膨润土种类及掺量对塑性混凝土性能的影响.pdf

第 3 1 卷第 2期 V0 1 3 1 N o 2 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d Te c h n o l o z v o f W a t e r Re s o u r c e s 2 0 1 1 年 4月 A D r 2 0 l 1 D O I ： 1 0 3 8 8 o j i s s n 1 0 0 6 - 7 6 4 7 2 0 1 1 0 2 0 0 8 膨润土种类及掺量对塑性混凝土性能的影响 丁国庆 ， 蒋林华， 储洪强， 朱 乔 ( 河海大学力学与材料学院 ， 江苏 南京2 1 0 0 9 8 ) 摘要 ： 通过塑性混凝土和 易性、 抗压强度、 弹性模量和相对渗透 系数试验 ， 对比分析钠基膨润土和钙 基膨润土对塑性混凝土和易性、 抗压强度、 弹性模量和相对渗透 系数的影响。结果表 明： 塑性混凝 土和易性满足要 求； 同一龄期下随 着膨润土掺量的增加 ， 塑性混凝土的抗压强度和弹性模量都 降 低 ， 但掺钠基膨润土的塑性混凝土抗压强度和弹性模量比掺钙基膨润土的塑性混凝土抗压强度和 弹性模量高约 1 5 倍 ； 前者的相对渗透 系数小于后者 ； 塑性混凝土中膨润土的掺量不宜超过 6 0 ， 宜控制在 2 0 4 0 之间； 宜用 9 0 d 龄期作为塑性混凝土力学性能试验的标准养护龄期。 关键词 ： 塑性混凝土； 钠基膨润土； 钙基膨润土； 和 易性 ； 抗压强度； 弹性模量； 相对渗透系数 中图分类号： T V 4 3 1 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 l 1 ) 0 2 0 0 3 4 0 4 I n fl u e n c e s o f t y p e s a n d d o s a g e o f b e n t o n i t e o n p r o p e r t i e s o f p l a s t i c c o n c r e t e D I N G G u o - q i n g ，J I A NG L i n - h u a ，C HU H o n g - q i a n g ， Z H U Q i a o ( C o l l e g e o f Me c h a n i c s a n d M a t e r i a l s ， H o hai U n i v e r s it y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t：Ba s e d o n t h e t e s t s o n p l a s t i c c o n c r e t e，the r e s p e c t i v e i n flu e n e e s of c a l c i u m- b a s e d b e n t o n i t e an d s o d i um - b a s e d be n t o nit e o n i t s wo r k a bi l i t yc o mp r e s s i v e s t r e ng t he l a s t i c mo d u l u s a n d r e l a t i v e p e r me abi l i t y c o e ffic i e m we re c o mp a r a t i v e l y s t u d i e d1 1 1 e t e s t res u l t s s h o w t h a t the w o r k abi l i t y o f p l a s t i c c o n c r e t e s a t i s fi e s the r e q u i rem e n t s Un d e r the s a l n e a g e ，the c o mp res s i v e s t r e n g t h an d the e l a s