水玻璃混凝土（通用7篇）
水玻璃混凝土 篇1
摘要：水玻璃耐酸混凝土具有较强的耐酸性、较好的整体性、施工修补方便、原料易取、成本低、抗冲击性能好等优点, 现已在化工企业得到广泛应用。本文主要就水玻璃耐酸混凝土的施工特点、原料选择、配合比设计、施工工艺、质量控制、注意事项展开讨论。
关键词：水玻璃耐酸混凝土,防腐蚀,低成本
1 施工特点
因为水玻璃类材料具有较强的耐酸性能, 能抵抗大多数无机酸和有机酸的作用。水玻璃类材料宜在15～30℃的干燥环境中施工和养护。首先, 在水泥垫层上做隔离层, 因为水玻璃类材料不耐碱, 而水泥石中存有引起腐蚀的氢氧化钙成分, 故需做隔离层。水玻璃耐酸砼的硬化在低温下是十分缓慢的。当温度较高时, 它的硬化过程就会加快, 这是由于氟硅酸钠的溶解度随温度的升高而加大, 因而导致水玻璃耐酸砼的凝结速度加快、强度增高。施工后第二天, 水玻璃浮在骨料上面, 水玻璃耐酸砼的硬化是水玻璃与氟硅酸钠发生化学反应的结果, 氟硅酸钠作为促硬剂与水玻璃反应, 使硅酸凝胶加速析出, 生成氢氧化硅, 沉积在耐酸粉料和粗细骨料表面, 形成一层硅胶薄膜, 硅胶脱水后变成氧化硅, 使耐酸砼强度进一步提高。
在常温下一般过三天, 砼就能硬化, 如出现大部分硬化而局部尚没有硬化的情况就需要处理, 否则砼强度会受到影响。造成局部小面积没有同步结硬的原因, 主要是人工搅拌不均匀, 局部氟硅酸钠掺量少于水玻璃, 致使硬化速度缓慢。因为水玻璃是一种能溶于水的硅酸盐, 液体水玻璃在空气中吸收二氧化碳, 形成无定形硅酸, 并逐渐干燥硬化。这个反应过程进行的很慢。为加速硬化在水玻璃中加入氟硅酸钠作为促硬剂, 促使硅酸凝胶加速析出, 氟硅酸钠的实际用量为水玻璃重量12%～15%, 用量太少, 不仅硬化速度缓慢, 而且强度降低, 用量过多, 又会引起凝结过快, 造成施工困难, 而且水玻璃耐酸砼渗透性大, 强度也低。如果没结硬的局部不处理, 硬化需要很长时间, 结硬后强度也要降低。所以, 一般应铲去浮层, 把底层及边缘晾干, 表面清理干净, 再均匀薄涂一遍水玻璃胶泥。
2 原料选择
耐酸砼的主要原材料有:
2.1 水玻璃
水玻璃在耐酸砼中, 模数为2.6～2.8, 比重以1.38～1.4为宜。允许采用可溶性硅酸钠做成的水玻璃。水玻璃的比重过大或过小都会影响砼的强度、耐酸性、抗渗性和收缩性。当比重过小时, 可加热脱水调整, 当比重过大时, 可在常温下加温水调整。水玻璃模数过低, 会延缓砼的硬化时间, 耐酸性也差;模数过大, 会使砼硬化过快, 特别是气温较高时更加显著, 这样会造成施工操作上的困难。模数过高时, 可加入清水在常温下混合, 并不断搅拌至均匀为止。
2.2 氟硅酸钠
耐酸砼常用工业氟硅酸钠作固化剂, 其质量要求:纯度不应少于95%, 含水率不得大于1%, 细度应全部通过0.15m m的筛, 不能受潮结块。
2.3 掺合料 (耐酸粉料)
掺合料不宜单独使用石英粉。作填充料, 采用辉绿岩粉和石英粉按比例混合使用, 其耐酸率不应小于95%, 含水率不应大于0.5%, 细度要求为0.15mm筛余不应大于5%, 0.080m m筛余不应大于10%～30%。
2.4 细骨料
耐酸砼用石英砂, 其耐酸率不应小于94%, 含水率不应小于0.5%, 不得含有泥土, 有机杂质含量必须符合砼用砂的技术要求;细骨料的颗粒级配:筛孔尺寸5mm、1.2mm、0.30mm、0.15m m;累计筛余分别为0%～10%、20%～55%、70%～95%、95%～100%。
2.5 粗骨料
用石英岩、玄武岩、花岗岩等制成的碎石, 耐酸率不应小于94%, 浸酸安定性合格, 含水率不应大于1%, 并不得含有泥土;粗骨料的颗粒级配:筛孔尺寸为20mm、10mm、5mm;累计筛余分别为0%～5%、3%～60%、90%～100%。
2.6 改性剂
改性水玻璃耐酸砼是在水玻璃耐酸砼的基础上添加了改性剂, 以增加其密实性, 提高抗酸渗透性能的防腐砼, 又称密实水玻璃耐酸砼。改性剂的主要作用是提高密实度和抗渗透性能, 是改性水玻璃耐酸砼的重要成分, 技术要求如下: (1) 应溶于水或在强烈搅拌下能均匀分散于水玻璃溶液中。 (2) 不会使水玻璃凝聚、离析。 (3) 应有一定的耐蚀性或遇酸后聚合成固体。采用糠酮单体作改性的外加剂, 为淡黄色液体, 其纯度为95%～99%, 密度为1.29～1.30。掺量为水玻璃用量的1%～5% (重量比) 。
3 配合比设计
耐酸砼配合比中的水玻璃用量须根据坍落度要求确定, 一般为250～300kg/m3。氟硅酸钠用量 (按纯Na2SiF计) 宜为水玻璃重量的15%;掺合料的用量一般为450～550kg/m 3。粗细骨料和掺合料的混合物, 用振动法使其密实至体积不变时的空隙率, 不得超过22%。
3.1 水玻璃用量应符合下列要求:水玻璃耐酸砼坍落度, 当机械捣实时不应大于1厘米;当人工捣实时不应大于2cm。
3.2 氟硅酸钠用量按下列公式计算
式中:G———氟硅酸钠用量占水玻璃用量的百分率 (%) ;N1———水玻璃中含氧化钠的百分率 (%) ;N2———氟硅酸钠的纯度 (%) 。
3.3 填料混合物的空隙率要求:水玻璃耐酸砼所用粉料、粗细骨料的混合物不应大于22%。
4 施工工艺
4.1 搅拌
采用强制式搅拌机搅拌, 搅拌顺序为先将细骨料、粉料、氟硅酸钠、粗骨料依次加入搅拌机干搅2min, 再加入水玻璃、改性剂, 配制好的水玻璃材料, 不许在稠时加入水玻璃, 也不许在稀时加入粉料, 要严格按配合比进行。
4.2 浇筑
(1) 水玻璃耐酸砼应在初凝前振捣密实;振捣时间应在5～7分钟内完成。 (2) 采用插入式振动器时, 每层灌筑厚度不宜大于200m m, 插点间距不应大于作用半径的1.5倍, 振动器应缓慢拔出, 不得留有孔洞;采用平板振动器和采用人工捣实时, 每层灌筑厚度不应大于100mm;当灌筑厚度大于上述规定时, 应分层连续灌筑。分层灌筑时, 上一层应在下一层初凝以前完成。如超过初凝时间, 应待下一层凝固后, 按施工缝处理;耐酸贮槽的灌筑应一次完成, 不留施工缝。 (3) 最上一层捣实后, 表面应在初凝前压实抹平。 (4) 灌筑地面时, 应随时控制平整度和坡度;平整度, 以2m长直尺检查, 允许空隙不应大于4mm;坡度应符合设计要求, 允许偏差为坡长的±0.2%, 最大偏差值不得大于30mm;作泼水试验时, 应能顺利排除。 (5) 水玻璃耐酸砼尽量避免留施工缝。必须留施工缝时, 应留成斜槎, 在继续灌筑前应将该处打毛, 清理干净, 薄涂一层水玻璃稀胶泥, 稍干后再继续灌筑, 接槎处应抹实抹平。地面施工缝应留成斜搓。
