聚合物对火山渣轻集料混凝土性能的影响

2018-09-04范雪张亮

吉林建筑大学学报 2018年4期

范雪张亮

(1：吉林建筑大学城建学院土木工程学院，长春 130114； 2：中交一公司第七工程有限公司，郑州 451450)

0 引言

轻集料混凝土作为我国混凝土用量仅少于普通混凝土的一种建筑节能材料，它具有普通混凝土所不具备的众多优良性能[1-2].由于轻集料混凝土的自重小、保温隔热、耐火抗震等特点，使其具有突出的经济效益和社会效益，拥有广阔的发展前景.目前，轻集料混凝土已在普通民用和工业建筑方面以及大跨度桥梁、复杂结构工程等多个领域得到广泛的应用[3-5].火山渣在我国吉林省的储量相当大，它可以用来生产火山渣混凝土，表观密度能够达到800kg/m3～1 800kg/m3，且与陶粒混凝土相比价格低廉.本试验研究的意义在于，为改善火山渣轻集料混凝土的使用性能，向其掺加适量聚合物，对其进行改性研究[6-8].

1 试验部分

1.1 原材料

水泥:本试验使用吉林亚泰鼎鹿牌P·O42.5普通硅酸盐水泥;火山渣:来自吉林省通化市辉南县.火山渣的主要性质见表1,微观结构见图1;粉煤灰:本试验使用符合国家标准的Ⅱ级粉煤灰;减水剂:萘系高效减水剂,减水率为20%;聚合物:本试验使用45%固含量的BC-991苯丙乳液;水:普通自来水.

表1 火山渣相关参数Table 1 Cinder related parameters

图1 扫描电子显微镜下的火山渣结构Fig.1 Scanning electron microscopy of cinder structures

1.2 配合比

火山渣轻集料混凝土的基本配合比是在满足混凝土的基本力学性能及和易性的基础上，兼顾实际经济适用性调整确定的.制备火山渣轻集料混凝土的固态原材料都处于无水状态.

火山渣轻集料混凝土采用聚合物改善自身使用性能的研究是在基本配合比的基础上改变聚合物掺量，得到在聚合物掺量变化的情况下，火山渣轻集料混凝土的抗压、抗折强度和吸水率的变化结果.同时观测未掺入聚合物和掺入聚合物的火山渣轻集料混凝土的抗渗性、抗冻性及导热性的变化情况.掺入聚合物的质量依次占水泥质量的0,1%,2%,5%,10%,15%,20%.

1.3 试验方法

试验中使用JES-2000A型压力试验机和DKZ-5000型电动抗折试验机来分别测定火山渣轻集料混凝土的3d和28d龄期的抗压强度和抗折强度，测定的方法要符合混凝土试验标准(GB/T50081-2002)的要求，试验所用的试件规格为:抗压试件100mm×100mm×100mm，抗折试件40mm×40mm×160mm.试验中采用试件规格为100mm×100mm×100mm的立方体试件进行吸水率和抗冻性的测定，抗冻性试验使用40FDS-500型冻融试验机按照混凝土试验标准(GB/T50082-2009)进行测定.火山渣轻集料混凝土抗渗性试验采用直径100mm、高50mm的圆柱体制备试件，使用石蜡对试件侧面进行密封处理后放入NEL-VJ型混凝土渗透仪中进行抗氯离子渗透性能试验.测定导热系数采用的试件规格为300mm×300mm×30mm，待试件脱模后放置于105℃烘箱中烘干至恒重，使用CD-DR3030B型导热系数测定仪进行测定.试验中微观结构的观测使用KYKY-2800B型扫描电子显微镜.

2 试验结果及分析

2.1 基本力学强度

掺加聚合物后火山渣轻集料混凝土基本力学强度的变化,见图2，图3.

图2 掺加聚合物后抗压强度的变化Fig.2 Variation of compressive strength after adding polymer

图3 掺加聚合物后抗折强度的变化Fig.3 Variation of flexural strength after adding polymer

由图2，图3可以看出，火山渣轻集料混凝土的3d抗压强度和3d抗折强度都随聚合物掺量的递增而不断减小.而28d抗压强度和28d抗折强度则是呈现出先增大后减小的趋势，并且聚合物的最佳掺量为10%.

向火山渣轻集料混凝土中掺入聚合物的量逐渐增大之后，可以看出火山渣轻集料混凝土3d的抗压强度及抗折强度呈不断下降趋势.这是由于火山渣轻集料混凝土中水泥发生水化反应时生成大量的水化产物，而一定量的聚合物被掺入到火山渣轻集料混凝土中后，聚合物乳液中小分子随着时间的推移会逐渐聚集在水泥发生水化反应后生成的产物表面，当数量聚集到一定程度，这些小分子颗粒便会絮凝形成聚合物薄膜，将水泥和水化产物颗粒包裹，阻碍水化反应的进行，使混凝土出现缓凝现象，早期的抗压、抗折强度降低.

