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              电杆用免蒸养混凝土的配合比与实验

              时间:2019-02-18 13:15 来源:re-stocking.com 作者:海煜重工 点击:
              环形混凝土电杆具有造价低、使用维护简单等优点,在电力行业中得以大量使用。在混凝土电杆的生产过程中,通常采用蒸汽养护(简称蒸养)工艺以加快水泥的水化速率,提高混凝土的早期强度,但是,相关资料显示,蒸养会造成混凝土耐久性能降低,对实际工程造成危害,同时还耗费大量的能源。随着我国低碳节能经济发展模式的提出,国家及生产企业对混凝土制品的生产提出了更高的要求,生产企业亟需从节能减排、改善性能、经济可靠等角度出发实施技术创新,因此,探索混凝土电杆生产的免蒸养工艺,并且进一步提升电杆的各项性能具有重要的现实意义。

              杨牧等在混凝土中加入活性掺合料以改善混凝土耐久性并通过热处理等技术激发胶凝材料的活性,提高了混凝土的早期强度,但是仍需蒸汽养护,并未实现常温下生产的要求。王成启等研究原材料优选和超早强混凝土配制技术,充分利用环境温度对混凝土强度发展的作用,开发出免蒸养高耐久性预应力高强混凝土(PHC)管桩工艺技术,并在工程中应用。周华新等采用聚羧酸外加剂的接枝共聚技术,开发出超早强型的聚羧酸外加剂,在低温(10~20℃)条件下实现管片混凝土的免蒸养。Ramezanianpour等着重研究了蒸养温度以及矿物掺加剂对混凝土性能的影响,结果表明,在一定范围内适当的提高温度可以促进水化过程的进行,加快水化硅酸钙(C-S-H)凝胶以及Ca(OH)2晶体的形成,提高混凝土的早期强度,无机添加剂也同样能够促进水泥矿物水化。综上所述,通过一定的技术手段可以使自然养护条件下混凝土的早期强度达到与蒸汽养护混凝土相近的强度,同时可以简化施工环节、节约成本,提高混凝土构件产品质量与产量,对节能减排和保护环境具有重要意义。

              本文中在原有混凝土电杆生产配比基础上进行改进,通过加入适宜掺量的矿渣微粉和早强剂制备早强免蒸养混凝土,同时对比现有电杆生产用混凝土与免蒸养混凝土的力学及耐久性能,并分析2种养护制度下混凝土的微观结构。

              一、实验

              1. 胶结料:济南山水集团生产的P•O52.5R水泥,比表面积为315m3/kg,28d抗压强度为57.2Mpa,抗折强度为11.3Mpa;矿渣微粉(简称矿粉)为S95级,比表面积为400m2/kg。水泥与矿粉的化学组成和粒度分析分别如表1、图1所示。
              表1 水泥与矿渣微粉的化学组成
              水泥与矿渣微粉的化学组成

              水泥和矿渣微粉的粒度分布
              图1 水泥和矿渣微粉的粒度分布

              骨料:细集料为符合国家标准GB/T 14684-2011要求,细度模数为2.73,含泥量1.6%(质量分数)的中砂;粗集料选用最大粒径为25mm连续级配的石灰石质碎石。

              外加剂:聚羧酸高效减水剂,减水率为30%(质量分数),硝酸钙作为早强剂。

              2. 配合比及养护制度

              目前国内环形混凝土电杆生产基本采用蒸汽养护模式,即静停1h,升温速率小于25℃/h,(85±5)℃温度下保温3~4h,降温1h,以加速混凝土的硬化,提高混凝土的早期强度,使成型电杆在较短时间内达到脱模强度,加快模具周转,提高电杆生产效率。蒸汽养护后混凝土强度达到设计强度的70%以上。以下采用目前企业生产用的混凝土配合比与实验室研制的早强免蒸养混凝土的配合比进行比较。

              通过前期试验,当免蒸养混凝土中矿粉掺量为20%(质量分数,以下同),硝酸钙掺量为胶凝材料质量的2%时性能最佳,物料配合比如表2所示。考虑试验用蒸汽箱情况,蒸养混凝土入模后在(20±3)℃温度下预养3h,再进行85℃蒸汽养护21h。因为实验设备的升温速率很快,所以不考虑升温时间。免蒸养混凝土模拟不同的环境条件,在不同的养护制度下养护成型。由表2可知,现有企业生产用配合比中水泥用量较多,未加入早强剂,而免蒸养混凝土用20%的矿粉替代部分水泥,减少了水泥用量。
              表2 混凝土配合比
              混凝土配合比

              3. 实验方法

              为了比较养护条件对混凝土力学与耐久性能的影响,拌合成型的试件养护至相应龄期后分别进行力学和耐久性能测试。

              混凝土力学性能按GB50081-2002《普通混凝土力学性能实验方法标准》进行,试件的长度、宽度和高度均为100mm。蒸养混凝土测定1d抗压强度,免蒸养混凝土标准养护测定2、3d抗压强度,其余养护温度测定3d抗压强度。