4.3 酸化处理
酸化处理可采用20%～40%的硫酸、15%～20%的盐酸或15%～30%的硝酸均可, 处理3～4次。每隔8h以上均匀刷洒处理1次, 每次都将上次析出的白色结晶粉末扫去。
4.4 拆模和养护
施工完毕, 需在干燥环境中养护, 养护期间严禁与水或蒸汽、浓度极小的稀酸接触, 也不能曝晒, 以免急剧脱水而龟裂;要防止冲击振动。一般根据环境温度、拆模时间和养护时间按表1执行。
5 质量控制
改性水玻璃耐酸砼质量指标为显气孔率≯5%, 抗渗强度>15MPa, 抗压强度≮20MPa。
检查有无蜂窝、麻面、裂纹等缺陷。如有上述缺陷时, 应将该处砼凿去, 清理干净, 薄涂一层水玻璃稀胶泥, 待稍干后用水玻璃胶泥或水玻璃砂浆进行修补。
参考文献
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水玻璃混凝土 篇2
关键词：耐酸粉料,耐酸砂浆,粉煤灰,水玻璃
0前言
我国目前对于粉煤灰的研究主要集中于在常规建筑材料中添加以及提取粉煤灰中的Al、Si等有价元素方面, 由于粉煤灰本身存在大量的O、Al、Si复合结构及玻璃体和石英等物质,通过化学处理后可以提取出Al2O3和Si O2。 其中,Al元素的提取一般采用的方法有酸溶法、苏打烧结法、石灰石烧结法、 酸碱联合法等[1,2,3,4,5,6,7,8,9],而Si O2则主要靠碱液溶解的方法来提取[10]。 提取氧化铝的方法需要在高温条件下进行,且需添加一定比例的活化剂,在消耗掉粉煤灰的同时产生了更多的生成物残渣。 提取二氧化硅需要消耗大量碱液,这相对于我国目前的粉煤灰存余量来说非长久之计。 同时,粉煤灰中含量较高的莫来石等物质在常规条件下具有抗腐蚀能力强、热震稳定性能好、 高温蠕变及热膨胀系数小等特性,结合粉煤灰中耐酸性能较好的玻璃体和石英,以粉煤灰作为主体耐酸粉料添加到建材中具有较大的应用前景。
本文通过制作水玻璃砂浆浇筑成的试块来检测其性能,并依据GB 50212-2014《建筑防腐蚀工程施工规范》的要求,在试块性能达标的情况下探究其内部的腐蚀及强度机理,为粉煤灰基耐酸腐蚀建材提供理论支持。
1试验内容
1.1试验仪器与试剂
1.1.1试验仪器
标准检验筛(0.45mm,0.2mm)、液压万能力学试验机(长春某厂制造)、模具(10cm×10cm×10cm)、密度计、YP1201N型电子天平 (上海某仪器有限公司生产)、德国布鲁克D8X射线(粉末)衍射仪、日立S-570扫描电子显微镜、HBY型恒温恒湿养护箱。
1.1.2试验试剂
钠水玻璃(购自苏州某公司生产的工业用水玻璃,经化验分析其成分并调整至试验要求)、氟硅酸钠(AR,无锡某公司生产)、粉煤灰(苏州望亭电厂, Ⅰ级灰)、氟化钠(AR,无锡某公司生产)、硫酸(AR, 95%~98%,太仓某公司生产)、盐酸(AR,36%~38%, 上海某公司生产)。
1.2试验部分
1.2.1固化原理
水玻璃砂浆的凝结固化原理主要是水玻璃和固化剂之间化学反应的结果,试验用固化剂为氟硅酸钠。 水玻璃经过水解、化合、干燥三个阶段后,产生强度和耐久性。
(1)水解反应阶段
水玻璃水解:
氟硅酸钠水解:
综合反应:
(2)干燥阶段
试块表面水玻璃与空气中CO2反应:
反应生成的无定型硅胶会逐渐脱水生成Si O2, 进一步增加试块的强度及耐酸性能。
1.2.2原料配比探究
水玻璃砂浆配制过程中,粉煤灰的主要成分及配方中各成分比例的不同会导致试块强度及耐腐蚀性能的较大不同。 为了详细探究粉煤灰基水玻璃砂浆耐腐蚀机理,试验用粉煤灰的成分唯一(见表1)。
%
综合考虑试块成型及水玻璃固化速率等条件, 试验使用模数为2.7,密度为1.4g/cm3的水玻璃。
通过设计正交试验,得到该类原料条件下水玻璃砂浆 配比 :水玻璃 :固化剂 :粉煤灰 :骨料=0.2: 0.04:0.3:0.46, 该配比条 件下 , 试块强度 达到17.11MPa,在此基础上探究其耐腐性能及机理。
1.2.3腐蚀试验
按配比制作试块并养护,将试块放入酸液浓度分别为3%、5%、7%、10%、15%和30%的模拟介质水中,腐蚀处理20d,同时设置空白对照。 到规定的期限后,取出试件洗净,烘干,冷却并测定抗压强度,与空白组相对照,得其强度变化。 同时,定期检测试块质量,得到质量变化曲线。
2结果分析
2.1质量变化
图1为不同腐蚀条件下试块质量损失。 由图可知,硫酸条件下,酸液浓度较低时,溶液显淡绿色, 是由于亚铁离子微量溶出所致,酸液浓度达到15% 以上时,溶液无明显颜色变化。
盐酸条件下,试块浸泡过程中溶液颜色变化较明显,溶液中亚铁离子含量较高,通过观察试块内部发现部分区域显绿色,这是由氯化亚铁留存于试块内部所致,且随着酸液浓度的升高,试块内留存的氯化亚铁量增多。
2.2抗压强度
通过抗压强度变化(如图2)可以看出,较低酸液浓度条件(15%质量浓度)下,试块抗压强度明显降低。 在各酸液浓度条件下,通过强度损失计算得知试块最大强度损失率约为6.7%,强度损失最大时酸液浓度为3%。
2.3结构分析
常规水玻璃砂浆由于采用了石英、辉绿岩粉末等耐酸粉料,在凝结硬化过后其主体成分为Si O2,由于Si O2本身较强的耐酸性能使得该种混凝土具有较好的耐酸腐蚀性能。 粉煤灰中存在Si O2为主要成分的玻璃体的同时, 还有大量的O、Al、Si复合构成的莫来石等物质,因此,其结构分布与常规水玻璃砂浆有较大不同,为了详细探究其内部结构,首先以扫描电镜分别观察粉煤灰及样品试块截面的形貌。
图3为粉煤灰扫描电镜下观察到的形貌,其中大量的圆球形物质为球状玻璃体,中间存在的大块结合体通过能谱分析确定其主要元素组成为O、Al、 Si三种元素,主要为莫来石。
图4为经腐蚀试验后的试块截面在扫描电镜下的形貌, 可以看到试块内部存在致密的网状构型。 结合水玻璃固化机理,该构型主要由硅氧化物构成。
为进一步深入探究,试验制作了不含骨料的试样,经相同养护处理步骤后,以5%和30%酸液质量浓度条件下试块为代表,对其粉末进行X射线衍射分析, 得到不同腐蚀条件下试块的X射线衍射谱图,如图5所示。 该方法去除了石英砂中Si O2对其他晶型衍射的干扰。
对比空白试块及不同腐蚀条件下试块的XRD谱图并结合试块强度变化可知, 在5%质量浓度酸性介质条件下, 试块内部主体物质构成无较大变化。
在30%质量浓度硫酸介质条件下,试块粉末的XRD谱图中能观察到较为明显的Ca SO4衍射峰,而试块表面及内部结构未发现明显结构损坏。
