高强水泥基材料研究进展

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁BULLETINOFTHECHINESECERAMICSOCIETY󰀁󰀁硅󰀁酸󰀁盐󰀁通󰀁报

󰀁󰀁󰀁󰀁Vo.l28󰀁No.4

󰀁󰀁󰀁󰀁August,2009󰀁

高强水泥基材料研究进展

汪智勇,张文生,叶家元

(中国建筑材料科学研究总院,绿色建筑材料国家重点实验室,

建材行业水泥基材料科学重点实验室,北京󰀁100024)

摘要:高强水泥基材料是水泥基材料的一个重要发展分支。通过介绍高强/高性能混凝土、高致密水泥基均匀体

系、无宏观缺陷水泥、活性粉末混凝土等高强水泥基材料的发展、特点、制备方法以及研究应用进展,归纳总结出了水泥基材料高强化的途径,并且指出了高强水泥基材料发展方向与亟待解决的问题。关键词:高强;水泥基材料;高强化途径中图分类号:TQ172󰀁󰀁文献标识码:A

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文章编号:1001󰀁1625(2009)04󰀁0761󰀁06

ResearchProgressinHighStrengthCement󰀁basedMaterials

WANGZhi󰀁yong,ZHANGWen󰀁sheng,YEJia󰀁yuan

(ChinaBuildingMaterialsAcademy,StateKeyLaboratoryofGreenBuildingMaterials,

TheKeyLaboratoryofCement󰀁basedMaterialScience,Beijing100024,China)

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

Abstract:Highstrengthcement󰀁basedmaterialsisanimportantbranchinthedevelopmentofcement󰀁basedmaterials.Highstrengthconcrete/Highperformanceconcrete(HSC/HPC),Densitifiedsystemcontaininghomogeneouslyarrangedultrafineparticles(DSP),Macrodefectfreecement(MDF),Reactivepowderconcrete(RPC)andotherhighstrengthcement󰀁basedmaterialsarereviewedinthispaper,andseveralmeasurementsforimprovingstrengthofcement󰀁basedmaterialsareproposed.Atlas,tthedevelopmentdirectionofhigh󰀁strengthcement󰀁basedmaterialsisexploredandexistingproblemsinhigh󰀁strengthcement󰀁basedmaterialsarepointedou.tKeywords:highstrength;cement󰀁basedmaterials;measurementsforimprovingstrength

1󰀁引󰀁言

近年来,水泥基材料的研究与应用都取得了长足的进展。现代水泥基材料在力学性能、耐久性能方面都有大幅度地提高,甚至具有一些功能性,水泥基材料出现了不同分支,高强水泥基材料是其中重要的一个分支。水泥基材料本来是一种多孔材料,但是随着化学外加剂和矿物掺合料特别是超细矿物掺合料,以及压制成型等技术在水泥基材料制备中的应用,水泥基材料变得更加密实,与此同时也获得了更高的强度,在此基础上出现了多种高强水泥基材料。20世纪60、70年代以来,出现了HSC、DSP、MDF、RPC等新型高强水泥基材料,这些新型水泥基材料的出现为水泥基材料的发展增添了新活力。

2󰀁高强/高性能混凝土(HSC/HPC)

20世纪60、70年代,随着高效减水剂的迅速发展和广泛应用以及水泥生产工艺改进带来水泥质量的提

基金项目:国家科技支撑计划(No.2006BAJ03A09󰀁01)资助项目

作者简介:汪智勇(1983󰀁),男,硕士,助理工程师.E󰀁mai:lwangzhiyong0124@126.com。

󰀁762综合评述硅酸盐通报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第28卷

高,使得混凝土强度大大提高,随之出现了高强混凝土(Highstrengthconcrete,HSC)。在20世纪60年代,美国混凝土协会将41MPa以上的混凝土称为高强混凝土,到了70年代,认为61MPa以上的混凝土是高强混凝土。不同国家对高强混凝土的定义也不完全一样,德国和法国标准中规定C60󰀁C65以上等级的混凝土为高强混凝土,日本和英国标准中规定强度等级在C80以上的混凝土为高强混凝土,而挪威标准中的高强混凝土强度等级达C105,我国一般认为C50~C60以上强度等级的混凝土是高强混凝土。高性能混凝土(Highperformanceconcrete,HPC)是20世纪90年代发展起来的一种水泥基材料,一般认为高性能混凝土应具备的特征是高强度、优良的工作性能和耐久性能。高强和高性能混凝土从定义到具备特征以及制备工艺均非常相似,通常不加严格区分。

