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防冻剂对掺减水剂混凝土抗冻性能研究

来源:石家庄市海森化工有限公司  日期:2016-10-09 09:00:00  属于:产品技术
标签:乙二醇
文章摘要:为探究防冻剂对掺减水剂自燃煤矸石混凝土的抗冻工作性能影响,考虑不同掺量4种防冻剂、不同掺量减水剂和不同冻融介质等因素进行坍落度与冻融试验,分析其坍落度和抗冻融破坏等情况。结果表明:通过拟合分析出防冻剂与减水剂对煤矸石混凝土拌合物坍落度影响为二次函数关系,掺无机盐防冻剂对其减水剂作用无显著影响,乙二醇对掺减水剂混凝土坍落度有负作用;随无机盐防冻剂掺量增加,劣化煤矸石混凝土抗冻性能显著性逐渐增强,但硝酸钙劣化程度较轻。乙二醇在较低掺量0~1.0%范围,使其抗冻融破坏能力得到提升,提升空间为10%~30%;无机盐防冻剂对其盐冻融剥蚀性能随掺量增加而降低,小掺量乙二醇增强其抗盐冻性能,其抗剥蚀能力显著性表现为乙二醇>硝酸钙>氯化钙>亚硝酸钙。
煤矸石为煤矿开采产生固体废弃物,堆积形成人造矸石山,对周边土质环境影响巨大。辽宁阜新有着丰富的煤矸石资源,大量煤矸石经过长年累月的堆积自燃,形成品相性质很好的砖红色或红色自燃煤矸石。将煤矸石应用于土木工程中,使之变废为宝,替代普通混凝土中的粗骨料,使混凝土构件的自重、温度裂缝、抗震性能及保温性等均优越于普通混凝土,目前对自燃煤矸石混凝土的研究主要围绕其力学强度、拌合性及一些耐久性方面。寒冷北方城市的煤矸石混凝土结构或构件受到冻融交替气候影响,致使自燃煤矸石混凝土因盐冻、冰冻而产生破坏,最终降低煤矸石混凝土结构物的使用寿命。在普通混凝土配合比设计时,常掺入一定量外加剂等,以适应冻融环境中普通混凝土施工需求。单掺防冻剂和减水剂对自燃煤矸石轻骨料混凝土或普通混凝土工作性能影响的试验研究较多,两种外加剂共掺影响试验比较少。
防冻剂对掺减水剂混凝土抗冻性能研究
 
为探究防冻剂对掺减水剂自燃煤矸石混凝土抗冻工作性能影响,在不同掺量防冻剂(氯化钙、硝酸钙、亚硝酸钙和乙二醇)、不同掺量减水剂(JK-2萘系)和不同冻融介质(水和质量分数3.5%NaCl溶液)等因素下进行坍落度与冻融试验,分析其坍落度、抗冻融破坏及其机理等。
1实验部分
1.1原料
水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥,其基本性质见表1;试验用水采用普通自来水;JK-2萘系减水剂,主要成分为β-萘磺酸钠甲醛缩合物,为黄褐色粉末,主要性能指标见表2。防冻剂采用3种无机盐和1种有机防冻组分,无机盐分别为氯化钙(CaCl2)、硝酸钙(Ca(NO3)2)和亚硝酸钙(Ca(NO2)2),均为无水分析纯用化学试剂,质量分数均大于等于99%;有机防冻组分为无水乙二醇(C2H5OH),质量分数大于等于99.7%,其密度(20℃)为0.789~0.791g/mL,均满足试验要求。普通集料采用阜新本地河砂,其性能指标见表3;粗骨料采用阜新矿务局新五龙煤矿自燃产生的煤矸石,表观颜色为砖红色或红色,自燃煤矸石经机械破碎后颗粒级配范围见图1,其基本性质见表4,自燃煤矸石与水泥的化学组分见表5。


1.2煤矸石混凝土配合比设计试验主要探究
防冻剂对掺减水剂自燃煤矸石混凝土的工作性和抗冻融破坏能力的影响,依据GB8076-2009《混凝土外加剂》、JC475-2004《混凝土防冻剂》及JGJ12-2006《轻骨料混凝土结构技术规程》,进行配合比设计,采用混凝土强度等级为C40。结合煤矸石自身特性,为满足其规程规定的和易性与坍落度,经多次试配,确定其水灰比为0.48,具体配合比见表6,其中A组为基准混凝土。
1.3试件制作及试验方法
为探究防冻剂对掺萘系减水剂自燃煤矸石混凝土工作性与抗冻性的影响,在基准混凝土和掺减水剂B组配合比的基础上,分别掺3种无机盐防冻剂,掺量分别为1%、3%、5%及7%,乙二醇防冻剂掺量则为0.5%、1.0%、1.5%及2.0%。按规定投料顺序,搅拌均匀后立即测定新拌煤矸石混凝土坍落度,30min后再次测定其坍落度,以观察掺加不同防冻剂后的经时坍落度损失。混凝土试件尺寸100mm×100mm×400mm棱柱体及相应边长为100mm立方体试件,利用混凝土振动台进行振捣成型,在标准环境中进行养护28d。
冻融试验采用“快冻法”,在标养((20±2)℃,相对湿度大于等于95%)环境中养护24d,将自燃煤矸石混凝土试件放在冻融介质为水和质量分数3.5%的NaCl溶液中进行浸泡4d,在28d取出试件开始做冻融试验。1次循环包括1.5h冻结与1.5h融化,其温度控制在(-18±2)℃和(5±2)℃范围内,煤矸石混凝土试件要完全浸没,并记录其相对动弹性模量损失率与剥落率。
2.1防冻剂对掺减水剂煤矸石混凝土工作性影响
首先研究在基准煤矸石混凝土的基础上掺不同比例减水剂煤矸石混凝土坍落度情况,利用Origin软件拟合分析其坍落度与不同掺量减水剂之间的关系,结果见图2和表7。
通过对图2和表7拟合结果分析可知,自燃煤矸石混凝土坍落度与不同掺量JK-2萘系减水剂之间呈现正相关的关系。从相关系数R2方面来分析,相关程度都较好,且其相关显著性为二次拟合函数>线性拟合函数>Allometric1幂函数,故拟合程度最好的为二次拟合函数;从残差平方和RSS角度来分析,RSS值越小,就表明其函数拟合程度越优越,其优越性表现为二次拟合函数>线性拟合函数>Allometric1幂函数。综合上述两方面数理统计分析可知,煤矸石混凝土坍落度与不同掺量JK-2型减水剂间的相关性表现为二次拟合函数的关系。
为进一步探究防冻剂对掺或不掺减水剂煤矸石混凝土工作性能影响,按照1.3节试验方法进行试验,并借鉴不同掺量减水剂与自燃煤矸石混凝土坍落度间二次拟合函数关系,对掺4种防冻剂试验数据进行拟合分析,结果见图3。