综合以上试验现象及检测推断,硫酸腐蚀条件下,粉煤灰中部分氧化钙与硫酸反应生成硫酸钙微溶,留存于试块内部空隙中,最终导致试块强度在酸液浓度较高时不减反增;盐酸条件下,试块中留存的少量氯化亚铁在干燥后结晶析出,填补试块内部空隙,也导致试块强度变化与硫酸条件下类似。
因此,腐蚀试验过程中,试块质量损失主要是由试块内部金属氧化物与酸液反应所致,留存于试块中的金属盐析出并填补试块空隙,从而导致较高酸液浓度条件下试块抗压强度不减反增的现象。
通过XRD检测可知,试验用粉煤灰中O、Al、Si复合结构的主要矿物构成为莫来石,其化学式介于3Al2O3·2Si O2及2Al2O3·Si O2之间 , 相应的Al2O3/ Si O2(wt%)为2.55及3.4。 天然稳定莫来石在常规条件下具有抗腐蚀能力强、热震稳定性能好、高温蠕变及热膨胀系数小等特性, 而在莫来石固溶范围内,其结构特征随合成工艺的改变而不同。 因此,粉煤灰产生过程中生成的莫来石具体成分复杂难辨, 其性能相比于真正高稳定性的合成或天然莫来石有一定的差距。 本试验将粉煤灰掺加到水玻璃砂浆中,如图3、图4所示,粉煤灰中存在的玻璃体及莫来石与水玻璃固化过程中形成的Si-O键相结合, 形成稳固网格构型,同时将粉煤灰中的部分金属氧化物包裹,使得材料整体耐酸稳定性及强度得到较大提高。
3结论
(1)通过研究较优配方 , 并对比腐蚀试验的强度损失率及质量损失率,确定了粉煤灰作为水玻璃耐酸砂浆粉料的可行性。
(M-莫 来石 ;G-硫 酸钙 ;Q-石 英 )
(2) 试验通过对样品进行扫描电镜及XRD分析可知,粉煤灰与水玻璃经过复杂化学反应后形成了较为致密的内部结构,由于水玻璃本身在固化过程中会产生大量的硅氧化物,通过与粉煤灰中存在的硅氧键、铝氧键相结合,能够使粉煤灰的耐酸腐蚀性能得到一定的提高。
(3)粉煤灰本身含有少量不耐腐蚀的金属离子氧化物,这些物质的部分溶出对于其耐腐蚀性能虽有影响但影响不大。 而金属氧化物的具体含量根据原料来源的不同会有较大差异,因此,实际应用时可以先测定其浸酸损失率,对于金属离子含量过高的粉煤灰可以适量掺加部分石英粉末等耐酸粉料。
(4) 试验过程所用配比为原始配方 , 未使用任何外加剂,通过外加剂的后续相关研究,该种混凝土性能必将有更大的提高。
参考文献
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耐碱玻璃纤维混凝土的弯曲韧性 篇3
玻璃纤维弹性模量、强度高,分别是聚丙烯纤维的13倍和5倍。玻璃纤维不但对混凝土早期抗裂有作用,而且对固化混凝土有增强增韧作用,可改善混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击、耐磨、弯曲疲劳等性能。耐碱玻璃纤维直径为11~15μm,与其它纤维相比具有较大的比表面积,纤维和混凝土界面粘结性能良好。玻璃纤维很容易分散,分散性比碳纤维等纤维高,玻璃纤维混凝土的均匀性好,试验数据的离散性小。玻璃纤维在混凝土内部形成一种均匀的三维乱向分布支撑体系,防止微裂缝的产生和扩展,增强混凝土的冲击性能和韧性。若用于桥面铺装层等薄形结构,对改善混凝土桥梁抗裂性能,阻止结构性裂缝有良好的效果[1,2,3,4]。
玻璃纤维混凝土比重大,纤维不会浮在结构表面,纤维无外露,对机场道面、桥面和公路路面的拉毛处理很有利。
与合成纤维相比,玻璃纤维具有高强度、高弹性模量和价廉等优点;与钢纤维相比,玻璃纤维不会影响混凝土的工作性。因此,耐碱玻璃纤维增强混凝土具有广阔的应用前景。目前关于合成纤维、钢纤维混凝土弯曲韧性的研究较多,但关于耐碱玻璃纤维的研究报道不多。本文研究了耐碱玻璃纤维、聚丙烯纤维增强混凝土的抗弯韧性和弯曲变形性能,结果表明,耐碱玻璃纤维可以显著提高混凝土的弯曲韧性和变形能力。
1 试验
1.1 纤维材性
耐碱玻璃纤维由法国圣戈班集团提供,材性见表1。
1.2 混凝土配合比及试件
水泥为P·O32.5普通硅酸盐水泥。混凝土配合比见表2,C为素混凝土试件、G为耐碱玻璃纤维混凝土试件、PP1为聚丙烯纤维增强混凝土试件。PP1与G3的纤维体积掺量相同。试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm,成型24 h后脱模,标准养护室养护28 d,试验前3 h从养护室取出晾干。
kg/m3
1.3 试验方法
按照美国ASTM规范要求,用三分点加载梁进行试验,梁跨度为300 mm。试验在Instron1343伺服系统机上完成,按照恒位移控制方法加载,得到荷载-挠度全曲线。为了提高梁挠度测试的精度,在挠度记录中不包括在支座处的沉降、加载点的位移及钢板与试件间的缝隙及钢板的弹性变形等。梁挠度的测试采用日本YOKE方法,将夹式引伸仪置于试件的中性轴测试梁的挠度,该装置还能消除梁扭转变形引起的附加变形,位移速率0.10 mm/s,计算机自动采集数据。
2 试验结果
2.1 纤维分散性能
耐碱玻璃纤维在搅拌过程中分散性很好。搅拌时间较为重要,应以纤维均匀分散为准,当纤维分散后,不宜搅拌,否则对纤维有损伤。试验发现,搅拌35~40 s,纤维分散性好且无损伤。
2.2 破坏过程及形态
试验发现,耐碱玻璃纤维混凝土破坏模式由素混凝土的突然脆性破坏变为具有一定韧性的延性破坏。混凝土初裂后,承载力开始下降,最后裂缝扩展导致试件断裂。耐碱玻璃纤维混凝土梁在抗弯试验过程中,首先在梁的底部出现微裂缝,微裂缝斜向缓慢向上发展,形成主裂缝,主裂缝斜向上扩展至梁高度的1/3时,分叉为2~3条裂缝向上延伸,主裂缝贯穿梁高时,发生断裂,纤维被拉断或拔出。
2.3 抗弯拉强度(见表3)
由表3可知,耐碱玻璃纤维可显著增强混凝土抗弯拉强度。耐碱玻璃纤维抗拉强度高、弹性模量高,与水泥粘结性能良好,因此,可充分发挥其性能优势,提高混凝土的抗弯拉强度。G1、G2、G3的抗弯拉强度分别比素混凝土提高1%、12.7%和19.3%,可见,随着纤维掺量增加,混凝土抗弯拉强度不断提高。
2.4 抗弯韧性
按照美国ASTM方法求得的纤维混凝土28 d时抗弯韧性指数见表3。由表3可知,在混凝土中掺入耐碱玻璃纤维,混凝土的弯曲韧性指数有显著提高,耐碱玻璃纤维掺量为1.6 kg/m3时,弯曲韧性指数I5、I10、I30分别比素混凝土提高3.13、5.75、11.27倍;耐碱玻璃纤维掺量为2.0 kg/m3时,弯曲韧性指数I5、I10、I30分别比素混凝土提高3.34、6.25、12.52倍。耐碱玻璃纤维掺量为2.7 kg/m3时,弯曲韧性指数I5、I10、I30分别比素混凝土提高3.64、6.28、10.92倍。与耐碱玻璃纤维体积掺量相同的聚丙烯纤维相比,耐碱玻璃纤维混凝土的I5比聚丙烯纤维混凝土提高62%。