高强/高性能混凝土的制备思路是选用优质的原材料(如高标号水泥、活性掺合料、优质集料等),使用高效减水剂降低混凝土的水胶比,添加活性矿物掺合料提高混凝土的填充密实度和改善水化产物的形态,有时还加入纤维增强或与钢管进行复合来提高混凝土的强度和韧性。国内外的研究者按照这个思路制备出了强度达到100~240MPa的高强/高性能混凝土。与普通混凝土相比,高强/高性能混凝土除了具有较高的抗折抗压强度外,还具有较高的抗劈拉强度、与钢筋的粘结强度,抗渗性、抗冻性、抗化学侵蚀、抗碳化以及耐磨性等也非常优异。由于高强/超高强混凝土具有优异的力学性能和耐久性能,在建设中使用高强/高性能混凝土不仅能够减少建筑的体积,还能提高建构筑物的寿命,降低其维护和修补成本,具有较好的经济性

[5]

[3,4]

[2]

[1]

,在国内外广泛应用于水利、交通、建筑等重大工程中。

3󰀁高致密水泥基均匀体系(DSP)

高致密水泥基均匀体系(Densitifiedsystemcontaininghomogeneouslyarrangedultrafineparticles,DSP)是丹麦Aalborg波特兰水泥混凝土实验室的Bache等在20世纪70年代末首先研制出来的一种水泥基高强材料。

[6,7]

Bache等用70%~80%的水泥和20%~30%活性硅灰(平均粒径0.1~0.2󰀁m),加入1%~4%的超塑化剂将w/b降至0.13~0.16,制备出抗压强度高达120~260MPa,抗折强度高达150MPa的DSP材料。后来研究者在DSP材料中逐渐加入了超硬细集料、纤维、矿渣、超细粉煤灰等0.22,抗压强度也达到了300MPa以上。

[6]

[8󰀁10]

,w/b范围逐渐扩大至0.12~

DSP的制备主要是从降低水泥基材料孔隙率提高材料密实性出发,使用超细粉末填充水泥颗粒之间的空隙(如图1所示),加入高效减水剂降低水胶比,制得的DSP材料孔隙率非常低。研究表明的孔隙率小于3󰀂10

-2

[11]

,DSP材料

cm/g,且其中大部分孔均是小于25nm的微孔,水泥浆体非常密实。

3

图1󰀁水泥浆体中颗粒堆积的示意图

Fig.1󰀁Schematicmodelofparticlespackingincementpaste

󰀁󰀁DSP具有非常高的强度,优异的抗渗耐侵蚀等性能,而且比其它工程材料成型更加方便,因而在其发明之初便申请了很多应用性的专利,且在20世纪80年代由丹麦的DensitA/S和美国的Elborg制造公司将其推向了市场

[12]

。该材料最早用作恶劣环境中混凝土的保护层,后来又用来代替铸石、橡胶和钢材作为内衬

󰀁第4期汪智勇等:高强水泥基材料研究进展

[12]

󰀁763

材料,以及用作更复杂的工程材料如制作螺栓、冲压模具等零件中大量未水化的水泥颗粒也成为其潜在的威胁。

。DSP材料存在的最大问题是高脆性,其

4󰀁无宏观缺陷水泥(MDF)

20世纪80年代初,英国帝国化学公司和牛津大学的Birchall和Howard等将普通水泥与少量的水、甘油以及一些水溶性的聚合物经高效剪切搅拌后压制成型,得到一种抗压强度达到200MPa、抗折强度达到60~70MPa的新型水泥基材料,这种材料内部基本上消除了宏观缺陷,因而被称为无宏观缺陷水泥(Macrodefectfreecemen,tMDF)。随后很多研究者都对MDF开展了研究,并且利用铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥成功

[14,15]

地制备了MDF,且效果较硅酸盐水泥更好,特别是铝酸盐水泥。在研究过程中还加入了偶联剂等有机物对MDF进行改性,MDF的强度也达到了300MPa以上。

MDF水泥基材料采用低水胶比和压制成型工艺,具有非常高的密实性,空隙率也非常低,小于6󰀂10

3

[16]

-3

[13]

cm/g,且孔径小于25nm的微孔占总空隙率的80%以上,孔径在200nm以上的大孔几乎没有。由于MDF制备过程中水胶比非常小(通常为0.08~0.20),水泥粒子水化程度较小,未水化颗粒表面包裹着一层水化产物,水化产物之间相互胶合并与有机聚合物交联成整体。基于上述原因,MDF材料具有很高的强度以及较高的韧性、低抗渗性、良好的抗溶剂性和抗酸碱腐蚀性能。

