水泥颗粒（精选7篇）
水泥颗粒 篇1
0 引言
硬化水泥浆体的性质与水泥粉体在拌水前的堆积状态有着密切的关系。通过调整水泥的颗粒分布,产生最佳堆积密度,可以实现水泥性能的最优化。
如何实现水泥颗粒的最紧密堆积,在目前的研究和实践中,人们主要把注意力放在了微粉的填充效应上。而在水泥生产实际中,由于工艺条件的限制,不可能为水泥颗粒的紧密堆积提供充足的微细颗粒,所以只能通过分别粉磨或在混凝土搅拌站外掺矿物微粉来实现。
潘钢华等根据Aim和Goff模型计算得出,在混合材料和水泥二元体系中,系统的堆积密度取决于混合材粒子与水泥粒子的半径比。该比值越小,系统的堆积密度越大[1]。也就是要实现水泥颗粒的紧密堆积,除了实现一部分颗粒的微细化这一技术措施外,还可以通过一部分颗粒的粗大化来实现。
因此,本文就相同比表面积时增加水泥中的粗颗粒含量对水泥颗粒堆积密度的影响进行了探索研究。
1 水泥样品标准稠度用水量及水泥的颗粒分布
本文试验所用水泥样品的部分物理性能见表1,颗粒分布见表2。
其中,KF水泥为50%的琉璃河P·O42.5水泥掺加50%的不同颗粒组成的矿粉混合而成;L水泥为琉璃河P·O42.5水泥掺加不同比例的矿渣粗粉混合而成;C水泥为拉法基顺发P·C32.5水泥掺加不同比例的矿渣粗粉混合而成。
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为了避免比表面积对标准稠度用水量的影响,每个系列水泥样品保持相同的比表面积。
水泥标准稠度用水量按GB/T1346—2001进行。
2 水泥空隙率的计算
2.1 空隙率计算的几点假设
水泥颗粒堆积空隙率采用标准稠度用水量进行计算,并作如下假设:
1)假设在自加水搅拌的几分钟之内,水泥结合用水量忽略不计。
根据乔龄山介绍的K.Kuhlmanm等人的研究结果,水泥的物理用水量超过了总用水量的90%,化学结合水不足10%[2]。
2)假设水泥的组分不影响水泥的化学结合用水量和物理用水量。
2.2 空隙率的计算方法
文献[3]介绍了一种测定粉体颗粒堆积空隙率的方法———饱和点用水量法。该方法与用维卡仪检测水泥标准稠度用水量法相似,且两者的相关性好。
计算方法为:在不含气泡的混合试样中,为水所充填的空隙体积含量组分是以用水量nw来表示,所达到的堆积密度用下式计算:
式中:
nw———水填充的空隙含量份数(体积含量,总体积量为1);
Vw———最紧密堆积排列状态下饱和点用水量体积,cm3;
Vk———称取的固体颗粒体积,cm3;
mw———最紧密堆积排列状态下饱和点用水质量g;
mk———称取的固体颗粒质量,g;
ρk———粉体颗粒体积密度,g/cm3;
ρw———水的密度,g/cm3。
因为水的密度通常以ρw=1.0g/cm3计算,故(1)式可简化为:
2.3 计算结果
根据标准稠度用水量计算的水泥颗粒堆积的空隙率见表3。
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3 分析与讨论
3.1 空隙率与筛余的关系
水泥颗粒堆积空隙率与45μm和80μm筛余的关系分别见图1和图2。
1)从图1和图2看出,水泥颗粒堆积的空隙率与其45μm和80μm筛余具有很好的相关性,相关性系数分别达到了0.96和0.87;水泥颗粒堆积的空隙率与45μm筛余的相关性好于80μm筛余。
2)从表1和图1、图2的45μm和80μm筛余来看,不论水泥品种和组分,45μm和80μm筛余越大,水泥颗粒堆积的空隙率越低;也就是在水泥自加水搅拌几分钟内(一般5min),水泥基本没有水化,或水化的很少,也就证明前面的假设基本成立。
3.2 空隙率与电导率的关系
提高水泥中的粗颗粒含量能够提高水泥颗粒的堆积密度,这可以从初始硬化水泥浆体的电性能得到验证。
根据资料,水泥浆体的电性能是液相电阻率和空隙率的函数[4,5],硬化后的浆体电性能与水泥强度密切相关[6]。而在水泥水化硬化初期,由于水泥矿物没有进行大量的水化,因此水泥初始硬化浆体的电导率反映了由于水泥颗粒的堆积紧密程度不同所导致的结构差异。对几个水泥样品浆体电性能的测试结果见图3和图4。其中,浆体电性能的测试基准为标准稠度净浆。
从图3和图4看出,粗颗粒含量高的水泥浆体的电导率低于粗颗粒含量低的水泥浆体的电导率,表明此时粗颗粒含量高的水泥浆体空隙率低于粗颗粒含量低的水泥浆体空隙率,浆体结构更加致密。
4 结论
1)提高水泥中的粗颗粒含量能够提高水泥颗粒的堆积密度,降低水泥颗粒堆积的空隙率,这可以通过水泥浆体的导电性能加以验证。
2)水泥颗粒堆积的空隙率与其45μm筛余和80μm筛余具有很好的相关性,相关性系数分别为0.96和0.87,并且其与45μm筛余的相关性要好于80μm的。
摘要：对相同比表面积时增加水泥中的粗颗粒含量对水泥颗粒堆积密度的影响进行了分析研究。结果表明,增加水泥中的粗颗粒含量能够提高水泥颗粒的堆积密度,利于水泥浆体早期结构的发展。
关键词：颗粒分布,堆积密度,浆体结构
参考文献
[1]潘钢华,孙伟,丁大钧.活性混合材掺量的理论计算方法与分析[J].工业建筑,1997,27(9):31-35.
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[3]乔龄山.细粉材料颗粒特性、堆积密度和混凝土泌水性的新检验方法[J].水泥,2007(5):1-8
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[5]魏小胜,肖莲珍,李宗津.采用电阻率法研究水泥水化过程[J].硅酸盐学报,2004,32(1):34-38.
[6]肖忠明.利用水泥电性能进行水泥物理性能测试的研究[J].水泥,2007(6):45-48.