2.5 变形性能
耐碱玻璃纤维混凝土变形能力较素混凝土有了显著提高,即使基材中出现大量的微裂缝,仍可继续承受一定的外荷载并具有一定的延性。典型的耐碱玻璃纤维混凝土荷载-挠度曲线如图1所示。
分析图1发现,耐碱玻璃纤维混凝土在荷载峰值后下降较快,但后期下降趋于缓慢。G3的荷载峰值高,抗弯拉强度最高,但混凝土初裂后承载力下降速率大,其I30小于G1、G2;耐碱玻璃纤维混凝土G3的I5和I10与G2相当。也就是说,为提高耐碱玻璃纤维混凝土强度,纤维掺量可达到2.7 kg/m3;但纤维掺量由2.0 kg/m3提高到2.7 kg/m3时,纤维混凝土韧性指数变化较小。
3 结论
(1)耐碱玻璃纤维分散性很好,纤维混凝土均匀性良好。
(2)耐碱玻璃纤维改变混凝土脆性断裂的破坏模式,混凝土破坏时具有明显的延性。纤维拔出或拉断消耗了一定能量。
(3)耐碱玻璃纤维可显著增强混凝土的抗弯拉强度。G2、G3的抗弯拉强度分别比素混凝土提高了12.7%和19.3%。当纤维掺量为1.6 kg/m3时对弯曲强度的改善很小。
(4)当混凝土中掺入1.6~2.7 kg/m3耐碱玻璃纤维时,可以显著提高混凝土的弯曲韧性,韧性指数I5比素混凝土提高3.13~3.64倍,I10比素混凝土提高5.75~6.28倍,I30提高10.92~12.52倍。纤维掺量由2.0 kg/m3增加到2.7 kg/m3时,对混凝土韧性的影响不大,但对弯拉强度的贡献大。
(5)体积掺量相同时,耐碱玻璃纤维混凝土的I5比聚丙烯纤维混凝土提高62%。
(6)混凝土中掺入较高弹性模量的耐碱玻璃纤维,可以提高混凝土裂后变形能力。
摘要：研究了耐碱玻璃纤维对混凝土弯曲韧性和变形能力的影响。试验结果表明,玻璃纤维可以显著提高混凝土的抗弯拉强度,当纤维掺量为2.0、2.7 kg/m3时,纤维混凝土的抗弯拉强度分别比素混凝土提高12.7%和19.3%,而掺量为1.6 kg/m3时对混凝土的弯拉强度改善很小。耐碱玻璃纤维掺入可显著提高混凝土的弯曲韧性,韧性指数I5比素混凝土提高3.133.64倍I,10提高5.756.28倍I,30提高10.9212.52倍。耐碱玻璃纤维混凝土的I5比聚丙烯纤维混凝土提高62%。
关键词：耐碱玻璃纤维,弯曲韧性,变形能力
参考文献
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[3]邓宗才,李建辉,刘国栋.混杂粗纤维增强混凝土力学特性试验研究[J].混凝土,2006(8):50-55.
水玻璃混凝土 篇4
目前, 随着世界工业化发展, 产生越来越多的固体垃圾, 其中废玻璃约占7%[1]。世界废玻璃平均回收率约50%, 德国回收率最高接近97%, 而我国仅为13%左右, 远低于世界水平[2]。用废玻璃替代混凝土中的骨料, 既可以解决废玻璃垃圾污染问题, 又有利于环保, 减少二氧化碳排放量, 推动环保建筑的发展[3]。辅助胶凝材料是混凝土中必不可少的成分, 它们通过混凝土的微观结构作用, 提高混凝土的力学性与和易性。当废玻璃磨到一定细度也可以作为辅助胶凝材料[4], 同时废玻璃磨到一定粒径也可以替代水泥拌合物中的粗细骨料[1,5,6,7,8,9]。一方面, 可以改善水泥砂浆的和易性与耐久性;另一方面, 废玻璃粉的使用可以减少水泥的用量, 进而降低经济成本。玻璃粉呈无规则状, 表面光滑, 填充在水泥颗粒之间, 由于其吸水率较低, 进而增强了水泥砂浆的流动性[10]。有研究[11,12]将废玻璃粉用在混凝土中, 由于废玻璃的零吸水率, 可提高水泥拌合物的和易性。但是很多研究也发现, 掺入废玻璃粉之后, 水泥砂浆的工作性能并没有变好, 流变性能相反会变差。这主要是因为不同颜色、粒径的废玻璃粉对水泥砂浆的影响不同, 废玻璃粉的平均粒径对水泥砂浆流变性能的影响也存在一个极值, 当粒径大于它时会提高流动性, 反之就会降低其流动性, 也就是说一个最优尺寸的颗粒, 可以得到一个最大的堆积密度值, 进而得到一个最大的流动度。
1 废玻璃粉作为辅助胶凝材料
废玻璃粉作为辅助胶凝材料时可发生火山灰反应, 增强水泥拌合物的力学性能, 延长初凝时间。为研究其对水泥拌合物流动性能的影响, 本实验采用P·O42.5水泥、标准砂、当地自来水, 玻璃粉是由回收站收购的白色、绿色、棕色废玻璃瓶经破碎机破碎、碾磨得到, 3种颜色、不同粒径玻璃粉的物理性质见表1。
分别用不同颜色、不同粒径的玻璃粉作为辅助胶凝材料替代水泥质量30%, 水胶比为0.5, 研究废玻璃粉对水泥砂浆流变性能的影响。砂浆制备按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》有关规定进行, 在制备砂浆的同时用棉布擦拭跳桌台、试模内壁、捣棒以及与砂浆接触的用具, 跳动完毕用卡尺测量砂浆平面互相垂直的2个方向的直径, 并计算平均值, 结果见表2。
从表2可以看出, 在水胶比、废玻璃粉掺量相同情况下, 使用白色与棕色废玻璃粉的砂浆流动性随着废玻璃粉粒径减小而增大;而使用绿色废玻璃粉的砂浆流动度随废玻璃粉粒径减小而减小, 但均比基准组流动度大。这些结果表明, 废玻璃粉作为辅助胶凝材料掺入水泥中, 可以提高砂浆的流动度。
废玻璃粉掺入砂浆中影响流动度可从2个方面解释:其一, 废玻璃粉相对水泥, 吸水率极低, 在相同的水胶比下, 含有废玻璃粉砂浆中自由水的含量偏大, 进而使其流动度增大;其二, 3种颜色废玻璃粉的粒径均小于水泥颗粒细度, 废玻璃粉填充在水泥颗粒之间, 改善了胶凝材料粉末的颗粒级配, 减小水泥颗粒间相对滑移时的阻力, 有利于改善浆体的流动性。
1.1 数据分析
根据表2数据, 以废玻璃粉粒径和砂浆流动度分别为X轴、Y轴进行回归分析, 得到在一定粒径范围内废玻璃粉粒径与砂浆流动性之间的线性关系与回归方程, 结果见图1。
经分析, 白色废玻璃粉的回归方程为:y=25.3-0.29091x
绿色废玻璃粉的回归方程为:y=14.49+0.54546x
棕色废玻璃粉的回归方程为:y=21.95-0.09091x
根据回归特性和回归方程可看出, 在水胶比、掺量一定的情况下, 使用白色和棕色废玻璃粉砂浆的流动性均随粒径减小而增大;而使用绿色废玻璃粉砂浆的流动性随粒径减小呈减小趋势, 但均大于基准砂浆的流动性, 说明废玻璃粉掺入到砂浆中有利于提高其流变性能。
1.2 理论分析
研究废玻璃砂浆流动性的实质是砂浆在流动时的临界流速问题, 也就是保证砂颗粒在流动时不发生沉淀的最低流速。由于废玻璃砂浆的流动属于固液两相流, 因此可用固液两相流的相关公式计算模拟, 根据流体中的固液两相流理论, 保证砂浆中的固体颗粒在混合物中悬浮, 必须满足砂浆流动时在垂直方向上的流速大于颗粒的沉降速度。
