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    技術資料

    電桿用免蒸養混凝土的配合比與實驗

    時間:2019-02-18 13:15 來源:qzhaiyu.com 作者:海煜重工 點擊:
    環形混凝土電桿具有造價低、使用維護簡單等優點,在電力行業中得以大量使用。在混凝土電桿的生產過程中,通常采用蒸汽養護(簡稱蒸養)工藝以加快水泥的水化速率,提高混凝土的早期強度,但是,相關資料顯示,蒸養會造成混凝土耐久性能降低,對實際工程造成危害,同時還耗費大量的能源。隨著我國低碳節能經濟發展模式的提出,國家及生產企業對混凝土制品的生產提出了更高的要求,生產企業亟需從節能減排、改善性能、經濟可靠等角度出發實施技術創新,因此,探索混凝土電桿生產的免蒸養工藝,并且進一步提升電桿的各項性能具有重要的現實意義。

    楊牧等在混凝土中加入活性摻合料以改善混凝土耐久性并通過熱處理等技術激發膠凝材料的活性,提高了混凝土的早期強度,但是仍需蒸汽養護,并未實現常溫下生產的要求。王成啟等研究原材料優選和超早強混凝土配制技術,充分利用環境溫度對混凝土強度發展的作用,開發出免蒸養高耐久性預應力高強混凝土(PHC)管樁工藝技術,并在工程中應用。周華新等采用聚羧酸外加劑的接枝共聚技術,開發出超早強型的聚羧酸外加劑,在低溫(10~20℃)條件下實現管片混凝土的免蒸養。Ramezanianpour等著重研究了蒸養溫度以及礦物摻加劑對混凝土性能的影響,結果表明,在一定范圍內適當的提高溫度可以促進水化過程的進行,加快水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠以及Ca(OH)2晶體的形成,提高混凝土的早期強度,無機添加劑也同樣能夠促進水泥礦物水化。綜上所述,通過一定的技術手段可以使自然養護條件下混凝土的早期強度達到與蒸汽養護混凝土相近的強度,同時可以簡化施工環節、節約成本,提高混凝土構件產品質量與產量,對節能減排和保護環境具有重要意義。

    本文中在原有混凝土電桿生產配比基礎上進行改進,通過加入適宜摻量的礦渣微粉和早強劑制備早強免蒸養混凝土,同時對比現有電桿生產用混凝土與免蒸養混凝土的力學及耐久性能,并分析2種養護制度下混凝土的微觀結構。

    一、實驗

    1. 膠結料:濟南山水集團生產的P•O52.5R水泥,比表面積為315m3/kg,28d抗壓強度為57.2Mpa,抗折強度為11.3Mpa;礦渣微粉(簡稱礦粉)為S95級,比表面積為400m2/kg。水泥與礦粉的化學組成和粒度分析分別如表1、圖1所示。
    表1 水泥與礦渣微粉的化學組成
    水泥與礦渣微粉的化學組成

    水泥和礦渣微粉的粒度分布
    圖1 水泥和礦渣微粉的粒度分布

    骨料:細集料為符合國家標準GB/T 14684-2011要求,細度模數為2.73,含泥量1.6%(質量分數)的中砂;粗集料選用最大粒徑為25mm連續級配的石灰石質碎石。

    外加劑:聚羧酸高效減水劑,減水率為30%(質量分數),硝酸鈣作為早強劑。

    2. 配合比及養護制度

    目前國內環形混凝土電桿生產基本采用蒸汽養護模式,即靜停1h,升溫速率小于25℃/h,(85±5)℃溫度下保溫3~4h,降溫1h,以加速混凝土的硬化,提高混凝土的早期強度,使成型電桿在較短時間內達到脫模強度,加快模具周轉,提高電桿生產效率。蒸汽養護后混凝土強度達到設計強度的70%以上。以下采用目前企業生產用的混凝土配合比與實驗室研制的早強免蒸養混凝土的配合比進行比較。

    通過前期試驗,當免蒸養混凝土中礦粉摻量為20%(質量分數,以下同),硝酸鈣摻量為膠凝材料質量的2%時性能最佳,物料配合比如表2所示?紤]試驗用蒸汽箱情況,蒸養混凝土入模后在(20±3)℃溫度下預養3h,再進行85℃蒸汽養護21h。因為實驗設備的升溫速率很快,所以不考慮升溫時間。免蒸養混凝土模擬不同的環境條件,在不同的養護制度下養護成型。由表2可知,現有企業生產用配合比中水泥用量較多,未加入早強劑,而免蒸養混凝土用20%的礦粉替代部分水泥,減少了水泥用量。
    表2 混凝土配合比
    混凝土配合比

    3. 實驗方法

    為了比較養護條件對混凝土力學與耐久性能的影響,拌合成型的試件養護至相應齡期后分別進行力學和耐久性能測試。

    混凝土力學性能按GB50081-2002《普通混凝土力學性能實驗方法標準》進行,試件的長度、寬度和高度均為100mm。蒸養混凝土測定1d抗壓強度,免蒸養混凝土標準養護測定2、3d抗壓強度,其余養護溫度測定3d抗壓強度。