              抗冻融试验和抗氯离子渗透试验按GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。抗冻融试验采用快速冻融法,试件的长度、宽度和高度分别为100、100、400mm,每25次冻融循环测定一次质量损失率和动弹性模量系数。抗氯离子渗透试验采用电通量法,试件为直径为(100±1)mm、高度为(50±2)mm的圆柱体,计算6h通过试件的电通量。

              采用FEI Quanta FEG 250型扫描电子显微镱(SEM)观察不同养护制度下水泥石的微观结构,同时取对应试样,采用Pore Master 60GT型全自动压汞仪进行孔结构分析,孔径分析范围为0.35nm~950um,将得到的数据作图,分析无害孔、少害孔、有害孔及多害孔的生成情况,从孔径分布和孔隙率的角度分析影响混凝土强度和耐久性的因素。

              二、结果与讨论

              1. 力学性能

              在水泥中掺入矿粉和早强剂硝酸钙,目的是提高免蒸养混凝土的早期强度。矿粉具有较强的火山灰效应,其组分中的活性SiO2、Al2O3等物质与水泥水化产物Ca(OH)2发生化学反应,生成相应的水化产物,促进水泥的二次水化;其次,矿粉的微集料效应可以改善孔结构,提高混凝土的密实度。另外,硝酸钙作为早强剂,会使液相中Ca2+含量急剧增加,Ca(OH)2很快达到饱和而迅速结晶,减小了水泥浆体的PH值,从而加速熟料中硅酸三钙(C3S)的水化,提高水泥的早期强度。

              以下将对比免蒸养混凝土与蒸养混凝土的强度发展,评价免蒸养混凝土的力学性能。试验设设置了蒸汽养护1d强度与标准养护2、3d,其他养护制度下的3d强度进行对比,实验结果如表3所示。
              表3 不同养护制度下免蒸养混凝土与蒸养混凝土的抗压强度
              表3 不同养护制度下免蒸养混凝土与蒸养混凝土的抗压强度

              由表中数据可知,免蒸养试件的抗压强度需3d才能达到或者超过蒸汽养护1d的强度,且随着免蒸养温度的升高,混凝土的强度呈递增趋势。混凝土电杆设计配合比为C50混凝土,蒸汽养护4~6h后达混凝土设计强度的80%以上即可,所以免蒸养混凝土的强度在自然条件下3d内达到电杆设计强度的80%以上即可以进行生产应用。通过数据分析可以看出,免蒸养混凝土可在空气温度15℃以上进行养护,虽然强度的发展速度不及蒸汽养护,但可节省大量的能源并提高其后期耐久性能。在蒸养条件下,虽然温度升高能够使得水化程度增大,但是高温会使其水化产物生长粗化,同时使水分迁移及蒸发速率加快,引起孔结构劣化,从而降低混凝土的后期力学强度及耐久性能。

              2. 耐久性能

              2.1 抗冻融性能

              在某此寒冷地区,混凝土电杆位于地表以下的部分处于冻融交替及离子渗透的复杂环境,为了进一步分析目前生产用混凝土与免蒸养混凝土在力学性能相近时耐久性能的差别,设置2个试验组进行对比。免蒸养试验组在30℃自然养护至24d时取出浸泡到水中至28d,蒸养实验组在85℃蒸汽养护1d后进行30℃自然养护,至24d时再取出浸泡到水中至28d,分别进行抗冻融试验。图2所示为不同混凝土试验组的抗冻融性能的试验结果。

              由图中可以看出,经历300次冻融循环后,免蒸养试验组与蒸汽养护试验组的相对动弹性模量损失率分别为25.75%、28.08%,质量损失率分别为1.56%、3.73%。2个试验组相对动弹性模量损失率均小于60%,质量损失率均小于5%,符合国家标准,而且免蒸养试验组的相对动弹性模量损失率与质量损失率均小于蒸汽养护试验组的,其抗冻融性能更好。其主要原因在于:蒸汽养护时,水泥水化速率急剧加快,生成大量的水化产物,但是扩散速率相对较慢,导致水化产物分布不均;同时温度升高导致内部水分蒸发产生气孔,使混凝土中的孔隙和微观裂缝增加,造成混凝土内部产生大量缺陷。在冻融环境下,混凝土内部水分在固液两相之间发生体积变化,所产生的膨胀应力促使混凝土结构的进一步损伤。免蒸养混凝土水化较为稳定,因高温而产生的结构缺陷相对较少,同时矿粉和硝酸钙的加入促进了水泥的进一步的水化,使得微观结构更为密实,在冻融环境下具有更好耐久性。
              不同混凝土试验组的抗冻融性能
              图2 不同混凝土试验组的抗冻融性能