废玻璃粉属于非圆球形固体颗粒, 可用雷廷格系列公式计算固体颗粒的沉降速度, 即
式中:VC——固体颗粒沉降速度, m/s;
CS———试验值, 对于平均粒径dp=0.0016 m、密度ρk=2.6g/cm3的固体颗粒, CS=92 m1/2/s;
dK———固体颗粒的粒径, m;
ρk———固体颗粒的密度, g/cm3;
ρ0———介质 (水泥浆) 的密度, g/cm3。
垂直脉动速度分量为:
式中:SV———垂直脉动速度分量, m/s;
V———水平流速, 常用平均流速表示, m/s;
K——试验常数, 一般取1.5~2.0;
λ0———阻力系数, 一般取0.02;
Cu, v———水平脉动速度与垂直脉动速度的关系系数;
y———沉降量, m;
r———管壁半径, m。
固体颗粒悬浮的条件是VC
2 废玻璃替代细骨料
当废玻璃渣替代混凝土中细骨料时, 其流变性和力学性能会发生一定变化。Chen等[13]认为, 废玻璃混凝土后期抗压强度明显增大, 但拌合物流变性会随废玻璃粉掺量的增加而减小;Metwally[14]也指出, 废玻璃粉替代混凝土中细骨料后, 拌合物的和易性会随之降低, 但后期力学性能会加强。
为研究废玻璃渣替代细骨料时水泥拌合物的流动性变化, 根据Zainab Z Ismail等[15]的理论, 实验采用P·O42.5水泥, 比表面积为269.50 m2/kg, 其化学成分和物理性能见表3;砂为当地自然砂, 最大粒径4.75 mm;废玻璃由回收站收购, 并将其磨碎成颗粒状, 砂与废玻璃渣的粒径分布见表4;石为天然石子, 最大粒径20 mm, 密度1545 kg/m3。
废玻璃渣分别以0、10%、15%、20%取代天然砂, 按GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试拌合物的坍落度, 结果见图2。
由图2可以看出, 拌合物坍落度随废玻璃掺量增加而减小。废玻璃混凝土坍落度的降低可能与玻璃颗粒的几何形状有关, 当玻璃颗粒粒径与砂子相差不大时, 玻璃颗粒表面的棱角多于砂子, 一方面, 增大比表面积, 降低拌合物中的自由水含量, 使坍落度减小;另一方面, 多棱角的几何形状不利于颗粒的流动, 宏观上表现为坍落度的降低。尽管废玻璃混凝土的流动性降低, 但其和易性依然符合GB/T 50080—2002的要求。Park等[9]、Topcu和Canbaz[1]也指出, 随着废玻璃粉替代细骨料量的增大, 拌合物的流动度随之减小。
3 废玻璃替代粗骨料
当废玻璃磨成较大颗粒替代粗骨料时, 由于其与天然石子的不同会导致拌合物的流动性发生显著变化。为研究废玻璃替代粗骨料时拌合物流动性能变化, 依据文献[10]的观点, 实验将收集的各种颜色废玻璃混合粉磨, 分别以15%、25%、50%、75%、100%替代拌合物中的粗骨料。粉磨后废玻璃粗骨料的物理性能见表5, 粒径分布见表6。采用P·O42.5水泥和当地天然砂, 拌合物配合比见表7。
按GB/T 50080—2002测试拌合物的坍落度和扩展度, 结果分别见图3、图4。
由图3、图4可以看出, 随着废玻璃取代天然粗骨料取代率的增加, 拌合物的坍落度与扩展度有明显的提高。最高时相对坍落度、扩展度分别提高75%、34%。由于玻璃粗骨料的这种性质, 可将废玻璃应用于混凝土中改善其和易性。
废玻璃替代粗骨料时和易性变大的原因, 首先是废玻璃颗粒吸水率低, 相对透水性较天然石子高, 进而使拌合物中的自由水含量相对基准混凝土变大, 使得拌合物坍落度、扩展度变大;其次是边界问题, 废玻璃粗颗粒表面较天然石子光滑, 致使拌合物颗粒之间的屈服粘结力变小, 进而使拌合物水平方向扩展力相对阻力变大, 最终使坍落度、扩展度变大。
4 结论
(1) 在水胶比不变条件下, 相同掺量、不同粒径的废玻璃粉作为辅助胶凝材料时, 均能提高水泥砂浆的流变性能。对于不同颜色的废玻璃粉, 其流变性提高幅度有所不同。废玻璃粉为白色与棕色时, 砂浆流变性会随其粒径减小而变大;废玻璃粉为绿色时, 砂浆流变性会随其粒径减小而变小, 但均优于基准砂浆。
(2) 当废玻璃渣替代混凝土中的细骨料时, 由于玻璃颗粒的几何原因, 拌合物的流变性会随着废玻璃渣掺量的增大而减小, 但符合GB/T 50080—2002的要求。
(3) 废玻璃粗颗粒替代混凝土中粗骨料时, 拌合物和易性随着废玻璃颗粒掺量增加而变大。
摘要：将玻璃粉作为辅助胶凝材料替代砂浆中部分水泥, 其有利于提高拌合物流动性, 同时不同颜色、不同粒径的玻璃粉对砂浆流动性影响有差异;将不同比例废玻璃渣替代混凝土中细骨料, 随着废玻璃渣掺量增加拌合物流动性呈减小趋势, 但仍符合规范最低要求;将废玻璃磨成较大颗粒替代混凝土中粗骨料, 随着替代量增加拌合物流动性呈变大趋势, 其有利于提高拌合物流动性。
水玻璃混凝土 篇5
阴极射线管(Cathode ray tube,CRT)是一种含铅玻璃,由于CRT废玻璃中含有铅、钡等重金属元素,需要谨慎处理,以免对环境造成污染。 如何将CRT废玻璃这种危险电子废弃物无害化处理,潘智生[1]等人认为使用磨细废CRT玻璃代替现在广泛使用的重骨料制备防辐射混凝土技术上具有可行性,但是需要进一步研究CRT骨料混凝土的工作性能、力学性能、屏蔽性能来验证这种可行性。 Tung-Chai Ling、Chi-Sun Poon[2]分别用正常含铅CRT和移除铅后的CRT废玻璃替代25%、50%、75%、100%的磨细碎石搭配粗骨料重晶石配制混凝土, 从其耐久性能、力学性能、铅浸出值的变化规律等方面说明了CRT可以作为细骨料制作防辐射混凝土。 程鹏亮[3]等人基于MCNP5 程序对不同比例的CRT废玻璃重晶石混凝土进行了屏蔽性能模拟研究,从模拟的角度反映出一定比例CRT骨料制备的防辐射混凝土具有防辐射效果,但是缺少实际的屏蔽试验来补充说明。 Tung-Chai Ling[4]等人在试验中将CRT废玻璃和普通玻璃分别替换25%、50%、75%、100%普通砂制成水泥砂浆,发现随着砂浆中CRT玻璃掺量的增加,对X射线的屏蔽效果也会相应增强,而普通玻璃并没有类似明显的屏蔽效果。
目前,关于用CRT作为细骨料配制混凝土的屏蔽性能研究还比较少,有些CRT混凝土的研究选用的粗骨料为重晶石等防辐射材料,无法突出CRT作为细骨料对混凝土屏蔽性的影响,而且屏蔽性能不仅只针对X射线, 还应考虑对 γ 射线的屏蔽效果,因此,本试验选用防辐射性能比较弱的普通卵石作为粗骨料,磨细CRT废玻璃分别取代0、20%、40%、60%普通河砂、磁铁矿砂作为细骨料配制混凝土,对混凝土进行坍落度、抗压强度、γ 射线屏蔽性能试验研究。
