竹管复合水泥混凝土的研发.pdf

第 4 2卷第4期 2 0 1 5年 4月 建筑技术开发 B u i l n g T e c h n i q u e De v e l o p me n t Vo 1 4 2 No4 Ao r 2 01 5 摘要 竹管复合水泥混凝土的研发 朱航征编译 ，将有大量废石膏板需要再利用。采用废石膏板微粉及高炉矿渣和粉煤灰作为 刺激、固化胶结材料，以竹材代替钢材作为增强材料，经过灌注填充形成种复合结构， 并对其适用性 进行研究。 关键词 废石膏板；养护；竹管；高炉矿渣 中图分类号T U 7 4 5 1 文献标志码B 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 5 ) 0 4 - - 0 0 7 5 ) 4 RES EARCH AND DEVELoPM ENT oF BAM Boo TUBE CoM PoS I TE CEM ENT CoNCRETE Zh u Ha n g- z h e n g Abs t r a c t Wi t h t he ma i n t e n a n c e a n d r e c o n s t r u c t i o n o f r e s i d e n t i a l b u i l d i n g ，a l a r g e n u mb e r o f wa s t e g y p s u m b o a r d s wo u l d be p r o d u c e d a n d n e e d t o b e r e c yc l e d A k i n d o f c o mp o s i t e s t r u c t u r e c o u l d be f i l l e d us i ng m i cr o po wde r of was t e gy ps um bo a r d，bl as t - f ur na ce ci nde r a nd pul ve r i ze d c oal a s h as c a t a l yt i c a nd s o l i d i f y i ng c e m e n t i n g m a t e r i a l a n d r e p l a c i ng s t e e l w i t h ba m b o o a s r e i n f o r c i n g m a t e r i a 1 Ke y wo r d s wa s t e g y p s u m b o a r d ； c u r i n g ； b a mb o o t u b e ； b l a s t f u r n a c e c i n d e r 制造 1 t 水泥排出的二氧化碳约 8 0 0 k g ， 为进 行减排， 代替这种水泥固化体的研究和开发正在 进展。 如在高炉矿渣微粉中， 掺入排烟脱硫石膏， 并添加碱类刺激剂形成固化体已成为首选。 研究 表明， 使用这类胶结材料的混凝土， 其强度与普通 混凝土一致但收缩变形较大如初期湿养护不充分， 就会产生表层粉化， 影响强度， 将其作为结构材料 使用仍有待研究。 随着住宅的维修解体和改建， 将有大量废石 膏板需要再利用， 一些科研单位正在开展此项研 究。 废石膏板可作为高炉矿渣刺激材料使用， 有 的则用来开发纤维增强版。 这类混凝土的 p H与 普通波特兰水泥相差不多， 作为结构材料使用， 有 必要对其代替钢筋作为一种增强材料进行探讨。 本文的研究即采用废石膏板微粉， 同时还采用高 炉矿渣和粉煤灰作为刺激、固化胶结材料， 不仅 对其混凝土的基本物理性质进行研究， 并以竹材 代替钢材作为增强材料， 经过灌注填充形成一种 复合结构， 对其适用性一并进行研究。 本文主要 叙述内容如下： ( 1 ) 废石膏板微粉 高炉矿渣 一 粉煤灰混合 料浆 ( F S G ) 的基础特性研究； ( 2 ) 有关刺激材料的探讨； ( 3 ) 复合混凝土 ( C C C ) 特性研究； ( 4 ) 混凝土强度与养护的影响； ( 5 ) 竹管复合水泥混凝土 ( C F B ) 特性。 