低水泥摻量泵送商品混凝土的性能研究

劉文正 李 鑫 關(guān) 鑫 孫 健 丁 銳

（吉林建筑大學(xué)， 吉林 長春 130000）

0 前言

在過去的五年中，我國商品混凝土產(chǎn)量達(dá) 11.8億立方米，較 2018年增長27.7%。在過去的 10年間，中國商品混凝土產(chǎn)量的年均增長率為 32.6%。而近幾年，我國商品混凝土產(chǎn)量的增加主要集中在一些經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)、發(fā)展增速較快、社會(huì)投資巨大、對水泥需求猛增的省份，譬如湖北、河北、吉林等。2017年，吉林省全年商品混凝土生產(chǎn)量為305.8萬立方米，處于全國的中游水平。影響商品混凝土的價(jià)格的因素較多，它的價(jià)格主要由原材料的成本，加工運(yùn)輸成本，人工成本，還有利潤組成的。不同標(biāo)號(hào)以及不同性能要求不同的混凝土的配比不一樣，也就是原材料組成不一樣。具體價(jià)格，吉林省內(nèi)以C40混凝土為例，一立方米的價(jià)格為 320元左右。如果對混凝土性能有特殊要求的，如早強(qiáng)、膨脹、防凍等，因要在配合比里加入相應(yīng)的外加劑，每一方價(jià)格要提高10到30元不等。

混凝土的各種原料中，水泥的價(jià)格最貴。因此，為了降低成本并提高混凝土的工作性及耐久性，商混企業(yè)普遍采用水泥+礦物摻合料作為復(fù)合膠凝材料體系，這樣一來既可以有效的降低混凝土的成本，又可以降低混凝土的早期水化熱，減小溫度收縮裂縫出現(xiàn)的幾率，并提高后期強(qiáng)度。但我省今年水泥價(jià)格較貴，PO42.5水泥已由去年的320元上漲到510元/噸，在施工旺季的時(shí)候，原料價(jià)格的上漲勢必會(huì)增加企業(yè)的成本，造成商混市場的波動(dòng)。有一些私企就會(huì)對混凝土的質(zhì)量控制不好，所以，如何在保證混凝土質(zhì)量的前提下調(diào)節(jié)混凝土的配合比，增加礦物摻合料的用量是未來商混發(fā)展的一個(gè)主要趨勢。

1 礦物摻合料

礦物摻合料主要使用的是礦渣和粉煤灰，其中礦渣的水硬性質(zhì)比較好，粉煤灰的水硬性相對較差一點(diǎn)，但是成本也相對的便宜。使用粉煤灰的一個(gè)重要原因是因?yàn)榉勖夯沂乔驙铑w粒，具有滾珠的作用，起到填充骨料空隙和潤滑骨料的作用，很好的增加商品混凝土的流動(dòng)性能，也是使其可以作為泵送混凝土的摻合料來使用的原因。未來建筑的樓層越來越高，泵送混凝土已經(jīng)成為了當(dāng)今世界的主流，所以粉煤灰和礦渣的用量以及使用將越來越被重視。那么，如何最大限度的激發(fā)礦物摻合料的用量來達(dá)到高摻量混凝土性能的保證和經(jīng)濟(jì)也是我們需要解決的問題。

2 堿激發(fā)技術(shù)

綜上所述，為降低混凝土的早期水化熱，延緩水泥的初凝時(shí)間，方便施工，并為了使混凝土具有優(yōu)良工作性能及經(jīng)濟(jì)及性能，礦物摻合料的使用是目前工程中主要做法。混凝土中摻合料的作用除了提高工作性及降低成本以外，摻入的摻合料可以起到增加后期強(qiáng)度的作用，摻合料中的活性SiO2和Al2O3會(huì)與水泥水化形成的 Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成CSH凝膠及水化鋁酸鈣晶體。但當(dāng)激發(fā)劑摻量較大時(shí)，混凝土中的堿度較低，并不能有效激發(fā)礦物摻合料的活性，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度發(fā)展較慢，后期強(qiáng)度變差。因此，礦物摻合料摻量較大時(shí)，就必須采用新的方法對其進(jìn)行激發(fā)。