水泥颗粒级配对水泥性能的影响 篇2
2015年下半年,江西建材产品质检站遵照江西省工信委建材处《关于开展全省水泥颗粒级配和碱含量摸底调查工作的通知》的文件指示,对全省水泥企业进行了一次水泥颗粒级配及碱含量抽样检测。共抽样197批次,其中普通水泥42.5级及以上等级水泥69个,复合水泥32.5级(含复合32.5R)118个,白水泥32.5级10个,现把三种水泥颗粒级配情况对比如表1。
(1)带辊压机的磨机过粉碎现象要好于不带辊压机的。
(2)带选粉机的过粉碎现象很少。
(3)水泥中3~32μm的颗粒含量,普通42.5的水泥高于复合32.5水泥。
(4)水泥中3~32μm的颗粒含量超过65%比较少。现在一般认为理想的水泥颗粒级配为小于3μm的含量不应超过10%,3~32μm的含量应超过65%,大于65μm的颗粒越少越好。从普通水泥42.5级的统计情况来看小于3μm的颗粒含量,69个批次中超过10%有22个占32%,比较高,存在较明显的过粉碎现象。3~32μm的含量,69个中超过65%有28个占41%不到一半,有一个批次3~32μm的含量低于60%,大于65μm的颗粒不多,但都存在一些。
从复合水泥32.5级总的情况来看118个水泥中小于3μm的超过10%有34个占29%,比普通水泥42.5级略低一些,但也存在相当过粉碎现象,3~32μm含量超过65%有24个占20%,只有普通水泥42.5级的一半比例太低了。有11个批次3~32μm的含量低于60%,同普通水泥42.5级一样,大于65μm的颗粒也都存在一些。从以上情况看,我省企业的水泥中3~32μm颗粒的含量总体偏低,为此提出如下建议,供参考。
为改善水泥颗粒级配,提高3~32μm含量,降低小于3μm及大于65μm含量宜采用以下五条措施:(1)提高辊压机的辊压效果:控制进入辊压机物料的最大粒度,一般控制在60mm以下,控制入辊物料综合水分不超过1%~1.5%,稳定喂料量,控制合适的辊压力,减少辊压机的边缘效应;(2)提高打散分机分选效果:及时更换磨损的撒料盘衬板和反击板,修补或更换破损内锥体及筛网、风轮,必要时调整内筒高度来提高入磨细粉量;(3)球磨机系统的优化:通过改变仓长、适当延长末仓(研磨仓)的长度,降低球径的方法,来提高研磨能力,同时防止过粉碎现象的发生;(4)磨内物料流速和通风量的控制:料风平衡,以保持合理的磨内物料流速;(5)企业可以购买激光粒度仪开展水泥颗粒级配检测,这项检测每次所耗时间不长,且操作起来也比较简单,现在市场上销售的有干法和湿法两种仪器,干法仪器虽然一次投资大些,但用起来方便简单,成本低,更适应生产控制。企业通过不断的试验,探索出方便可行的方法来。水泥颗粒级配优化了,水泥的潜能就能充分地发挥出来,水泥企业的效能也能进一步地增长,同时水泥的使用性能更好了,产品也更受用户的欢迎。
摘要：水泥是建筑工程中的重要材料,用途广,用量大广泛用于工业及民用工程,现在水泥市场竞争日益激烈,水泥企业如何改进生产控制方法,提高水泥产品的质量和施工性能,且降低成本,来适应这一新形势?笔者通过对江西省2015年全省水泥颗粒级配抽样结果的统计分析,提出了一些建议。
水泥颗粒 篇3
水泥行业是一个资源、能源消耗大户, 因此提高水泥的有效利用率成为水泥行业节能减排的关键。而提高水泥利用率的最直接方法就是将水泥细磨。通常水泥细度越细, 水泥
达到40mm, 说明桩基容许大于8021k N。
3.3单桩竖向承载力确定
由现场实测数据绘制的Q-S曲线, 检测桩极限承载力为Qu=7807>7000k N, 检测桩的极限承载力满足设计要求。
的水化速度越快, 越易水化完全, 对水泥胶凝性质的有效利用就越高, 水泥的强度, 特别是早期强度也越高, 而且还能改善水泥的泌水、和易性、粘结力等。粗颗粒水泥只能在颗粒表面水化, 未水化部分只起填料作用。
水泥比表面积与水泥有效利用率 (一年龄期) 的关系如下:
4结束语
在工程设计中, 基桩竖向承载力的确定应是桩基设计中的重要组成部分, 通过现场试桩得到以下结论:
(1) 自平衡法由于其加载装置简单, 不需要压重平台, 不需要锚桩反力架, 占用很小的场地, 可直接测出桩侧阻力和桩端阻力等。
(2) 根据试桩试验结果可知, 在2倍设计荷载作用下Q-S曲线比较平缓, 无明显的拐点且桩顶位移远未超限, 说明承载力存在较大富余量, 单桩承载力满足设计要求。
(3) 由桩身轴力换算出的桩周岩土侧摩阻力可知, 距离试桩荷载箱较近处桩周侧摩阻力要比勘察单位提供的极限侧摩阻力大很多。这种差别较大的主要原因是桩身轴向压力增大导致径向变形, 使得径向压力增大, 从而侧摩阻力增大, 也在一定程度上反映勘察提供参数的保守性。
参考文献
[1]杨春生.浅谈建筑桩基设计【J】.民营科技[2]JT/T738-2009, 基桩静载试验自平衡法[S].
[3]崔科宇, 章敏, 王星华.嵌岩桩桩端极限承载力研究.中
国铁道科学, 31 (2) , 2010
[4]JGJ 94-2008, 建筑桩基技术规范【S】
作者简介:王东旭 (1984-) , 男, 陕西安康人, 学士, 主要从事工业结构设计。
(1) 3000cm2/g时, 只有44%可水化发挥作用; (2) 7000cm2/g时, 有效利用率可达80%; (3) 10000cm2/g时, 有效利用率可达90%~95%。
因此, 为了提高水泥的强度, 水泥的细化成为了水泥企业采取的技术措施之一。提高水泥的比表面积, 能够提高水泥的活性, 已被大量的研究和实践所证明。
但水泥强度与水泥比表面积的关系并不十分确定, 在有关基本条件 (熟料质量、磨机参数等) 不变的情况下, 水泥比表面积与水泥强度并不是呈线性正比关系。 (1) 水泥比表面积较大时, 水泥强度具有较高值; (2) 水泥比表面积过大, 水泥强度反而呈下降趋势;即使在比表面积相同时, 水泥的强度 (3d、8d) 也不完全一致。
因此, 水泥企业以直接控制 (或增加) 比表面积来保障水泥强度的做法并不能完全保证水泥的质量。因为增加超细颗粒的数额, 极有可能造成严重的过粉碎现象, 会使水泥 (混凝土) 的使用性能下降, 而且这必须以加大粉磨消耗为代价, 其必然使生产成本上升。由此可见, 水泥并非越细越好, 比表面积也不是越高越好。
同时, 比表面积对早期强度的影响远大于后期强度。这是因为硬化初期的水化物数量主要取决于同拌和水反应的表面积量, 随着水化过程的进展, 反应速度逐渐下降, 因为包围在水泥颗粒周围的水化产物, 结构变得密实, 阻碍了拌和水的扩散, 所以提高粉磨细度对后期强度的影响更有一定局限性, 不如对早期强度提高的幅度大。
2 水泥颗粒组成对水泥性能的影响研究进展
除水泥的比表面积外, 水泥的颗粒级配对水泥的水化及强度影响显著:水泥中0~12μm颗粒, 1d水化达78%, 28d趋向100%;12~32μm颗粒, 7d水化超过50%;32~64μm颗粒, 28d水化接近50%;大于64μm的颗粒, 90d后水化达35%。水泥产品中, 0~3μm颗粒决定1d强度, 3~24μm颗粒影响28 d强度, 但3d后可与0~3μm颗粒达到同等强度;24~48μm颗粒对28d强度贡献较小, 而90d可与0~3μm颗粒达到同等强度。
闽盘荣等编写的《水泥工艺学》对不同水泥颗粒与水化的关系描写如下:0~10μm, 水化最快;3~30μm, 是水泥主要的活性部分;>60μm, 水化缓慢;>90μm, 表面水化, 只起微集料作用。
