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产品特性

来源: 作者: 发布时间: 2014-05-06 08:54:05

特种抗冻融、抗裂、抗渗合金粉

                            ——水泥混凝土界的一个重大突破

    随着混凝土应用领域的不断扩大和特种建筑工程对建筑材料性能要求的日益提高,混凝土结构耐久性问题也逐渐显现出来。混凝土耐久性引起了很多工程质量问题,造成了非常不好的社会影响和巨大的经济损失,并逐渐引起学术界、工程界、设计单位以及政府部门的高度重视,成为土木工程领域十分关注、亟需解决的一项世界难题。河南科丽奥高新材料有限公司,依托材料技术中心和工程研究中心技术优势,组织强大的科研团队,经过艰苦卓绝的科研工作,攻坚克难,发明研制出“特种抗裂抗渗合金粉”,突破了多年来一直困扰混凝土行业发展的抗裂抗渗技术瓶颈。

    该产品是利用硅化物的疏水性、镁铝化物具有的弹性延展性,以无机材料为靶向,在高达2700℃的高温高压下喷雾熔融气压炉中,把合金化合物熔融成溶液,经高温、高压喷射成雾状,利用纳米气相沉积飞溅镀膜技术形成的纳米无机高新技术材料,具有独特的反应结构,耐候性极强。以水泥掺合料1%2%的含量,均匀分布在砂浆、混凝土中,起到提高抗折、抗拉强度的高科技纤维的作用,阻碍并降低氢氧化钙大结晶体在混凝土界面过渡区内的富集与定向排列,同时有效促进粗细骨料间的咬合、链接,扩大微观结构各骨料接触面积,从而提高界面强度,对混凝土抗裂和抗渗等性能具有极其显著的作用。中国建筑科学研究院,建筑材料科学研究所混凝土室,对河南科丽奥研制的特种合金粉在混凝土中表现出的抗冻性能、抗水渗透性、抗氯离子渗透性、抗硫酸盐离子渗透、抗碳化性和早期抗裂等性能进行检测和评定,几项重要指标都有质的飞跃;微观结构的优化,使得混凝土的耐久性指标大大提高。

   1.混凝土耐久性能

    1.1.抗水压力渗透性能

    混凝土是一种多孔非均质材料,其渗透性很大程度上取决于其内部的孔结构。往往连通的孔是造成混凝土渗水的主要原因。混凝土的腐蚀大多是在水及有害离子侵入的条件下发生的,腐蚀破坏过程与水密切相关。因此,混凝土的抗水渗透性能是混凝土耐久性的重要指标之一。合金粉利用自身材料中含有大量活性纳米二氧化硅及活性氧化铝在水泥水化过程中产生强度高、稳定性强的低碱性水化凝胶体,加快水泥水化速度和提高水泥水化程度,使砂浆、混凝土形成浑为一体的致密结构,明显改善混凝土的孔结构和密实性,从而使混凝土抗水渗透性能得到很大程度的提高。参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 500822009)测试,合金粉试件在(2.0±0.05MPa水压(高于国标规定1.2±0.05)下,恒压24小时,其检测结果仅为0.3mm,刨除试件磨面因素、读数误差等影响,此结果相当于水下200米深处的水泥混凝土建筑没有任何渗透,材料抗渗等级可以达到标准规定的最高抗渗等级P124倍还要多,高出我国三峡大坝工程内部外部抗渗所有要求。

    1.2.早期抗开裂(刀口约束法)

    在混凝土处于塑性状态时,混凝土的抗拉强度很低,当表面张力大于混凝土的抗拉强度时,则产生塑性收缩裂缝。混凝土塑性收缩裂缝是发生在混凝土凝结之前的收缩变形,在实际工程中,许多裂缝问题都属于混凝土早期开裂。高强、高性能混凝土本身水泥用量大,易应力贯穿微裂纹,加上微粉的大量使用,容易产生收缩开裂。特种抗裂抗渗合金粉”的研究成功与应用,是解决高性能混凝土开裂的理想更新换代产品