对图3分析可知,不同防冻剂不同掺量与自燃煤矸石混凝土坍落度间呈二次函数关系,相关系数R2均在0.95以上,相关性均较为显著。从图3a可看出,氯化钙初始与0.5h后坍落度均随其掺量增加而降低,掺量为7%时,其损失约为50.4mm,这将会造成煤矸石混凝土施工困难;从图3b可看出,在有、无减水剂时,掺亚硝酸钙初始坍落度与其掺量均呈正相关;在0.5h后,其坍落度与掺量均呈负相关,但负相关降低水平较为显著,约为55%。初始坍落度提高是因亚硝酸钙在煤矸石混凝土搅拌过程中起一定的塑化作用。从图3c可看出,无减水剂时,掺硝酸钙初始坍落度与其掺量呈正相关,且增长水平较为显著,约为37.5%;0.5h后其与掺量呈现负相关,降低水平较为显著,约为40%。从图3d可看出,在无减水剂时,掺乙二醇初始及30min后坍落度与掺量呈正相关,两者差值平均约为30.6mm;掺减水剂后,30min坍落度与乙二醇呈负相关,降低率平均约为46.8%,这表明在自燃煤矸石混凝土施工过程中应用乙二醇做防冻剂时,需要注意其对萘系减水剂有负影响的问题。
2.2防冻剂对煤矸石混凝土抗冻性能影响
2.2.1防冻剂对煤矸石混凝土抗冻融性能影响:掺防冻剂的自燃煤矸石混凝土(以A组为基础)抗冻融破坏次数,见图4。
从图4可看出,无防冻剂基准煤矸石混凝土抗冻融破坏次数约为51次,但掺无机盐防冻剂煤矸石混凝土抗冻性更差,掺无机盐类防冻剂煤矸石混凝土冻融破坏次数与掺量呈负相关,其中氯化钙较大程度降低煤矸石混凝土抗冻性,小掺量条件下其冻融破坏次数影响也较显著,裂化程度约为25%。亚硝酸钙和硝酸钙对其抗冻性显著性比氯化钙低。乙二醇作为有防冻剂,提高煤矸石混凝土抗冻性,在0~1.0%掺量范围时,它使煤矸石混凝土抗冻融破坏能力得到提升,为10%~30%。
2.2.2防冻剂对煤矸石混凝土抗盐冻融剥蚀性影响:煤矸石混凝土抗盐冻剥蚀性试验中,当剥落量达到1.0kg/m2时,认为煤矸石混凝土完全破坏。在3.5%NaCl溶液中,基准煤矸石混凝土经冻融循环后和掺入不同防冻剂煤矸石混凝土(以A组为基础)单位面积剥落量,见图5。
从图5可看出,掺氯化钙和亚硝酸钙显著降低煤矸石混凝土抗盐冻剥蚀性能,掺硝酸钙对煤矸石混凝土抗盐冻性能影响没有前两者显著,但掺量超过1%后,剥落量与掺量成正相关;不同掺量乙二醇对其抗盐冻剥蚀影响水平比较稳定,约为0.9kg/m2。从本质上看,因NaCl溶液迁移摩擦力比水大,使得未冻结水向煤矸石混凝土内部混凝土表层孔隙中的渗透相对困难,更大静水压力施加在表层煤矸石混凝土上,使得微裂缝加速形成和发展,发生盐冻融剥蚀破坏。
3结论
1.防冻剂与减水剂对煤矸石混凝土拌合物坍落度影响为二次函数关系,掺无机盐防冻剂对其减水剂无明显影响。乙二醇对掺减水剂煤矸石混凝土工作性有负作用,30min其坍落度损失随掺量增加有增大趋势。施工时应用乙二醇为防冻剂时,需注意其对萘系减水剂有负作用。
2.随氯化钙、亚硝酸钙掺量增加,煤矸石混凝土抗冻性能明显减弱。硝酸钙虽对其抗冻性能也有劣化作用,但较氯化钙、亚硝酸钙不显著。乙二醇在较低掺量0~1.0%范围内,使其抗冻融破坏能力得到提升,提升空间为10%~30%。
3.无机盐防冻剂对其盐冻融剥蚀性能随掺量增加而降低,乙二醇在小范围增强煤矸石混凝土抗盐冻性能,其抗剥蚀能力显著性表现为乙二醇>硝酸钙>氯化钙>亚硝酸钙。


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