从水泥的水化速率和水化程度角度来讲, 对于水泥粉体的最佳颗粒级配及比例, 目前国内外公认的是:水泥中粒径<3μm的颗粒应该<10%, 粒径3~30μm的颗粒应该在65%以上, 粒径>60μm和<1μm的颗粒尽量减少。但它的前提条件是水泥的颗粒分布比较窄, 分布是连续的, 比表面积值在350~400m2/kg之间。即为了获得高的水泥水化率, 进而获得高的水泥强度, 水泥颗粒分布的越窄越好。从保证混凝土性能和熟料尽可能完全水化角度确定熟料粒度分布的关键在于:熟料颗粒必须有足够窄的粒度分布, 以保证过快水化的粒径<3μm的细颗粒很少, >60μm水化程度很低的粗颗粒也很少。
2001年实施水泥新标准以来, 我国的水泥细度呈现逐渐变细的趋势。多数水泥行业的专家认为这是水泥粉磨技术的进步;但混凝土行业一些专家将近年来混凝土大量出现开裂、耐久性下降的部分原因归咎于水泥比表面积偏高、细度偏细, 从保证混凝土耐久性的角度, 建议将水泥比表面积控制在一个较低的水平。在两种意见之间, 在混凝土耐久性和水泥足够程度的水化之间, 应该寻求一种平衡。水泥行业则应该寻找既能使水泥有足够程度的水化, 又不损害混凝土性能特别是耐久性的技术途径。
形成两种相反观点的原因, 主要是水泥细度概念的不同理解和水泥颗粒分布对水泥性能的影响研究不够。水泥的细度表征方法包括:筛余、比表面积、颗粒组成。而传统的细度检验方法有一定局限性: (1) 筛析法测水泥细度十分直观, 但不能充分说明物料中颗粒物质的性质和几何形状。 (2) 虽然勃式比表面积与水泥强度具有一定的相关性, 但不能全面反映水泥颗粒分布的宽窄。
在同样比表面积下, 水泥的颗粒会存在不同组成 (或分布) 。经过数据统计发现, 水泥颗粒分布的特征粒径 (X’) 和均匀性系数 (n) 的乘积与水泥的比表面积、颗粒组成、水泥性能密切相关。在X’n参数中, 除了X’的影响外, n的影响远远大于X’。即水泥颗粒分布的宽窄决定了水泥的物理性质以及水泥浆体的物理化学性质。
(1) 颗粒分布均匀性系数对水泥性能的影响 (除去特征粒径的大小对水泥水化率的影响之外) , 源于均匀性系数对水泥颗粒堆积状态的影响。较宽的颗粒分布对应于较大的堆积密度。而胶凝体系的堆积密度将直接影响到其净浆、砂浆和混凝土的流动性以及硬化浆体的孔隙率和孔结构, 从而影响混凝土其他一系列相关性能:强度、耐侵蚀性、抗渗性和抗冻性等。
(2) 水泥与水拌和后, 水首先要充满粉体颗粒之间的空隙, 并将颗粒润湿包围在其表面形成一层水膜, 使颗粒之间容易产生相对滑动, 使砂浆有足够的流动性。而后调整水泥颗粒分布, 增加细粉含量, 实现最佳堆积密度的观点便日益受到重视, 这样便可最大限度地减少颗粒之间的三角空隙区, 降低所需水膜厚度, 达到降低用水量, 提高砂浆流动性, 提高混凝土强度和密实性的目的。
(3) 水泥凝结时间的长短主要决定于两个因素:一是水化产物的多少, 水化产物越多, 越容易形成相互搭接的结构;二是颗粒之间之空隙, 空隙越大, 颗粒之间的间距越大, 需要更多的水化产物形成相互搭接的结构。当水泥的颗粒分布窄时, 颗粒堆积的空隙率高, 标准稠度用水量大, 早期生成的水化产物少, 水化产物之间的间隔较大, 故其凝结时间长。反之, 当水泥颗粒分布宽时, 颗粒堆积的空隙率低, 标准稠度用水量小, 早期生成的水化产物多, 水化产物之间的间隔较小, 因此凝结时间短。
对于强度的影响, 前面已经涉及, 即用标准试体作的水泥强度以及混凝土强度都是随着n值的提高, 即水泥颗粒分布变窄而提高, 但同时也增大了需水量, 所以用固定水灰比作的水泥标准试体强度的提高量明显大于用固定稠度作的砂浆和混凝土试体强度的提高量。
对窄颗粒分布的认识, 水泥颗粒分布是宽些好还是窄些好, n值大好还是小好, 目前仍有争议, 有关水泥专业文献中不断有些不同的看法, 简单归纳有以下几方面:
(1) n值小, 颗粒分布宽时的曲线更接近最佳堆积密度理想筛析曲线。
(2) 在比表面积相同的情况下, 宽颗粒分布的水泥早期水化速度稍快一些, 窄颗粒分布的水泥后期水化速度快些, 28d龄期的水化程度也稍高一些。
(3) n值对水泥标准试体强度影响较大, n值越高强度越高, 但与混凝土的相关性不好, n值高时混凝土强度提高很小, 或没有提高甚至下降, 尤其在高水灰比 (如0.60) 混凝土上更是如此。
(4) 美国在高C3S含量窄颗粒分布的新型水泥上发现, 用这种水泥配制的混凝土用水量大, 耐久性差, 混凝土自愈合能力和后期强度增进率低。
(5) 窄颗粒分布的水泥还要用细粉填充料来调整堆积密度, 以保证混凝土的密实性。然而填充料的加入是有限的, 不论是惰性的还是活性的都会降低强度。有人还对如粉煤灰的掺量提出限定, 认为不能低于15%, 否则也有害处, 填充料过多又会造成混凝土中的细粉含量超量, 使干缩加大。
(6) 在水泥生产的质量控制中可以通过水泥细度控制预测水泥和混凝土的主要性能, 如标准稠度用水量、混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度。
3 水泥最佳颗粒组成的研究进展
对于水泥的最佳颗粒组成, 国内外学者进行了大量研究, 并给出了建议:如肖忠明等给出的最佳颗粒组成为:X’n的乘积值在20mm左右, 此时的水泥比表面积在3670cm2/g左右, 相应的颗粒组成约为≤6mm, 27%, ≤12mm, 42%, ≤24mm, 63%。
钟伊扬等经过研究, 给出了六大通用水泥最佳颗粒级配为:P·Ⅰ和P·Ⅱ水泥中3~24μm颗粒含量30%~40%;P·O水泥中3~24μm颗粒含量35%~45%;P·C水泥中3~24μm颗粒含量45%以上, P·S、P·P、P·F水泥中3~24μm颗粒含量50%以上。各种水泥中3~12μm颗粒含量决定水泥3d强度;16~32μm颗粒含量愈多, 7、28d强度愈高。
乔龄山在其《水泥最佳颗粒分布及其评价方法》一文中介绍了早期和现代对水泥最佳颗粒分布的认识, 同时着重介绍了最佳堆积密度的理想筛析曲线—Fuller曲线。
从介绍情况来看, Fuller曲线所给出的颗粒分布在目前应该是最为合理的、能紧密堆积的曲线。但实际能否在水泥粒级上应用未进行验证, 也没有此方面的介绍。同时要在国内的水泥生产工艺上实现难度非常大, 较为容易的是在混凝土搅拌时掺配不同细度的混合材来弥补。如何在水泥生产工艺上实现颗粒分布Fuller曲线, 这应是今后研究的方向之一。
参考文献
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[2]乔龄山.水泥颗粒特性参数及其对水泥和混凝土性能的影响[J].水泥, 2001 (10) :1-8
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[4]赵三银, 余其俊, 等.RRB分布模型特征粒径和均匀性系数的准确计算[J].水泥, 2006 (05) :1～3
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水泥颗粒 篇4
水泥颗粒细度和级配是影响水泥及混凝土性能的关键因素,水泥颗粒越细,比表面积越大,水泥的早期强度越高[1~3]。而水泥颗粒过细,混凝土中长期强度增长幅度趋小,会使实际结构安全度和抗御不利环境的能力大大降低。从混凝土耐久性的角度考虑,当配合比相同时,用粗颗粒水泥配制的混凝土的耐久性优于用细颗粒水泥配制的混凝土[4]。有研究表明,比表面积为231m2/kg的粗颗粒水泥配制的普通混凝土50年后抗压强度达到52MPa,而比表面积为380m2/kg的细颗粒水泥配制的普通混凝土10年后抗压强度开始倒缩[5]。