t i c m o d u l u s of p l ast i c c o n c r e t e be t h d e c r e ase w i t l l the i n c rea s e of d o s a g e of b e n t o n l t e Ho we v e r t l e c o mp res s i v e s t r e n g t h and the e l a s t i cmod ulu sof p l ast i c c o n c r e t emi x e dwi t ht h e s o d i u m- ba s e dbe n t o nit e a x e a b o u t1 5t i me st h o s ewi t ht h e c alc i u m- b a s e d b e n t o n i t e 1 1 1 e rel a t i v e p e r me a b i l i t y C O e ffic i e n t of t h e f o r me r i S s ma l l e r than tha t of t l e l a t t e r Me an w h i l e the d o s a g e o f the b e n t o n i t e i n山e p l ast i c c o n c r e t e s h o uld b e c o n t r o l l e d bet we e n 2 0 and 4 0 and n o t e x c e e d than 6 0 1 1 1 e age o f 9 0 c l a y s s h o u l d be c h o sen as the s t a n d a r d c u ri n g a g e f o r the p l ast i c c o n c ret e i n me c h a n i c a l p r o p e r t y t e s t s Ke y wo r d s： p l ast i c c o nc r e t e； s o di um - b a s e d be n t o nit e ； c a l c i u m- b a s e d ben t o nit e； wo r k ab i l i t y； c o mp res s i v e s t r e n g t h； e l astic m od ulu s ；r e l a t i v e p e r me ab i l i ty c o e ff i c i e n t 塑性混凝土是用膨润土或 ( 和) 黏土取代普通混 凝土中部分水泥而形成的一种混凝土 ， 一般要求 出 机口坍落度在 2 02 4 c m之问， 出机 口扩散度在 3 4 4 0 c m 之 间 ， 2 8 d龄期 的抗 压强 度小 于或 等于 5 M P a ， 2 8 d 龄期 的弹性模量小于或等于 1 0 0 0 MP a ， 相对渗透系数 K1 1 0 c s 。塑性混凝土与 普通混凝土相 比， 弹性模量低 ， 极 限变形大 ， 能适应 较大变形 ， 有利于改善墙体 的应力状态， 同时还具有 良好的抗渗性能。因此 ， 塑性混凝土在坝体 、 坝基防 渗、 水库除险加 固等方面得到了广泛的应用 。 我国膨润土资源丰富， 产区分布广泛 ， 主要有钠 基膨润土和钙基膨润土 2 种类型。天然的膨润土主 要是钙基膨 润土， 占膨润土储量的 9 0 以上， 由于 钙基膨润土储量丰 富、 价格便 宜 、 性能较差 ， 大量的 低品位钙基膨润土在开采过程 中被 闲置，不仅对生 态环境造成了破坏 ， 同时对膨润土的资源消耗更是 一 种浪费， 限制 了其在水利工程 中的应用。 目前 ， 有 一 些塑性混凝土性能研究的报道【 2 - 3 j ， 但膨润土的种 类及掺量对塑性混凝土性 能的影响研究还很少见 。 因此 ， 为了使膨润土资源在水利工程 中得到合理的 应用 ， 有必要分析膨润土种类及掺量对塑性混凝土 和易性、 抗压强度 、 弹性模量和相对渗透 系数 的影 响。