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复合矿渣粉在水泥制管中的应用

时间:2014-12-24|阅读:
搅拌站的混凝土普遍掺有30%左右的粉煤灰,同时使用高效减水剂、缓凝剂等。国外规定混凝土强度级别大于C70而小于C90必须掺加矿粉,而强度等级大于C90的混凝土必须加入硅粉。目前的这些矿物掺和料,大多数为工业废渣,粉煤灰和硅粉为燃料、炼铁及烟筒飘出的工业废料,本身具有很细的颗粒。粉煤灰颗粒细度不一,比表面积为4000~8000cm2/g不等,硅粉颗粒细度更细,比表面积大于20万cm2/g。矿粉为炼钢厂剩余的矿渣(水淬矿渣居多),经一定工艺加工磨细成的细粉,其比表面积为4000~8000cm2/g不等,还可加其他矿物混合磨制成复合矿粉。混凝土外加剂在我国已推广使用了二十多年,其种类繁多。

1 混凝土强度的增长规律发生了改变

普通混凝土以二十八天强度为标准,二十八天至一年期间强度增长很少,一年以后强度几乎不增长。而掺入一定比例粉煤灰的高性能混凝土,其二十八天的抗压强度不如普通混凝土,但其二十年、甚至更长时间内混凝土的强度还在继续增长。我国水电部有关研究单位对三门峡大坝基础中掺有30%粉煤灰的混凝土进行了长期的跟踪研究,发现当初设计标号(采用旧标准)为100kg/cm2的混凝土,施工强度为110kg/cm2。10年后(即1980年),钻芯取样的强度为280kg/cm2,再过了5年(1985年),钻芯取样的强度为330kg/cm2。也就是说混凝土强度在15年内增长了两倍。由于矿粉在我国刚开始研制应用,还没有长期的数据积累,但有一点可以肯定:由于矿粉比粉煤灰具有更大的活性,使用矿粉制作的混凝土,其强度增长两倍不需要15年,估计只是5~8年。若是在蒸汽养护的工艺条件下,矿粉高性能混凝土的强度增长两部的时间会更短。

2 混凝土耐久性大大提高

掺有大量矿物掺和料的混凝土,由于矿物掺和料大量蓄水,降低了水泥的水化热,延迟了水泥水化热高峰期的出现,使混凝土因水化热产生裂缝的机会减少。其次,由于磨细掺和料比水泥颗粒细度细得多,从物理性能上讲,它填充了混凝土内的很多毛细孔,使混凝土的致密性得到了很大提高。另外,从化学性能方面看,磨细掺和料,特别是矿粉、硅粉,其比表面积很大,容易沾附在混凝土内其它组份上,在一定条件下发生化学反应,生成化学胶凝体,也极大的提高了混凝土的致密性。由于上述原因,高性能混凝土的耐久性有了很大的提高,抵抗大气环境的作用、化学侵蚀及其它劣化作用的能力增强了,混凝土的安全使用寿命得到了延长。

3 复合矿渣粉

复合矿渣粉是高性能混凝土矿物磨细掺料的一种。它是粒化高炉渣与萤石、沸石、石灰石、石膏等按一定的配比,经多道工序磨制而成的。其主要化学组分有:SiO2、CaO、A12O3、MgO、Fe2O3等。其细度分为:400目、500目、600目,根据市场需要可发展600目以上的复合矿渣粉。复合矿渣粉和粉煤灰是高性能混凝土中两种主要的矿物掺和料。复合矿渣粉的活性远高于粉煤灰,因此它更适宜于高强高性能混凝土,而且掺量可达70%,可等量取代水泥。国外一些规范规定:混凝土强度等级大于或等于C70级时必须掺入磨细矿渣粉。

4 复合矿渣粉在水泥制管中的应用研究

4.1 排水管试验
表1 混凝土配比
混凝土配比 水泥:矿渣粉:砂:碎石:水:外加剂(kg/m3
A 200:200:710:1160:144:2.2
B 260:140:710:1160:144:2.2
C 220:140:730:1160:144:2.2

按上表中的配比制作的混凝土试件静停1~1.5h后,随管蒸养3h,所测的强度见表2。
表2 混凝土试件强度测试结果(单位:MPa)
表1中的配比 R脱 R3 R7 R28
A 27.0 41.0 52.0 56.7
B 35.0 50.0 59.5 61.8
C 26.0 43.0 46.5 54.7

