不同顆粒細度的復合摻合料對混凝土性能的影響①

□□ 岳光亮，謝瑞興，郭文倩，彭立剛，唐櫻燕，莫立武

(1.山東眾森新材料有限公司，山東 濟南 250000； 2.山東眾森科技股份有限公司，山東 濟南 250000； 3.南京工業大學 材料科學與工程學院 材料化學工程重點實驗室，江蘇 南京 210009)

引言

我國每年排出的鋼渣、錳渣、鎳渣、脫硫石膏等各種廢渣達數億噸，且逐年快速增長，工業廢渣作為排放量最大的固體廢棄物，對自然環境、人類生活和社會發展都造成了巨大的影響[1]。長期以來，將工業廢渣進行建材化利用一直是國內外科研人員共同研究的重點和熱點課題[2]。水淬礦渣粉、粉煤灰在商品混凝土行業中已經成熟應用，但受限于上游原料市場緊張，質量越來越不穩定，混凝土的性能也受到影響。本文依據JG/T 486—2015《普通混凝土用復合摻合料》標準，采用工業固廢材料鋼渣、煅燒煤矸石、錳渣等材料按照一定比例混合粉磨，制備不同細度的復合摻合料，檢測不同細度的復合摻合料對水泥凈漿流動度D影響和對混凝土工作性能及強度的影響，同時對微觀結構進行了分析，為復合摻合料的粉磨制備及應用提供基礎[3-4]。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

水泥：采用山東水泥廠生產的散裝P·O 42.5，其化學、物理指標分別見表1和表2。

表1 膠凝材料化學成分 %

表2 水泥的物理性能指標

復合摻合料：采用鋼渣、煅燒煤矸石、錳渣按照一定比例制備的不同細度的Ⅱ級摻合料，成分見表1。

細骨料：采用當地石灰巖破碎機制砂，細度模數為2.9，含粉量為10%，亞甲藍值為1.7%。

粗骨料：采用當地5～25 mm連續級配的石灰巖碎石，含泥量為0.6%，泥塊含量為0.2%，壓碎指標為9.5%。

外加劑：采用眾森公司生產的聚羧酸系高效減水劑，減水率為25%。

不同強度等級的混凝土配比見表3。

表3 不同強度等級混凝土的配比

1.2 試驗方法

復合摻合料是混合粉磨至不同細度的鋼渣、煅燒煤矸石、錳渣混合料，控制細度在45 μm方孔篩篩余分別為22.3%、16.7%、10.9%、5.6%、1.1%，滿足JG/T 486—2015《普通混凝土用復合摻合料》各項指標。復合摻合料細度采用45 μm方孔篩及FSY150-A型負壓篩析儀檢測，按照GB/T 1345—2005《水泥細度檢驗方法》測定；復合摻合料凈漿流動度的檢測按照GB/T 8077—2016《混凝土外加劑勻質性試驗方法》進行測定[5]；膠凝材料顆粒粒徑檢測采用BT-9300Z激光粒度分析儀測定；按照商品混凝土C30強度等級的配比進行試配，每組混凝土配合比均按30 L的體積稱量物料，由強制式攪拌機攪拌120 s后卸料，人工拌合均勻，按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測量坍落度、擴展度及流速，記錄數據后倒掉，剩余混凝土拌合均勻后留置試塊，按照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》檢測混凝土試塊7 d、28 d、60 d的齡期強度。

2 結果與討論

2.1 不同細度復合摻合料對水泥凈漿流動度的影響

固定水泥細度為45 μm方孔篩篩余10.5%，水膠比為0.29，減水劑摻量為0.5%，采用不同細度的復合摻合料，按照水泥∶復合摻合料=7∶3的質量配合比制得水泥凈漿，檢測凈漿流動度，結果如圖1所示。

圖1 復合摻合料對水泥凈漿流動度的影響

由圖1可以看出，隨著復合摻合料顆粒粒度的降低，初始凈漿流動度降低，但摻合料細度為5.6%時，初始凈漿流動度略微增加，分析主要原因是細度為5.6%的摻合料與水泥顆粒組成的膠凝材料，顆粒具備連續級配，不同大小顆粒之間相互填充，空隙中多余的水增加了漿體的流動性；1 h后漿體的凈漿流動性同樣先增大后降低，分析主要原因是隨著顆粒細度降低，漿體的保水性增加，流動度保持性增強，但細度為1.1%時，流動性損失明顯增強，原因是顆粒太細水化加快，大量的水被消耗。

2.2 不同細度的復合摻合料對混凝土工作性能的影響

固定水泥細度為45 μm方孔篩篩余10.5%，采用不同細度的復合摻合料制成C30混凝土，測定其工作性能，結果如圖2所示。

圖2 不同細度復合摻合料對混凝土工作性能的影響

由圖2可以看出，隨著復合摻合料細度的降低，混凝土的坍落度和擴展度先增加后降低，分析原因主要是隨著復合摻合料細度的降低，膠凝材料中細顆粒的水化作用提高了漿體的粘度，拉動著粗細骨料流動，從外觀上表現為漿體的勻質性變好、流動性增加；當摻合料細度為5.6%時，混凝土膠凝材料顆粒級配良好，流動度達到最大值，再降低摻合料的細度，細顆粒的水化作用大于級配作用，表現為混凝土的流動度明顯降低。

