礦粉摻量及細(xì)度對水工混凝土性能的影響研究

叢亞麗

(昌圖縣水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 鐵嶺 112519)

水工混凝土摻粉煤灰、礦粉等礦物摻合料現(xiàn)已成為延緩水化放熱和減少水泥用量的重要手段,這不僅有利于改善混凝土的攪拌、硬化和耐久性能,還具有顯著的經(jīng)濟(jì)性,并且礦物摻合料的使用符合廢物利用標(biāo)準(zhǔn)和可持續(xù)發(fā)展要求,其社會和經(jīng)濟(jì)效益顯著[1]。然而,礦粉作為最常用的一種摻合料,摻量高且種類多,對早齡期混凝土性能影響較大[2-3]。

美國ACI協(xié)會將澆筑成型7d內(nèi)的齡期定義成混凝土早齡期,該時段性能變化較快,隨著齡期的增長早齡期力學(xué)性能也快速變化,對混凝土施工和結(jié)構(gòu)質(zhì)量影響較大,特別是早齡期彈性模量及強(qiáng)度直接控制著整個施工過程。由于早齡期強(qiáng)度低,在外荷載、干燥收縮、自收縮及自身熱應(yīng)力作用下混凝土結(jié)構(gòu)極易形成裂縫,早齡期力學(xué)性能變化嚴(yán)重影響著混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限和耐久性能,故試驗分析礦粉混凝土早期力學(xué)性能具有重要意義。李軍等[4]試驗探討了不同齡期摻礦粉和粉煤灰混凝土的性能,結(jié)果顯示復(fù)摻粉煤灰與礦粉時,混凝土強(qiáng)度隨礦粉比例的增加逐漸增大,總摻量為20%時的力學(xué)性能最優(yōu);劉建忠等[5]試驗研究了混凝土單摻和復(fù)摻礦粉、粉煤灰時的抗壓強(qiáng)度,結(jié)果表明礦粉或粉煤灰的摻入使得早期強(qiáng)度降低,后期強(qiáng)度快速增長且復(fù)摻條件下更加顯著;Mesbah等利用數(shù)值模擬建立了混凝土動、靜彈模量之間的關(guān)系,通過超聲波法探究早齡期動彈模量變化特征。雖然許多學(xué)者試驗探究了早齡期力學(xué)性能,但考慮礦粉對水泥凈漿和水工混凝土性能的影響研究還較少。因此,文章通過試驗測試探討了礦粉摻量及細(xì)度對水泥基材料流動度、凝結(jié)時間、力學(xué)性能和標(biāo)準(zhǔn)稠度的影響,并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)提出不同礦粉類型的最優(yōu)摻量,以期為礦粉混凝土在水利工程中的廣泛應(yīng)用提供一定技術(shù)支持。

1 試驗方法

1.1 原材料

1)水泥。朝陽市振東水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥,標(biāo)稠用水量25.6%,比表面積3340cm2/g,密度3.15g/cm3,水泥化學(xué)成分與性能指標(biāo),見表1。

表1 水泥化學(xué)成分與性能指標(biāo)

2)礦粉。鞍山大石橋鑫宇礦粉廠生產(chǎn)的S95級普通礦粉和濟(jì)南魯新生產(chǎn)的超細(xì)礦粉,礦粉主要特征參數(shù),見表2。

表2 礦粉主要特征參數(shù)

3)集料。粗集料用鐵嶺市鵬程石料廠提供的粒級5～25mm花崗巖碎石,壓碎指標(biāo)4.6%,含泥量0.8%;細(xì)集料用四寨子砂場提供的天然中砂,細(xì)度模數(shù)2.62,表觀密度2720kg/m3,含泥量1.0%。

4)外加劑。試驗用蘇博特PCA-Ⅶ聚羧酸高效減水劑,固含量為40%,液態(tài),減水率≥28%,拌合水用當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

1.2 配合比設(shè)計

為探討礦粉摻量及細(xì)度對凝結(jié)時間和標(biāo)準(zhǔn)稠度的影響作用,凝結(jié)時間、標(biāo)準(zhǔn)稠度試驗配合比,見表3;為研究礦粉摻量及細(xì)度對抗壓強(qiáng)度的影響作用,試驗設(shè)計水泥和混凝土配合比,抗壓強(qiáng)度試驗配合比,見表4。