我国水泥实际生产中的细度控制近十年来发生了非常大的变化,目前水泥细度按照0.08mm筛余通常在2.0%以下,有些生产厂家为了达到比较高的早期强度,甚至粉磨细度更细。水泥细度显著增加会使混凝土开裂可能性增加,也会使混凝土劣化,有研究者认为这可能是当代混凝土劣化的主要原因[6]。一般认为,粗颗粒水泥配制的普通混凝土抗裂性能更好,粗颗粒水泥的未水化部分后期缓慢水化会对混凝土中的微裂缝起到愈合作用,表现出很好的体积稳定性[7]。但是过粗的水泥不能满足有早期强度要求的实际工程,特别是新国家标准的要求。
为了解决实际需要对强度的要求及水泥细度和混凝土长期性能的矛盾关系,可以对水泥自身的颗粒细度与颗粒级配在水泥生产与应用中进行调配。通过水泥粗细颗粒合理搭配,既有一定比例颗粒比较细的水泥在水化早期获得较高的强度满足早期强度的要求,又有一定比例颗粒较粗的水泥能在后期缓慢水化,同时也可以减少需水量,降低体积收缩。矿渣硅酸盐水泥是实际工程中比较常用的一种水泥,本文以矿渣硅酸盐水泥为研究对象,在实验室通过再次粉磨获得不同细度的矿渣水泥,并按一定比例进行混合,研究不同细度以及颗粒级配的矿渣硅酸盐水泥的性能变化,重点考察颗粒级配对矿渣硅酸盐水泥性能的积极作用。
1 试验原材料和试验方法
1.1 试验原材料
试验采用水泥为重庆某厂产52.5级矿渣水泥,化学成分见表1。砂采用福建产标准砂,细度模数为2.8。
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1.2 试验方法
水泥细度检测参照《水泥比表面积测定方法勃氏法》(GB/T 8074-2008);水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测参照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2001);水泥胶砂流动度检测参照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005);水泥强度检测参照《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671-1999);水泥砂浆收缩检测参照《水泥胶砂干缩试验方法》(JC/T603-2004)。
2 试验结果与分析
2.1 水泥细度对水泥安定性和凝结时间的影响
在振动磨机中将52.5级矿渣水泥进行二次粉磨,通过控制粉磨时间调整水泥细度,二次粉磨后矿渣水泥的安定性均合格,比表面积和凝结时间见表2。
由表2可知,二次粉磨后得到不同细度的矿渣水泥凝结时间、体积安定性均符合《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2001)。随着二次粉磨后水泥比表面积的增大,水泥的初凝和终凝时间基本趋小,水泥细度从321m2/kg增加到810 m2/kg,初凝和终凝时间均减少35min。可见水泥的化学组成不变时,水泥的粒径大小对水泥的凝结时间起到关键作用,矿渣水泥越细,其凝结时间越短。
2.2 水泥细度对标准稠度用水量、胶砂流动度影响
2.2.1 矿渣水泥的细度对标准稠度用水量及胶砂流动度的影响
由表2可知,二次粉磨后的矿渣水泥标准稠度用水量和胶砂流动度受水泥比表面积影响很大,随着比表面积增大,水泥标准稠度用水量增加,胶砂流动度降低。未经二次粉磨的矿渣水泥A0比表面积为321 m2/kg,标准稠度用水量为25.8%,而比表面积为810 m2/kg的矿渣水泥A6标准稠度用水量为28.5%,采用同一水灰比时A6水泥的胶砂流动度比A0水泥的胶砂流动度小20 mm。
2.2.2 不同细度矿渣水泥混合对水泥标准稠度用水量及胶砂流动度的影响
试验分别研究了不同细度矿渣水泥混合后的不同颗粒级配水泥标准稠度用水量和胶砂流动度的关系,如表3所示。
试验选用了7种不同的水泥混合方式。表2、表3试验结果对比显示:不同细度矿渣水泥混合后的标准稠度用水量大多比单一级配矿渣水泥的标准稠度用水量小;细度差别比较大的两种单级配矿渣水泥混合后水泥的需水量明显减小,标准稠度用水量接近或低于单一级配水泥标准稠度用水量最小值;不同细度的矿渣水泥混合后水泥胶砂流动度大多比单一级配水泥的胶砂流动度大,水泥胶砂的流动性得到改善。如由单一级配水泥A1(比表面积413 m2/kg)和A6(比表面积810m2/kg)按质量各1/2混合组成的水泥,其标准稠度用水量25.0%分别小于A1和A6的标准稠度用水量25.5%和28.5%,并且胶砂流动度157mm分别大于A1和A6的胶砂流动度151mm和137mm。Aim等认为[8],当两种不同细度的水泥混合时,把混合后的水泥看做二元系统,在该系统中存在着一个最紧密堆积体积,且其值取决于细颗粒水泥和粗颗粒水泥的直径比,比值越小,体系的密实度值越大,则其新拌浆体中填充于颗粒间空隙中的填充水量也越少。即由于单一级配水泥颗粒细度统一,粒度分布较窄,级配较差,粒子间的空隙大,达到标准稠度所需用水量就多;而水泥颗粒分布越宽,级配越好,粒子间的空隙越小,标准稠度用水量就越小。因此,当不同细度的矿渣水泥混合后,小颗粒填充大颗粒与大颗粒之间的空隙,水泥颗粒级配得到改善,水泥颗粒间的空隙减少,颗粒间所包裹的水量就减少,标准稠度用水量降低,在相同用水量的情况下水泥胶砂流动度增大。
2.3 矿渣水泥的抗压强度和抗折强度
2.3.1 矿渣水泥细度对胶砂试件抗压、抗折强度的影响
矿渣水泥细度对胶砂试件力学性能的影响见表4。由表4可知,不同细度水泥3d、28d抗压强度随着水泥比表面积的增大而增大,3d抗折强度整体随着水泥比表面积的增大而增大,28d抗折强度基本呈稳定趋势。从表4还可以看出,随着水泥比表面积增大,其抗压强度增长率逐渐减小。从A0到A6,水泥比表面积从321m2/kg变化到810m2/kg,其抗压强度增长率从93.6%减少到55.9%,减少了近一半。这说明在其他条件不变的情况下,水泥颗粒越细,对水泥的早期强度贡献越大,而对水泥的后期强度影响比早期要小。这是因为硬化初期的水化产物数量主要取决于与水反应的水泥颗粒的比表面积,随着水化过程的进行,包围在水泥颗粒周围的水化产物结构变得密实,阻碍了拌合水的扩散,反应速率下降。提高水泥细度对早期强度提高的幅度大,对后期强度的影响有一定局限性。这是因为一方面矿渣水泥越细,部分硅氧四面体和铝氧四面体受到破坏,使其聚合度降低,活性Si O2和Al2O3含量增大,易与Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶;另一方面,矿渣水泥越细,浆体黏度增大,颗粒间的团聚程度相应增加,浆体结构的孔隙减少,使得砂浆早期强度发展较快。
注:抗压强度增长率=(28d抗压强度-3d抗压强度)/3d抗压强度×100%。
2.3.2 不同细度的矿渣水泥混合对水泥抗压、抗折强度的影响
研究了不同细度矿渣水泥混合后的砂浆强度,并与单一级配水泥进行比较,矿渣水泥采用质量比为1:1两两混合,水泥混合后对胶砂试件力学性能的影响见图1~图5所示。
由图1~图5可知,不同细度的矿渣水泥混合后,水泥的强度取决于单一级配水泥强度较高者,混合水泥强度值接近或略高于单一级配水泥强度较高值。如图2所示,A0和A3混合后水泥28d抗压强度达到69.7MPa,比混合前的单一级配水泥A0和A3分别高12.2MPa和2.7MPa。比表面积差距越大的两种水泥混合,其胶砂强度值较两种单一级配水泥强度值都高,如图5所示,A1和A6混合,其3d和28d的水泥抗折强度均高于A1和A6水泥的抗折强度,虽然其3d水泥抗压强度值略低于混合前水泥3d抗压强度中的最大值,但28d抗压强度值高于未混合的单一级配水泥28d抗压强度最大值。这是由于不同细度的水泥混合后,水泥的需水量减少,在水灰比不变的情况下,水泥胶砂的流动性更好,相比于未混合的单一级配水泥,就能更好地与水接触反应。同时一部分较细的水泥颗粒,率先发生水化反应,生成C-S-H凝胶,体现为水泥早期强度较高;而较粗的水泥在充分与水接触的情况下对水泥的后期强度贡献较大,使得水泥胶砂试件在整个龄期都表现出很稳定的强度发展。