2.3 不同細度復合摻合料對混凝土強度的影響

固定水泥細度為45 μm篩余為10.5%，采用不同細度的復合摻合料，檢測C30等級混凝土的強度，如圖3所示。

圖3 不同細度復合摻合料對混凝土強度的影響

由圖3可以看出，隨著復合摻合料細度的降低，混凝土的7 d強度提高明顯，28 d和60 d強度增長緩慢，分析是對于早期強度，膠凝材料中顆粒級配作用大于漿體的水化作用，后期強度的增長主要依靠膠凝材料顆粒的水化作用；當顆粒細度為5.6%時，再降低摻合料顆粒細度，可以水化的顆粒較少，混凝土強度增長不明顯。

2.4 不同細度的復合摻合料微觀結構分析

按照C30混凝土配比，取三種細度復合摻合料，45 μm篩余分別為10.9%，5.6%，1.1%，在混凝土中試配驗證，取混凝土膠凝材料進行顆粒分析，并對28 d齡期的混凝土進行掃描電鏡分析。

2.4.1 顆粒分布分析

對混凝土中含有不同細度的復合摻合料的膠凝材料進行顆粒分析，結果如圖4所示。

圖4 混凝土膠凝材料顆粒分布

由圖4可以看出，不同細度復合摻合料的混凝土膠凝材料顆粒分布曲線區別較大，圖4(a)中的曲線出現一個小峰值，說明細度為10.9%的復合摻合料與水泥組成的膠凝材料顆粒級配不連續，造成混凝土不密實；圖4(c)顆粒曲線出現兩個明顯的峰值，說明細度為1.1%的復合摻合料與水泥組成的膠凝材料顆粒級配明顯斷檔，造成混凝土工作性能變差，強度降低；而圖4(b)中膠凝材料的顆粒分布曲線是平滑的拋物線，膠凝材料顆粒級配良好，其工作性能和強度增長率均達到良好的效果。

2.4.2 SEM分析

不同細度的復合摻合料在C30混凝土中28 d的水化情況(SEM照片)如圖5所示。

由圖5可以看出，相比圖5(a)和(c)，圖5(b)的漿體水化致密，漿體中毛細孔隙率少，分析原因主要是摻合料細度為5.6%的混凝土在混凝土膠凝材料中顆粒級配良好，顆粒之間粘結牢固，膠凝材料顆粒間的相互填充和水化共同作用，表現為漿體密實，強度高。

圖5 C30混凝土中28 d水化產物SEM照片

2.5 不同細度復合摻合料在不同等級混凝土中驗證

以上試驗及分析是在C30混凝土中進行的，為驗證復合摻合料在不同強度等級的混凝土中的性能和強度，取三種細度復合摻合料，45 μm方孔篩篩余分別為10.9%、5.6%、1.1%，在C40、C50等級混凝土中試配驗證數據如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可以看出，水泥細度為45 μm方孔篩篩余10.5%，復合摻合料的細度為5.6%時，兩種混凝土均表現出良好的工作性能和力學性能，驗證了良好的膠凝材料顆粒級配對混凝土各項性能的促進作用。

圖6 不同細度復合摻合料在不同等級混凝土工作性能

2.6 復合摻合料大磨生產驗證

按照小磨配比在Φ3.8 m×13 m的球磨機內生產復合摻合料，臺時產量為50 t，粉磨細度控制在45 μm篩余(5.6±2)%，試配生產C30混凝土，配合比及產品性能見表4。

由表4可以看出，通過大磨試驗生產的復合摻合料在混凝土中應用，證明混凝土的工作性能和力學性能滿足要求，驗證了膠凝材料顆粒級配對混凝土性能的促進作用。

表4 大磨復合摻合料在混凝土中試配驗證

3 結論

3.1 隨著復合摻合料細度的減小，凈漿流動度曲線呈拋物線，在摻合料細度為5.6%時，凈漿流動度略微增大，膠凝材料的顆粒級配對凈漿流動度有促進作用。

3.2 隨著混凝土中復合摻合料細度降低，混凝土的坍落度和擴展度先增大后降低，細度為5.6%時，膠凝材料達到最佳級配，工作性能最佳。

3.3 隨著混凝土中復合摻合料細度降低，混凝土的強度增大，但摻合料細度達到5.6%時，強度增長明顯，之后再降低摻合料細度，強度增長不明顯，主要原因是早期水化顆粒多，后期水化的顆粒較少。

3.4 通過膠凝材料顆粒分布和掃描電鏡微觀圖片分析，復合摻合料與水泥顆粒級配連續時，膠凝材料的顆粒分布曲線是平滑的拋物線，同時混凝土漿體的水化更加充分，表現為漿體更加致密。

3.5 固定水泥的細度，采用不同細度的復合摻合料在不同等級混凝土中試配驗證，當混凝土中膠凝材料的顆粒達到連續級配時，混凝工作性能和混凝土強度增長良好。