表3 凝結(jié)時間、標(biāo)準(zhǔn)稠度試驗配合比

表4 抗壓強(qiáng)度試驗配合比 kg/m3

2 結(jié)果與分析

2.1 水泥標(biāo)稠和凝結(jié)時間

摻超細(xì)礦粉和S95級礦粉水泥,水泥凈漿凝結(jié)時間和標(biāo)準(zhǔn)稠度,見圖1。由圖1(a)可知,水泥凈漿標(biāo)稠需水量隨S95礦粉摻量的增加而減小,摻20%S95礦粉的標(biāo)稠需水量較少,繼續(xù)增大礦粉摻量其需水量不再改變,雖然摻入S95礦粉能夠在一定程度上降低水泥凈漿標(biāo)稠需水量,但降幅不明顯;超細(xì)礦粉的摻入會增大漿體標(biāo)稠需水量,且水泥凈漿標(biāo)稠需水量隨超細(xì)礦粉摻量的增加明顯提高。

(a)標(biāo)準(zhǔn)稠度

這是因為S95礦粉較水泥顆粒的細(xì)度更小,通過發(fā)揮微集料和填充效應(yīng)降低水泥基體內(nèi)部空隙,由此置換出的水分相當(dāng)于增加了拌合物的表面水量,在一定程度上起到潤滑作用,有利于改善漿體流動性,所以利用S95礦粉等量替代水泥能夠降低標(biāo)稠需水量[6]。采用比表面積較大的超細(xì)礦粉等量替代水泥,由于超細(xì)礦粉細(xì)度過小,顆粒間的摩擦較大,從而使得水泥漿體達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度時具有較高的用水量,即標(biāo)稠需水量明顯增大。

由圖1(b)可知,摻入S95礦粉和超細(xì)礦粉均會在不同程度上延長漿體的凝結(jié)時間,并且凝結(jié)時間隨著礦粉摻量的提高而增大;水泥漿體凝結(jié)時間受超細(xì)礦粉的影響作用要高于S95礦粉,但不同礦粉對凝結(jié)時間的影響差異性較小。

2.2 水泥凈漿流動度

摻S95礦粉與超細(xì)礦粉水泥凈漿流動度,水泥凈漿流動度,見表5。由表5可知,水泥漿體流動度隨S95礦粉摻量的增加不斷增大。摻S95礦粉時,水泥漿體30min流動度有所減小,而60min時略有回升。這是因為S95礦粉顆粒較小、比表面積較大,有一定量的水分填充在水泥顆粒之間的空隙中,而摻入顆粒較小的礦粉可以填充這部分空隙,將內(nèi)部包裹的自由水釋放出來,這相當(dāng)于增大了漿體自由水量,對水泥漿體具有一定潤滑作用,從而提高了整個體系的流動度[7]。

表5 水泥凈漿流動度

摻入超細(xì)礦粉會明顯降低漿體流動度,摻量越高其流動度性差,且漿體流動度隨時間的延長不斷減小。超細(xì)礦粉與水泥顆粒相比小很多,其比表面積明顯較大,具有更強(qiáng)的水吸附能力,摻入超細(xì)礦粉后悔吸附較多減水劑和水。同時,超細(xì)礦粉是一種無定性的膠凝性顆粒,礦粉顆粒間存在較大的滑動阻力,這直接決定著漿體的流動度,超細(xì)礦粉間的摩擦力隨其摻量的增加不斷增大,相應(yīng)的流動度也逐漸降低。因此,水泥漿體摻S95礦粉有利于改善其流動性,而超細(xì)礦粉的摻入會降低其流動度。

2.3 力學(xué)性能試驗

礦粉的摻入會改變水泥體系組成,并進(jìn)一步使得整體強(qiáng)度發(fā)生改變,水泥漿體7d、28d抗壓強(qiáng)度隨著不同礦粉摻量的變化趨勢,水泥凈漿抗壓強(qiáng)度,見圖2。

(a)S95礦粉

由圖2(a)可知,摻礦粉水泥凈漿低于純水泥基體的早齡期(7d)抗壓強(qiáng)度,這是因為水泥熟料的礦物組成及含量是水泥凝結(jié)硬化的主要來源,S95礦粉的摻入相當(dāng)于降低了凈漿中C3S含量,由于C3S具有較快的水化速率,其直接決定著水泥早期強(qiáng)度,所以C3S含量減少使早期強(qiáng)度偏低。隨著水化的持續(xù),礦粉逐漸發(fā)揮填充效應(yīng)和火山灰活性,摻入S95礦粉能夠優(yōu)化漿體微觀結(jié)構(gòu),改善漿體密實性,有利于提高其后期強(qiáng)度,故摻S95礦粉高于純水泥基體的28d抗壓強(qiáng)度。由圖2(b)可知,摻超細(xì)礦粉相較于S95礦粉的水泥凈漿早齡期(7d)抗壓強(qiáng)度有所提高,但低于純水泥基體,其后期(28d)抗壓強(qiáng)度高于純水泥基體。摻20%超細(xì)礦粉的水泥凈漿28d抗壓強(qiáng)度最高,對于水泥水化超細(xì)礦粉發(fā)揮著微晶核作用,其活性被激發(fā)后可以降低Ca(OH)2濃度,從而加速水化反應(yīng),改善水泥基體的整體致密性。

