低强度等级自密实钢管混凝土膨胀剂的研究及其应用

【摘要】 利用石灰石、石膏、铝矾土、方镁石制备C₄A₃S-CaO-MgO多组分复合膨胀剂,研究C₄A₃S-Ca O体系中不同配合比、SA（硫铝比）对水泥净浆凝结时间、胶砂强度、限制膨胀率的影响;MgO体系中不同煅烧温度对水泥试样限制膨胀率的影响。借助XRD、SEM测试手段,从微观对水泥体系中的水化产物、晶体形态进行分析。结果表明,C₄A₃S-Ca O-M g O多组分复合膨胀剂早期膨胀速率快,膨胀稳定期长,能补偿后期膨胀不足,28 d仍显示为微膨胀。并利用其制备出C30自密实微膨胀钢管桩基混凝土,成功应用于武汉阳逻港深水薄壁大直径钢管桩中。 更多还原

【关键词】

低强度等级；自密实；钢管混凝土；复合膨胀剂； 限制膨胀率；

0 引言

在国内，针对低强度等级自密实钢管混凝土胶凝材料用量大，水胶比低，且处于绝湿密封环境中后期水分补给不足，硬化后收缩大，易导致混凝土与钢管之间脱粘，降低钢管混凝土结构的整体性，劣化其结构力学性能[1]。目前采用的主要技术措施是掺入膨胀剂补偿混凝土收缩变形。然而，市售的膨胀剂早期膨胀速率快，稳定性差，对后期水分补充依赖程度高，很难匹配强度和膨胀协调发展的要求。

武汉阳逻港口码头属国家一类开放口岸的重点建设工程，码头下部桩基结构采用大直径(1.2m)、薄壁(14mm)钢管混凝土结构，内填C30混凝土，需要混凝土具有自密实微膨胀性能，使钢管对混凝土产生套箍效应，提高钢管混凝土桩基结构承载能力和稳定性。因此，迫切需要研究适用于低标号自密实钢管混凝土的高能延迟膨胀剂。

1原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：本实验所用水泥为中国建筑材料科学院监制的P·I42.5级基准水泥。水泥主要物理性能见表1。

表1 基准水泥的主要物理性能

（2）铝矾土：产于湖北宜城的二级铝矾土，粉磨比表面积至268.7 m2/kg；石膏：产于武汉江夏，粉磨比表面积至297m2/kg。石灰石：产于湖北宜城，粉磨比表面积至410.6 m2/kg；高岭土：产于湖北宜城，在800℃煅烧2h形成偏高岭土，粉磨比表面积至403.8m2/kg；方镁石：产于湖北宜城，粉磨至380 m2/kg，各化学成分见表2。

表2 原料化学组成 %

1.2 试验方法

本实验所用原料先经过颚式破碎机破碎，然后秤取重量为5kg原料进行球磨机粉磨。根据原料的易磨性，通过控制粉磨时间，得到适宜细度的生料。生料经高温煅烧粉磨后得到膨胀剂，按照GB 23439-2009要求对膨胀剂性能进行检测，按照GB/T 1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测试凝结时间。实验养护方法：在20℃水中养护至7d，试块取出放入温度20℃，湿度65%的空气养护至28d。

2.膨胀剂的制备

2.1硫铝酸钙-氧化钙类膨胀熟料(HCSA)的制备

HCSA熟料是以石灰石、石膏、铝矾土按一定比例复配，在硅钼炉中逐渐升温到1300℃恒温煅烧1h，在空气中自然冷却到常温所得[2]。在非平衡条件下配料，即不考虑其他矿物的形成（假设铝质组分Al2O3全部形成AFt），设计膨胀剂矿物组成C4A3：5~15%，CaO：40~50%，游离CaSO4：15~25%[3]。膨胀剂配比如表3所示。

表3 膨胀剂配比 %

2.2.1 凝结时间

按标准稠度用水量配制水泥浆体，在(25±1) ℃、相对湿度90%的条件下测试其凝结时间，结果见表4。

表4 试样凝结时间 min

由表4可见，A~D组中，随着石膏掺量的增加，试样的初凝和终凝时间相应增加。C组较A组初凝时间延长了6.45%，终凝时间延长了9.0%，可能原因是掺入石膏会促进C4A3水化生成钙矾石，随着石膏掺量的增加，钙矾石形成速率加快，很快覆盖在水泥颗粒表面，阻碍水泥颗粒与石膏和水的接触，削弱其水化速率，延长了凝结时间[4]。

E~H组中，随着铝矾土掺量的增加，试样的初凝、终凝时间相应缩短。F组较H组初凝时间缩短了10.47%，终凝时间缩短12.4%。加入偏高岭土后，速凝效果较未掺试样增强。分析原因可能为铝矾土掺量的增加，提高试样中铝质组分含量，在石膏和Ca(OH)2足量的情况下，水化初期钙矾石生成量迅速增加，而由于钙矾石晶体的快速生成及其相互搭接在水泥颗粒之间，粘聚力增强，造成水泥浆体很快凝结[5]。偏高岭土由于其Al-O体系处于无序状态，原子排列不规则，呈热力学介稳状态，火山灰活性较高，水化速率快，加强对水泥浆体的速凝效果[2]。