2.4 不同细度的水泥混合对砂浆收缩性能的影响
水泥石收缩是引起混凝土开裂的主要原因之一。由于水泥颗粒越细,水泥水化速率越快,水化热越大,因此水泥越容易开裂。为了研究不同细度的矿渣水泥混合对水泥砂浆收缩的影响,采用水灰比0.44、成型25mm×25mm×280mm试件对不同水泥混合方式下的砂浆收缩做了对比研究。表5给出了7种不同细度矿渣水泥的混合方式和混合后水泥的比表面积。
图6和图7分别为二次粉磨后矿渣水泥的砂浆收缩和不同细度矿渣水泥混合后的砂浆收缩。结果显示水泥砂浆的收缩受水泥细度的影响非常显著。图6表明,水泥越细,比表面积越大,在同一水灰比情况下,水泥砂浆的收缩越大:从A0到A6,水泥比表面积从321m2/kg增加到810 m2/kg,水泥砂浆7d收缩值从169×10-6增加到245×10-6,增长率超过50%,180d的收缩从374×10-6增加到437×10-6,增长率接近20%;同时发现,7d和180d的收缩增长相对值都在70×10-6左右,这说明粉磨后的水泥在整个龄期的体积都相对稳定。图7表明,不同细度矿渣水泥混合后的砂浆收缩在90d以前明显小于混合前各个单一级配水泥的收缩,并且混合越多不同细度等级的水泥,其砂浆收缩越小。如由A0,A1,A2,A3,A4,A5各1/6组成的水泥,其收缩最小,7d和180d的收缩值分别为91×10-6和317×10-6,比混合前的单一级配水泥中7d和180d收缩的最小值还要小约50%和20%。这是由于在一定的水泥细度范围内,越多不同细度水泥组合,越有利于改善混合后水泥的颗粒级配。当混合后的水泥细度与混合前的水泥细度在同一等级时,混合后水泥砂浆的收缩也变小。由A0、A2、A4各1/3混合的水泥的比表面积为401m2/kg,其水泥砂浆7d和180d的收缩值为87×10-6和337×10-6,相比于混合前的单一级配水泥A1(比表面积为413m2/kg)7d和180d的砂浆收缩值165×10-6和387×10-6分别要小88×10-6和50×10-6,减小幅度超过50%和12.5%。这是因为混合了不同细度等级的水泥,颗粒级配更宽,颗粒之间的相互填充性好,水泥水化反应速度稳定,水化热产生均匀,产生的收缩相比于单一级配水泥的收缩就小。以上数据还说明混合后的水泥对早期收缩改善比后期明显,这是由于水泥混合以后,水泥早期水化热相比于后期大量减少,因此其对早期收缩的改善明显优于后期。
m2/kg
3 结论
(1)不同细度矿渣水泥混合后的标准稠度用水量低于单一级配水泥的标准稠度用水量,砂浆流动性得到改善。
(2)不同细度矿渣水泥混合后的抗压、抗折强度接近或略高于单一级配水泥的强度。细度差距越大的矿渣水泥混合,其强度越高;不同细度等级的矿渣水泥混合的越多,水泥颗粒级配越好,其水泥砂浆强度越高。
(3)不同细度矿渣水泥混合后的砂浆收缩较混合前水泥砂浆收缩明显减小;混合后的矿渣水泥细度与混合前的水泥细度在同一等级时,前者的砂浆收缩明显变小;不同细度等级的矿渣水泥混合的越多,水泥颗粒级配越好,砂浆收缩越小。
参考文献
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水泥颗粒 篇5
关键词：矿渣粉,颗粒级配,微观结构
1 概述
矿渣是高炉炼铁得到的以硅铝酸钙为主的熔融物,它具有较高的潜在活性,磨细后的矿渣粉作为混凝土的独立组分可以改善混凝土强度和耐久性[1]。以往对矿渣粉的研究多集中于研究其细度与活性之间的关系,虽然取得了良好的效果,但由于大大地增加了粉磨时间,提高了成本,不能大范围大掺量用于高性能混凝土工程中。另一方面,将矿渣粉加工成完全均一细度的细粉,没有形成级配,掺入混凝土中后不能充分发挥微观填充作用。如果考虑将不同细度的矿渣粉以不同的比例掺配到水泥浆体中,使浆体中粉体的颗粒形成一定的级配,从而能够紧密地填充,有效降低水泥浆体的空隙率,改善孔结构,势必对浆体的性能起到改善作用[2,3]。本文就在此方面做了一些尝试性工作,通过对比三种细度矿渣粉单掺以及复掺后取代一定量的水泥的胶砂试件的3 d,28 d抗折及抗压强度,探讨这三种矿渣粉单掺或复掺对水泥胶砂试件强度的影响,并从显微结构及颗粒级配上考察矿渣粉对水泥砂浆性能的影响。
2原材料及试验方案
2.1 原材料及其性能指标
1)水泥:
河北冀东水泥厂生产的32.5号普通硅酸盐水泥;
2)砂:
北京昌平产河砂,细度模数为2.68,试验前过5 mm筛子;
3)矿物掺合料:
矿渣粉SL1产自首钢,SL2产自Ssang Yong Cement Limited,SL3产自武汉钢铁公司,分别对其主要物理性能指标及化学成分进行测定,见表1,并且采用欧美克LS-POP(Ⅲ)型激光颗粒分析仪测定了三种掺合料的颗粒分布,结果如表2所示。根据表2的结果计算出SL1和SL3复合掺配时粉体材料颗粒级配的变化如表3所示。
2.2 胶砂强度对比试验
将这三种矿渣粉单掺及以不同的比例复合掺配后根据国标GB/T 17671-1999成型水泥胶砂试件,水胶比为0.5,灰砂比为1∶3,以30%的矿物掺合料取代水泥,在水中养护至3 d,28 d后分别测其抗折及抗压强度。
2.3 水泥凝胶体微观结构试验
水化至一定龄期的水泥凝胶其内部微观结构和水化状态、水化产物形态采用KYKY-2800型扫描电镜进行测试。将水化至规定龄期的水泥胶砂试件压碎后两组试样,其一为胶砂成型后的7 d,其二为成型后的28 d。取样后至电子显微镜扫描观测之前,试样采用无水酒精浸泡以终止水泥的水化。
3试验结果与分析
3.1 胶砂强度对比试验
矿渣粉的活性与其比表面积有着密切的关系,同时粉体的颗粒群特征对其活性的影响也是至关重要的。本研究中采用了三种不同细度的矿渣粉,分别将这三种矿渣粉以30%的比例单掺及复掺加入水泥浆体中,拌制砂浆。掺矿渣粉的砂浆配比设计如表4所示。
1)从图1,图2看,单掺矿渣粉的早期胶砂强度除了SL3均低于不掺的强度,其中单掺SL3的强度最高,SL2次之,SL1则为最低。因为我们知道,水泥熟料中小于10 μm的颗粒对早期强度有较大贡献,10 μm～30 μm的颗粒对7 d与28 d强度有较好的相关性,而大于60 μm的颗粒则基本不能水化。分析这三种矿物掺合料的粒径分布数据可以看出,SL3中小于10 μm的颗粒达到62.1%,SL2次之,为50.83%,SL1中的含量就要稍微低一些,为23.9%,但是仍然远高于水泥,故掺加了矿渣粉的试件在3 d就表现出较高的强度。随着龄期的增长,除了掺SL2的砂浆的28 d抗折强度外,其余的强度值均超过纯水泥砂浆。
2)从图1,图2的试验结果还可以发现,矿渣粉的活性与其比表面积之间并不是简单的线性关系。SL1的比表面积为300 m2/kg,SL2的比表面积为521 m2/kg,但是掺这两种矿渣粉的砂浆T-1,T-2的强度除了28 d抗折强度有较大差别之外,其余龄期的抗压及抗折强度的增长趋势基本接近,掺加SL2的砂浆的强度并没有比掺加SL1的砂浆表现出多大的优势。这时就得考虑矿渣粉的颗粒分布对其活性的影响。有学者通过灰色关联分析的方法得出,矿渣微粉中9.9 μm～20.0 μm颗粒含量与7 d,28 d(抗压)活性指数关联度最大,其次是0 μm～9.9 μm颗粒,而大于20.0 μm的颗粒含量与活性指数为负相关[4]。从这三种矿渣粉的颗粒分布数据可以看出,SL3中小于16 μm的颗粒占到85%,SL1中这部分颗粒只有35%,SL2中小于20 μm的颗粒有64.43%,所以表现出来SL3的活性最高。对比SL1与SL2可以发现,虽然SL2中小于20 μm的颗粒含量高于SL1,但是其微细颗粒的含量远低于SL1,其中SL2中小于4 μm的颗粒只有0.02%,而SL1中小于4 μm的颗粒就有15.1%,SL1中这部分微细颗粒可以起到良性的填充作用,改善胶凝材料粉体的颗粒级配,使水泥石结构致密,提高水泥砂浆的强度。并且SL1与SL3中大量的小于2 μm的颗粒在3 d即可反应,消耗于强度不利的CH晶体,并增加火山灰反应,从而增加C—S—H含量,且减少了毛细孔体积。