水工混凝土7d、28d抗壓強(qiáng)度隨著不同礦粉摻量的變化趨勢,水工混凝土抗壓強(qiáng)度,見圖3。從圖3(a)可以看出,摻10%S95礦粉時試件的7d抗壓強(qiáng)度最高,摻20%S95礦粉時試件的28d抗壓強(qiáng)度最高;從圖3(b)可以看出,摻20%超細(xì)礦粉時試件的7d抗壓強(qiáng)度最高,摻10%超細(xì)礦粉時試件的28d抗壓強(qiáng)度最高。礦粉的摻入會明顯提高早齡期(7d)抗壓強(qiáng)度,對于后期強(qiáng)度的增強(qiáng)作用相對較緩,故摻礦粉水工混凝土強(qiáng)度早期增速較快,后期逐漸放緩。

(a)S95礦粉

礦粉對砂漿、凈漿強(qiáng)度的影響作用與水工混凝土相比存在一定差異,將礦粉摻入混凝土中具有微集料、火山灰效應(yīng)和潛在水硬性,礦粉與水泥組成復(fù)合膠凝材料可以改善水泥漿體的孔結(jié)構(gòu),提高骨料界面與水泥石之間的黏結(jié)強(qiáng)度,在低水膠比情況下?lián)饺敫咝p水劑可以配制出強(qiáng)度、密實度較高的混凝土。研究表明,水泥石與骨料之間的界面是整個體系中最薄弱的部位,摻入礦粉能夠改善界面過渡層結(jié)構(gòu),從而提高整體力學(xué)性能[8-10]。水化產(chǎn)物Ca(OH)2與界面過渡層中的集料一側(cè)相近,而界面附近的Ca(OH)2對強(qiáng)度是不利的,礦粉的加入可以減少過渡層厚度,原片狀結(jié)構(gòu)的Ca(OH)2也會逐漸被網(wǎng)狀的水化物替代,這有利于增大界面強(qiáng)度,故礦粉的摻入能夠增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度[11-12]。

3 結(jié) 論

1)水泥漿體摻S95級礦粉有利于減少標(biāo)稠需水量,未摻礦粉組的標(biāo)稠水灰比為0.255,摻20%S95礦粉的水泥漿體標(biāo)稠水灰比0.250,水灰比減小代表達(dá)到標(biāo)稠時的用水量降低,進(jìn)一步提高摻量標(biāo)稠水灰比不發(fā)生改變;水泥漿體摻超細(xì)礦粉會增大標(biāo)稠需水量,摻30%超細(xì)礦粉時的標(biāo)稠水灰比達(dá)到0.320,說明摻超細(xì)礦粉會使得達(dá)到標(biāo)稠時的用水量提高;S95礦粉和超細(xì)礦粉均會在一定程度上延長漿體的凝結(jié)時間,并且凝結(jié)時間隨著摻量的提高而增大,但不同礦粉對凝結(jié)時間的影響差異性較小。

2)水泥漿體流動度隨S95礦粉摻量的增加不斷增大,摻40%S95礦粉時的流動度最高達(dá)到280mm;摻入超細(xì)礦粉會明顯降低漿體流動度,摻量越高其流動度性差,且漿體流動度隨時間的延長不斷減小,摻40%超細(xì)礦粉的流動度最小只有125mm。

3)未摻礦粉水工混凝土7d、28d抗壓強(qiáng)度分別為57.6MPa和62.8MPa。礦粉的摻入會在一定程度上提高混凝土強(qiáng)度,摻10%S95礦粉組7d強(qiáng)度最高達(dá)到64.6MPa,摻20%S95礦粉組的28d強(qiáng)度最高為73.2MPa,故S95礦粉的最優(yōu)摻量為10%～20%;摻20%超細(xì)礦粉組7d強(qiáng)度最高達(dá)到72.8MPa,摻10%超細(xì)礦粉組的28d強(qiáng)度最高為80.1MPa,故超細(xì)礦粉的最優(yōu)摻量為10%～20%。在摻量最優(yōu)條件下,超細(xì)礦粉對強(qiáng)度的增強(qiáng)作用高于S95礦粉。