1 胶 结材特性 1 1 使 用材料 1 1 1 废石膏板微粉 废石膏板微粉是现场废石膏板经粉碎机粉碎， 通过 O 5 mm网目筛分出的粉状材料 ( 图 1 ) 。 图 1 中显像为石膏微粉的粒度分布， 为废石膏板粉体的 粒度分布与一般废烟脱硫石膏( 以下称标准石膏) 的比较， 相对较粗。 1 1 2 实验材料特性 本实验所用材料及其眭能见表 1 。 由荧光 X线 分析及 F P法定量分析结果， 由检出的元素氧化物 以其总数为 1 0 0 进行计算。 75 第 4期 朱航征 ：竹管复合水泥混凝土的研发 第 4 2 卷 褂 粒度 mm 图 1 石膏状态与粒度分布 表 1 使用材料与性能 使用材料 性能 粉煤灰 ( F) 密度2 2 4 g ， c m ，比表面积 3 4 3 0 c m 2 g 高炉矿渣 ( S ) 密度 2 8 6 c m ，比表面积 4 8 3 0 e m 标准石膏 ( G) 密度 2 3 4 m ，比表面积0 1 c m 2 g ，p H 8 7 6 废石膏 ( R G) 密度 2 2 9 c m ，比表面积 2 7 5 4 c m 2 g ，p H8 7 9 轻烧 白云石 ( D) 比表 面积 8 8 4 c m2 g ，p ill 2 6 3 水 泥 普通波特兰水泥 ，密度 3 1 6 c m 1 2 F S G料浆试组合 试验用的混合料浆见图2 。 料浆的混合物为 粉煤灰 ( F ) 、 高炉矿渣 ( s ) 、 二水石膏 ( G ) 混合 物固化体的特性， 可广泛选择其混合比， 不同的 配合比下由废石膏代替标准石膏的置填率分别为 2 0 ， 5 0 ， 1 0 0 对废石膏的影响进行评价， 料 浆的水胶比为 0 4 。 此外， 为促进二水石膏、 高炉 矿渣和粉煤灰的早期反应， 将水泥作为碱性刺激 材料并以重量比 1 混入。 G 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 3 0 2 0 1 0 S 图 2 试验组合 ( 点线为 N O 5 ) 1 - 3 F S G料浆的基础的特性 1 -3 1 流动性 ( 流动度) 采用标准石膏 ( 废石膏置换率为 0 ) 的混合 物， 其流动度为 2 0 0 m m， 具有良好的流动陛。 但是， 随着废石膏置换率增加， 流动域渐趋狭窄。 这是由 76 于废石膏的形状与标准石膏不同， 废石膏板中混有 纤维所致。 料浆中的粉煤灰可确保其流动 l生， 球状 粉煤灰具有滚动轴承作用。 石灰使用废石膏板微 粉时， 作为混合水泥， 应用粉煤灰恰好得以发挥其 优点 ( 图3 ) 。 9 O 8 0 4 0 坚 1 一 粉煤灰电子 显微镜图像 、 1 0 2 0 3 O 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 S G 9 0 8 O 7 0 6 O 5 0 4O 3 O 2 0 1 O 图 3 流动度分布 ( m m) 1 3 2 抗压强度 抗压强度取 3个试件经 2 8 d水中标准养护 ( 2 0 C 2 ) 后所得抗压强度， 如图 4 所示。 图 中表明， 高炉矿渣的混合率增加， 强度有随之增 高的倾向， 强度域较宽， 废石膏置换率增加， 强 度随之发展充分， 可确保强度达 3 5 N mm 标准， 强度域趋窄。 此外， 当图 4中二水石膏的混合率 为 3 0 时 ( 图 中点线 圈 内 N O。 1 3和 NO 1 4 )强 度显著偏小。 累积细孔量为 2 0 C、 6 0 R H条件 下 9 1 d 龄期的试件经丙酮处理后， 采用水银压 人机进行测定。 图 4中所示 ， 强度低的试件， 累 积细孔量大， 强度高试件 的容积明显偏小。 混合 物固化体的抗压强度与水泥系材料相同， 都与累 积细孔量具有依存倾 向。 对此， 特别是 N9 ， 1 0 ， l 3 ， 1 4固化体 ， 以再生石膏置换率为 O 的试件 为 0 的试体作为对象 ， 经 X射线衍射确定其固 化体生成物。 对于二水石膏 ( C a S O 4 , 2 H， 0 ) 的峰 值， 与 N O 1 0 ， NO 1 4比较， NO 9 ， NO 1 3相对偏 小。 如 图 4所示， NO 9和 NO 1 3属于强度较低 域， 作为石膏的混入量已超过 5 0 6 0 域。 