1 试验原材料、配合比与试验方法
1.1 试验原材料
试验所用水泥为湖南某公司生产的P·C 42.5级水泥,粉煤灰为某电厂Ⅱ级低钙粉煤灰。 粗骨料为湖南衡阳湘江中的卵石,表观密度2610kg/m3。 细骨料为衡阳本地河砂,表观密度2630kg/m3。 CRT锥玻璃从河北某玻璃厂购回并进行清洗,然后机械破碎、 研磨至1.6 ~3mm,0.8 ~1.6mm,0.6 ~0.8mm,0.3 ~0.6mm四种砂状(见图1),以上粒径按1:2:4:3 混合,根据JGJ 52—2006 《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》筛分计算得细度模数 μ=2.99,属于中砂,表观密度2980kg/m3。 磁铁矿砂为某核电站防辐射混凝土原材料, 有0~0.25mm,0.25~0.5mm,0.5~1mm三种粒径, 以上粒径按5:3:2 的比例混合,μ=2.76,表观密度4280.7kg/m3。
1.2 试验配合比
试验混凝土设计强度为C30,水灰比为0.45,粉煤灰掺量为20%。以CRT废玻璃占细骨料总量比例0、20% 、40% 、60% 分别搭配普通河砂(HS)、 磁铁矿砂(CT)配制成两大组试件,每大组根据CRT取代量的不同分为4 小组,最终配合比见表1。
kg/m3
1.3 试验方法
每组试件含有3 个150mm×150mm×150mm立方体试块,2 个300mm×250mm×100mm长方体试块。 对新拌混凝土的坍落度、密度进行测量,作为反映混凝土流动性、表观密度的指标;将立方体试块在标准条件下养护至28d后进行立方体抗压强度试验。 γ 射线屏蔽性能测试是根据 γ 射线在物质中的衰减原理[5]进行试验的。 其衰减规律为:
式中:N0为起始 γ 射线的照射量率;N为放置试验试块后透过厚度为X(cm)试块的 γ 射线照射量率;μ 为线吸收系数。
试验模型如图2 所示, 其中L1=5cm、L2=65cm。将每组试件中长方体混凝土试块作为 γ 射线吸收物质, 当一束平行的 γ 射线垂直通过混凝土试块时,γ 射线与吸收物质发生相互作用, 产生了衰减。试验放射源采用137CS源, 活度20m Ci (1Ci =3.7 ×1010Bq),检测仪表为451P电离室巡测仪。 先测定放置试块之前 γ 射线剂量率N0,再测定穿过混凝土试块后的 γ 射线剂量率N,根据公式(1)推算出线吸收系数 μ。 物质对 γ 射线的吸收能力还可以用半衰减层厚度(△1/2)、10 倍衰减层厚度(△1/10)来表示,其中:△1/2=Ln2/μ,△1/10=Ln10/μ[6]。
2 试验结果与分析
2.1 坍落度、抗压强度试验结果
从表2 中可以看出,随着细骨料中CRT玻璃含量的增加,混凝土的坍落度也随之变大,这主要是由于CRT玻璃本身的吸水率不高,相对普通河砂和磁铁矿砂表面光滑, 能减小混凝土内部的内摩擦,使混凝土流动性能得到改善;在HS组中,随着CRT含量从0 增大到60%, 混凝土表观密度逐渐增大;在CT组中随着CRT含量增大而减小。 其主要原因是在饱和面干状态下CRT玻璃骨料的密度介于河砂与磁铁矿砂之间。 掺CRT废玻璃作为细骨料的混凝土在28d时抗压强度均略小于对照组试块,且随着CRT废玻璃在混凝土细骨料中的比例增大,混凝土的抗压强度也随之相应降低,但是将CRT掺量控制在40%以下时,对强度的影响不是很明显。
2.2 γ 射线屏蔽测试试验结果
半衰减层厚度、10 倍衰减层厚度分别是指使同一 γ 放射源辐射强度衰减一半和十分之一时需要屏蔽物的厚度,线吸收系数是评定材料吸收辐射性能好坏的指标。 因此,半衰减层、10 倍衰减层厚度越薄,线吸收系数越高,代表混凝土的防辐射性能越好。 从表3 中HS-0%和CT-0%两个对照组可看出,普通河砂混凝土的线吸收系数要低于普通磁铁矿砂的混凝土, 其半衰减层、10 倍衰减层厚度都大于磁铁矿砂混凝土,这就验证了磁铁矿砂作为一种防辐射材料,用其作为骨料配制出来的混凝土屏蔽效果的确优于普通河砂, 因为从材料表观密度上来看,磁铁矿砂大于普通河砂,试验结果符合一般防辐射混凝土中材料表观密度越大,防辐射效果越好的解释。 而在HS和CT其他组中, 用20%、40%、60%CRT玻璃替换了部分原有细骨料, 随着替换比例提高,线吸收系数相应提高,半衰减层、10 倍衰减层厚度随之变薄,这是由于CRT材料中所含的Pb、Ba等重金属元素及其化合物具有较好的吸收 γ 射线的特性,因而可以将CRT废玻璃作为细骨料用来配制防辐射混凝土; 其中HS-60%组线性吸收系数和CT-0%组比较接近,说明本身防辐射能力不高的普通河砂混凝土, 通过替换了60%的CRT玻璃之后, 屏蔽能力已经接近100%磁铁矿砂细骨料的混凝土,这说明CRT材料起到了改善普通混凝土屏蔽性能的作用;CT-60%组屏蔽效果是所有试验组中最好的, 而且这一组的表观密度还略低于CT组中的其他三组,这说明CRT作为细骨料相对一般防辐射材料还具有表观密度小、方便施工等优点。
3 结论
(1) 通过对比试验,验证用磨细CRT玻璃取代河砂、磁铁矿砂配制混凝土,新拌混凝土的坍落度变大,当掺量不超过细骨料总量的40%时,混凝土强度不会存在明显下降;相比用单一的河砂、磁铁矿砂细骨料配制的混凝土,掺CRT玻璃的混凝土线吸收系数随着CRT掺量增大而增大, 说明CRT作为细骨料可以改善混凝土的屏蔽能力。
(2) 相比磁铁矿砂这类防辐射材料, 用河砂配制出的普通混凝土对 γ 射线的屏蔽能力比较差,通过用CRT玻璃替换部分河砂,混凝土的屏蔽能力得到了明显改善,当CRT替换量达到60%时,可以近似达到100%磁铁矿砂细骨料混凝土的防辐射效果;CRT玻璃替换部分磁铁矿砂后, 混凝土的表观密度随着CRT取代量增大而减小,线吸收系数却随之增大了, 说明CRT可以作为一种防辐射材料,为电子废弃物的回收利用和防辐射混凝土研究提供一定的参考。
参考文献
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[2]Tung-Chai Ling,Chi-Sun Poon.Feasible use of recycled CRT funnel glass as heavyweight fine aggregate in barite concrete[J].Journal of Cleaner Production,2012,33:42-49.