3)SL1和SL3的比表面积分别为300 m2/kg和700 m2/kg,细度上还是有很大差别,将它们复掺到水泥砂浆中后可以粗细搭配,改善胶凝材料粉体颗粒级配,具有一定的叠合效应。表3中列出了本组试验中所采用的三种配比的砂浆中胶凝粉体材料的颗粒粒径分布变化趋势。从该表中可以看出,以小于8 μm的颗粒为基准,这三种配比下随着SL3掺量的逐渐增加和SL1掺量的逐渐减少,粉体中小于8 μm的颗粒的含量也是逐渐增加,当掺配比例为SL1∶SL3=1∶4时,粉体中小于8 μm的颗粒占到33.11%,其他两种配比下的这部分颗粒比较接近。与此相对应,来看这三种配比制得的水泥砂浆的强度变化趋势如图3,图4所示,在水化到3 d的时候,由这三种配比配制出的水泥砂浆的抗折及抗压强度基本上接近,略低于纯水泥砂浆的3 d强度。到7 d的时候以SL1∶SL3=1∶4的比例掺配的水泥浆体的强度就比其他两种配比的要高。随着龄期的进一步延长,强度进一步增长,到28 d时还是这种配比的砂浆的强度最高,以28 d的抗压强度为例,当SL1与SL3以1∶4的比例掺配时得到的砂浆的强度达到41.4 MPa,比它们以4∶1,3∶2的 比例掺配得到的砂浆的强度分别提高了8%和10%。
3.2 胶凝材料级配对凝胶体微观结构的影响
图5,图6分别为掺加30%SL1,SL2,SL3的砂浆水化7 d,28 d的SEM图。由于SL1与SL3中存在大量的小于4 μm的颗粒,这部分颗粒在早期就能发生水化反应并有效的填充浆体内部的空隙,表现出来图5中掺加SL3的砂浆的7 d结构最为致密,可以看见大量的卷箔状的水化产物,掺加SL1的砂浆的结构次之,内部也是能看见大量的网络状的水化产物,而相比而言掺加SL2的砂浆的结构就有些疏松,矿渣颗粒只是随机的分散在浆体中,水泥浆体内部还是有许多孔隙。随着龄期的延长,矿渣粉的物理填充及水化活性作用得到进一步的发挥,水泥石的强度不断提高,如图6所示,砂浆的结构也变得非常致密。
图7是SL1与SL3分别以4∶1,1∶4的比例掺配后砂浆水化7 d的 SEM图。在7 d的时候这二者的微观形貌差别不是很大,水泥浆体中的水化产物的聚集程度不是很高,浆体内部存在很多孔隙。到水化至28 d时,如图8所示,由于后者的粉体颗粒堆积紧密以及在SL3的含量较高的情况下SL3本身的水化活性作用的共同影响,使得水泥浆体的结构变得非常致密,几乎看不到有大的孔隙存在。而在SL1与SL3以4∶1的比例掺配得到的水泥砂浆水化28 d的SEM图中还可以看见有许多孔隙,水化产物的形貌也是主要以网状为主。这主要是因为在此配比下SL1的掺量居多,相比前面的情况就比较缺乏微细颗粒,故得到的水泥凝胶体的结构就没有前者那么致密。
4 结语
1)普通细度的矿渣粉加入水泥砂浆中后,对水泥的凝聚结构具有明显的分散作用,增加水泥粒子的水化空间,扩大了水化产物产生的场所,故掺加矿渣有利于水泥浆体早期强度的发展。 随着龄期的增长,水泥水化产物Ca(OH)2不断析出,矿渣粉的活性逐渐发挥,生成更多的水化硅酸钙及水化铝酸钙凝胶填充水泥浆体内部孔隙,进一步改善了孔结构。一般随矿渣比表面积的增加,砂浆的强度相应增加,但比表面积增加与强度的增加幅度之间并不是简单的线性关系,还得考虑粉体颗粒级配的影响。
2)SL1与SL3是细度差别比较大的两种矿渣粉,SL3中含有大量微细颗粒,这是SL1所比较欠缺的。SL1与SL3复掺时就可以弥补这部分的不足之处,二者的粗细颗粒可以有机搭配,使得胶凝材料粉体的颗粒级配更加合理。故SL1与SL3复掺时表现出一定程度的叠合效应。这两种矿物掺合料复合掺配时SL3的掺量占主导地位时由于SL3掺量大时,粉体中的微细颗粒含量高,易于满足粉体材料紧密堆积时对微细颗粒的要求。故随着SL3的掺量增加,水泥浆体的密实度也是不断提高,故砂浆的强度得到提高。
参考文献
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水泥颗粒 篇6
1 原材料性能试验
1.1 水泥
本试验采用的水泥是海螺牌粉煤灰硅酸盐水泥P.F 32.5, 经检测, 其主要技术性能指标均满足规范要求, 见表1。
1.2 集料
所用集料, 分为26.5~9.5mm、9.5~4.75mm、4.75~2.36mm、2.36~0 mm四种规格, 分别称为1#、2#、3#、4#料, 采用一种集料颗粒组成, 四种集料质量比为1#∶2#∶3#∶4#=0.30∶0.31∶0.12∶0.27, 集料颗粒组成见表2。按现行试验规程[1]的方法测得, 所用粗集料压碎值为26.2%, 符合规范要求。
1.3 橡胶颗粒
本试验采用20目、30目、40目橡胶颗粒, 粒径大小用目数表示, 目数一般是指在1平方英寸面积内筛网的网孔数, 目数越大说明物料粒度越细, 橡胶颗粒的表观密度及吸水率如表3所示。
2 无侧限抗压强度
采取用一定橡胶颗粒等质量替代4#料, 采用的配合比见表4所示, 根据试验规程[2]进行无侧限抗压强度试验, 试验结果见表5所示。
水泥稳定碎石抗压强度随着橡胶掺量关系图见图1。
从图1中可以看出, 水泥稳定碎石抗压强度随着橡胶掺量的增加而减小, 并且下降幅度较大。原因在于, 水泥稳定碎石混合料中掺入橡胶后, 橡胶颗粒一部分充当了集料中的细料, 另一部分被水泥浆包裹起来。一方面由于橡胶与水泥体之间界面的粘结力较小, 当橡胶颗粒位于水泥浆与集料界面时, 削弱了水泥浆与集料的粘结强度, 使水泥稳定碎石抗压强度降低;另一方面由于橡胶是弹性体, 受力时变形较大, 当掺橡胶颗粒的水泥稳定碎石试件受压时, 橡胶颗粒变形较大, 实际上减小了水泥稳定碎石试件的受力面面积, 所以其抗压强度会降低。
橡胶颗粒粒径与7d抗压强度的关系见图2。
从图2中可以看出, 掺入橡胶颗粒越大, 水泥稳定碎石抗压强度损失越大。掺40目橡胶颗粒比掺30目橡胶颗粒的水泥稳定碎石的抗压强度损失率小 (橡胶掺量相同) 。其原因在于, 橡胶颗粒越大, 受压时试件内部橡胶颗粒变形越大, 试件实际受力面面积变小, 所以强度损失率也越大。
3 劈裂抗拉强度
劈裂抗拉强度是水泥稳定碎石比较重要的强度指标之一, 根据试验规程[2]进行无侧限抗压强度试验, 劈裂抗拉强度试验采用的配合比见表4所示, 其试验结果见表6所示。
用劈裂抗拉强度损失率来表示掺入橡胶颗粒后水泥稳定碎石劈裂抗拉强度的下降幅度, 见下式所示, 其结果见表7。
由表7可以看出, 掺入的橡胶颗粒粒径越小, 劈裂抗拉强度损失率越小。原因在于, 橡胶颗粒越细, 表面积越大, 与水泥基体粘结更好;劈裂抗拉强度下降的幅度比抗压强度下降的幅度小, 原因在于试件的受力方式不同、影响抗压强度和劈裂抗拉强度的因素也不尽相同。抗压强度主要来自于集料强度, 掺入橡胶颗粒后, 相当于集料的整体强度下降, 从而导致试件的抗压强度下降;劈裂抗拉强度主要受集料与水泥基体之间粘结力的影响, 由于橡胶颗粒与水泥基体物理性质差异较大, 它们之间的粘结性比较差, 因而导致试件的劈裂抗拉强度下降。
4 冻融试验