据推 测， 作为刺激材料， 为促进高炉矿渣、 粉煤灰固化 ， 石膏的混人量应在 区域附近并有剩余， NO 9和 N O 1 3中剩余石膏存在有粗孔隙， 强度因而相对 较低 。 第 4 2 卷 朱航征 ：竹管复合水泥混凝土的研发 第 4期 1 O 2 0 3 O4 0 5 0 6 0 7 0 8 O 9 O S G 9 0 8 0 7 O 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 图 4抗 压强度分布 1 _3 3 干燥收缩 按 有关 标准采用电导计测定。 干燥条件 为 2 0 C 2 、 6 0 + 5 H R， 使用 3 个试件， 试件尺寸 为 4 c ruX 4 c mX1 6 c m，材 龄 9 1 d ， 前 3个 试 件 的平均值进行评价 ( 图 5 ) 。 从整体上看， 高炉矿 渣的混合率在较多区域， 其收缩变形趋大， 这与 C o l l o n s 等人的研究结果相似。 此外， 如矿渣混合 率较低， 粉煤灰在较多域， 及其收缩量则趋小。 降 低收缩变形的观点考虑在确保上述流动性情况下 混 入 定量的粉煤灰是有效的。 F ) 换率 l O 2 O 3 O 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 O S G 9 0 8 0 7 0 6 O 5 0 4 0 3 O 2 O 1 0 图 5 干燥收缩分布 ( 一 1 0 0 01 0 以下 ) 流动性、 强度特性 已能满足混合水泥混凝土 的条件需求， 作为粉煤灰、 高炉矿渣和废石膏板微 粉不同胶结材的组合 ( 图 6 ) 是适当的。 2 对有关刺激材料效果的探讨 为促进形成固化体， 对其刺激性材料的效果 进行了探讨。 刺激材料对强度存在影响。 不 同材料 的组 合可获得较高的强度， 为此按 F ： S ： G= 2 0 ： 6 0 ： 2 0 的配合 比进行探讨。 水胶 比为 0 4 ， 刺激材料为 石灰、 白云石、 凝 灰岩、 沸石。 为确保计 量 的准 l 0 2 0 3 0 4 O 5 0 6 0 7 O 8 O 9 0 S G 9 0 8 O 7 O 6 0 5 0 4 O 3 O 2 O 1 0 图 6 各种特性的分布 确性， 外掺量的下限为胶结材料 1 ( 质量比) ， 并与普通波特兰水泥为刺激材料相 比， 使 用不 同的刺激材料 固化体 7 d材龄 的强度按有关标 准进行了评价。 结果表明， 作为刺激材料的白云 石， 外掺 1 时， 7 d龄期的强度显示出最高值。 按质量 比外 掺石灰 l 时， 同龄期 抗压 强度为 2 0 N mm ， 不论何种材料， 以何添加率添加， 其 强度即大幅度降低 。 为此 ， 所使用的刺激性材料， 应以 l 进行判断。 3 有关复合水泥混凝土 ( C C C)特性 使用 F S G胶结材配制混凝土的有关性能的 研究， 着重在抑制收缩变形， 试验用的胶结材为 F： S： G=4 0： 4 0： 2 0。 3 1 使 用材料 与配比 用高炉矿渣骨料的混凝土 ( C C C ) 以C C C S 表示， 使用再 生骨料的 C C C以 C C C R表示， 使 用人工轻骨料和普通骨料时， 代号分别以 L和 N 尾号表示。 此外， 高炉矿渣细骨料则以不同产地按 KH 、 KB 、 K R分别表示。 据研究结果， 作为刺激材 料的轻烧白云石， 其掺量为胶结材质量的 1 。 3 2 试验概要 试验以不同骨料对 C C C特性的影响进行的 研究着重在：( 1 ) 抗压强度；( 2 ) 干燥收缩；( 3 ) 自 收缩和；( 4 ) 骨材表面图像等方面。 强度和收缩试 件尺寸为 1 0 c mX 2 0 c m， 以 3 个试件 的平均值进 行评价。 抗压强度时间经恒温叵湿 ( 2 0 C ， 相对湿 度 6 0 ) 养护后进行评价。 干燥收缩试件的中心设 置由埋人式变形计进行测定， 经一周水中养护后， 移送至恒温恒湿室内； 脱模后， 表面用铝带条覆盖， 在水分蒸发与空气隔绝状态下 在恒温匣湿室内进 行自收缩测定。 