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浅析膨润土掺量对混凝土的性能影响 韩 红 卫 ( 陕西省石头河水库 管理局 陕西 眉县7 2 2 3 0 0 ) 摘要 随着水利工程规模的日益扩大、 质量要求的不断提高， 现代水利界对混凝土的综合性能提 出了 更高 的要求。本 文通过普通混凝 土和掺入膨润土的混凝土 的各项性能对比试验 ， 得 出膨 润土掺 量对混凝土性能的影响， 为混凝土在工程界的应用提供有效的依据和参考。 关键词 混凝土； 膨润土； 性能； 影响 中图分类号： T V 4 3 1 + 9 文献标识码： A 混凝 土是现代 以及在可 预见的未来最 为 重要 、 普遍 的建筑材料。混凝土与其他常用材 料相 比具有 良好 的耐久性 、可塑性 以及材 料 来源广泛 、 生产 工艺简 单等优点 ， 在水利 工程 行业得 到广泛应用 。从长远 的发展趋势来看 ， 传统的混凝土向高性能、多功能混凝土发展 是必然的趋势 。 然而混凝土的第五部分 ( 化学 外加剂 ) 与第六 部分( 掺合料 ) 的研究 及应用 ， 则是现代混凝 土技术进展的核心。 已有的研究表 明 ：混 凝土 中掺入某 些种 类的商 品纳 米材料可较显著 的改善混凝 土的 诸多性能。但一般的商品纳米材料价格较高， 掺人混凝土中将使混凝土成本过高。然而膨 润土是一种较廉价的天然纳米材料 ，其矿物 学名 叫蒙脱 石也叫万用粘 土，在 我国的矿产 资源非 常丰富 ，若能像一般 商品纳米材料一 样能够显著改善混凝土的性能， 将会使纳米 材料作为混凝土的改性材料而走向大规模的 应用 。本文研究 了掺人膨 润土对混凝土性能 的影响，同时就膨润土能否作为混凝土掺合 料这一 问题进行初步探索。 1研究的思路及方法 本 文对普通混凝 土和掺 入膨润土 的混凝 土的力学性能 以及 耐久性 能方面进行 了对 比 性 试验 ，得 出掺人膨 润土对混凝土性 能的影 响，这为膨润土作为混凝土改性材料积累了 一 定的客观信息，也为膨润土混凝土在工程 界广泛的利用做 出一定 的理论铺垫。 膨润土是混凝土的矿物外加剂 ( 掺合 料 ) ，对普通混凝 土掺 人不同量 的膨润 土后 ， 与普 通混凝 土进行某 些性 能的对 比试验 ， 分 析 出膨润土对 混凝土力学性能和 耐久性 的改 变情况。具体方法 ： 设计出某一强度等级 的普 通混凝 土 ，在 此基础上采用 内掺法 掺入膨润 土形成膨润土混凝土 ，设计掺量为 1 5 和 3 0 两种。 进行膨润土混凝土与普通混凝土的 抗压强度 、 劈裂抗拉强度 、 弹性模量及抗渗性 能 的对 比试验 ，测其 7 d和 2 8 d抗压强度 、 2 8 d 抗 拉强 度 、 2 8 d弹性 模 量和 2 8 d相 对渗 透 系 数 ，基 于试 验所得数据分析 掺人膨润土对混 凝土性能的影响。 2材料的选定 2 1原材料 试验采用 的水泥 是陕西宝鸡扶风盾 石牌 普通硅酸盐水泥， 强度等级 3 2 5 。细骨料为中 砂 ， 细 度模 数 为 2 7 ， 级 配 良好 ； 堆 积 密度 为 1 4 8 g ， c m ， 视密度为 2 6 2 m ， 含泥量 1 4 3 。 粗 骨料 为 5 mm 4 0 ra m 卵石 ，视 密 度为 2 5 9 r n 2 ， 含泥量 0 4 6 。所用的膨润土是河南信 阳市生产的 ， 密度为 2 0 1 c m2 ， 水为 自来 水。 2 2混凝土配合比的确定 试验设计 坍落度 为 5 0 mm 7 0 m m， 设 计混 凝土强度等级为 C 2 5 ，膨润土掺量为 1 5 、 3 0 两种 ， 掺人方式为等量取代法( 内掺法) ， 即用膨 润土等量取代减 少的水泥重量 。