向火山渣轻集料混凝土中掺加聚合物的量逐渐增大之后，可以看出火山渣轻集料混凝土28d的抗压强度及抗折强度出现先增大后减小的变化，并且聚合物的最佳掺量为10%.

分析其原因，随着水化反应的不断进行，导致自由水逐渐减少，聚合物自身连同拌合料中各类形态的物质联结成膜，从而火山渣与周围产物的粘结性得到增强，火山渣混凝土的力学性能也得到了较大的改善.由于聚合物乳液中小分子的表面存在一定量的活性剂，间接起到引气的作用，当火山渣轻集料混凝土中掺加的聚合物量过高时，如同向混凝土中引入了过量气泡，便会降低火山渣轻集料混凝土的结构密实度，导致混凝土力学性能下降.

2.2 吸水率

图4 掺加聚合物后吸水率的变化Fig.4 Variation of water absorption after adding polymer

火山渣轻集料混凝土的吸水率通过聚合物改性之后的试验结果见图4所示.

根据上述的试验数据可知，通过改变聚合物的掺量，火山渣轻集料混凝土的吸水率受到了较大的影响.当掺入聚合物的量逐渐增加后，混凝土的吸水率发生先下降后上升的改变，并且在聚合物的掺量为10% 时，吸水率出现最低值.

分析其原因，一方面适量的聚合物可以在火山渣轻集料混凝土中形成包裹其他物相的聚合物网膜，使界面过渡区的粘结性得到很大提高，而结构的孔隙率大大降低；另一方面，聚合物起到了减少大毛细孔、增加小毛细孔、优化孔结构的作用，进一步降低吸水率.但掺入聚合物的量若过多，则会引入过量的气泡，导致混凝土密实度下降，气泡形成连通孔，吸水率再次上升.

2.3 抗渗性

聚合物改性火山渣轻集料混凝土抗渗性的研究是通过氯离子抗渗对比试验得出结论.对比组一组取基本配合比，另一组则是在基本配合比的基础上，掺入10%水泥质量的聚合物.试验结果见表2.

表2 改性轻集料混凝土抗渗性Table 2 The permeability resistance of modified lightweight aggregate concrete

通过对比组的试验结果可以看出聚合物能够起到提高轻集料混凝土抗渗性的作用.原因是聚合物乳液中小分子的表面存在一定量的活性剂,引入了少量的封闭微气泡,起到了阻断毛细管的作用,从而提高了抗渗性能.

2.4 抗冻性

聚合物改性火山渣轻集料混凝土抗冻性的研究同样是通过抗冻对比试验得出结论.采用的试验方案与抗渗试验类似,试验结果见表3.

表3 掺加聚合物后抗冻性的变化Table 3 Variation of frost resistance after adding polymer

由表3可以看出,掺加了适量聚合物的轻集料混凝土在吸水率降低、抗渗性提高的情况下,抗冻性能也随之得到了很大的改善.

2.5 导热系数

聚合物改性火山渣轻集料混凝土导热性能的研究是在基本配合比的基础上,掺入1%水泥质量的聚合物,与基本配合比的火山渣轻集料混凝土进行导热性能对比试验,试验结果见表4.

表4 改性轻集料混凝土导热性能Table 4 Thermal conductivity of modified lightweight aggregate concrete

从试验结果能够看到,掺加聚合物与未掺加聚合物的火山渣轻集料混凝土相比,导热系数有所减小,说明聚合物具有改善火山渣轻集料混凝土热工性能的作用.原因也是由于在火山渣混凝土中掺入适量聚合物后引入了少量的封闭微气泡,而空气的导热系数比混凝土的导热系数小,因此降低了导热系数.

2.6 SEM分析

(1) 扫描电子显微镜下改性火山渣混凝土的结构见图5. 通过扫描电子显微镜可以清晰地看到,掺入适量聚合物后火山渣轻集料混凝土增大了界面过渡区的密实度,优化了整体结构,改善了使用性能.

图5 聚合物改性火山渣混凝土的界面区结构Fig.5 Polymer modified the interface structure of cinder concrete

图6 聚合物于混凝土中的存在形态Fig.6 The existence of polymer in concrete

(2) 聚合物的形态结构见图6. 由于聚合物在火山渣轻集料混凝土中与水泥水化产物相互交织在一起,所以为了更好地观察聚合物存在于火山渣轻集料混凝土中的形态结构,应采用稀盐酸和无水乙醇对试样处理后镀金膜进行观测.从扫描电子显微镜中能够看到聚合物于火山渣混凝土中的存在形态,聚合物能够较好地成膜,改善了火山渣轻集料混凝土的性能.