由图 1可以看出 , 掺入高阳钠 基膨润土 后 , 在 30 ～ 1 000 ℃ 范围内 , 塑性混凝土 的热分析 曲线出 现了 5个 吸热谷 。 综合分 析认为 :第 1个吸热谷温度 为 81.6 ℃, 此 时蒙脱 石脱去 层间水 和吸附水 ;第 2个吸热谷温度为 421.3 ℃, 应为膨润土中所含菱 镁矿等 “杂质 ”矿物 分解 ;第 3 个吸 热谷温 度为 580.1 ℃, 水泥 水化 产 生 的 Ca(OH)2 脱 水 分 解 ;第 4 个 吸 热 谷 温 度 为 683.9 ℃, 为蒙脱石脱去结构水 ;第 5个吸热谷温度为 925 ～ 975 ℃, 蒙脱石晶格在这一 温度下 完全遭 到破坏并 有新相 生成 。 在 200 ～ 800 ℃范围内 , 样品共失 重约 2.82%, 第 5个 吸热谷 阶段 失重约 0.47%。
成的开裂 。 由于塑性 混凝 土性能 主要 受膨润 土水 泥砂浆 性能 数量以 及非黏土矿 物杂质 (如石英 、长石 、方解 石等 )含量差异
的影响 , 因此试验研究 了不同 种类 的膨润 土 、不同 掺量对 塑性 较大 。
混凝土性能的影响及 作用机理 。
1 膨润土的矿物成分 和化学组成
膨润土具有强 烈的 吸水性 、膨 胀性 、胶结 性 、分散 性 、触变 性及阳离子交换性等 , 其 主要矿 物成 分是蒙 脱石 [ 1] , 主要 化学
蒙脱石的热效应一般具有 3个吸热谷 [ 2 ～5] 。 第 1个吸 热谷 温度为 80 ～ 250 ℃, 是 由层间水和 吸附水引 起的 。 在加热 驱除 这部分水时 , 二价阳离 子 (Ca2 +、Mg2+)所 需要的 热能 高于一 价 阳离子 , 因此蒙脱石晶层中部 分水受 到层间 交换性 二价阳 离子 的束缚而提高了释放 温度 , 出现复 谷的吸 热效应 。 若层间 交换 性阳离子为一 价时 , 脱 水温 度则 相对 较低 , 出 现单 谷的 吸热 效 应 。 第 2个吸热谷温度为 600 ～ 760 ℃, 是蒙脱石脱去结构 水所 致 。 第 3个吸热谷温度为 800 ℃左右 , 是蒙脱石晶格破坏所致 。
钠基 山东高阳 60 10 10 <20 少量 少量 少量
2.2 试验结果
用 2种不同产地的膨润土 , 按照不同掺量配制水泥砂浆 , 在 水胶比相同 (水胶比均为 0.7, 水 均为 315 g)的条 件下 , 进行 了 抗折强度及抗压强度 试验 , 并计算了压折比 , 结果见表 3、表 4。
2.3 不同掺量对力学性能的影响
抗压强度 / MPa
7d 13.37 9.64 8.85 8.43 8.01
28 d 23.30 18.42 17.20 16.30 14.44
压折比
7d 4.99 5.48 5.27 5.37 4.91
28 d 3.72 3.58 3.60 3.58 3.27
随膨润土掺量的 增加 , 水泥 砂浆 28 d压 折比 呈减 小趋势 , 掺山东高阳膨润 土的 压折 比降 低幅 度明 显大 于掺 信阳 膨润 土 的 。 当膨润土掺量小于 15%时 , 膨润土对 压折比的 影响尚 不显 著 ;当膨润土掺量超过 25%后 , 压折 比迅速降低 。
2 试验研究
2.1 试验用原材料
试验用水泥为 32.5级普通硅酸盐水泥 , 物理力学性能见表 1。
表 1 水泥物理力学性能
标准稠度 用水量 /%
安定性
初凝时间 / min
终凝时间 / min
细度 / %
抗折强度 /MPa
3d
28 d
抗压强度 /MPa
3d
28 d
27.8
合格
325
430
4.4
3.4
6.6
(6)
其中 , ddAp反映管 壁的 弹性 , 设管 径为 D, 管 壁 材料 弹性 系 数为
E, 管壁厚度为 δ, 根据胡克定律有
ddAp=AEDδ
(6)
ddρp反映水体的压缩 性 , 设水体 弹性 系数为 k, 由 水体 受压 前后
质量不变得
ddρp=
ρ k
(7)
将式 (6)和式 (7)代 入式 (5), 得
· 81·
pA-(p +dp)(A+dA) =pA-(pA+pdA+dpA+dpdA)
0
0
0
0
0
由动量定理且略去三 、四阶微量后 , 得到微分方程 :
-dpAdt-p0 dAdt=ρAdldv+ρdAv0dl+dρAv0dl (5) 两边同除以 -dpdt, 并由 ddlt=a, 得
A+p0ddpA=-ρAadv+ρdAdvp0a+dρAv0 a
2.4 膨润土种类对力学性能的影响
在胶 凝材料用 量和用水量 都相同的 条件下 , 不同产地 的膨 润土对不同龄期水泥 砂浆试件抗 折 、抗压强 度的影 响存在 较大 差异 。 主要表现在 , 掺山东高 阳膨润 土的水 泥砂浆 早期抗 折强 度略高于掺 信阳膨润土的 , 但 7 d的抗压强度和 28 d的抗折 、抗 压强度都明显低于掺 信阳膨润土的 。
第 11期 张涛等 :膨润土 改善塑性混凝土性能的作用机理
· 79·
