CN116986871A - 利用化学外加剂同步改善大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用化学外加剂同步改善大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的方法。步骤包括：1、选取多种化学外加剂，以各自掺量为自变量，利用响应面实验设计制备多组大掺量粉煤灰砂浆。2、测试其在养护28天的抗压强度、劈裂抗拉强度、第一阶段吸水性系数和第二阶段吸水性系数，作因变量。3、建立其力学性能和水分传输性能与影响因素间的数学关系，预测最佳的化学外加剂掺量并以此为基础制备大掺量粉煤灰砂浆，实测并验证与预测值的匹配精度。本发明针对大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能难以同步提高的困难，应用实验设计，通过合理地使用化学外加剂同时改善大掺量粉煤灰砂浆的力学性能和水分传输性能。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土材料领域，尤其是利用化学外加剂同步改善大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的方法。
背景技术
与普通水泥砂浆相比，大掺量粉煤灰砂浆可以表现出相差不多甚至更高的后期强度，但是其早期强度往往不能令人满意，成为限制大掺量粉煤灰砂浆在实际工程中进一步使用的主要原因。除此之外，由于粉煤灰的大量使用，粉煤灰中未完全燃烧的炭颗粒会破坏大掺量粉煤灰砂浆中的气孔结构，劣化大掺量粉煤灰砂浆的抗冻性和抗盐冻性。一般说来，砂浆和混凝土的抗冻性与它们的水分传输性能关系密切，通过改善大掺量粉煤灰砂浆的水分传输性能来提升其抗冻性成为一条可行途径。
针对水分传输性能，一般认为在混凝土或砂浆中使用大掺量粉煤灰后，粉煤灰可以通过火山灰效应生成的额外C-S-H，填充混凝土或砂浆中的毛细孔，降低毛细孔数量，提高毛细孔网络的屈曲度，优化孔径分布，最终降低水分在其中传输的可能性。然而，孔径分布的优化并不能意味着混凝土或砂浆力学性能的提升，大掺量粉煤灰的使用会导致混凝土或砂浆力学性能的下降。目前，为了提高大掺量粉煤灰砂浆的早期力学性能，很多改善措施都可以采用，包括降低水胶比、利用高温养护制度、掺加激发剂、掺加纳米材料、掺加超细矿物掺合料或者纤维等。然而这些措施并未考虑是否可以改善大掺量粉煤灰砂浆的水分传输性能，使得实际中大掺量粉煤灰砂浆的应用场景存在一定限制。
发明内容
为了克服现有方法对同时提高大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的难点，本发明提出一种采用实验设计，优化不同种类化学外加剂的掺量，进而同步改善大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的方法，最终扩宽大掺量粉煤灰砂浆的应用范围。
为了解决上述存在的技术问题，实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
利用化学外加剂同步改善大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的方法，包括如下步骤：
(1)大掺量粉煤灰砂浆的配制：
以多种化学外加剂的掺量为因素，以每种化学外加剂的掺量的不同取值为水平，利用响应面实验设计多因素多水平的中心组合试验，将胶凝材料、砂、化学外加剂和拌合水混合并搅拌均匀，随后倒入模具中并覆上塑料薄膜，放在室温环境中养护24h，得到多组大掺量粉煤灰砂浆；化学外加剂的掺量为化学外加剂占胶凝材料的质量分数；
(2)力学性能和水分传输性能的测试：
将大掺量粉煤灰砂浆拆模并放置在养护箱内养护，在养护龄期为28d时，分别测试多组大掺量粉煤灰砂浆的抗压强度fc、劈裂抗拉强度fs、第一阶段吸水性系数k1和第二阶段吸水性系数k2，作为4个因变量，建立化学外加剂的掺量与大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能之间的数学模型，分析不同种类化学外加剂的掺量的变化对大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的影响；
(3)力学性能和水分传输性能的优化：
以抗压强度fc、劈裂抗拉强度fs、第二阶段吸水性系数k2最大化、第一阶段吸水性系数k1最小化为优化指标，得到大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能最优时的化学外加剂的最优掺量，还可以得到采用化学外加剂的最优掺量时，抗压强度fc、劈裂抗拉强度fs、第一阶段吸水性系数k1和第二阶段吸水性系数k2的预测值；