本文采用同一基准配合 比， 分别用钠基膨润土 和钙基膨润土等量取代水泥 ， 膨润土掺量为 2 0 ， 4 0 ， 6 o 和 8 0 ， 对 比分析膨润土种类及掺量对塑 性混凝土和易性 、 抗压强度 、 弹性模量和相对渗透系 数的影响。研究结果对塑性混凝土在水利工程中的 应用具有一定的指导意义。 基金项 目： 国家 自然科学基金 ( 5 0 9 7 8 0 8 5 ) ； 江苏省六 大人才 高峰项 目2 0 0 9年 A类 ( 苏 人社 ( R) 通 2 0 0 9 1 8 2号 ) ； 河海 大学 自然科 学基金 ( 2 0 0 8 4 2 7 8 1 1 ) 作 者简介 ： 丁 国庆( 1 9 8 4 一 ) ， 男 ， 黑龙江青冈人 ， 硕士研究生 ， 从事水工混凝土新材料研究。E - m a i l ： d i n g g u o q i n g 2 0 0 8 1 6 3 t o m 。 3 4 。 水利水电科技进展 ， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 2 )T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： j z h h u e d u c a h t tp： k k b b h u e d u c n 1 原 材料 a 水泥 ： 水 泥为 中 国水 泥厂有 限公 司生产 的 P 4 2 5 R 酸盐水泥 ， 其性能指标见表 1 ， 该 水泥 所检项 目符合 G B l 7 5 2 0 0 7 通用硅酸盐水泥 标准 要求。 表 1 水泥性能指标 检验结果 抗压强度 抗折强度 项 目 一 3d 2 8d 3d 2 8d n闩 日7 K冒 一 ： 一 初凝终凝 标准值 I2 2 0 14 2 5 I4 0 t6 5 4 5 3 9 0 合格 检测值2 9 1 4 7 2 4 5 7 6 1 7 5 3 0 5 2 5 8 合格 b 膨润土： 膨润土为南京汤山膨润土有限公 司 生产的钠基膨润土 A和钙基膨润土 B 。膨润土是 以 蒙脱石类矿物为主要成分 的黏土 ， 它的物理化学性 质主要 由其中的蒙脱石所决定 ， 其物理 、 化学性能指 标见表 2和表 3 ， 表 2 膨润土物理性 能指标 种类 w( S i O 2 )W( A 1 2 o 3 )w( C a O)w( Mg O)w( F e 2 0 3 ) 钠基膨润土 A 7 2 2 5 2 1 1 2 0 6 1 2 2 3 1 9 o 钙基膨润土 B 7 0 4 9 1 6 1 4 1 0 2 2 7 2 1 8 9 种类 w( F e O ) w( T i o 2 ) ( M n O )w( N a 2 0 ) ( P 2 o j ) 钠基膨润土 A 1 7 3 钙基膨润土 B 0 2 3 0 1 1 0 0 5 1 1 4 0 0 3 C 细骨料 ： 细骨料为南京 当地 的天然河砂 ，表 观密度为 2 6 8 0 k g m 3 ， 含泥量为 1 2 ， 细度模数为 2 7 ， 级配曲线位于 区。 d 粗骨料 ： 粗 骨料 为 53 1 5 h i m连续级 配碎 石 ， 表 观 密 度 为 2 6 1 0 k g m 3 ， 松 散 堆 积 密 度 为 1 5 2 0k g m3 ，紧密堆 积密度 为 1 5 8 0 k g m 3 ， 含泥量 为 0 3 ， 针片状质量分数为 1 。 e 外加剂 ： 采用江苏博特新材料有限公司生产 的 J M 一 1 0 高效减水剂 。 2 配合 比 由于 目前还没有有关塑性混凝土应用 的技术规 范或规程 ， 因此本 文所采用 的配合 比是在大量工程 实践的基础上 ， 通过大量优化试验 ， 最终选定 8组配 合 比， 其单位水泥用量 为 3 0 0 k g m 3 ， 砂率为 6 0 ， 水 胶 比为 0 8 0 ， 具体配合比如表 4所示。 