采用 假定表 观密度法 ，设混凝 土拌合物 的密度为 2 4 0 0 k ff m 2 ，设计混凝土理论配合比 ( 水泥 ： 砂 ： 石 ： 水 = 3 8 6： 5 3 5：1 3 0 9： 1 7 0 ) 。 经过反复的试拌，砂子的含水率为4 ， 石子 的含水率 为 0 6 ，又考虑到膨润土超高 细度 的原因 ， 故取 减水 剂掺量 为 1 。对理论 配合 比进行调 整 ，掺入 1 5 膨 润土的混凝 土 配合 比( 水泥 ： 砂 ： 石 ： 水 ： 膨润土 ： 减水剂 =3 2 8 1： 5 3 5：1 3 0 9：1 7 0： 5 7 9： 3 0 8 8 ) 。测 得坍落度为 6 0 m m， 符合设计要求 ， 粘聚性和 保水性均良好。以此配合比拌合6 0 L 混凝土， 制作抗渗试件 ，作 2 8天抗渗性试验 。制作 7 天 、 2 8天抗压试 件， 2 8天抗拉试件 ，到相应龄 期做研究分 析 ；掺人 3 0 膨润土 的混凝 土配 合比 ( 水泥 ： 砂 ： 石 ： 水 ： 膨润土 ： 减水剂 =2 7 0 2： 5 3 5： 1 3 0 9： 1 7 0： 1 1 5 8： 3 8 6) 。测 过流部件进行 更换 ； 更新电动机 6台， 根 据安 全鉴定报告， 本应更新 4 台， 但由于技术改造 2台， 本次设计 电压等级 为 1 0 k V， 而原有 电动 机 电压 等级为 6 k V，故 在改造 中进行 全部更 换； 对泵房开关柜 、 保护屏 、 直流屏进行更新改 造。增设测流装置和 自动清污设备 、 液位计 、 电 磁流量计 、 更新启闭机， 闸门 ， 主厂房吊车 、 阀门 等 ， 更换供排水系统设备及管路 。总之 ， 通过更 换机电 、 高低压配 电设备和附属设备及金属结 构 ， 保证水泵在多种工况下高效节能运行。 4 3对泵站变电设 备的改造 装设 6台高 压水 泵 电 动机 ，容 量 均为 1 0 0 0 k W 和 1 0 k V，泵 站装机容量 6 0 0 0 k W， 根 据 装 机 容 量 ，在 泵 站 改 造 中装 设 3 5 1 0 k V 8 0 0 0 k V A主变压器一 台，更新 改造场 内现有 3 5 k V变 电站设 备 ， 原 3 5 k V终端杆不变 ， 3 5 k V 主变压器放在原主变位置 ， 主变 1 0 k V侧采用 电缆连接引入高压室 。根据 3 5 k V线路进线方 向， 变 电站采用户外半高型布 置于站区西侧 ， 副厂房按变电站位置布置于主厂房西侧。 4 4泵站计算机 自动化控制系统 泵站计算 机 自动控制 系统是一个 综合化 系统 ， 其 涉及模拟 量输入 、 开关 量输入 、 模拟 量输出、 开关量输出、 数据通信 、 视频监视等 等各种 数据 信息 ， 在系统 的设计 上 ， 必须根据 不同的监控对象 、 监控 目标 ， 采取不 同的测 量 手段 ， 通过不同的信息流， 最终汇总至信息自 动化 系统的监控工作站 ，供操 作人员进行监 视和控制。主要包括 电气 自动化监控系统 、 主 机组监控系统、 视频监视系统等。全天候实时 监视泵站 运行情 况 ， 实现 “ 先进 实用 ， 高效 可 靠 、 稳定开放” 和 “ 少 人值班 ， 无人值守 ” ， 减少 泵站运行成本。 5结论 加西泵站改造历时一年完成 ， 改善灌溉面 积 5 2 O万 亩 ， 新增效 益为 2 1 1 5 8 4万 元 ， 灌溉 水分摊 系数 取 0 4 ，灌 溉效益为 8 4 6 3 4万元 。 