注:试件尺寸为150×150×150mm。

由以上试验可以看出,配比A矿渣粉掺量50%,配比B矿渣粉掺量40%,配比C矿渣粉掺量120%取代水泥。三种配比均能达到混凝土排水管C40的设计强度。由于矿渣粉价格低于水泥,A、C配比更经济;C配比能取得更好的脱模强度与二十天强度。

管体强度用混凝土回填仪测量,强度远高于混凝土试件的强度(误差在规定的范围内)。复合矿渣粉的活性高于粉煤灰但低于PⅡ252水泥,只有在蒸汽的高温下,才能激发出活性,发生充分的水化反应。现在一些制品企业为降低能耗,实际恒温养护时间在1~2h之间,加上升降温时间也是3~4h,在这么短的养护时间内,由于管体薄(试验管为40mm),混凝土得到了充分水化,而混凝土试件厚度大(为150mm),不能充分水化,因此测得的管体强度大于试件强度。
表3 管体强度测试(单位:MPa;用回填仪测量)
项目 强度
加入矿渣粉的管(MPa) 43.0 45.6 38.3
未加矿渣粉的管(MPa) 40.1 42.0 44.3

4.2 一阶段输水管试验
表4 混凝土配比
混凝土配比 水泥:矿渣粉:砂:碎石:水:外加剂(kg/m3
(STP=100mm) 250:250:630:1020:159:7.95
表5 混凝土试件强度测试结果(单位:MPa)
试件龄期 R脱 R3 R7 R28
试件强度 39.2 45.5 52.7 76.6

注:试件尺寸为150×150×150mm。
表6 管体强度测试(单位:MPa;用回弹仪测量)
项目 强度
加入矿渣粉的管(MPa) 47 46 46
未加矿渣粉的管(MPa) 51 53 52

用在一阶段管中的试验表明:复合矿渣粉掺量达50%时,管的脱模强度达到要求,二十八天强度也大大超过要求。另外,在掺40%矿渣粉取代水泥的试验中,R脱=44.0MPa;R3d=61.3MPa;R7d=63.7MPa;比掺量50%能取得更好的脱模强度和二十八天强度。

4.3 三阶段制管试验
表7 混凝土配合比
混凝土配比 水泥:复合矿渣粉:砂:碎石:水
300:200:630:1020:190
表8 混凝土试块强度测试结果(单位:MPa)
试件强度 R脱 R7 R28
空白试件 39.9 51.0  
对比试件 41.8 57.1  
36.1 53.8  

注:试件尺寸为150×150×150mm。

在三阶段制管试验中,采用了与排水管、一阶段输水管不同的水泥,而且没有外加剂,取得了较好的脱模强度和十十八天强度,而且掺入40%的复合矿渣粉后,脱模强度提高了20%~40%。由于采用的水泥不同,脱模强度提高的原因有待进一步研究。

4.4 抗渗性试验
表9 抗渗性试验的混凝土配比
混凝土配比 水泥 矿渣粉 碎石 外加剂
受检混凝土 300 200 710 1160 144 2.2
基准混凝土 500 0 710 1160 144 2.2
表10 混凝土抗渗性试验
试样 试件渗透高度(mm) 平均值
1# 2# 3# 4# 5# 6#
受检混凝土 10 5 3 2 5 3 8
对比混凝土 150 150 100 140 70 150 127

试件中,胶凝材料总量为500kg/m3,受检混凝土中掺入40%的复合矿渣粉,对比混凝土为500kg/m3纯水泥。由混凝土抗渗性试验结果可以看出:复合矿渣粉混凝土的抗渗性能明显比较高。

5 结论

在水泥制管中掺入40%~50%的复合矿渣粉等量取代水泥,具有如下的优点:

5.1 混凝土管的抗渗性能显著提高;

5.2 用40%掺量时,能取得更好的混凝土强度;

5.3 目前广州市场上的PⅡ525水泥价格高于复合矿渣粉,掺入40%~50%的矿粉能降低制管成本;

5.4 掺入复合矿渣粉的混凝土管,在应用的几十年内,其混凝土强度仍在不断的增长,既保证了混凝土管在使用中的质量,也延长了管的寿命。
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