3 试验方法 塑性混凝土是近年来迅速发展起来 的一种新型 水利水电科技进展 ， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 2 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 表 4 塑性混凝土配合 比 塘 膨润土膨润t 水 泥 细骨料粗 骨料 外加剂 掺量 ( k g m一 ) ( k g m- 3 ) ( k g m一 ) ( k g m一 ) 掺量 注 ： A 1 A 4为钠基膨润土 A， B 1 B 4为钙基膨润土 B 。 水工建筑材料 ， 它 的特点主要体现在具有一定 的抗 压强度 ， 同时还具有较低 的弹性模量和较 高的抗渗 性能。为 了研究膨润土种类及掺量对塑性混凝土性 能的影响， 对塑性混凝土 的和易性 、 抗压强度 、 弹性 模量及相对渗透系数进行了对 比试验。塑性混凝土 拌合物和易性的测定采用坍落度与扩展度 2 种试验 方法同时进行 3 ； 抗压强度 、 弹性模量和相对渗透系 数试验 分别采 用 1 0 0 n q n l 1 0 0 1T I m1 0 0 I n n试件 、 1 0 0m m 1 0 0 I n n 3 0 0 I l l n l试 件 和 顶 面 直 径 为 1 7 5 i n l n 、 底面直径 为 1 8 5 I n lT l 、 高为 1 5 0 m l n的圆台试 件 ， 按 G B T 5 0 0 8 0 - - - 2 0 0 2 ( 普通混凝土拌合物性能试 验方法 标 准 要 求 进行 成 型、 标 准 养 护。最后 按 S L 3 5 2 -2 0 0 6 水 工 混 凝 土试 验 规程 测 试 其 7 d ， 2 8 d ， 9 0 d 及 1 8 0 d的抗压强度和 2 8 d ， 9 0d 及 1 8 0 d弹 性模量和 2 8 d相对渗透系数 。 4 试 验结果与分析 4 1 塑性混凝土拌合物和易性 塑I生混凝 土拌合物 和易性试验结 果如表 5所 示 。从表 5可以看 出： 不 同种类的膨润土对塑性 混凝土的和易性有不 同的影响 ， 掺钠基膨润土所拌 出的塑性混凝 土黏聚性好 于掺钙基膨润土所拌 出的 塑性混凝土黏聚性 ； 同种膨润土随掺量的增加 ， 塑 性混凝土拌和物的坍落度和扩展度都有减小的趋 势。产生这种现象的主要原因是由于膨润土是以蒙 脱石类矿物为主要成分 的黏 土， 蒙脱石 的质量分数 在 8 0 以上 ， 其 次为石英 ， 方解石较少。蒙脱石属 表 5 塑性混凝土拌合物和易性指标 E - m a i l ： h h u e d u c a u tp： k a 5 h h u e d u m 3 5 i ； O 2 3 O 0 O O 鲫似 似 姗 啪 加 蛆 町 & i盼 阱 于二八面体层状结构 ， 其单位晶胞 由 2层硅氧 四面 体夹 1 层铝氧八面体构成 ， 这种结构决定了其层间 阳离子具有一定 的正电位 ， 而相邻 的四面体层则具 有一定的负电位 ， 这就形成 了一个 电场 ， 由于水分子 是极性分子，而极性分子在外电场作用下能产生定 向排布， 表现 为水分 子沿着 s i O _ _ s i 这种结构单 元的表层定 向排布 4 - 5 3 。因此 ， 当膨润土加入水 中 后， 大量的自由水会转变为结构单元的束缚水， 膨润 土的掺量越高 ， 其蒙脱石的质量分数越高， 这种现象 就越明显 ， 宏观上表现为塑性混凝土的流动性越差。 4 2 塑性混凝土抗压强度 塑性混凝土抗压强度试验结果如图 1 和图 2 所 示。从 图 1 和图 2中可 以看 出： 2种不同类 型的 膨润土均有助于降低塑性混凝土抗压强度 ； 基于同 一 组配合比， 掺钠基膨润土 A的塑性混凝土 的抗压 强度均高于掺钙基膨润土 B的塑性 混凝 土的抗压 强度( 约为 1 5倍 ) 。 当膨润土掺量 由 2 0 变为 4 o 时 ， 抗压强度 ( 除 7 d外 ) 都是先减小后趋 于平 稳 ； 当膨润土掺量 由4 o 变化到 6 0 时抗压强度无 明显的波动 ； 当膨 润土掺量超过 6 0 时， 塑性混凝 土抗压强度急剧下降 。