[3]程鹏亮,葛良全,张庆贤,等.重晶石混凝土中混入CRTs的屏蔽性能MC模拟研究[J].核电子学与探测技术,2014,34(5):640-644.
[4]Tung-Chai Ling,Chi-Sun Poon,Wai-Shung Lam,et al.Utilization of recycled cathode ray tubes glass in cement mortar for X-ray radiation-shielding applicationss[J].Journal of Hazardous Materials,2012:321–327.
[5]廖芹,周四春,王自运,等.不同集料对γ射线的屏蔽性能测试研究[J].核电子学与探测技术,2012,32(3):329-332.
水玻璃混凝土 篇6
通过一系列的室内试验研究了不同体积掺量玻璃纤维对水泥砂浆强度和收缩性能的影响, 在此基础上进行了混凝土早期塑性开裂实验, 测试了混凝土初始开裂时间、单位面积裂缝数目、裂缝最大宽度等性能指标, 分析了玻璃纤维对改善混凝土抗塑性开裂性能的影响, 从而为实际工程中玻璃纤维的应用提供参考和依据。
1 实验设计
1.1 原材料
水泥砂浆强度、干燥收缩测试所用水泥采用中联水泥有限公司生产的基准水泥, 混凝土早期塑性开裂实验所用水泥为济南山水集团生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥。实验用细集料为河砂, 细度模数为2.92, 粗集料为普通碎石, 减水剂采用聚羧酸高效减水剂。实验用水为自来水。玻璃纤维为泰山玻璃纤维有限责任公司生产, 纤维长度为12mm, 其参数值见表1。
1.2 方法
水泥砂浆的搅拌、成型及强度测试按照GBT—17671—1999[6]《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》进行。水泥砂浆干燥收缩实验方法严格依据JTG E30—2005[7]《公路工程水泥及水泥混凝土实验规程》。干缩砂浆试件在标准养护 (温度为 (20±2) ℃, 相对湿度为95%) 24h后脱模, 脱模后继续在20℃水中养护2d后用比长仪测初始度, 放入干缩养护箱 (温度为 (20±3) ℃, 相对湿度为 (50±4) %) 中养护至测试龄期进行试验。水泥混凝土塑性开裂实验按照GB/T 50082—2009[8]《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的平板开裂实验方法进行。混凝土的搅拌按照先拌合再加入玻璃纤维的顺序进行。
1.3 配合比设计
制备水泥砂浆的灰砂比为1∶2, 水灰比确定为0.45。测试了玻璃纤维体积掺量 (0.5%、1.0%) 对水泥砂浆抗压强度、抗折强度、干燥收缩的影响。试验研究玻璃纤维掺量 (0.25%, 0.5%) 对混凝土早期塑性开裂的影响, 混凝土配合比如表2所示。
2 结果分析
2.1 玻璃纤维对水泥砂浆强度的影响
玻璃纤维对水泥砂浆抗折强度的影响如图1所示。由图1可知, 掺加玻璃纤维后, 水泥砂浆的7d和28d抗折强度均有所提高, 7d和28d抗折强度分别提高了18.2%、11.6%。这是由于玻璃纤维能够和水泥砂浆有效地粘结, 增强水泥基体对纤维的握裹作用, 从而在砂浆内部形成一种均匀分布的乱向支撑体系, 当纤维水泥砂浆受到荷载破坏产生微小裂缝时, 纤维能横跨裂缝起到桥接作用, 增强水泥砂浆的抗折破坏性能。由图2可知, 玻璃纤维对水泥砂浆的抗压强度没有明显的影响, 这是因为在纤维水泥砂浆的压力作用由水泥砂浆基体承担, 玻璃纤维对水泥砂浆抗压强度的影响有限。
2.2 玻璃纤维对水泥砂浆干燥收缩的影响
玻璃纤维对水泥砂浆5d、7d、10d、14d、21d、28d收缩率的影响变化如图3所示。由图3可知, 玻璃纤维能够降低水泥砂浆的干燥收缩率, 在28d测试龄期, 普通水泥砂浆的收缩率为1 040×10-6, 掺加0.5%、1.0%的玻璃纤维后, 水泥砂浆的干缩率分别为970×10-6、890×10-6, 分别比未掺加玻璃纤维降低了6.7%、14.4%。这是因为玻璃纤维在水泥基材料中形成乱向支撑体系, 减少基体中水分的散失途径, 同时改善混凝土的孔结构, 降低其收缩应力。
2.3 玻璃纤维对混凝土塑性开裂的影响
实验测试了玻璃纤维体积掺量对混凝土早期塑性开裂性能的影响。混凝土早期开裂实验结果如图4所示, 表3为混凝土的塑性开裂性能指标。由表可知, 普通混凝土的初始开裂时间为70min, 单位面积总开裂面积为703.1mm2/m2, 玻璃纤维能够延迟混凝土的初始开裂时间, 纤维混凝土表面形成不连续的收缩裂缝, 单位面积裂缝总面积和裂缝数目也明显缩减, 最大裂缝宽度也呈减小趋势, 当玻璃纤维体积掺量增大到0.5%, 混凝土完全没有裂缝形成, 只有微细裂纹产生。相对于普通混凝土, 掺加0.25%玻璃纤维混凝土的单位面积裂缝总面积和裂缝数目分别减少了78.1%、68.6%, 最大裂缝宽度也从0.480 mm降低到0.391mm, 由此可见, 玻璃纤维抑制混凝土的早期开裂效果明显。
3 结论
a.玻璃纤维能够增大水泥砂浆的抗折强度, 且在一定范围内, 纤维掺量越多, 抗折强度越大, 当体积掺量为1.0%时, 28d抗折强度提高了11.6%。玻璃纤维对水泥砂浆的抗压强度没有明显的影响。
b.玻璃纤维能够降低水泥砂浆的收缩率, 且纤维体积掺量越大, 水泥砂浆的干缩率越小, 玻璃纤维体积掺量为1.0%时, 28d收缩率降低了14.4%。
c.玻璃纤维能够明显抑制混凝土的早期塑性开裂, 与普通混凝土相比, 玻璃纤维体积掺量为0.25%的混凝土单位面积裂缝总面积和单位面积裂缝数分别减少78.1%、68.6%, 混凝土最大裂缝宽度为0.391mm;当体积掺量增大到0.5%时, 混凝土完全没有裂缝产生, 只有微细裂纹。
参考文献
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[2]刘毅, 仇为波, 李德军.混杂纤维对混凝土干燥收缩的影响[J].建材技术与应用, 2008 (2) :1-3.
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[7]JTG E 30—2005, 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].