    特种合金粉的以其独特的薄片形状和表面的特殊界面,且密度和水泥一致,很容易均匀地分布在混凝土中,阻碍混凝土拌合物离析,降低泌水,减少或堵塞内部空隙通道,阻断微裂缝的形成、生长及扩展;在高强混凝土中的成功应用,可以减少混凝土在浇筑后早期硬化阶段因泌水和水分散失而引起塑性收缩的微裂纹;同时可以防止混凝土硬化后期产生干缩裂缝及温度变化引起的微裂纹,从而改善混凝土结构的变形能力、抗拉强度,有效规避了钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、聚丙烯纤维等的性能缺陷,同时韧性也有很大程度的提高。根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)测试,合金粉混凝土抗裂性能相对于普通混凝土提高了50%以上。

1   混凝土早期抗裂性能的等级划分

等级

L-Ⅰ

L -Ⅱ

L -Ⅲ

L -Ⅳ

L -Ⅴ

单位面积上的总开裂面积cmm2/m2

c≥1000

700≤c <1000

400≤c <700

100≤c <400

c <100

根据实验结果,特种合金粉混凝土的早期抗裂单位面积上的总开裂面积c为209(mm2/m2)。混凝土早期抗裂性能等级标准为L -IV级,根据JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》条文说明部分的表3,L -IV级处于耐久性的“好”水平。混凝土的早期抗裂性能与混凝土本身及混凝土所处环境条件均有密切关系。在混凝土温度高或环境温度高、湿度小、风速大时,混凝土表面的水分蒸发快,当混凝土单位面积上水的蒸发率超过了泌水上升到表面的速率时,混凝土表面毛细水下降,形成凹液面,在毛细管水的表面张力作用下,使固体颗粒团聚,混凝土表面收缩。在混凝土处于塑性状态时,混凝土的抗拉强度很低,当表面张力大于混凝土的抗拉强度时,则产生塑性收缩裂缝。这不仅使混凝土凝结之前收缩变形,而且还给氯离子的侵蚀留下了隐患,无法保证混凝土工程的耐久性。然而,特种合金粉混凝土良好的早期抗裂性能,很大程度上规避了这些隐患和风险,进而确保混凝土工程的耐久性。

    1.3.抗氯离子渗透性能

    大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效,腐蚀介质的侵入是重要原因。大气中或一些典型环境中,存在各种腐蚀介质。腐蚀介质对混凝土的侵蚀取决于渗透能力,而具有强渗透能力的介质以氯离子为代表,因为氯离子的渗透能力高于一般其它腐蚀介质,当今国内外土木工程界一致认为,钢筋锈蚀是混凝土结构破坏和耐久性不足的首要因素,而由氯离子引起的钢筋腐蚀最为直接、严重和普遍。影响混凝土抗氯离子渗透性能的重要因素之一是混凝土的密实程度,从而决定氯离子侵入混凝土的难易程度。通过电通量法和快速氯离子迁移系数法(RCM法)对混凝土抗氯离子渗透性能的试验,可以判定氯离子侵入混凝土的难易程度、混凝土抗氯离子渗透性能水平。

2   特种合金粉胶凝材料混凝土电通量

 

实测值(C

评定

检验方法

评定依据

380

Q-Ⅴ

GB/T50082-2009

JGJ/T 193-2009进行评定。

根据JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》表3.0.2-2,混凝土抗氯离子渗透性能的等级划分(电通量法)如下表。

3.0.2-2    混凝土抗氯离子渗透性能的等级划分(电通量法)