产生上述现象 的原 因主要 是 ： 当膨润土这种吸水性很强的矿物质遇水后会 产生“ 塑化作用” 而导致混凝土强度降低l_ 6 j ， 由于钠 基膨润土 A的吸水率和膨胀容都高于钙基膨润土 B 的吸水率和膨胀容 ， 而 1 m 3 塑性 混凝 土用水量不 变 ， 则钠基膨润土 A相对于钙基膨润土 B来说并没 2 0 -4 - 。A =。A ，2= = A = = 董 慧 墨 图 1 塑性混凝土抗压强度随龄期的变化 + a ( a)_ _ 2 8 d ( A )+ 9 0 d ( A )+ 1 8 0 d ( A) + d ( B)+ 2 8 d ( B )+ 9 0 d ( B )+ 1 8 0 d ( B) 一 塞 慧 2 O 1 8 4 2 0 4 0 6 0 8 0 膨润土掺量 图2 塑性混凝土抗压强度随膨润土掺量的变化 3 6 水利 水电科技进展 ， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 2 )T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 有全部与水发生作用， 其剩余部分相当于水泥中的 非活性掺合料 ， 故掺钠基膨润土 A的塑性混凝土的 抗压强度均高 于掺钙基膨润土 B的塑性混凝 土的 抗压强度。当膨润土掺量 由 2 0 增加到 4 0 时 ， 水泥水化产物会与土料 中少量的活性 S i 0 2 和活性 A 1 2 0 产生化合作用 ， 生成新的水化产物 ， 如c s _H 凝胶等可以提高水泥一 土体系的“ 固化” 能力L 6 J ， 使塑 性混凝土的强度得以提高和发展 ， 但这种化合作用 对混凝土强度的贡献远小于膨润土塑化作用对混凝 土强度的贡献， 对于 7d早期强度 ， 掺 4 o 6 o 膨 润土的塑性混凝土抗压强度 比掺 2 0 的抗压强度 高， 可能是由于水泥没有得到充分的水化所致。由 于水泥是水化产物 C a ( O H) 2的唯一来源， 膨润土则 是活性 S i O z 和活性 A l 2 O 3的载体l ， 当膨润土掺量 超过 4 0 时， 能参 与活化反应的膨润土数量很少 ， 膨润 土 主要 是起 填 充作 用。当膨 润 土掺 量超 过 6 0 时， 水泥大幅度减少， 水化产物 中C a ( O H ) 2 数量 不足以和活性 S i 0 2 和活性 A l 2 O 3 发生反应 ， 水泥和 膨润土的配合 比例失调 ， 因而使 塑性混凝土的力学 强度急剧下降。从试验结果看 ， 膨 润土掺量不宜超 过 6 0 ， 宜控制在 2 0 4 0 之间。 4 3 塑性混凝土弹性模量 塑性混凝土弹性模量试验结果如图 3和图 4所 示 。从图中可以看出： 掺钠基膨润土 A的塑性混 凝土的弹性模量均高于掺钙基膨润土 B的塑性混 凝土弹性模量( 约 1 5 倍) 。随着膨润土掺量的增 妞 j 慧 图 3 塑性混凝土弹性模量随龄期的变化 一2 8 d ( A) 一9 0 d ( A)+1 8 0 d ( A) +2 8 d ( B) 一9 0 d ( B )+1 8 0 d ( B ) 融 膨润土掺量 图 4 塑性混凝弹性模量 随膨 润土掺量 的变化 E - m a ： j z h h u e d u c n h t tp： k k b h h u e d u c n 8 6 4 2 O 8 6 4 2 C 加 ， 塑性混凝土的弹性模量都有大幅度降低 ； 当膨润 土掺量由 2 0 增加到 4 0 时塑性混凝土 的弹性模 量有明显降低 ， 当膨润土掺量在由 4 0 变化到 6 0 时塑性混凝土弹性模量并无显著变化 ， 此 时膨润土 主要是起填充作 用， 可以认 为是塑性混凝土 中的非 活性矿物外加剂起 到调节塑性混凝土强度等级 、 节 约水泥、 提高塑性混凝土产量 、 降低混凝土水化热等 作用 ， 当膨润土当掺量超过 6 0 时 ， 弹性模 量急剧 下降 ； 2 8 9 0d掺钠基膨润土 A的塑性混凝土弹性 模量平均增长约为 3 0 、 掺钙基膨润土 B的塑性混 凝土弹性模量平均增长了 2 2 ， 9 01 8 0 d 掺钠基膨 润土 A和钙基膨润土 B的塑性混凝 土的弹性模量 平均增长均为 1 0 左右 ， 而 9 0d1 8 0 d掺钠基膨润 土 A和钙基膨 润土 B的塑性混凝 土的抗压强度平 均增长 了 7 5 左右 ， 由于 目前还没有有关塑性混 凝土试 验方 面 的规 范或 规程 ， 弹性模 量 测试参 照 S L 3 5 2 -2 0 0 6 ( 水工混凝土试验规程 操作 ， 可能使加 荷 、 卸荷循环次数增加而导致塑性混凝土 的弹性模 量与真值有偏差E 8 -9 ， 但 9 0 d 后抗压强度与弹性模量 增长均有限。