              2.2 抗氯离子渗透性能

              将免蒸养混凝土试验组在30℃自然养护条件下养护至28d,蒸汽养护混凝土试验组在85℃蒸汽养护1d后在30℃自然养护至28d,分别进行电通量试验。在6h内,免蒸养、蒸养混凝土试验组电通量平均值分别为2792、3678C。

              2个试验组的氯离子渗透性都处于中等范围内,但是免蒸养混凝土试验组的电通量相比于蒸汽养护试验组的降低了24.10%,说明免蒸养混凝土的抗氯离子渗透性能更好。混凝土的抗氯离子渗透性能主要与孔结构相关,在蒸汽养护条件下,混凝土的孔结构粗化,为离子渗透提供了良好的通道,对内部钢筋造成了不利的影响,相比之下,免蒸养混凝土硬化浆体的内部孔结构特征得到优化,孔隙率减小,浆体密实程度增大,有效地提高混凝土的抗氯离子渗透性能。

              三、微观结构分析

              1. 微观结构

              采用SEM观察水泥石的微观结构,分析水泥水化产物的形貌、数量及其分布状态。图3为不同养护制度(30℃养护3d及85℃蒸汽养护1d)的混凝土内部微观结构SEM图像。
              不同养护制度的混凝土内部微观结构扫描电子显微镜图像
              图3 不同养护制度的混凝土内部微观结构扫描电子显微镜图像

              从图中可以看出,两者生成物基本相同,大多数为网状结构的C-S-H凝胶、六方板状的Ca(OH)2晶体和针棒状的钙矾石(Aft)晶体,但是在水化产物数量和形貌上存在明显的差异。免蒸养混凝土中的C-S-H凝胶与粗细集料结合紧密,并存在明显结晶良好的Ca(OH)2晶体,各种水化产物的尺寸较小,整体结构较为稳定、密实,无明显的孔缺陷。而在蒸汽养护条件下的混凝土试块,其内部水化产物量较免蒸养情况下更多但形貌较差,其中Ca(OH)2晶体最为明显,六方板状结构显著减少。其主要原因是,在蒸汽养护条件下,水泥水化速率明显加快,产物量随之增多,但是水化产物生成速率与扩散速率之间的不协调使得水泥水化产物富集与空缺以及水分蒸发导致的气泡定向迁移等,使混凝土内部结构粗化,存在潜在的结构缺陷。从力学和耐久性能上分析,较多的水化产物形成的胶凝结构使蒸养混凝土早期的力学强度提高,但是其内部的固有缺陷导致其后期强度发展乏力,耐久性不如免蒸养混凝土。因为免蒸养混凝土是在合适的温度养护,并且添加矿粉和硝酸钙,所以其内部结构更为理想。

              2. 孔结构分析

              胶凝材料的密实程度对混凝土的强度和耐久性有着很大的影响,因此以孔径分布以及孔隙率作为依据来评定胶凝材料的密实程度,进而分析混凝土宏观抗压强度和耐久性。不同的养护制度会对胶凝材料中各种组分的反应产生不同的影响,从而使混凝土内部的孔径分布和孔隙率有着明显的差异。文献中把混凝土孔径分为4类,即无害孔(<20nm)、少害孔(20~50nm)、有害孔(>50~200nm)和多害孔(>200nm)。本文中使用压汞法对不同养护条件下的混凝土进行孔结构分析,混凝土孔径分布及总孔隙率如图4所示。

              图4 不同养护制度下混凝土的孔径分布及总孔隙率

              由图可知,免蒸养混凝土的孔结构较蒸养混凝土的更为合理,无害孔和少害孔的总量都明显多于蒸养混凝土,而且有害孔及多害孔均少于蒸养混凝土。比较两者的总孔隙率,蒸养混凝土总孔隙率(10.83%)与免蒸养混凝土的总孔隙率(11.21%)相近,但是蒸养混凝土平均孔径增大,对混凝土耐久性有极大影响的有害孔和多害孔数量明显增加,导致蒸养混凝土的耐久性不及免蒸养混凝土。

              四、结论

              本文中对比分析现有生产用蒸汽养护混凝土和新开发的早强免蒸养混凝土的性能,得到以下结论:

              1)适量掺加的矿粉和早强剂的复合技术可以生产出满足混凝土电杆早期强度要求的免蒸养混凝土。

              2)免蒸养混凝土在常温下的强度发展虽然与蒸养混凝土存在一定的差距,但是其耐久性更好,与相同强度蒸养混凝土相比,其动弹性模量损失减小2.33%,质量损失率减小2.17%,抗氯离子渗透能力提高24.10%。

              3)与蒸汽养护相比较,免蒸养混凝土中水化产物形貌及分布状态优于蒸养混凝土,其产物结晶更完整,缺陷更少;内部孔结构得到优化,无害孔及少害孔增加,微观结构更为密实。
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