 7
17、2 h 后还具有一定的缓凝效果。由此分析,SRA 的最佳掺量为 3.0%。表 3不同 SRA 掺量拌合物的水化热参数由表 3 可见,随 SRA 掺量的增加,水化热呈下降趋势,掺量为 2.5%水化热最大;当 SRA 掺量为 3.5%时,水化热明显下降,1、3d 水化热较掺量为 3.0%时分别下降了 78.7%、25.4%。这主要是因为溶液中的磷酸根离子在 PC 的强分散作用下,生成磷酸盐络合物薄膜覆盖在水泥颗粒表面,水化进程被抑制。2.2SRA 掺量对拌合物流动性能的影响坍落度反映混凝土拌合物在自重作用下克服内部颗粒之间的相互作用而流动的能力11。SRA 掺量对拌合物坍落度的影响如图 3 所示。
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