等级

Q-Ⅰ

Q-Ⅱ

Q-Ⅲ

Q-Ⅳ

Q-Ⅴ

电通量QsC

Qs≥4000

2000≤Qs<4000

1000≤Qs<2000

500≤Qs<1000

Qs<500

根据表3.0.2-2对特种合金粉混凝土的电通量结果进行评定,如表.2所示。根据表2结果,混凝土抗氯离子渗透性能等级为Q-Ⅴ级,根据JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》条文说明部分的表3,Q-Ⅴ级处于耐久性的“很好”水平。马来西亚槟城大桥硬化混凝土工程的电通量的设计指标为28d龄期的是1096c,56d龄期的是715c;C40(56天龄期)混凝土抗氯离子渗透性的标准为:桩基础:≦1500c(水下区);承台:≦1200c(浪溅区);墩身≦1000c(浪溅区).而特种合金粉28d龄期的实测值为380c,就已经远远超过了该桥混凝土建设工程的设计指标。可以预期56d龄期的结果一定会更好

3    特种合金粉混凝土RCM试验结果

电压(V)

温度平均值(

试件厚度(mm)

渗透深度(mm)

持续时间

(小时)

迁移系数 DRCM

×10-12m2/s

U

T

L

Xd

t

60

24.8

50.6

14.7

96

0.86

0.9

60

24.8

50.2

17.3

96

1.01

60

24.8

50.4

16.1

96

0.94

4  特种合金粉胶凝材料混凝土氯离子迁移系数评定

实测值×10-12m2/s

评定

检验方法

评定依据

0.9

RCM -

参照

GB/T50082-2009

参照JGJ/T 193-2009进行评定。

根据JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》表3.0.2-1,混凝土抗氯离子渗透性能的等级划分(RCM法)如下表所示,需要说明的是表3.0.2-1中的混凝土抗氯离子渗透性能的等级评定是以混凝土84d龄期的测试结果作为评定依据,表3中为混凝土28d龄期测试结果,可以预见的是混凝土84d龄期氯离子迁移系数测试结果会小于混凝土28d龄期测试结果,因此可判定本次试验的混凝土可评定为RCM -Ⅴ级即最高等级。对比我国杭州湾大桥84d龄期的混凝土氯离子迁移系数,不同结构部位的控制阀值分别为1.5×10-12m2/s2.5×10-12m2/s3.5×10-12m2/s;马来西亚槟城第二跨海大桥桩基础、承台和墩身三个部位的氯离子迁移系数分别是≦3.0E-12、≦2.5E-12和≦1.5E-12。特种合金粉第一批混凝土检测结果0.9×10-12m2/s,第二批混凝土检测结果0.34×10-12m2/s,远远好于杭州湾大桥和马来西亚槟城第二跨海大桥的指标。

3.0.2-1   混凝土抗氯离子渗透性能的等级划分(RCM法)

等级

RCM-

RCM -

RCM -

RCM -

RCM -

氯离子迁移系数DRCMRCM法)(×10-12m2/s

DRCM≥4.5

3.5≤DRCM <4.5

2.5≤DRCM <3.5

1.5≤DRCM <2.5

DRCM <1.5

根据检测评定结果,混凝土抗氯离子渗透性能等级为RCM-Ⅴ级,根据JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》条文说明部分的表3RCM-Ⅴ级处于耐久性的“很好”水平。

    1.4.抗碳化性能

    混凝土的碳化是物理和化学作用同时进行的过程。空气中的CO2不断向混凝土内部扩散,溶于孔隙水后与水泥碱性水化物Ca(OH)2等反应,生成不溶于水的CaCO3,使混凝土孔溶液的pH值降低。较高的碱度是混凝土中钢筋免受腐蚀的必要条件;同时,较高的碱度也是混凝土中水泥各水化产物稳定存在,并保持良好胶结能力的必要条件。碳化作用使混凝土原有的碱性大大降低,混凝土中的钢筋将会发生锈蚀膨胀、逐层脱落。这不仅使混凝土中的钢筋失去应有的拉力,也会应内部胀力而导致构件破坏。

  特种合金粉胶凝材料混凝土碳化深度(mm

碳化龄期

3d

7d

14d

28d

抗碳化等级

试验方法

碳化深度(mm

0

0

0

0.6

T-Ⅳ

参照

GB/T50082-2009

根据JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》表3.0.3,混凝土抗碳化性能的等级划分如下表。