同时 ， 装置效率将 明显提高 ， 能源单 耗将明显 下降， 加西站从改造前 的 6 5 4 k W h ， k t m平均 下降到 4 8 2 k W - h k t m，平均每年可 节能 4 3 2 万 k W h ， 节 省电费 4 3 2万元 ， 从财 务角度 分 析来 看 ： 加西泵站建设期 1 年 ， 正常运行期 2 0 年 ， 内部 收益率为 2 6 8 7 ， 净现值 5 4 4 9万 元 ， 投资回收期 4 6 8年 。 综上所述 ， 加两泵站改造 工程是合理 的。陕西水利 ( 责 任 编 辑 ： 周蓓 ) 得坍落度为 7 0 m m， 符合设计要求 ， 粘聚性 和保水性均 良好 。以此配合 比拌合 6 0 L混 凝土 ， 制作抗渗试件 ， 作 2 8天抗渗性 试验。 制作 7天 、 2 8天抗压试件 ， 2 8天抗拉试 件 ， 到相应龄期做研 究分析 。 3研究内容及结果分析 3 1 抗压强度分析 抗压 强度按 DI r 5 1 5 0 2 0 0 1 水 工混 凝土试验规程 进行试验分析。龄期到后， 对试件进行擦拭处理， 计算其承压面积 A ； 将 试 件放 在 压 板 正 中间 ，以 0 3 MP a s 0 5 MP a s的速度 连续均匀 的加荷 ，直至破 坏 ， 停止试验 ， 记录并分析数据 。 混凝土立方体试件抗压强度计算公式 ： 式 中 。一混凝土立方体试件抗压强度 ( MP a ) ； 破坏荷载 ； A试件承压面积( mm ) 。 取 三个试件 的算术 平均值作为该组试 件的抗压强度值。结果见表 1 。 从表 I 中数据可以看出，在同水灰比 的情况 下 ： 掺 1 5 膨润 土的混 凝土 ， 其 7 d 抗压强度比普通混凝土降低了4 1 1 ， 2 8 d 抗压强度比普通混凝土却提高了 8 4 _4 ； 掺 3 0 膨 润土的混凝 土 ， 其 7 d抗压强 度比 普通混凝土降低了 3 7 0 7 ， 2 8 d 抗压强度 比普通混凝土却提 高 了 2 1 9 5 ； 后期强 度 与 早 期 强 度 比较 ：普 通 混 凝 土 提 高 了 1 3 5 8 ，掺 1 5 膨润土的混凝土提高了 2 4 1 2 ，掺 3 0 膨 润土 的混 凝 土提 高 了 2 8 1 3 。 3 2 劈 裂抗拉强度分析 采 用边长 为 1 5 0 mm的立 方体 试件 作 为标准试件 ， 龄期到后 ， 对试件进行擦拭 处 理并保持其干湿状态，计算其劈裂面面积 A；将试件放在压 力机 下板的中心位置 ； 以 0 0 2 MP a 0 0 5 MP a 的速度连续均匀的加荷 进行试 验研究并记 录数据 。 混凝土劈裂试验 的计算公式 ： D n = 一 =0 637r J 一 7 r A A 式中 卜混凝土劈裂抗拉强度， M P a ； p_ 式 件劈裂面积 ： I n n 2 。 取三个试件的算术平均值作为该组试 件的劈裂抗拉强度值( 精确至O O 1 M P a ) 。 见 表 2 。 从表 2中数据可 以看 出 ，在同水灰 比 的情况 下 ： 掺 1 5 膨润土的混凝 土 ， 其 2 8 d 抗拉强 度 比普通混凝 土降低 了 1 8 1 3 ； 掺 3 0 膨润土的混凝土，其 2 8 d 抗拉强度比 普通混凝土降低了 3 4 6 4 。 3 - 3 弹性模量分析 混凝土 的弹性模量根据 P o w e r T e s t V 3 0 软件所得应力应变曲线图计算， 结果见表 3 。 