半刚性基层材料的冻融循环试验目前尚无统一的试验规程, 冻融试验按试件在-20℃冰箱中冻6h, 然后在20℃水浴中融18h为一循环, 采用90d龄期试件经5次冻融循环后的无侧限抗压强度R冻与饱水后的无侧限抗压强度R饱水之比 (即冻稳系数K) 来表征材料的抗冻性[3]。如下式所示:
选取的橡胶颗粒掺量为0.5%的水稳碎石试件做冻融试验, 结果见表8, 可以看出, 掺橡胶颗粒的水泥稳定碎石冻稳系数比基准水泥稳定碎石稍大。
从表8可以看出, 掺橡胶颗粒的水泥稳定碎石冻稳系数比基准水泥稳定碎石稍大。其主要原因在于, 一方面橡胶颗粒密度比细集料小, 等质量橡胶颗粒比等质量细集料的体积大, 等量替代后, 能更多地填充水泥稳定碎石中集料之间的空隙, 减缓或减少了水分的进入, 从而提高了其抗冻性能;另一方面橡胶颗粒占据了集料之间的空隙, 空隙中的水分结冰膨胀, 首先挤压的是橡胶颗粒, 由于橡胶颗粒可以产生较大变形, 降低了结冰膨胀应力, 这样大大减轻了水体结冰膨胀对混合料的空隙壁造成挤压破坏作用。
4 结论
(1) 掺橡胶颗粒水泥稳定碎石抗压强度随着橡胶掺量的增加而减小, 下降幅度较大, 掺入的橡胶颗粒粒径越小, 抗压强度损失率越小。
(2) 掺橡胶颗粒水泥稳定碎石劈裂抗拉强度随着橡胶颗粒掺量的增加而下降, 掺入的橡胶颗粒粒径越大, 劈裂抗拉强度损失率越大。
(3) 掺入0.5%橡胶颗粒的水泥稳定碎石, 其冻稳系数比基准水泥稳定碎石大, 表明掺橡胶颗粒的水泥稳定碎石具有良好的抗冻性。
摘要：对掺橡胶颗粒的水泥稳定碎石基层材料的无侧限抗压强度、抗冻性能等物理力学性能进行研究。试件中采用掺量为细集料质量的0.5%、1%橡胶颗粒, 以考察橡胶颗粒掺量和粒径对力学性能的影响。
关键词：废橡胶颗粒,力学性能,抗冻性
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水泥颗粒 篇7
聚羧酸系减水剂是20世纪90年代研制成功的一种具有较高减水率(25%以上)、高保坍能力、低收缩、无氯的减水剂[1]。我国于21世纪初在工程中开始大规模应用,例如高速客运专线、杭州湾跨海大桥、港珠澳大桥等国家重大、重点工程,值得一提的是,近年来在民用工程中也开始大规模应用。目前,我国聚羧酸系减水剂的产量已经超过传统萘系减水剂的产量,成为主流减水剂之一[2]。
一般认为聚羧酸系减水剂的分散能力主要来源于位阻斥力[3,4],然而试验发现,水泥在接触水之初,水泥颗粒表面的电性比较复杂,由于每个颗粒的矿物组成不同,使得颗粒的电荷性质以及带电量不同,而且单个颗粒表面的电性不均一,从而颗粒容易通过静电引力相互吸引形成絮凝结构。阴离子表面活性剂的掺入可以使表面电位性质均一,这对絮凝结构的破坏具有一定意义。另外,随着时间的延长,聚羧酸系减水剂的侧链逐渐被包裹后,位阻斥力可能会逐渐降低,而静电斥力却可能会依然存在,因而研究聚羧酸系减水剂对水泥颗粒表面电位的影响对混凝土工作性的保持也具有一定意义。
颗粒的表面电位是悬浮或胶体体系中颗粒的重要特征,是表征颗粒之间静电作用大小的指标,通常采用Zeta电位表示。作为一种阴离子表面活性剂,聚羧酸系减水剂掺入水泥浆体中后,通过羧基等阴离子吸附在水泥颗粒表面,并对水泥颗粒的表面电位产生影响。聚羧酸系减水剂的分子结构和组成灵活多变,这也是该类减水剂的一个重要特点[5]。不同组成与结构特征的聚羧酸系减水剂具有不同的吸附能力,例如阴离子数量以及侧链的结构特征均会影响减水剂分子的吸附能力,进而可能会导致它们具有不同的Zeta电位影响能力[6]。
本文对具有不同结构和组成的聚羧酸系减水剂的Zeta电位以及其随时间延长的变化规律进行了研究。
1 试验
1.1 原材料
1.1.1 水泥
采用检测混凝土外加剂用基准水泥,符合GB8076—2008《混凝土外加剂》的相关要求。
1.1.2 外加剂合成用原材料
甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯(MAA-MPEG):由德国科莱恩公司提供,呈黄绿色,分别有分子量为750、1100、2000三个种类,聚合度分别为17、25和45,记为MAA-MPEG750、MAA-MPEG1100和MAA-MPEG2000。
甲基丙烯酸(MAA):分析纯,北京某精细化学品有限公司生产。
引发剂:分析纯,北京某化学公司,记为I。
链转移剂:分析纯,记为S。
氢氧化钠:分析纯。
去离子水。
1.1.3 拌合用水
洁净自来水。
1.2 试验方法与主要仪器
1.2.1 Zeta电位的测定
本研究中采用水灰比为0.5的浆体搅拌3min后,吸取0.4g浆体,稀释于40g去离子水中,并将之进行超声分散3~5s,而后采用JS9H型微电泳仪(上海某数字技术设备有限公司生产)测定其Zeta电位。每个试样需测5次,每次取15个颗粒,最后取平均值即为水泥颗粒的Zeta电位。
1.2.2 聚羧酸系减水剂分子量的测定
将已得知固含量的聚羧酸系减水剂样品注入DAWN EOS凝胶色谱(GPC)中进行测定。流动相为1%的Na NO3溶液,色谱柱采用SHOWDEX 806葡聚糖柱,仪器内部温度为35℃。
2 聚羧酸系减水剂的合成与表征
2.1 合成用设备
TLJ-2型电子增力电动搅拌器:姜堰某公司生产。
ZNHW型电子节能控温仪:巩义某厂生产。
BT00-100M蠕动泵:保定某公司生产。
回流冷凝器、电动搅拌器电机、三口烧瓶、恒温水浴锅、温度计、聚四氟乙烯搅拌桨。
反应装置示意图见图1。
本试验采用蠕动泵加引发剂和混合单体溶液,引发剂溶液和混合单体溶液分别由图1中的1和2管引入反应瓶中。
2.2 聚羧酸系减水剂的合成
2.2.1 合成工艺
研究采用水浴法进行自由基共聚反应(Free radical co-polymerization reaction)制备该类减水剂,选用甲基丙烯酸和甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯进行二元共聚,并采用链转移剂对反应速率和分子量进行控制。主要工艺流程为:在水浴反应瓶中置入少量去离子水,加热至反应温度,而后滴加单体的混合溶液,并同时滴加浓度为10%引发剂水溶液。两种溶液同时滴加完后,保温1h后滴加剩余引发剂(总引发剂量的5%),再保温1h。而后将反应溶液冷却至40℃,采用20%Na OH溶液将之中和至p H=6~7,从而得到液体聚羧酸系减水剂,其分子结构如下:
其中,m、n、p和q为自然数。
2.2.2 聚羧酸系减水剂的结构特征
(1)聚羧酸系减水剂的分子组成表征
甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯是通过甲基丙烯酸和甲氧基聚乙二醇之间的酯化反应制得,该反应是可逆反应,因此,为保证较高的反应率,多采用酸过量的方法,即在甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯中往往含有过量的甲基丙烯酸。本研究采用的甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯也是采用酸过量的方法制备的。
当固定采用某一甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯(大单体)时,其中甲基丙烯酸的含量一定,假定为R%,未酯化的甲氧基聚乙二醇(MPEG)占原料大单体含量为r%。
采用其与甲基丙烯酸进行共聚时,投料甲基丙烯酸量为m0,投料大单体量为m1,因而实际甲基丙烯酸量为:M0=m0+m1×R%,实际大单体量为:M1=m1×(1-R%-r%),故有:
可见实际投料比只与m0与m1之比有关,因此,可采用原材料投料比表征实际投料比。