強(qiáng)堿（氫氧化鈉、水玻璃、碳酸鈉、硫酸鈉等）是活性混合材的良好激發(fā)劑。混凝土中礦物摻合料的激發(fā)過程，實(shí)際上與堿激發(fā)膠凝材料制備過程一樣，是采用強(qiáng)堿來激發(fā)活性礦物摻合料中的活性二氧化硅與活性三氧化二鋁，在氫氧根的作用下，硅氧鍵和鋁氧鍵斷裂，在后期通過橋氧連接起來，使其水化產(chǎn)物中形成大量與一些構(gòu)成地殼物質(zhì)相似的化合物--含硅鋁鏈的“無機(jī)聚合物”。這種水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)是以硅氧四面體與鋁氧四面體聚合而成的具有非晶態(tài)和準(zhǔn)晶態(tài)特征的三維網(wǎng)絡(luò)聚合體。

3 有關(guān)泵送混凝土的研究

混凝土能夠泵送到指定的高度，是因?yàn)榛炷林写龠M(jìn)流動(dòng)的水泥漿的數(shù)量是足夠的，但是為了確保水泥漿數(shù)量的足夠我們不能單純的去增加用水量、單純的增加水泥用量或者單純的在保持水灰比不變的情況下增加水泥漿體的用量。因?yàn)槟蔷鸵馕吨杀镜脑黾印Ｋ詾榱舜_保水泥具有可泵性，我們通常加入高效的減水劑。但是高效減水劑的摻量也不能過多，會(huì)降低黏聚性和保水性。

所以，在加入外加劑合適的情況下，想增加可泵性并不是通過多加入粒化高爐礦渣，而是通過加入粉煤灰，因?yàn)榉勖夯疫@個(gè)球狀顆粒可以潤滑骨料的表面，使它的流動(dòng)性增加。但是粉煤灰的活性要比礦渣的活性低很多，從成本角度來看，礦渣一噸大約在二百多元錢，粉煤灰一噸一百多元。所以單純增加粉煤灰去增加混凝土的可泵性會(huì)導(dǎo)致后期強(qiáng)度達(dá)不到需要的強(qiáng)度。

我們通過選用適當(dāng)?shù)膲A來激發(fā)粉煤灰的活性，選用的堿不是氫氧化鈉，而是選用的水玻璃（水化硅酸鈣）。水玻璃能夠激發(fā)粉煤灰等礦物摻合料的原因是因?yàn)椋核Ａё鳛橐环N堿性激發(fā)劑，作用在粉煤灰、礦渣等礦物摻合料中可以激發(fā)一定的活性。當(dāng)水玻璃摻量為小于 5% 時(shí)，其水解生成的硅酸膠體有限，氫氧根離子的量不多，雖然部分氫氧根離子能進(jìn)入漿體內(nèi)部但擴(kuò)散到礦物摻合料表面會(huì)很有限。從而導(dǎo)致氫氧根離子的濃度不大，不能使礦物摻合料玻璃體中的Si-O、Al-O鍵斷裂，進(jìn)而玻璃體也不會(huì)充分解體，那么就不會(huì)有充分的鈣離子、鎂離子和硅氧陰離子團(tuán)溶出，生成網(wǎng)絡(luò)狀的凝膠體。因此，分散的礦物摻合料顆粒不能被有效地連接起來，漿體的力學(xué)性能得不到有效地改善[1]，砌塊的抗壓強(qiáng)度提高程度也不會(huì)明顯。上述水玻璃摻量為 3% 和 4% 的試驗(yàn)顯示： 砌塊的 7d抗壓強(qiáng)度僅有8.61%、19.14%的提高，沒有達(dá)到預(yù)期的效果。當(dāng)水玻璃摻量大于5%時(shí)，水玻璃水解生成了大量Si(OH)4硅酸膠體，并產(chǎn)生大量的氫氧根離子。

隨著水解反應(yīng)的深入，氫氧根離子濃度液增大導(dǎo)致玻璃體的解體，水化生成凝膠體將礦物摻合料顆粒有效地連接起來，同時(shí)硅酸膠與液相中的離子和基團(tuán)相互吸附又增強(qiáng)了各組分之間的連接能力，因此膠體的強(qiáng)度也得以改善[1]，對應(yīng)摻量為5% 至7% 水玻璃，7d抗壓強(qiáng)度分別有35.25% 、33.47% 、34.21% 的提高，提升效果顯著。