表 1 试件膨润土掺量与抗压强度对照表 抗 压强度 编 号 膨润土 掺量 ( ) 水 灰 比 7 d 2 8 d J 0 O 31 9 3 6 9 儿 l 5 0 O 4 4 3 0 6 4 0 3 J 2 3 0 0 2 0 1 2 8- 8 表 2 试件膨润土掺量与 2 8 d抗拉强度对照表 编 号 膨 润土掺 量( ) 水灰 比 2 8 d抗 拉强度 J O O 3 5 3 儿 l 5 O 0 4 4 2 _ 8 9 J 2 3 0 O 2 2 9 表 3 试件膨润土掺量与平均弹性模量对照表 编号 膨润 土掺量 ( ) 水 灰 比 平均抗压 强度 ( MP a ) 平 均弹性 模量 ( 1 O) J 0 O 31 9 3 6 9 儿 1 5 O O 4 4 3 0 6 40 3 J 2 3 0 0 2 O 1 2 8- 8 表4 试件膨润土掺量与相对渗透系数对照表 相对渗透系数( c m h ) 编号 膨润土掺量( ) 水 灰 比 1 2 J O 0 0 2 266 2 0- 8 5 J 1 1 5 0 O 4 4 5 9 6 6- 8 8 J 2 3 0 O 1 2 MP a压力 、 2 4 h持续 时间未渗 水 从表 3中弹性横 量的试验结 果可 以看 出 ： 掺 1 5 膨 润土的混凝土 ， 其 2 8 d抗 拉强 度 比普通混凝 土降低 了 1 8 1 3 ； 掺 3 0 膨 润土的混凝土 ，其 2 d抗拉强度 比普 通混 凝土降低 了 3 4 6 4 。 3 4抗 渗性能分析 混凝土抗渗试验在混凝土抗渗仪 进 行。 将抗渗仪水压力一次加 到 0 8 MP a ， 同时 开始记录时间。在此压力下恒定 2 4 h ， 然后 降压 ， 取 出试件 。在其两端面直径处 ， 按平 行方 向各放一根 6 mr a 钢垫条 ， 用 压力机将 试件劈开 ， 在各 等分点处量 m渗水高度。以 各等分点渗水高度的平均值作为该试件的 渗水高度。结果见表 4 。 相对渗水系数计算公式 ： K 一 2 T H 式 中， 一相对渗透系数 ， c m h ； 水压力 ， 以水柱高度表示 ， 12 11 1 ； 一 平均渗透高度， c m ； _ 1 亘压时间， h ； a混凝土的吸水 率， 取 0 0 3 从表 4中数据 司以看 ，在同水灰 比 的情况下 ： 2 8 d渗透系数对比，普通混凝土 的渗透系数是掺入 1 5 膨润土的混凝土渗 透系数的 3 3 8 倍； 掺入 3 0 膨润土的混凝 土没有渗水现象 。 4结 论 本文通过对膨推I 土掺量与混凝 土性能 的关系研 究， 得 如下结论 ： ( 1 ) 掺人膨润 土使 昆 凝 土的早期抗 压 强度降低 ，掺人适量膨润土时会使其 后期 抗压强度提高 ，掺入膨润土 的混凝 土其后 期强度提高率约为普通混凝土的 2 倍 ； ( 2 ) 掺人膨润土降低了混凝土的抗拉 性能。其他条件相同的情况下 ， 其抗拉强度 随掺入膨润土量 的增加而降低 ； ( 3 ) 掺 入适 量 的膨 润土会使混 凝土的 弹性模量提高 ； ( 4 ) 掺 入膨润土可 以显著提高 混凝土 的抗渗能力。陕西水利 参 考文献 1 】 王险峰， 张 少勇， 吴植安 科学之 友 对现今 混凝土技 术发展 的思考2 ( )( ) 5年 9 1 0月 I 2 I2冯 乃谦 高性能混凝 土结构 机械工 业出 版社 2 0 0 4年 1月 【 3 】冯乃谦 高性 能混凝 土的发展 与利 用 2 0 ( ) 3年 4月 【 4 】 鞠 建英 膨润 土在 工程 中的开发与 利用 北京 一中国建材工业出版社 2 ( )( ) 3 【 5 王元 元，刘永峰 混凝 土发展 方向浅析 四川建材2 0 0 5年第 6期 ( 责 任 编 辑 ： 周蓓 ) C r _ r o C