表 4 掺河南信阳膨润土水泥砂浆 力学性能
试验 编号
N1 N2 N3 N4 N5
膨润土 掺量 /
%
0 7d 2.68 1.76 1.68 1.57 1.63
28 d 6.27 5.14 4.78 4.55 4.41
不同 产地膨润 土的矿物成 分有较大 的差别 , 山东高阳 膨润 土的蒙脱石含量约为 60% , 而河南信阳 膨润土的 蒙脱石含 量在 90%以上 , 矿物 成分的变化对水泥砂浆性能的影响较大 , 应 该引 起足够的重视 。 虽然山东高阳 膨润土的掺入能较大幅度地降低 28 d压折比 , 但是其 28 d抗折强度和抗压强度 较掺河南信 阳膨 润土的水泥砂浆分别 降低了 25.6%和 39.0%。
3 与相关文献比较
直接水击压强 Δp=p -p, 也是 u、u、k、D、E、δ、ρ、p 的函数
高阳膨润土中菱镁矿 (约 20%)等 杂质矿 物的 含量较 高且 相对集中 , 因此图 1中在 421.3 ℃时出现相应 的吸热谷 , 并且脱 去结构水的温 度较 低 ;而 信阳 膨 润土 中 蒙脱 石含 量 在 90%以 上 , 杂质矿物含量相对较少 且分散 , 因此在 420 ℃附 近无明显吸 热特征 , 蒙脱石脱去结构水 的温度也高于高阳膨润土 。
3.2 TG-DSC测试结果
在相 同水胶比 条件下 , 对掺加膨 润土的水 泥砂浆进行 了热 重分析和差热分析 。 综合热分 析仪器采用德国耐驰综合热分析 仪 (NETZSCH ST449C), 试验测试范 围为 30 ～ 1 000 ℃, 升温 速 率为 10 K/min, 结果见图 1、图 2。
4 结 语
综合以上分析 , 得出 如下结 论 :①蒙脱石 含量高 的膨润 土 , 对水泥砂浆抗折强度和抗压 强度有明 显贡献 ;②随膨润 土掺量 的增加 , 膨润土水泥砂浆不 同龄期的抗折强度 、(下 转第 81页 )
第 11期 马跃先等 :直接水击公式研究
28 d
23.30 16.74 10.83 9.70 8.80
压折比
7d
4.99 2.90 3.02 2.96 2.87
28 d
3.72 3.81 3.19 2.94 2.68
收稿日期 :2007-05-15 作者简介 :张涛 (1973— ), 男 , 河南南 阳人 , 高级工 程师 , 博士 研究生 , 主要从事水利水电 工程材料研究工作 。
3 膨润土作用机理
3.1 扫描电镜测试结果
对掺加膨润土的 水泥 砂浆试 件 (龄 期为 14 d, 膨润 土掺 量 均为 30%, 水胶比为 1.3)进行扫 描电镜 测试 , 由武 汉理工 大学 测试中心完成 。 通过扫 描电镜照 片可以 看出 , 蒙脱 石的层 状结 构清晰 , 水泥水化产物针状钙 矾石在 无序生 长过程 中与蒙 脱石 较好地结合在一起 , 有的钙 矾石晶 体穿层 而过 。 蒙 脱石含 量高 的膨润土在水泥砂浆 中产生的孔隙较少 。 蒙脱石层状结构的剥 离能有效地填充水泥 水化过程中的孔隙 。
第 29卷第 11期 人 民 黄 河 Vol.29, No.11 2007 年 11月 YELLOW RIVER Nov., 2007
试验结 果表明 , 随膨润土掺量的增加 , 水泥砂浆 7 d、28 d抗 折强度和抗压强度均 呈现出降低 趋势 , 这与 水泥在 砂浆中 的绝
对含量减少有直接的关系 。 虽然在 试验中 , 膨润 土也被 视为胶 凝材料 , 但其水化作用 尚不明 显 , 对强 度的贡 献在 28 d以 前未 能明显表现出来 。
16.7
32.5
膨润土采用河南 信阳钠基 膨润土 和山东高 阳钠基 膨润土 , 矿物成分见表 2。 试验采用中砂 , 细度模数为 2.8。
表 2 试验用膨润土矿物成 分
种类
产地
矿物成分 /% 蒙脱石 石英 长石 菱镁矿 高岭石 伊利石 萤石
钠基 河南信阳 >90 少量 少量 少量 少量 少量 少量
表 3 掺山东高阳膨润土水泥砂浆力学性能
试验 编号
膨润土 掺量 /
%
S1
0
S2
5
S3
15
S4
25
S5
35
抗折强度 / MPa
7d
2.68 2.63 2.18 2.09 1.79
28 d
6.27 4.39 3.39 3.30 3.28
抗压强度 / MPa
7d
13.37 7.63 6.58 6.19 5.13
由图 2可知 , 掺入信阳钠基膨润土后 , 塑性混凝土的热分析 曲线出现了 4个吸 热谷 :第 1个吸 热谷温度为 76.6 ℃, 此时蒙 脱石脱去层间水和吸附水 ;第 2个吸热谷温度为 577.7 ℃, 水泥 水化产生的 Ca(OH)2 脱水 分 解 ;第 3个 吸 热谷 温 度 为 707.7 ℃, 为蒙脱石 脱去结构 水 ;第 4 个吸热谷 温度为 928.2 ℃, 蒙脱 石晶格在这一温度下完全遭到破坏 , 其后紧接着有一放热峰 , 应 有新相生成 。 在 200 ～ 800 ℃范围 内 , 样品共失 重约 2.82%, 第 4吸热谷阶段失 重约 0.51%。