(4)化学外加剂最优掺量的验证：
以化学外加剂的最优掺量为基础制备大掺量粉煤灰砂浆，并进行力学性能和水分传输性能的测试，得到抗压强度fc、劈裂抗拉强度fs、第一阶段吸水性系数k1和第二阶段吸水性系数k2的实测值，对比预测值与实测值，确定化学外加剂的最优掺量的准确性。
优选的，步骤(1)中，胶凝材料包括粉煤灰和水泥，其中粉煤灰占比为50-70wt％，水泥占比为30-50wt％。
优选的，步骤(1)中，水胶比为0.3–0.4。
优选的，步骤(1)中，砂与胶凝材料的质量比为1.5:1–2.5:1。
优选的，步骤(1)中，化学外加剂选自磷酸三丁酯、三乙醇胺、丙二醇、硬脂酸钙、硫酸铝、羟基聚硅氧烷、沥青乳液、聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的至少两种。
优选的，步骤(1)中，先干拌胶凝材料、砂和固态的化学外加剂，再加入拌合水和液态的化学外加剂。
优选的，步骤(2)中，养护箱内的养护条件为：温度22±2℃，相对湿度98％。
优选的，化学外加剂的掺量与大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能之间可得到拟合公式，根据拟合公式，得到不同影响因素及它们之间的相互作用对大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的响应面可视化3D图，进而在力学性能和水分传输性能获得相同优化权重的情况下得到同步改善大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能时的化学外加剂的最优掺量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过合理使用化学外加剂，实现了大掺量粉煤灰砂浆的力学性能和水分传输性能的同步改善，突破了大掺量粉煤灰砂浆在实际工程中由于早期强度低或抗冻性差而受到的限制，扩宽了大掺量粉煤灰砂浆的应用；还可根据不同化学外加剂设计响应面实验以预测达到最优力学性能和水分传输性能时的最优化学外加剂掺量。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理，其中：
图1是丙二醇和硫酸铝的掺量对大掺量粉煤灰砂浆劈裂抗拉强度fs的影响曲面图。
图2是丙二醇和硬脂酸钙的掺量对大掺量粉煤灰砂浆第一阶段吸水性系数k1的影响曲面图。
具体实施方式
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
1.原材料及试验方案
1.1原材料
本发明采用大掺量粉煤灰砂浆作为实施例，胶凝材料包括P·II 42.5型水泥和I级粉煤灰，二者的密度分别为3.13g/cm3和2.56g/cm3。砂浆中的骨料采用硅制砂，最大粒径为4.75mm，细度模数为2.7，表观密度为2618kg/m3，骨料在使用前提前达到饱和面干状态。五种化学外加剂中的三乙醇胺、磷酸三丁酯和丙二醇是液态，硫酸铝和硬脂酸钙是固态。
1.2配合比设计
本发明采用固定粉煤灰掺量(占胶凝材料的60wt％)、固定水胶比(0.3)和固定骨胶比(1.5:1)，制备不同化学外加剂掺量(即化学外加剂占胶凝材料的质量分数)的大掺量粉煤灰砂浆，研究不同配合比下大掺量粉煤灰砂浆的力学性能和水分传输性能。以五因素五水平的中心组合设计为例，五个因素分别为：X1，磷酸三丁酯占胶凝材料的质量分数(TBP/b)；X2，三乙醇胺占胶凝材料的质量分数(TEA/b)；X3，丙二醇占胶凝材料的质量分数(PD/b)；X4，硬脂酸钙占胶凝材料的质量分数(CS/b)；X5，硫酸铝占胶凝材料的质量分数(AS/b)，共有26组大掺量粉煤灰砂浆，具体配合比如表1所示。
大掺量粉煤灰砂浆通过实验室砂浆搅拌机进行准备。粉煤灰、水泥、砂和固态化学外加剂(硫酸铝和硬脂酸钙)先进行5min的干拌，然后加入拌合水和液态化学外加剂(三乙醇胺、磷酸三丁酯和丙二醇)再搅拌5min，以达到较优异的工作性。搅拌后，将新拌砂浆倒进直径为50.8mm，高度为101.6mm的圆柱形模具中。所有的试样都覆盖上一层塑料薄膜，然后放在室温环境中养护24h，之后将试样拆模并放置在养护箱(温度22±2℃，相对湿度98％)内养护至28d。
表1大掺量粉煤灰砂浆的配合比
1.3试验方法
大掺量粉煤灰砂浆的抗压强度和劈裂抗拉强度分别根据标准ASTM C109和C1006进行测试。
