工業(yè)廢渣制備的膨脹劑DE0-500的實驗研究
2010-01-19 00:00
摘要：混凝土膨脹劑在現代工程中的應用越來越廣泛。本文通過試驗檢驗利用工業(yè)廢渣粉煤灰和磷石膏基于水化物脫水相技術制備的混凝土膨脹劑DE0-500的性能，表明制備的混凝土膨脹劑能夠達到膨脹劑標準所要求的限制膨脹率和強度指標，可用來配制補償收縮混凝土。
關鍵詞：混凝土；膨脹劑；工業(yè)廢渣；補償收縮；鈣礬石
0 引言
普通硅酸鹽水泥混凝土，常因水泥石的收縮而產生裂縫，影響混凝土整體工作性能，降低結構物的耐久性；膨脹劑用于配制補償收縮混凝土和自應力混凝土，具有不可代替性。
目前，市場上出售的技術成熟、質量穩(wěn)定的膨脹劑有多種多樣，由于其采用高品位的礦物原料和高能耗的生產技術，提高了生產成本，價格普遍較高，因此高附加值地利用工業(yè)廢渣研制低成本的膨脹劑，具有廣闊的工程應用和市場前景。另一方面，隨著我國工業(yè)化的快速發(fā)展，能源消耗嚴重，還產生了大量的工業(yè)廢棄物污染環(huán)境。利用工業(yè)廢渣制備市場亟需的混凝土膨脹劑是混凝土膨脹劑的發(fā)展趨勢之一。
本文采用的混凝土膨脹劑DE0-500的膨脹源為鈣礬石C3A·3CaS04·32H20（AFt），屬硫鋁酸鈣類膨脹劑，是以工業(yè)廢渣粉煤灰和磷石膏為原料，基于水化物脫水相的技術制備而成的。在原料來源和生產能耗上具有很大的經濟優(yōu)勢，而且能有效利用工業(yè)廢棄物，減少環(huán)境污染，適合循環(huán)經濟的發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的理念。
按照混凝土標準（JC476-2001），通過做膨脹劑相關性能試驗，檢驗了混凝土膨脹劑DE0-500的性能，參照《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》（GBJ500119）的要求，結果表明：所配制的膨脹劑DE0-500可用于配制補償收縮混凝土，適用于對限制膨脹率要求較低的配筋路面、底板、樓板等一般結構。
1 摻膨脹劑DE0-500的水泥膠砂的試驗
1.1試驗原料和主要儀器設備
試驗原料：水泥是三河市燕郊新型建材有限公司出產的鉆牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥；膨脹劑用本試驗所配制的混凝土膨脹劑DE0-500和中巖公司產UEA膨脹劑；砂選用廈門艾思歐標準砂有限公司出品的中國ISO標準砂；拌合水是北京自來水。試驗設備：HJ一84型混凝土加速養(yǎng)護箱水泥膠砂攪拌機（ISO一679）、振動臺、GB/T17671-40A型水泥標準養(yǎng)護箱、砂漿用ISOBY-160型比長儀、DKZ-5000型電動抗折試驗機、ISO水泥膠砂三聯(lián)試模、縱向限制器等
1.2試驗設計
根據中國建材行業(yè)標準，確定混凝土膨脹劑的摻量為12%;為了比較所制膨脹劑的膨脹效果，還設計制作了摻加中巖公司生產UEA膨脹劑的試體和不摻膨脹劑的普通硅酸鹽水泥膠砂試體。膨脹劑的摻量為12%.每成型三條試體需稱量的材料及用量如表1。
1.3試驗方法及步驟
根據國家建材行業(yè)標準《混凝土膨脹劑》（JC476-2001）的具體要求和檢測方法，做水泥膠砂限制膨脹率和強度試驗，水泥膠砂試體成型時的實驗室溫度為15℃，養(yǎng)護池水溫為19℃。水泥膠砂攪拌、試體成型參照GB/T17671的規(guī)定進行。脫模時間定為膠砂試塊成型后24h脫模。
1.4試驗結果與分析
