礦渣微粉延遲混凝土內(nèi)鈣礬石形成的效果

礦渣微粉延遲混凝土內(nèi)鈣礬石形成的效果

混凝土硬化膨脹損壞主要是水泥內(nèi)C3A水化后生成的鈣礬石膨脹所致，是混凝土澆注和預(yù)制件在較高的溫度下固化常見的問題。現(xiàn)將土耳其某研究單位對混凝土內(nèi)摻礦渣延遲膨脹的研究情況介紹如下：

1　延遲鈣礬石的形成

鋁酸三鈣（C3A）是水泥熟料內(nèi)4種主要成分之一，在混凝土固化過程中，與水快速反應(yīng)凝固（方程式1）。為減緩砂漿早期凝固，熟料在水泥磨內(nèi)粉磨時，加入石膏，所磨制的水泥在加水凝固過程中，C3A釋放的（Al（OH）4）-和Ca2+離子與石膏內(nèi)（SO4）2-離子作用，生成鈣礬石（方程式2）。當(dāng)水泥內(nèi)所有的硫酸鹽反應(yīng)消耗后，鈣礬石進(jìn)一步水化，生成無水硫酸鹽（方程式3）。此過程中，較早生成的均勻的鈣礬石在混凝土尚未硬化前所產(chǎn)生的膨脹是可以容納的，其有利之處是減緩凝固時間。

硬化后的混凝土內(nèi)，所生成的不均勻的鈣礬石產(chǎn)生的膨脹能使硬化的混凝土產(chǎn)生裂紋、剝落和損壞。

通過電子顯微鏡對硬化后的混凝土掃描顯示，混凝土內(nèi)生成不同形式的鈣礬石，通常所形成的鈣礬石是球狀簇晶體，或不同尺寸的平行針狀體。若鈣礬石晶體外無障礙物（如毛細(xì)孔），則鈣礬石呈針狀晶體。

圖1　試樣溫度

2　影響延遲鈣礬石形成的因素

影響延遲鈣礬石形成的因素有：硬化溫度、水泥的化學(xué)成分、比表面積、集料性能、孔隙溶液、裂紋、外加劑等。

3　實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)研究的目的是通過實(shí)驗(yàn)研究確定礦渣微粉延遲鈣礬石形成對膨脹的影響。為此制備了帶3種不同比表面積和3種不同摩爾比的9種不同類型的受控水泥，然后加入石膏，再將不同數(shù)量的礦渣微粉與這些受控水泥混合，總共制備了36個水泥試樣。

試驗(yàn)用的熟料由Bolu水泥廠生產(chǎn)，石膏和礦渣均來自工廠附近的礦山和鋼鐵廠，全部試驗(yàn)均在Bolu水泥廠質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。

在高溫工況下制備水泥漿體固化，所有試樣所需的水量按IS EN196-1規(guī)定確定，同時按規(guī)定制備試樣。最終，砂漿加熱硬化用混凝土工業(yè)預(yù)制件制備時加熱硬化的常用方式進(jìn)行，同時，按所敘述的流程測量膨脹量。

熟料和石膏與加入5%重量的石灰石共同粉磨成3種比表面積為4 000、4 750、5 500cm2/g的受控水泥。

石膏單獨(dú)粉磨至5 000cm2/g的細(xì)度，然后加入至制備好的受控水泥內(nèi)，以獲得0.8、1.0和1.2的摩爾比的SO3/Al2O3。

礦渣被磨至5 341cm2/g的細(xì)度與普通水泥混合，提前制備3種不同性能的水泥。

已制備的36種不同水泥中，9種為無礦化物加入的受控水泥。礦渣微粉按重量摻入受控水泥中的比例分別為10%、30%和50%。

在膨脹試驗(yàn)過程中，為減少混凝土內(nèi)集料對膨脹的影響，試驗(yàn)采用水泥漿體，而不使用混凝土砂漿。漿體按試驗(yàn)前確定的需水量制備。

漿體硬化后，試樣按圖1所示循環(huán)硬化，然后試樣放置在20℃的水中養(yǎng)護(hù)。

試樣在水中放置3d后，放置在圖2所示的濕干循環(huán)環(huán)境中，然后測試試樣的膨脹量。

初始的膨脹測試記錄后，在240d、1 450d分別對試樣進(jìn)行膨脹測試，以檢測試樣的長期膨脹效應(yīng)。

圖2　試樣濕干循環(huán)

圖3　受控樣品的膨脹量

圖4　SO3/Al2O3摩爾比0.8、比表面積4 000cm2/g試塊的膨脹量

4　結(jié)果和討論分析

試驗(yàn)表明，當(dāng)試樣中SO3/Al2O3摩爾比增加時，樣品的膨脹量增加。

所有受控水泥樣品所測的膨脹量見圖3。比表面積高的樣品在長期存放后，膨脹量增加顯著，所測得的最大膨脹值是SO3/Al2O3摩爾比為1.2、比表面積5 500cm2/g的試樣。

為了測試不同細(xì)度礦渣微粉對試樣膨脹的影響，加入受控水泥中的礦渣微粉重量分別為10%、30%和50%。礦渣微粉細(xì)度為4 000cm2/g、SO3/Al2O3摩爾比為1.2，這些數(shù)值與工業(yè)平均值接近，樣品的平均值見圖4。

通常，加入礦渣微粉會減少試樣膨脹量。測試表明，增加礦渣微粉數(shù)量，短期和長期均會減少試樣的膨脹量。對摻入50%礦渣微粉量的試樣進(jìn)行測試的情況是，240d后出現(xiàn)膨脹最大值，以后膨脹值趨于穩(wěn)定，試樣呈現(xiàn)高度的穩(wěn)定性。

5　結(jié)語

（1）礦渣微粉取代部分水泥，將減少膨脹，主要是水泥成分中C3A水化的效果。

（2）4 000cm2/g細(xì)度的水泥中，加入10%的礦渣微粉足以控制試樣膨脹，而4 750cm2/g、5 500cm2/g細(xì)度的水泥則需增多礦渣微粉加入量。

（3）對于高細(xì)度值的水泥，為減少試樣膨脹，加入的礦渣微粉最低數(shù)量為30%，若加入的礦渣微粉數(shù)量繼續(xù)增加，試樣膨脹效率仍與礦渣微粉摻量為30%時接近。但水泥中含有高的SO3或堿含量時，為抑制試樣膨脹，需增加礦渣微粉數(shù)量。

（4）在水泥中加入較高數(shù)量的礦渣微粉能夠控制試樣膨脹的主要原因是延遲鈣礬石的形成，需加入30%的礦渣微粉才能達(dá)到效果。其原因是在混合水泥中，隨著礦渣微粉數(shù)量的增加，混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性增加。

陳友德編譯自

No.12/2015

World Cement