大掺量粉煤灰砂浆的吸水性主要依赖于砂浆中浆体的毛细孔隙，由砂浆吸水的速率进行确定，根据标准ASTM C1585对试样尺寸进行适当修改后进行测试。经过养护后，将圆柱形试样的中间部分切出10mm厚的圆片形试样。然后将试样放进温度为60℃、真空度为84.6kPa的烘干箱中烘干24h，以去除试样中的水分。在真空度为84.6kPa的情况下，水的沸点为56℃，烘干箱的温度设置为60℃可以确保试样中水分去除干净。试样冷却至室温之后，试样的上表面和侧表面被小心密封起来，然后试样被放置在水中的铁制支座上，确保只有下表面可以接触到水。试样吸收的水分通过试样的质量来进行测定。吸水系数k(mm/s1/2)可以通过下式进行确定：
式中I——单位面积的吸水量(mm3/mm2)；
mt——试样在时刻t的质量(g)；
a——试样的吸水面积(cm2)；
d——水的密度(g/mm3)。
大掺量粉煤灰砂浆的第一阶段吸水性系数反映的是最初6h内吸水的速率，而第二阶段吸水性系数反映的是第2d到第8d之间吸水的速率。
2.试验结果
2.1大掺量粉煤灰砂浆的力学性能和水分传输性能
表2列出了表1中的26组大掺量粉煤灰砂浆的28d抗压强度(fc)、劈拉抗拉强度(fs)、第一阶段吸水性系数(k1)和第二阶段吸水性系数(k2)。
表2大掺量粉煤灰砂浆的力学性能和水分传输性能
以大掺量粉煤灰砂浆的力学性能和水分传输性能为因变量，可以建立显著因素与这些性能之间的拟合公式：
fc -2.41＝1.285×10-4+1.672×10-5X3
根据大掺量粉煤灰砂浆的力学性能和水分传输性能与它们的显著影响因素之间的拟合公式，可以得到不同影响因素之间的相互作用对大掺量粉煤灰砂浆性能的响应面可视化3D图，为后续大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的优化指示可能的方向。图1显示丙二醇和硫酸铝对大掺量粉煤灰砂浆劈裂抗拉强度的影响。图1中丙二醇和硫酸铝的掺量都从–1增加到+1(编码值)，其他外加剂的掺量固定在0(编码值)，意味着丙二醇和硫酸铝的实际掺量都从0.2％增加到0.8％，磷酸三丁酯、三乙醇胺和硬脂酸钙的实际掺量分别固定为0.5％、0.25％和1％。由图1可以看出，丙二醇和硫酸铝之间存在相互作用以影响大掺量粉煤灰砂浆的劈裂抗拉强度。图2表明丙二醇和硬脂酸钙对大掺量粉煤灰砂浆第一阶段吸水性系数的影响。与图1相似，图2表明丙二醇和硬脂酸钙之间存在的相互作用对大掺量粉煤灰砂浆的第一阶段吸水性次数有影响。在丙二醇掺量为0.8％(编码值为+1)时，硬脂酸钙的掺量从0.4％增加到1.6％(编码值从–1增加到+1)的过程中，大掺量粉煤灰砂浆的第一阶段吸水系数从0.0075mm/s1/2降低到0.0047mm/s1/2。硬脂酸钙作为一种防水剂，会在砂浆内部的胶凝材料颗粒周围形成一层疏水层，降低大掺量粉煤灰砂浆的吸水性。
2.2大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的优化
根据不同因素对大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的影响，以大掺量粉煤灰砂浆抗压强度、劈裂抗拉强度、第二阶段吸水性系数最大化、以及第一阶段吸水性系数最小化为目标进行化学外加剂掺量的优化。在优化过程中，抗压强度、劈裂抗拉强度、第一阶段吸水性和第二阶段吸水性系数获得的权重相同，优化结果如表3所示。
从表3中可以看到，大掺量粉煤灰砂浆获得最优力学性能和水分传输性能时的化学外加剂最优掺量为：三乙醇胺为0.14％，丙二醇为0.09％，硫酸铝为0.45％，磷酸三丁酯和硬脂酸钙为0。在采用最优掺量的情况下，大掺量粉煤灰砂浆抗压强度的预测值为47.1MPa，劈裂抗拉强度的预测值为4.1MPa，第一阶段吸水性系数的预测值为0.0025mm/s1 /2，第二阶段吸水性系数的预测值为0.0007mm/s1/2。
表3大掺量粉煤灰砂浆的性能优化(％)
2.3大掺量粉煤灰砂浆化学外加剂最优掺量的验证
以化学外加剂的最优掺量为基础制备大掺量粉煤灰砂浆，经过28d标准养护后测试力学性能和水分传输性能，得到抗压强度、劈裂抗拉强度、第一阶段吸水性系数和第二阶段吸水性系数的实测值分别为：48.0MPa、4.0MPa、0.0027mm/s1/2和0.0007mm/s1/2。大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的预测值与实测值之间的误差都在10％以内，表明所选择化学外加剂最优掺量的精确性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (8)
1.利用化学外加剂同步改善大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)大掺量粉煤灰砂浆的配制：