按照混凝土標準《混凝土膨脹劑》（JC476-2001）的規(guī)定進行試驗，得到水泥膠砂7d和28d養(yǎng)護齡期的限制膨脹率和抗壓與抗折強度的試驗結果。為了更深入地研究所制備的膨脹劑的性能，更能將膨脹劑的膨脹性能量化，參考相關文獻，本文還引用了相對膨脹落差與補償效率的概念。得到的試驗計算結果如表2所示。
從表2中可以看出：未摻加膨脹劑的3#水泥膠砂試體在水中前期（1d一7d）膨脹量很微小，后期（7d一28d）還有少量收縮。摻加12%不同膨脹劑后的1#和2#膠砂試體均有顯著的膨脹效果，7d限制膨脹率分別達到0.035%和0.042%,28d限制膨脹率達到0.058%和0.112%.同摻量的DE0-500.的1#試體膨脹速率和膨脹值低于于摻UEA的2#試體，說明中巖公司產的UEA膨脹劑具有很高的膨脹性能。這主要是因為一方面試驗中膨脹劑UEA的摻量高于其最佳摻量，另一方面所制膨脹劑DE0-500中含鋁量偏低，提供不了過多的膨脹能。盡管如此，膨脹劑DE0-500仍能滿足《混凝土膨脹劑》（JC476-2001）規(guī)定：膨脹劑在水中養(yǎng)護，水泥膠砂的限制膨脹率7d要大于0.025%,28d要小于0.10%.[Page]
7d后在干空養(yǎng)護中3#試體收縮速度迅速增加，限制膨脹率從0.002%降至-0.021%.而摻加12%膨脹劑DE0-500的2#試體有明顯的補償收縮效果，干空21d限制膨脹率仍能達到0.014%,滿足空氣中21d限制膨脹率大于-0.020%的要求。摻12%中巖公司產UEA膨脹劑的2#試體補償收縮效果明顯好于其1#試體，在干空中養(yǎng)護限制膨脹率損失很少。
膨脹劑DE0-500空氣中21d的相對膨脹落差為60%,補償效率為167%,符合落差小，補償效率高的要求。摻加DE0-500的膨脹混凝土在1-7d養(yǎng)護期間的膨脹率可以發(fā)揮至70%-80%,可以補償水泥水化熱產生的冷縮和自生收縮，7-28d的膨脹率占20%-30%,可以補償混凝土的干縮。
摻加膨脹劑DE0-500的1#試體7d的抗壓強度為24.2MPa,抗折強度為4.2MPa,符合《混凝土膨脹劑》（JC476-2001）的規(guī)定：抗壓強度≥20MPa,抗折強度≥3.5MPa.28d后抗壓強度增長至51.4MPa≥40MPa,抗折強度增長至9.2MPa≥5.5MPa,也能達到標準要求。
摻加UEA的2#試體由于摻量問題造成的膨脹量過大，對水泥膠砂的強度造成了較大的不利影響，強度降低較大。一般來說，自由強度在同混凝土配合比條件下，隨膨脹劑內摻量的提高而降低，在適當降低摻量的后，一定會達到標準的要求。
摻加膨脹劑后，膨脹劑對水泥強度會有一定的影響，在所用水泥符合標準規(guī)定的情況下，7d強度值一般比水泥都低，28d強度值與水泥持平較好。從上述分析可知，說明所制備的膨脹劑將在混凝土后期強度發(fā)展上能做出貢獻，一定能在提高混凝土的性能中起到積極的作用。
2. 摻膨脹劑DE0-500的混凝土抗壓試驗
2.1 試驗原料和主要儀器設備
試驗原料：水泥：三河市燕郊新型建材有限公司出產的鉆牌P.O.42.5普通硅酸鹽水泥；砂：中砂，細度模數Mx為2.48;石子：碎石，規(guī)格為10mm一30mm;拌合水：北京自來水；膨脹劑：本試驗配制的膨脹劑DE0-500和中巖公司產UEA膨脹劑。試驗設備：GB/T17671一40A型水泥標準養(yǎng)護箱、WES數顯液壓萬能試驗機、振動臺、l00mm×100mm×100mm三聯(lián)混凝土試模、搗棒、鏝刀、鐵鏟等。
2.2試驗過程
試驗選用DE0-500 UEA做混凝土抗壓強度試驗。每配制三塊C30混凝土試塊所需原料量見表3.