3.0.3  混凝土抗碳化性能的等级划分

等级

T-Ⅰ

T-Ⅱ

T-Ⅲ

T-Ⅳ

T-Ⅴ

碳化深度(mm

d≥30

20≤d<30

10≤d<20

0.1≤d<10

d<0.1

根据表3.0.3对特种合金粉混凝土的抗碳化性能进行评定,结果表明,特种合金粉混凝土28d碳化深度很低,抗碳化等级较高。依据JGJ/T 193-2009中条文说明中耐久性水平,T-Ⅳ为“好”水平。一般公认的是,28d碳化深度小于20mm的混凝土,其抗碳化性能较好,可以满足大气环境下50年耐久性要求,按此推算,特种合金粉混凝土可以满足100多年的设计要求。

    1.5.抗冻融性能

    我国地域辽阔,在长江中下游、东北、华北、及内蒙、青海、新疆等地,冬季气温都在-5℃以下。低温对混凝土十分不利,在这些地区的混凝土的破坏多数与冻融作用有关,混凝土在冻融循环作用下破坏是关系到建筑物使用寿命、工程质量、安全等方面的重大问题。为此,混凝土抗冻性能作为混凝土耐久性的重要内容一直受到人们的关注。

特种合金粉混凝土不同冻融循环次数下的质量损失率与相对动弹模量(28d)

冻融循环(次)

质量损失率(%

相对动弹模量(%

25

0

99.8

50

0

97.7

75

0

97.1

100

0

94.7

125

0

93.8

150

0

92.3

175

0

85.0

200

0

82.6

225

0

79.5

250

0

76.4

275

0

72.4

300

0

71.7

325

0

69.4

350

0

65.3

375

0

46.0

400

0

45.0

根据标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009中的规定,混凝土抗冻等级应以相对动弹性模量下降至不低于60%或者质量损失率不超过5%时的最大冻融循环次数来确定,依据《混凝土耐久性检验评定标准》JGJ/T 193-2009进行抗冻等级评定,特种合金粉混凝土的抗冻等级为F350,根据《水运工程混凝土质量控制标准》JTS 202-2 -2011中混凝土抗冻等级选定标准中,针对海水环境、淡水环境分别采用的混凝土抗冻等级有F100F350F350属于该标准中抗冻等级选定标准中的最高标准,因此本次试验的混凝土具有很好的抗冻性能。《铁路混凝土结构耐久性设计规定》也对冻融环境进行了分类,并根据不同的设计使用年限和环境作用等级,规定设计使用年限分别为100年、60年和30年,对应的抗冻等级(56d龄期)分别为≥F300、≥F250和≥F200,特种合金粉混凝土的抗冻等级F600,是在28d龄期得出的结果,如果按照56d龄期计算,其结果要远远的高出F350,耐久性要好得多。

7  三峡大坝一级粉煤灰混凝土的抗冻性技术指标

冻融循环(次)

水胶比

粉煤灰掺量%

质量损失率%

相对动弹模量%

300

0.45

30

0.82

88.1

0.50

35

1.49

87.6

0.55

40

4.24

64.7

通过对比可见,特种混凝土的抗冻融的质量损失率在冻融循环400次时仍然是零,远远超过了三峡大坝的指标。

    1.6.抗硫酸盐侵蚀

    水泥混凝土硫酸盐侵蚀破坏的实质是环境水中的硫酸盐离子进入混凝土内部,与水泥石中一些固相组分发生化学反应,生成一些难溶的盐类矿物,这些难溶的盐类矿物一方面可以形成钙矾石、石膏等膨胀性产物而引起混凝土开裂、剥落和解体,另一方面也可使硬化水泥中的CHC-S-H等组分溶出或分解,导致水泥石强度和粘结性能下降;另外,硫酸盐在浸入混凝土后,还会在干湿循环、冷热循环的作用下,发生结晶溶解-重结晶的物理化学作用,由此产生巨大的结晶膨胀应力,在较短时间内破坏混凝土内部微观结构。合金粉本身不溶解于酸碱,将水泥砂浆结构中水泥石分割开来,形成致密微观结构。同时,阻断堵塞空隙结构,使之不能构成硫酸盐侵蚀条件。