以多种化学外加剂的掺量为因素，以每种化学外加剂的掺量的不同取值为水平，利用响应面实验设计多因素多水平的中心组合试验，将胶凝材料、砂、所述化学外加剂和拌合水混合并搅拌均匀，随后倒入模具中并覆上塑料薄膜，放在室温环境中养护24h，得到多组大掺量粉煤灰砂浆；所述化学外加剂的掺量为所述化学外加剂占所述胶凝材料的质量分数；
(2)力学性能和水分传输性能的测试：
将所述大掺量粉煤灰砂浆拆模并放置在养护箱内养护，在养护龄期为28d时，分别测试多组所述大掺量粉煤灰砂浆的抗压强度fc、劈裂抗拉强度fs、第一阶段吸水性系数k1和第二阶段吸水性系数k2，作为4个因变量，建立所述化学外加剂的掺量与所述大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能之间的数学模型，分析不同种类所述化学外加剂的掺量的变化对所述大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的影响；
(3)力学性能和水分传输性能的优化：
以所述抗压强度fc、所述劈裂抗拉强度fs、所述第二阶段吸水性系数k2最大化、所述第一阶段吸水性系数k1最小化为优化指标，得到所述大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能最优时的所述化学外加剂的最优掺量，还可以得到采用所述化学外加剂的最优掺量时，所述抗压强度fc、所述劈裂抗拉强度fs、所述第一阶段吸水性系数k1和所述第二阶段吸水性系数k2的预测值；
(4)化学外加剂最优掺量的验证：
以所述化学外加剂的最优掺量为基础制备所述大掺量粉煤灰砂浆，并进行力学性能和水分传输性能的测试，得到所述抗压强度fc、所述劈裂抗拉强度fs、所述第一阶段吸水性系数k1和所述第二阶段吸水性系数k2的实测值，对比所述预测值与所述实测值，确定所述化学外加剂的最优掺量的准确性。
2.根据权利要求1所述的利用化学外加剂同步改善大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述胶凝材料包括粉煤灰和水泥，其中所述粉煤灰占比为50-70wt％，所述水泥占比为30-50wt％。
3.根据权利要求1所述的利用化学外加剂同步改善大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的方法，其特征在于，步骤(1)中，水胶比为0.3–0.4。
4.根据权利要求1所述的利用化学外加剂同步改善大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述砂与所述胶凝材料的质量比为1.5:1–2.5:1。
5.根据权利要求1所述的利用化学外加剂同步改善大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述化学外加剂选自磷酸三丁酯、三乙醇胺、丙二醇、硬脂酸钙、硫酸铝、羟基聚硅氧烷、沥青乳液、聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的至少两种。
6.根据权利要求1所述的利用化学外加剂同步改善大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的方法，其特征在于，步骤(1)中，先干拌所述胶凝材料、所述砂和固态的所述化学外加剂，再加入所述拌合水和液态的所述化学外加剂。
7.根据权利要求1所述的利用化学外加剂同步改善大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的方法，其特征在于，步骤(2)中，养护箱内的养护条件为：温度22±2℃，相对湿度98％。
8.根据权利要求1所述的利用化学外加剂同步改善大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的方法，其特征在于，所述化学外加剂的掺量与所述大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能之间可得到拟合公式，根据所述拟合公式，得到不同影响因素及它们之间的相互作用对所述大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能的响应面可视化3D图，进而在力学性能和水分传输性能获得相同优化权重的情况下得到同步改善所述大掺量粉煤灰砂浆力学性能和水分传输性能时的所述化学外加剂的最优掺量。
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