水玻璃混凝土 篇7
轻质高强混凝土的配制, 关键在于轻集料的选择, 有一些天然轻集料、工业废料轻集料和人造轻集料的性能指标符合高强轻质混凝土粗集料的使用要求, 但由于天然轻集料、工业废料轻集料的指标不可能人为地加以控制, 而人造轻集料当前的生产技术条件则可以很好地生产出符合要求的高强轻集料, 所以选择人造轻集料是配制轻质高强混凝土的主要措施。陶粒和玻璃微珠是两种重要的人造轻集料, 目前有众多学者将它们应用于水泥制品中, 如李平江、张金山等人[5,6]对陶粒在混凝土中的应用进行了试验研究, 但陶粒的密度与水泥砂浆的密度相差较大, 集料容易上浮, 产生分层离析, 从而使拌和物不均匀, 进而影响到混凝土的力学性能[7], 此外杨玉香[8]总结了玻璃微珠在水泥制品中的应用, 玻璃微珠密度低且不易吸水, 作为细集料可有效降低水泥砂浆的密度。因此本文采用陶粒和玻璃微珠作为粗细集料制备轻质高强混凝土, 并研究减水剂、陶粒、玻璃微珠的掺量对混凝土水灰比、强度和表观密度的影响, 同时分析了陶粒和玻璃微珠制备的轻质高强混凝土的内部结构。
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
水泥:普通硅酸盐水泥P.O42.5, 各项性能指标均符合GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》标准, 其物理力学性能见表1。
硅灰:Si O2含量≥85%, 灰白色球状粉末, 平均粒径为0.2μm, 比表面积1.8×104m2/kg。
高效减水剂:聚羧酸系减水剂, 固含量49.3%, 减水率28%。
细集料:中空玻璃微珠, 细度范围为0.04 mm~0.125 mm、0.1 mm~0.3 mm、0.25 mm~0.5 mm、0.5 mm~1.0 mm, 其堆积密度分别为500 kg/m3、412 kg/m3、336 kg/m3、289 kg/m3。根据混凝土所用砂的级配, 选择不同粒径玻璃微珠的比例为:0.04 mm~0.125 mm为15%、0.1 mm~0.3 mm为30%、0.25 mm~0.5 mm为30%、0.5 mm~1.0 mm为25%。
粗集料:页岩陶粒, 根据GB/T 17431-2010《轻集料及其实验方法》检验陶粒的物理力学性能见表2。
水:普通自来水。
1.2 试验方法
混凝土制备:先将胶凝材料、玻璃微珠和陶粒在搅拌机内拌合1 min, 以达到拌合均匀, 然后将减水剂和水混和加入拌合3 min;试块采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体模具, 手工振捣成型;成型后带模在标准养护箱内养护 (温度为20℃±1℃, 湿度在90%以上) , 1 d后拆模进行标准养护至相应龄期测试强度。
混凝土性能测试方法:混凝土坍落度、表观密度和力学性能测试分别参照标准GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。
2 试验结果与讨论
通过前期试验研究, 本试验确定在胶凝材料用量不变, 坍落度保持在150 mm±10 mm的条件下, 硅灰掺量为胶凝材料总量的10%, 减水剂掺量为胶凝材料的1.0%~1.7%, 陶粒掺量为250 kg/m3~270 kg/m3, 玻璃微珠掺量为160 kg/m3~180 kg/m3, 以讨论减水剂、陶粒、玻璃微珠的掺量对轻质高强混凝土水灰比、强度和表观密度的影响。此外通过公式 (1) 计算所制备的混凝土的比强度, 作为评定轻质高强混凝土性能的指标之一。
比强度=∣ (30/1950-σa/Va) / (30/1950) ∣ (1) 式中σa—表示混凝土抗压强度;
Va—表示混凝土表观密度;
30、1950—分别表示定义轻质高强混凝土的最低强度和最高容重。
2.1 玻璃微珠掺量对混凝土水灰比、表观密度和强度的影响
不同玻璃微珠掺量的混凝土配合比及所测试的性能见表3, 对比表中不同玻璃微珠掺量的混凝土性能, 可以发现随着玻璃微珠掺量的增加, 混凝土的水灰比增大;轻质玻璃微珠的掺入, 以及水灰比增加使得试件中由水分蒸发而导致的混凝土内部孔隙增加, 两者综合导致混凝土的表观密度和强度均降低, 则必须权衡混凝土轻质与高强的关系。从混凝土的比强度来看, 玻璃微珠掺量的增加, 使得混凝土的比强度降低, 故玻璃微珠的掺量不宜过高。
2.2 陶粒掺量对混凝土水灰比、表观密度和强度的影响
不同陶粒掺量的混凝土配合比及所测试的性能见表4, 从表中可以看到增加陶粒掺量, 混凝土的性能变化趋势与增加玻璃微珠掺量的变化趋势一致, 但从水灰比的变化来看, 在达到相同的坍落度情况下, 玻璃微珠的需水量大于陶粒, 但从比强度来看, 增加玻璃微珠掺量的混凝土A12比强度大于A13, 且A12的表观密度远小于A13, 这表明增加玻璃微珠掺量优于增加陶粒掺量。
2.3 减水剂掺量对混凝土水灰比、表观密度和强度的影响
从表3或表4的数据可得到减水剂掺量对轻质高强混凝土水灰比、表观密度、强度和比强度的影响见图1 (玻璃微珠掺量为160 kg/m3, 陶粒掺量为250 kg/m3) , 从图中可以看到随着减水剂掺量的增加, 混凝土的水灰比逐渐降低, 减水剂掺量超过1.5%时, 减水效果降低, 这是因为聚羧酸系减水剂成梳状吸附在水泥颗粒表面, 形成静电斥力作用, 支链则伸向溶液中, 相互之间交叉, 形成空间位阻作用, 同时支链上带有的亲水性活性基团 (-OH, -O-, -COO-等) 使得水泥颗粒与水的亲和力增大, 水泥颗粒表面溶剂化作用增强, 水化膜增厚, 此外这些极性基团具有较强的液-气界面活性, 具有一定的引气隔离“滚珠”减水效应[9], 故在达到饱和掺量点前, 减水效果明显;然而在减水剂的掺量过量时, 减水剂对水泥颗粒分散作用失效, 而且在浆体中形成以减水剂为溶质的溶液, 一般情况下, 溶液的流动性小于相应溶剂的流动性[10], 故达到饱和点后, 减水剂的减水效果不明显。
由于减水剂在达到饱和掺量点前, 对混凝土体系的分散性较好, 水泥以极小颗粒的形式分散在液相中, 水泥颗粒之间基本上不存在“絮凝”结构, 保证水泥充分水化, 且水化产物的孔径范围向小孔或微孔方向移动, 硬化水泥石的密实程度提高[11], 故减水剂掺量在1.5%时, 混凝土的强度达到最大, 此外由于减水剂的减水效果, 混凝土的孔隙率降低, 使得其表观密度增大, 但从比强度来看, 减水剂掺量的增加对混凝土轻质高强性能有一定的改善。然而随着减水剂掺量的进一步增加, 水泥浆体开始出现板结等现象, 使浆体内部水灰比不一致, 匀质性变差, 从而产生大量宏观缺陷[12], 致使强度大幅度降低。此外大量的高分子有机物减水剂也会影响水泥水化产物的形貌和密实度, 水化硅酸钙的密实度和强度降低[13], Ca (OH) 2由块状转化为板状, 水泥石结构变得疏松[14]。从而使得混凝土强度大幅度折损, 表观密度也有所降低, 混凝土的比强度也大幅度降低, 故减水剂应有适度的掺量范围。
2.4 混凝土的内部结构分析
利用中空玻璃微珠和陶粒制备轻质高强混凝土的内部结构如图2所示。从图中可以看到玻璃微珠与陶粒在混凝土内部分布均匀, 无分层离析现象, 即采用中空玻璃微珠和陶粒制备轻质高强混凝土是可行的。但由于陶粒的多孔结构, 以及玻璃微珠的中空结构, 可以看到混凝土受破坏时, 主要是轻集料的内部发生破坏, 从而限制了此混凝土的强度, 故在配制轻质高强混凝土时, 应根据综合性能选择合适的玻璃微珠和陶粒掺量。
3 结论
采用中空玻璃微珠和陶粒制备轻质高强混凝土是可行的, 玻璃微珠与陶粒在混凝土内部分布均匀, 无离析分层现象, 并可制备出强度63.4 MPa, 表观密度1770 kg/m3, 比强度1.328的轻质高强混凝土。
选择合适的玻璃微珠、陶粒和减水剂掺量是制备轻质高强混凝土的技术关键。试验表明, 随着陶粒掺量、玻璃微珠掺量的增加, 混凝土表观密度降低, 但混凝土的水灰比增加, 且混凝土受压时, 主要的破坏是轻集料内部的破坏, 这部分限制了强度的提高, 故在配制轻质高强混凝土时, 应根据综合性能选择合适的玻璃微珠和陶粒掺量。