膨脹劑DE0-500的內摻量為12%,UEA內摻量為8%,混凝土試塊的具體制備過程和抗壓強度試驗的具體操作過程參見《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T50081進行?；炷恋目箟簭姸戎狄?50mm×150mm×150mm試件的抗壓強度值為標準值，用其它尺寸試件測得的強度值均應乘以尺寸換算系數，其值對100mm×100mm×100mm試件為0.95.換算后的試驗結果為：經28d標準養(yǎng)護后，1#的抗壓強度為34.88MPa，2#的抗壓強度為23.29MPa，3#的抗壓強度為34.79MPa。
2.3 試驗結果分析
從所得的試驗結果可以看出，當混凝土中加入制備的膨脹劑DE0-500后，混凝土試塊的抗壓強度在28d時已經與不摻膨脹劑的普通混凝土試塊十分接近。摻DE0-500的1#試塊28d抗壓強度比不摻膨脹劑的普通混凝土3#試塊高0.3%,能達到30MPa以上，滿足《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》（GBJ500119）中28d抗壓強度≥25MPa的要求；而摻8%UEA的2#混凝土試塊28d抗壓強度小于25MPa,與3#試塊相比減少11.5MPa,強度損失約33%,所以本試驗制備的膨脹劑DE0-500與其它膨脹劑相比在后期強度上占有優(yōu)勢，具有膨脹率適中和后期強度損失小的特點。[Page]
根據專家分析：水泥膠砂水中7d限制膨脹率≥2.5X10-4是產品標準最低要求，選用時應將該標準定為>3.0X10-4,這樣，使用相同取代膠凝材料率制備的C30~C40補償收縮混凝土的水中14d限制膨脹率才可能達到1.5X10-4以上。干空中21d限制干縮率≤2.0X10-4是產品標準最低要求，直接反映了干縮程度與膨脹落差，代表了保留自應力值水平，該值越低越好，一般應≤1.0X10-4.從水泥膠砂限制膨脹率試驗推算出摻DE0-500混凝土水中14d限制膨脹率為1.5X10-4~1.8X10-4,大于1.5X10-4,水中14d空氣中28d的限制干縮率應能小于3.0X10-4.
3. 膨脹劑DE0-500的其他性能
3.1 細度試驗
利用孔徑1.25mm、0.08mm的國家新標準砂石篩進行細度篩分。
（1）取煅燒后的熟料D0-500100g,放入1.25mm標準篩中進行手動篩分，篩余量約等于0%；另取25g放入0.08mm標準篩中進行篩分，篩上余留0.9g,即篩余量等于3.6%。（2）取磨細后的磷石膏100g，放入1.25mm標準篩中進行手動篩分，篩余量約等于0%；;取25g放入0.08mm標準篩中進行水篩，烘干篩上余留2.8g,即篩余量等于11.2%。
由此可見，用以上兩種原料配制的混凝土膨脹劑DE0-500，其細度符合混凝土膨脹劑性能指標的要求：0.08mm篩篩余≤12%，1.25mm篩篩余≤0.5%。
3.2 標準稠度需水量和凝結時間試驗
用無錫市中科建材儀器有限公司產的水泥標準稠度凝結測定儀，按照標準GB/T1346-2001.采用標準法作摻膨脹劑DE0-50012%、摻中巖公司產UEA12%和未摻膨脹劑的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥的水泥標準稠度用水量和凝結時間的測定試驗，試驗結果見表4.
從表4中可以看出，摻加12%DE0-500后的水泥凝結時間仍能符合混凝土膨脹劑標準。與P.O.42.5普通硅酸鹽水泥相比，摻12%DE0-500。后的水泥標稠用水量差別不大，略有增加，但凝結時間卻推遲了，摻12%UEA后的水泥標稠用水量略有降低，凝結時間與P.O.42.5普通硅酸鹽水泥相近。
4.結論
?。?）本研究利用工業(yè)廢渣制備的膨脹劑DE0-500雖然與其它市場上出售的膨脹劑產品相比，性能較次，但仍可以滿足國家標準《混凝土膨脹劑》（JC476-2001）的限制膨脹率、力學強度和其它物理性能要求。
?。?）當混凝土中加入膨脹劑后，混凝土試塊的抗壓強度在28d時已經與不摻膨脹劑的普通混凝土試塊十分接近，都能達到30MPa以上，符合混凝土強度等級C30的要求。本試驗制備的膨脹劑DE0-500與其它膨脹劑相比，在后期強度上占有優(yōu)勢，具有膨脹率適中和后期強度損失小的特點，適用于配制補償收縮混凝土，適用于對限制膨脹率要求較低的配筋路面、底板、樓板等一般結構。
?。?）膨脹劑DE0-500在原料來源和生產能耗上具有很大的經濟優(yōu)勢，能有效利用工業(yè)廢棄物，減少環(huán)境污染，適合循環(huán)經濟的發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的理念，具有很大的生產應用前景，具有積極的研究意義。
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