    抗凍融試驗和抗氯離子滲透試驗按GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行?箖鋈谠囼灢捎每焖賰鋈诜,試件的長度、寬度和高度分別為100、100、400mm,每25次凍融循環測定一次質量損失率和動彈性模量系數?孤入x子滲透試驗采用電通量法,試件為直徑為(100±1)mm、高度為(50±2)mm的圓柱體,計算6h通過試件的電通量。

    采用FEI Quanta FEG 250型掃描電子顯微鐿(SEM)觀察不同養護制度下水泥石的微觀結構,同時取對應試樣,采用Pore Master 60GT型全自動壓汞儀進行孔結構分析,孔徑分析范圍為0.35nm~950um,將得到的數據作圖,分析無害孔、少害孔、有害孔及多害孔的生成情況,從孔徑分布和孔隙率的角度分析影響混凝土強度和耐久性的因素。

    二、結果與討論

    1. 力學性能

    在水泥中摻入礦粉和早強劑硝酸鈣,目的是提高免蒸養混凝土的早期強度。礦粉具有較強的火山灰效應,其組分中的活性SiO2、Al2O3等物質與水泥水化產物Ca(OH)2發生化學反應,生成相應的水化產物,促進水泥的二次水化;其次,礦粉的微集料效應可以改善孔結構,提高混凝土的密實度。另外,硝酸鈣作為早強劑,會使液相中Ca2+含量急劇增加,Ca(OH)2很快達到飽和而迅速結晶,減小了水泥漿體的PH值,從而加速熟料中硅酸三鈣(C3S)的水化,提高水泥的早期強度。

    以下將對比免蒸養混凝土與蒸養混凝土的強度發展,評價免蒸養混凝土的力學性能。試驗設設置了蒸汽養護1d強度與標準養護2、3d,其他養護制度下的3d強度進行對比,實驗結果如表3所示。
    表3 不同養護制度下免蒸養混凝土與蒸養混凝土的抗壓強度
    表3 不同養護制度下免蒸養混凝土與蒸養混凝土的抗壓強度

    由表中數據可知,免蒸養試件的抗壓強度需3d才能達到或者超過蒸汽養護1d的強度,且隨著免蒸養溫度的升高,混凝土的強度呈遞增趨勢;炷岭姉U設計配合比為C50混凝土,蒸汽養護4~6h后達混凝土設計強度的80%以上即可,所以免蒸養混凝土的強度在自然條件下3d內達到電桿設計強度的80%以上即可以進行生產應用。通過數據分析可以看出,免蒸養混凝土可在空氣溫度15℃以上進行養護,雖然強度的發展速度不及蒸汽養護,但可節省大量的能源并提高其后期耐久性能。在蒸養條件下,雖然溫度升高能夠使得水化程度增大,但是高溫會使其水化產物生長粗化,同時使水分遷移及蒸發速率加快,引起孔結構劣化,從而降低混凝土的后期力學強度及耐久性能。

    2. 耐久性能

    2.1 抗凍融性能

    在某此寒冷地區,混凝土電桿位于地表以下的部分處于凍融交替及離子滲透的復雜環境,為了進一步分析目前生產用混凝土與免蒸養混凝土在力學性能相近時耐久性能的差別,設置2個試驗組進行對比。免蒸養試驗組在30℃自然養護至24d時取出浸泡到水中至28d,蒸養實驗組在85℃蒸汽養護1d后進行30℃自然養護,至24d時再取出浸泡到水中至28d,分別進行抗凍融試驗。圖2所示為不同混凝土試驗組的抗凍融性能的試驗結果。

    由圖中可以看出,經歷300次凍融循環后,免蒸養試驗組與蒸汽養護試驗組的相對動彈性模量損失率分別為25.75%、28.08%,質量損失率分別為1.56%、3.73%。2個試驗組相對動彈性模量損失率均小于60%,質量損失率均小于5%,符合國家標準,而且免蒸養試驗組的相對動彈性模量損失率與質量損失率均小于蒸汽養護試驗組的,其抗凍融性能更好。其主要原因在于:蒸汽養護時,水泥水化速率急劇加快,生成大量的水化產物,但是擴散速率相對較慢,導致水化產物分布不均;同時溫度升高導致內部水分蒸發產生氣孔,使混凝土中的孔隙和微觀裂縫增加,造成混凝土內部產生大量缺陷。在凍融環境下,混凝土內部水分在固液兩相之間發生體積變化,所產生的膨脹應力促使混凝土結構的進一步損傷。免蒸養混凝土水化較為穩定,因高溫而產生的結構缺陷相對較少,同時礦粉和硝酸鈣的加入促進了水泥的進一步的水化,使得微觀結構更為密實,在凍融環境下具有更好耐久性。
    不同混凝土試驗組的抗凍融性能
    圖2 不同混凝土試驗組的抗凍融性能