此外,由于甲基丙烯酸与甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯之间的反应为共聚合反应,因此,二者存在竞聚。考虑到后者是一新型单体,未有该物质竞聚率的报道,但其形成的自由基的化学环境与甲基丙烯酸正丁酯较为接近,二者均有长链和酯基,因而可采用只计算其与甲基丙烯酸的竞聚率。这种假设忽略了较长的聚醚链对自由基的包裹作用。
根据甲基丙烯酸与甲基丙烯酸正丁酯的Q-e值,得知二者的竞聚率为:r1=2.69,r2=0.35。可知,r1×r2=0.94,接近于1,可视为理想共聚,但r1>1,因而甲基丙烯酸更易于进入共聚物中。也就是说,在未反应完的单体中,甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯的比例比甲基丙烯酸的大。
设进入共聚物中的甲基丙烯酸和大单体量分别为DM0和DM1,则根据理想二元共聚方程,有:
因而进入共聚物的各单体的比例取决于单体原材料投料比,并与之线性相关。
因此,大致可采用单体的原材料投料比表征共聚物中的单体比例。
(2)聚羧酸系减水剂分子结构特征
本研究采用的聚羧酸系减水剂的组成与分子量见表1。
从表1可知,1#~3#的结构特征为侧链聚合度不同,侧链聚合度由大到小顺序为:2#>3#>1#;3#~5#的分子结构特征为分子量大小不同,由大到小顺序为:4#>3#>5#;3#、6#和7#的分子结构特征为羧基量与侧链数量比例不同,MAA/MAA-PEG比由大到小顺序为:6#>3#>7#。
3 结果与讨论
3.1 不同掺量时各试样的Zeta电位
不同侧链聚合度对Zeta电位的影响规律见图2,试验温度为20℃。
从图2可知,随着掺量的增加,1#和3#的Zeta电位绝对值逐渐增大,而2#的则基本不变,1#的变化较为剧烈,3#变化在掺量0.2%以上时变化不大;三者的Zeta电位绝对值在较高掺量下(0.5%)相近;在0.1%掺量时1#和3#的Zeta电位绝对值均低于空白试样的。这表明随着掺量的增加,Zeta电位的趋向稳定,在低掺量(0.1%)时,随侧链聚合度的增加,Zeta电位绝对值逐渐增大。由于三者均具有相同羧基含量,因此,在较高掺量时三者的Zeta电位趋向相同。
吸附有不同分子量、不同MAA/MAA-MPEG比的聚羧酸系减水剂的Zeta电位分别见图3、图4,试验温度为20℃。
从图3中可知,0.1%掺量时3#最低,4#次之,5#最小,大于0.2%掺量时,3#>4#>5#。这表明随着分子量的增加,Zeta电位先增加后减小。
从图4中可知,Zeta电位绝对值的大小顺序为,6#>3#>7#;各个掺量下6#的Zeta电位绝对值均大于空白试样的,7#的则基本上均小于空白试样的,3#的仅在较低掺量时小于空白试样的。这表明增加减水剂分子中羧基单元的量可以增大水泥颗粒的Zeta电位绝对值。
3.2 Zeta电位的经时变化
水泥颗粒对减水剂的吸附是一动态过程,吸附在表面的减水剂分子不断地被吸收,同时又不断地从液相中吸附减水剂分子。与此同时,水泥熟料的不断溶解,一些早期的水化产物不断生成,颗粒表面的性质是运动的。因此,水泥颗粒的表面电位也同样处于不断变化的状态。
吸附各减水剂的水泥颗粒Zeta电位见图5~图7,折固掺量均为0.20%,试验温度为15℃。
从图5可知,空白试样和掺2#和3#试样的Zeta电位随时间的延长略有增加。从图6中可知,掺3#和4#试样的Zeta电位随时间的延长而逐渐增大,5#试样则下降。这表明,掺高分子量聚羧酸系减水剂试样的Zeta电位随时间的延长逐渐增加,而掺低分子量减水剂试样则逐渐减小。从图7中可知3#和7#的Zeta电位绝对值随时间的延长而略有增加,而6#则减小。这表明含较多羧基单元的减水剂虽初始阶段的Zeta电位较高,但随着时间的延长,Zeta电位逐渐下降。
4 讨论
聚羧酸系减水剂是一种阴离子表面活性剂,分子中带有大量羧基等阴离子官能团,当其在水泥颗粒表面上进行吸附时,可以改变颗粒的表面电位。水泥在水化初期由于表面阳离子,特别是钙离子的溶出,使得水泥颗粒带有负电荷。通过电泳试验,测得水泥水化初期(3min)颗粒表面电位为-8.52m V,这与O.Blask等人采用动电声振法(Electro kinetic sonic amplitude method,ESA法)直接测得的结果是相近的。聚羧酸系减水剂的吸附在水泥颗粒表面引入了阴离子官能团,这可增大颗粒的表面电位。因此,随着吸附量的增加,水泥颗粒表面吸附的羧基等阴离子数量逐渐增加,相应地,表面电位也随之增大。
一般认为,聚羧酸系减水剂的吸附方式为主链吸附在颗粒表面,侧链伸展在液相中。这种伸展增厚了颗粒膜层厚度,使得颗粒在电场作用下的滑移层厚度增大,从而采用电泳试验所得到Zeta电位绝对值减小,如图8。这也是在较低掺量下测得的Zeta电位绝对值较空白试样小的原因。掺量的增加使得吸附的减水剂分子数量也逐渐增加,随之吸附的阴离子官能团数量也同样增加,从而表面电位也相应增大并超过空白试样,但这种吸附可以达到饱和,同样表面电位在达到一定掺量后可以达到稳定值。当采用具有同一侧链聚合度的减水剂时,膜层厚度的增加值可能是固定的,因此,Zeta电位值的增加可以达到饱和。
可见,聚羧酸系减水剂的吸附对水泥Zeta电位的影响依赖于两个方面,其一,吸附在颗粒表面上的减水剂分子中的阴离子使其绝对值增大;其二,吸附膜层厚度的增加使电位绝对值减小。所测得的Zeta电位值为二者综合作用的结果。
羧基单元数量的增加,即增加了减水剂的吸附能力,吸附到水泥颗粒表面上的减水剂分子较多,进而引入的阴离子数量也较多。另外,羧基比例的增加意味着分子中侧链密度的降低,当减水剂分子吸附到颗粒表面时,侧链之间的斥力降低,侧链自由度增加,侧链在垂直颗粒表面方向伸展的可能性降低,取而代之,其更易于在平行颗粒表面方向伸展。因此,颗粒表面的膜层厚度可能相较于侧链密度较大的为小,此时,滑移层更加靠近颗粒表面。所以,基于这两点,此时水泥颗粒的表面电位较大。
5 结论
(1)随侧链聚合度的增加,Zeta电位趋向恒定,在低掺量时,随侧链聚合度的增加,Zeta电位绝对值逐渐增大;大分子量减水剂有利于增加水泥颗粒的Zeta电位绝对值;增加减水剂分子中羧基单元的量可以增大水泥颗粒的Zeta电位绝对值。
(2)随时间的延长,水泥颗粒的Zeta电位绝对值逐渐增大;掺侧链不同减水剂的也同样增加;掺高分子量聚羧酸系减水剂试样的Zeta电位绝对值随时间的延长逐渐增加,而掺低分子量减水剂试样的则逐渐减小;含较多羧基单元的减水剂虽初始阶段的Zeta电位绝对值较高,但随时间的延长,Zeta电位绝对值逐渐下降。
摘要：以甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯(MAA-MPEG)和甲基丙烯酸(MAA)为主要原料,通过自由基共聚合反应制备了聚羧酸系减水剂,研究了减水剂的侧链聚合度、MAA/MAA-PEG比、分子量以及时间对水泥颗粒Zeta电位绝对值的影响。结果表明,随着侧链聚合度的增加,Zeta电位绝对值逐渐增大至趋向恒定;大分子量减水剂有利于增加水泥颗粒的Zeta电位绝对值;掺高分子量聚羧酸系减水剂试样的Zeta电位随时间的延长逐渐增加,而掺低分子量减水剂试样的则逐渐减小;增加减水剂分子中羧基单元的量可以增大水泥颗粒的初始Zeta电位绝对值,但随着时间的延长,Zeta电位绝对值逐渐下降。
关键词：聚羧酸系减水剂,混凝土外加剂,水泥,Zeta电位,分子结构
参考文献
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