在后来的研究中,人们发现MDF不仅具有很好的力学性能,还具有很好的介电性能、电磁屏蔽性能、吸音减震性能、抗冲击性能等,MDF用来作为发电机发动机等的底座、音响、电磁屏蔽材料(加入铁粉)、防弹材料等。

[20]

MDF材料也存在着一些缺点,即抗水能力较差,收缩较大以及制备工艺较复杂,这些缺点了MDF材料的大规模应用。

[17󰀁19]

5󰀁活性粉末混凝土(RPC)

20世纪90年代初,法国的Bouygues科技公司以Richard为首的研究组首先研制活性粉末混凝土(Reactivepowderconcrete,RPC)

[21]

,这种水泥基材料具有高强高韧性等突出的优点,很快便成为混凝土界

-2

研究的新热点。RPC的抗压强度可达200~800MPa,断裂能可达40kJ m。为了使RPC具有超高的强

[22]

度和优异的韧性,PierreRichard等提出了RPC的5个基本原则:

为了提高材料的均质性避免用粗集料;

通过优选级配和压制成型来提高材料的密实度;通过高温养护来改善材料的微观结构;加入微细钢纤维来提高材料的韧性;

保持搅拌和浇筑过程与现有的习惯一致。

用来配置RPC的材料主要有水泥,硅灰,石英砂,石英粉,高效减水剂以及微细钢纤维,有时还加入粉煤灰、矿渣等。为了获得高强度,RPC中的水泥用量比普通水泥混凝土要高,何峰等

3

[23]

认为RPC中水泥用量

宜在800kg/m,硅灰用量一般为水泥用量的15%~30%,石英粉为水泥用量的20%左右,石英砂一般为胶凝材料总量的0.8~1.2倍,微细钢纤维的量一般为体积的1.5%~3.0%,并且随着各原材料产地和质量的不同而有所不同。RPC的水胶比也非常低,通常在0.14到0.22之间。

RPC分为两种,RPC200和RPC800。RPC200的制备程序通常是先将水泥、硅灰、石英粉和石英砂混合均匀,然后加入钢纤维搅拌均匀,加入一半溶解了高效减水剂的水进行搅拌,最后加入另外一半水搅拌均匀。将拌合物浇筑到模具中,振实,标准条件下养护14~24h脱模,然后在90!下水养或蒸养。RPC800的制备程序与RPC200相似,在成型时或者是凝结后压实并挤出多于的水分,并且脱模后在250~400!下进行高温养护。

由于RPC的制备工艺中需要高温养护,因而RPC不能直接在现场施工,其使用形式主要是预制构件。󰀁7综合评述硅酸盐通报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

[24]

第28卷

1997年在加拿大的魁北克建起了世界上第一座RPC步行桥󰀁Sherbrooke步行桥

[25]

,后来又在悉尼用RPC建

起了第一座普通公路桥,RPC还在韩国、日本等步行桥的建设中得到了应用,值得一提的是RPC在我国

[26]

青藏铁路中的铁路桥人行道系统中进行了应用。RPC除了应用于桥梁外,还用于压力管道、核废料储存容器等预制件的制作中,还可以用作修补和翻新材料

[27,28]

。

6󰀁其他高强水泥基材料

除了上述高强水泥基材料外,近几十年中出现的高强水泥基材料还有碱激发胶凝材料,聚合物浸渍混凝土,化学结合陶瓷等。

碱激发胶凝材料(Alkali󰀁activatedBinder)是以碱性物质(通常为水玻璃、NaOH等)激发矿渣、粉煤灰、偏高岭土等的活性矿物反应得到硬化体,硬化体中通过碱将硅氧四面体链接成长链,因而具有很高的强度(可达100MPa以上),特别是早期强度发展快

[29󰀁30]

。近年来国际上研究较热门的Gepolymer便属于碱激发胶凝

材料。碱激发胶凝材料的弱点就是脆性高,收缩大。

聚合物浸渍混凝土(Polymerimpregnatedconcrete,PIC)是一种用有机单体浸渍到混凝土的空隙中,然后经过适当的工艺使空隙中的有机物单体聚合形成的有机󰀁无机复合水泥基材料。PIC可以达到很高的强度(抗压强度100~300MPa),很好的韧性,抗冻、耐腐蚀性能也非常好