    2.硬化混凝土浆体的微观结构

    硬化水泥浆体与骨料界面

    吴中伟等人认为,从细观尺度上看,水泥石和骨料的界面并不是一个“面”,而是一个有一定厚度的“层”。这个“层”的结构和性质与水泥石本体有较大区别,在厚度方向从骨料表面向水泥石逐渐过渡,因此被称为“过渡层”。其厚度为0~100μm。“过渡层”是由于水泥浆体中的水在向骨料表面迁移的方向形成水灰比的梯度而产生的。从骨料表面向水泥石本体,水灰比逐渐减小,直到到达水泥石本体的水灰比,“过渡层”消失。在电镜扫描下,特种合金粉胶凝材料与骨料的界面图可以看出,骨料与浆体界面过渡层厚度不大,在高放大倍率下,也很难看到微细裂纹。

    3.混凝土拌合物性能

8   特种合金粉胶凝材料混凝土拌合物性能试验

序号

试验项目

试验结果

1

混凝土拌合物表观密度(kg/m3

2439

2

坍落度(mm

230

3

扩展度(mm

500

4

倒置坍落度筒排空时间(s

6

5

扩展度达500mmT50s

14

6

混凝土经时坍落度(mm)

1h

2h

3h

170

160

140

7

混凝土凝结时间(hmin)

初凝时间

终凝时间

2235

2325

8

混凝土泌水量(ml/mm2)

0

9

混凝土压力泌水率(%)

23

10

含气量(%

3.1

           

根据试验现场观测,混凝土流动性、保水性和粘聚性良好,不分层离析。根据实验结果,混凝土的坍落度和扩展度满足配合比设计预定目标,泵送性能良好。

    一般情况下,高强度混凝土拌合物黏性较大,流动速度较慢,不利于混凝土的泵送施工。特种合金粉混凝土虽然水胶比较低,强度等级较高,但混凝土倒置坍落度排空时间较小,具有较好的可泵性和保坍性。这就充分说明,特种合金粉在增加混凝土主要力学性能指标的同时,又确保了其优越的易施工性。解决了高强度水泥混凝土难施工、可泵性差的题。

      混凝土在运输、振捣、泵送的过程中出现粗骨料下沉,水分上浮的现象称为混凝土泌水泌水率新拌混凝土工作性一个重要方面。泌水增加了混凝土内部的连通毛细孔道,从而降低混凝土的抗渗透能力、抗腐蚀能力和抗冻融能力。根据实验结果,特种合金粉混凝土泌水率为零。

    混凝土压力泌水率可以用于衡量混凝土拌合物在泵管内输送性能的好坏。在泵压作用下,混凝土拌合物在管道内输送时,水是传递压力的媒介,如果在泵送过程中,管道内出现压力梯度大或管道弯曲、变径时,混凝土拌合物自身阻止其拌合物水在压力作用下渗透流动的能力变差,就可能出现脱水现象,水分通过骨料间空隙渗透,使骨料聚结阻塞管道。根据实验结果,特种合金粉混凝土的压力泌水率为23%完全满足混凝土的泵送要求。

    4.混凝土力学性能

9   特种合金粉胶凝材料混凝土力学性能

龄期

3d

7d

28d

84d

抗压强度(MPa

48.9

53.6

64.0

73.5

抗折强度(MPa

4.3

7.3

8.1

9.2

轴心抗压强度(MPa

/

/

52.4

/

劈裂抗拉强度(MPa

/

/

4.65

/

静力受压弹性模量×104MPa

/

/

3.80

/