    2.2 抗氯離子滲透性能

    將免蒸養混凝土試驗組在30℃自然養護條件下養護至28d,蒸汽養護混凝土試驗組在85℃蒸汽養護1d后在30℃自然養護至28d,分別進行電通量試驗。在6h內,免蒸養、蒸養混凝土試驗組電通量平均值分別為2792、3678C。

    2個試驗組的氯離子滲透性都處于中等范圍內,但是免蒸養混凝土試驗組的電通量相比于蒸汽養護試驗組的降低了24.10%,說明免蒸養混凝土的抗氯離子滲透性能更好;炷恋目孤入x子滲透性能主要與孔結構相關,在蒸汽養護條件下,混凝土的孔結構粗化,為離子滲透提供了良好的通道,對內部鋼筋造成了不利的影響,相比之下,免蒸養混凝土硬化漿體的內部孔結構特征得到優化,孔隙率減小,漿體密實程度增大,有效地提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

    三、微觀結構分析

    1. 微觀結構

    采用SEM觀察水泥石的微觀結構,分析水泥水化產物的形貌、數量及其分布狀態。圖3為不同養護制度(30℃養護3d及85℃蒸汽養護1d)的混凝土內部微觀結構SEM圖像。
    不同養護制度的混凝土內部微觀結構掃描電子顯微鏡圖像
    圖3 不同養護制度的混凝土內部微觀結構掃描電子顯微鏡圖像

    從圖中可以看出,兩者生成物基本相同,大多數為網狀結構的C-S-H凝膠、六方板狀的Ca(OH)2晶體和針棒狀的鈣礬石(Aft)晶體,但是在水化產物數量和形貌上存在明顯的差異。免蒸養混凝土中的C-S-H凝膠與粗細集料結合緊密,并存在明顯結晶良好的Ca(OH)2晶體,各種水化產物的尺寸較小,整體結構較為穩定、密實,無明顯的孔缺陷。而在蒸汽養護條件下的混凝土試塊,其內部水化產物量較免蒸養情況下更多但形貌較差,其中Ca(OH)2晶體最為明顯,六方板狀結構顯著減少。其主要原因是,在蒸汽養護條件下,水泥水化速率明顯加快,產物量隨之增多,但是水化產物生成速率與擴散速率之間的不協調使得水泥水化產物富集與空缺以及水分蒸發導致的氣泡定向遷移等,使混凝土內部結構粗化,存在潛在的結構缺陷。從力學和耐久性能上分析,較多的水化產物形成的膠凝結構使蒸養混凝土早期的力學強度提高,但是其內部的固有缺陷導致其后期強度發展乏力,耐久性不如免蒸養混凝土。因為免蒸養混凝土是在合適的溫度養護,并且添加礦粉和硝酸鈣,所以其內部結構更為理想。

    2. 孔結構分析

    膠凝材料的密實程度對混凝土的強度和耐久性有著很大的影響,因此以孔徑分布以及孔隙率作為依據來評定膠凝材料的密實程度,進而分析混凝土宏觀抗壓強度和耐久性。不同的養護制度會對膠凝材料中各種組分的反應產生不同的影響,從而使混凝土內部的孔徑分布和孔隙率有著明顯的差異。文獻中把混凝土孔徑分為4類,即無害孔(<20nm)、少害孔(20~50nm)、有害孔(>50~200nm)和多害孔(>200nm)。本文中使用壓汞法對不同養護條件下的混凝土進行孔結構分析,混凝土孔徑分布及總孔隙率如圖4所示。

    圖4 不同養護制度下混凝土的孔徑分布及總孔隙率

    由圖可知,免蒸養混凝土的孔結構較蒸養混凝土的更為合理,無害孔和少害孔的總量都明顯多于蒸養混凝土,而且有害孔及多害孔均少于蒸養混凝土。比較兩者的總孔隙率,蒸養混凝土總孔隙率(10.83%)與免蒸養混凝土的總孔隙率(11.21%)相近,但是蒸養混凝土平均孔徑增大,對混凝土耐久性有極大影響的有害孔和多害孔數量明顯增加,導致蒸養混凝土的耐久性不及免蒸養混凝土。

    四、結論

    本文中對比分析現有生產用蒸汽養護混凝土和新開發的早強免蒸養混凝土的性能,得到以下結論:

    1)適量摻加的礦粉和早強劑的復合技術可以生產出滿足混凝土電桿早期強度要求的免蒸養混凝土。

    2)免蒸養混凝土在常溫下的強度發展雖然與蒸養混凝土存在一定的差距,但是其耐久性更好,與相同強度蒸養混凝土相比,其動彈性模量損失減小2.33%,質量損失率減小2.17%,抗氯離子滲透能力提高24.10%。

    3)與蒸汽養護相比較,免蒸養混凝土中水化產物形貌及分布狀態優于蒸養混凝土,其產物結晶更完整,缺陷更少;內部孔結構得到優化,無害孔及少害孔增加,微觀結構更為密實。
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