[31]

,不过其制备工艺非常复杂,成本较

高,而且制备中毒性较大,了其使用。化学结合陶瓷(Chemicallybondedceramic,CBC)是指在室温或者较低温度(<400!)时通过化学反应得到性能接近陶瓷的一类水泥基材料

[32]

。化学结合陶瓷中研究和应用较多的是磷酸盐化学结合陶瓷,通常

是由金属氧化物与磷酸或可溶性磷酸盐以及添加剂、矿物掺合料按照一定的比例,在酸性条件下通过化学反应生成以磷酸盐为粘结相的胶凝材料。磷酸盐化学结合陶瓷在室温下发生化学反应,随后凝结硬化,最终的水化产物具有陶瓷制品的高力学性能、高致密度以及耐酸碱腐蚀等性能,是一种新型的水泥基材料。磷酸盐化学结合陶瓷可以用来作为修补材料、固化有害及放射性废弃物、修补牙齿骨骼等用途

[33]

。

7󰀁水泥基材料高强化途径

从上述水泥基高强材料的制备方法中可以看出,水泥基材料高强化主要可以从选用优质原材料、增加密实性以及增加水泥颗粒之间及与集料之间的结合三个方面着手采取措施。优质原材料是制备高强水泥基材料的基础,增加所制备材料的密实性和增加水泥颗粒之间以及与集料之间的结合力是制备高强水泥基材料的重要手段,水泥基材料高强化的具体途径有:

(1)选取优质高胶凝性水泥、高活性矿物掺合料、优质高强集料;

(2)选用优质高效减水剂,尽量降低水胶比;(3)合理控制原材料颗粒级配与形状,粗集料、细集料、水泥(平均粒径20~30󰀁m)、超细矿渣/粉煤灰(平均粒径3~6󰀁m)、硅灰(平均粒径0.1~0.26󰀁m)搭配,增加浆体的堆积密实性;

(4)压力成型,使浆体更加密实,消除因不密实造成的较大缺陷;

(5)热养护或使用激发剂,促进水泥以及活性掺合料的水化,增加水化产物,使之产生高强;(6)加入高模量纤维(如金属纤维、碳纤维等)进行增强;(7)加入有机高分子,改善水泥颗粒之间及浆体与集料之间的结合;

在实际中,可以根据所制备高强水泥基材料的强度要求,从上述高强化途径中选取若干便于实际操作的途径,制备出所需的高强水泥基材料。

8󰀁高强水泥基材料的发展趋势以及存在的问题

从高强水泥基材料的发展可以看出,20世纪70、80年代发展起来的DSP、MDF等水泥基高强材料虽然性能突出,但是由于生产工艺复杂、成本高昂,只是在特殊领域有小规模的应用。而高强/高性能混凝土、活󰀁第4期汪智勇等:高强水泥基材料研究进展󰀁765

性粉末混凝土等高强水泥基材料生产工艺相对较简单、成本也在实际工程可以接受的范围内,得以大范围应用与实际建设工程中。当今高强水泥基材料朝着高性能化、适用化的方向发展。

目前高强水泥基材料还存在着一些共性问题。首先是成本仍然比较高昂。由于要达到高强需要使用较多的水泥、高效减水剂、高性能矿物掺合料(如硅灰)以及碳纤维、钢纤维等材料,甚至要用到特殊的加工工艺如热压等使得高强水泥基材料的成本大大高于普通水泥基材料。其次,高强水泥基材料施工较为复杂。由于高强水泥基材料所含组分较多,可能要适用复杂加工工艺,其施工工艺较为,施工难度相对较大。另外,高强水泥基材料自身也有一些问题还未研究透彻,如所用胶凝材料较多而造成收缩增大,由于水胶比较低使得材料中未水化部分增多,会不会对材料安全性形成威胁等等。只有通过不但的研究探索,才能慢慢的解决和减少这些问题给高强水泥基材料应用带来的阻碍。

9󰀁结󰀁语

随着经济的快速发展,高强水泥基材料应用越来越广泛,对水泥基材料的要求也越来越高。通过对高强/高性能混凝土、高致密水泥基均匀体系、无宏观缺陷水泥、活性粉末混凝土等高强水泥基材料的介绍,可以从这些高强水泥基材料的制备方法和思路中总结出一些规律和方法,借鉴到所需的水泥基材料中,制备出所需性能的高强水泥基材料,让水泥基材料更好的为经济建设服务。

参

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(下转第770页)

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󰀁770

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