因此对于塑性混凝土建议采用 9 0 d的 龄期作为其力学性能试验的标准养护龄期 。 4 4 塑性混凝土相对渗透系数 塑性混凝土相对 渗透 系数 试验结果 如表 6所 示。从表 6中可以看 出： 掺钠基膨 润土 A的塑性 混凝土的相对渗透 系数 明显低 于掺钙基 膨润 土 B 的塑性混凝土的渗透系数 ， 即掺钠基膨润土 A的塑 性混凝土的抗 渗性能优 于掺钙基膨润土 B的塑性 混凝土的抗渗性能； 掺同种膨润土的塑性混凝土 随着膨润土掺量的变化 ， 其相对渗透系数相差不大。 产生上述现象 的主要原 因是 由于钠 基膨润土 A的 胶质价高于钙基膨润土 B的胶质价 ， 含钠离子的膨 润土 A的水化能力大 于二 价钙离子膨润 土的水化 能力 J ， 从而钠基膨润土 A的分散性和水化程度都 高于钙基膨润土 B的分散性 和水化程度 ， 膨润土与 水泥水化产物便能够较充分地 发生化合作用 ， 充分 填充混凝土内的毛细孔， 从而使混凝土 内的大孔得 到细化 ， 改善 了混凝土 内的孔结构 ， 降低 了混凝土的 孔隙率， 从而使钠基膨 润土塑性 混凝 土的抗渗性能 优于钙基膨润土塑性混凝土 的抗渗性 ， 同时膨润土 表 6 塑性 混凝土 2 8 d 龄期相对 渗透 系数 渗水 相对渗透 渗水 相对渗透 编号 高度 系数 编号 高度 系数 n l l l ( c m s ) m l n( e m s 一 ) A1 5 8 2 5 31 0 6 B1 1 4 1 1 511 0 5 A 2 2 8 5 8 9 1 0 7 B 2 1 2 3 1 1 41 0 5 A 3 2 7 5 6 9 1 0 B 3 1 1 9 1 0 91 0 5 A 4 2 1 3 4 0 x 1 0 B 4 5。 0 1 9 3 1 0 6 中的蒙脱石和高岭石属层状结构 ， 遇水膨胀 ， 也使各 组分相互挤压。这种化学和物理 的双重作用 ，使塑 性混凝土结构致密， 抗渗性提高u 。 。掺同种膨润土 的塑性混凝土相对渗透系数随膨润土掺量 由低到高 变化相差不大 ， 这主要是 由于在水泥用量较高 的情 况下， 水泥石骨架比较密实， 强度较高， 提高膨润土 掺量可 以有效地使体 系中的 自由水变成结合水 ， 从 而使渗透系数减小， 但是效果并不明显【 l l- 12 。 5 结论 a 掺钠基膨 润土的塑性混凝土 的抗压强度和 弹性模量均为掺钙基膨润土塑性混凝土抗压强度和 弹性模量 的 1 5倍 左 右 ， 且 前者 的抗 渗 性能 优 于 后者 。 b 塑性混凝土中膨润土掺量不宜超过 6 0 ， 宜 控制在 2 0 4 o 之 间。对 于塑性混凝 土建议采 用 9 0 d 龄期作为其力学性能试验的标准养护龄期 。 c 塑性混凝土的抗压强度和弹性模量都随膨润 土掺量的增加而降低 ， 但膨润土掺量与抗压强度和弹 性模量之间是否存在线f 生 关系有待于进一步研究。 参考文献 ： 1何润芝， 何丽娟 防渗墙低弹塑性混凝土的试验研究与 应用 J 混凝土， 2 0 0 6 ， 3 ( 9 ) ： 7 1 0 2高丹盈 ， 严克兵 ， 胡良明， 等 膨润土类型对塑性混凝土 性能的影响 J 水力发电学报， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 3 ) ： 1 1 3 1 1 5 3李清富， 张鹏， 曹宏亮 塑性混凝土拌合物工作性影响 因素的试验研究 J 施工技术， 2 0 0 5 ， 3 4 ( 4 ) ： 4 0 - 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