7 7 第 4期 朱航征：竹管复合水泥混凝土的研发 第 4 2卷 3 3试 验 结 果 3 3 1 抗压强度 据 以往 的研究， C C C的早期强度有迟缓倾 向， 但经本项研究确认， 使用高炉矿渣时， C C C S K R 、 K S 、 K H， 材龄 3 d即有了良好的强度发展， 材龄 2 8 d的强度发展与使用普通骨料时、 两者相 等或有所提高此外由于高炉矿渣细骨料产地不同， 强度即随之各异， 由于化学成分和粗粒率具有同 等程度，有关强度的差异， 尚待今后进行研究。 总之， 使用高炉矿渣骨料的 C C C ， 对强度发展显示出高 倾向。 3 3 2 干燥收缩 使用普通骨料的C C C N干燥收缩变形最大， 使用高炉矿渣细骨料 的 C C C S K B K B， 其收缩 相对较小。 采用定容法 ( H g d r o s o r 6 试验机) ， 干燥 收缩较小的高炉矿渣， 整体上吸附量较小， 特别是 低压线 ( 相对压 O _ 3 附近) 的吸附量最小， 收缩大 的普通骨料， 其区域内的吸附量整体较大。 这与骨 料的比表面积有关， 高炉矿渣骨料的比表面积相 对较小， 使用这种骨料时的干燥收缩有趋小倾向， 与以往的相关研究是一致的。 3 3 3 自收缩变形 高炉矿渣微粉大量用于 C C C收缩， 这与以往 的研究相似； 使用轻骨料的 C C C L C显著膨胀 ， 据推测这是由于人工轻骨料经大量水分补给产生 铝酸盐所致。 此外， 对于高炉矿渣和再生骨料的 使用， 即 C C C S和 C C C R的自收缩变形则位于 C C C N和 C C C L之间， 并无限趋向于 0 。 可以这 样认定， 高炉渣骨料 的自收缩降低， 适 当补给一 定水分是有效的。 3 -3 4 骨料表面的 S E M 图像 为了探讨高炉矿渣细骨料早期高强度发展 的原因， 制作了混凝土和由水、 胶结材及细骨料 拌制 的砂浆经 7 1 4 d材龄 的试件， 部分破碎后 使用扫描型显微镜对 骨材界面进 行了观察 。 使 用 S E M 观察 的试件表面进行了白金 钯溅镀 ， 观察对象主要是普通细骨料和高炉矿渣细骨料 两种 。 4 养护对 C C C强度的影响 大量使用混合材料混凝土， 养护情况对其特 7 8 性影响较大。 交融材料的组合， 较早期固化速度迟 缓与粉煤灰掺量较多有关 而一定量的高炉矿渣 却可予以确保在定强度域养护的影响较为显著。 对此， 对 F： G ： S = 3 0： 6 0： 1 0的 C C C， 在特定 养护条件 ( 大气和水中) 下， 对其抗压强度影响情 况进行了专项探讨。 4 1 使 用材料和 配比 使用材料见表 1 ， 刺激材料使用的是轻烧白云 石， 掺量为 1 ( 质量) 。 4 2试验结果 C C C的强度可由水胶比控制， C C C 3 0 材龄 1 4 d 与N 5 0 具有同等的抗压强度； 2 8 d 龄期约为其 1 5 倍的强度。 材龄 2 8 d的 C C C ， 大气中养护的试件 与水中养护试件比较， 抗压强度维持在 1 2 1 3 范 围， 表明养护方法极为重要。 5 结束语 本项研究 在不使用普通波特兰水泥的条件 下， 对使用废石膏板微粉作为刺激材料， 还有作 为碱性 刺激材料的粉煤 灰和高炉矿渣， 经组合 形成 另一种胶结材料， 其混凝 土名为复合水泥 混凝 土， 并 以这种混凝土为基础， 对如何用来 代替钢筋混凝土而形成一种新型结构材料的可 能性实施了基础实验。 通过本次系列研究 ， 得到 如下结论。 ( 1 ) 通过 C C C胶结材料浆实验， 高炉矿渣 的用量越多， 可取得更高强度， 但收缩也随之明 显增大。 为此 ， 通过本项研究 ， 确定了废石膏板 微粉 高炉矿渣 粉煤灰最佳配合 比。( 2 ) 使用 C C C， 采用了高炉矿渣骨料， 强度发展相对趋高。 ( 3 ) 高炉矿渣细骨料表面带有反应生成物。 据此 可明确的是上述强度发展于这种细骨料界面产 生反应物有关。( 4 ) 使用高炉矿渣骨料和再生骨 料， 自收缩变形几乎为 0 。( 5 ) 竹材的自收缩近似 于 0 ， 为此提出了使用高炉矿渣骨料和再生骨料 的 C C C灌注入竹管构成竹管混凝土方案。 据有 关弯曲试验结果确认 ， 竹材的性能具有增强效果。 关于抗压强度， 竹节断面易于形成弱点， 强度可 能降低。 今后有必要结合竹管内养护效果进行有 关定量化的研究。 此外， 考虑到竹材间的差异， 确 定其评价方法也很重要。