摻礦粉、硅灰和粉煤灰水工混凝土性能研究

倪倩文

(大連大水規劃設計有限公司,遼寧 大連 116001)

隨著工業化的快速發展,工業生產形成的廢渣所帶來的材料浪費、環境污染等問題日趨突出,研究發現混凝土摻工業廢渣能夠提高其強度,更好地保護環境[1-2]。目前,針對工業廢渣國內外學者開展了廣泛研究,如胡延燕等全面探究了混凝土性能受礦粉、粉煤灰和石英粉摻合料的影響,并提出摻10%～30%石英粉具有較好的力學性能改善效果;何良玉等以鋼渣砂和粒化高爐礦渣粉(鋼渣粉)為細集料及膠凝材料,通過試驗計算提出設計與制備微膨脹密實堿激發鋼管混凝土的方法;鄧侃等認為不同齡期的膠砂強度均隨鋼渣摻量的增加而降低;李曉峰等利用測算模型探究了不同摻合料及其摻量對碳化深度的影響規律;田萬溪等以鋼渣和礦渣為原材料,通過正交試驗明確了各礦物組成的最優配比;王飛虎等通過試驗確定粉煤灰、礦渣粉和鋼渣粉的最佳摻量依次為10%、30%及20%;安邦國等研究發現水膠比0.26、骨膠比5.3、鋼渣粗細集料體積摻量1∶1時混凝土透水性能最優,28d抗折、抗壓強度達到5.0MPa和31.4MPa;康海鑫等在鋼渣混凝土中摻入25%、15%、10%、0%的鋼渣,通過對比試驗發現混凝土摻25%鋼渣時力學性能最優[3-10]。

早齡期是指混凝土自澆筑成型7d內的時段,該時段混凝土性能變化顯著,隨著齡期的改變早齡期力學性能也明顯變化,在一定程度上決定著混凝土的施工和整體質量,尤其是早齡期彈性模量及強度與工程施工能否順利進行密切相關[11-12]。因此,本研究選取礦粉、粉煤灰和硅灰摻合料,通過試驗探討不同摻合料對水工混凝土工作性能以及早期強度的影響,可以為高性能混凝土在水利工程建設中的推廣應用提供技術支持。

1 試驗方案

1.1 原材料

1)水泥:大連小野田P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,表觀密度3.12g/cm3,初、終凝時間165min和240min,28d強度51.6MPa。礦粉:大連金橋S95級礦粉,比表面積480m2/kg,密度2.89g/cm3。粉煤灰:鞍山誠達F類Ⅰ級粉煤灰,需水量94%,含水量0.21%,細度8.6%,燒失量2.7%。

2)砂:細度模數2.7級配良好的中砂,含水率0.2%,空隙率36.1%,堆積密度1.55g/cm3,表觀密度2.67g/cm3。碎石:粒徑5～20mm級配良好的石灰巖碎石,表觀密度2.80g/cm3,針片狀含量5.4%。外加劑:科之杰聚羧酸高效減水劑,推薦摻量1.0%～2.5%,減水率31%,拌合水用當地自來水。

1.2 配合比

依據《水工混凝土配合比設計規程》初步設計3種水膠比0.40、0.45、0.50,固定砂率40%,采用硅灰、粉煤灰和礦粉等量替代0%、15%、30%的水泥,通過控制拌合物坍落度處于合理范圍調整減水劑用量,試驗配合比如表1所示。

1.3 試驗方法

根據《水工混凝土試驗規程》中的相關操作流程進行原材料混合、攪拌振搗、成型養護、工作性能和早齡期(7d)抗壓強度測試,試驗配制邊長100mm立方體試件,每組3個,標養環境溫度(20±2)℃、相對濕度95%以上,測定標養7d齡期的抗壓強度。

2 結果與分析

2.1 新拌混凝土工作性能

單摻0%、15%、30%硅灰、粉煤灰和礦粉混凝土的工作性能,如圖1所示。由于基準對照組減水劑用量為1.5%時出現較為明顯的離析,拌合物坍落度也很大達到300mm,故無法與摻硅灰、粉煤灰、礦粉組相比較,從側面也說明摻合料可以在一定程度上降低拌合物流動性和坍落度。

(a)不同礦粉摻量

從圖1(a)可以看出,摻30%礦粉組與摻15%礦粉組相比其坍落度有所提高,該變化規律與摻粉煤灰組保持一致,這是因為礦粉的“微珠”效應發揮著一定的潤滑作用,有利于改善拌合物流動性。另外,混凝土流動性和坍落度均隨著水膠比的增加逐漸增大。從圖1(b)可以看出,摻粉煤灰混凝土坍落度隨水膠比的增加逐漸增大,通過觀察發現試驗過程中拌合物具有較好的保水性與黏聚性。雖然摻粉煤灰組相較于基準對照組的坍落度有所減小,但高摻量>低摻量拌合物坍落度,究其原因是粉煤灰的微集料和填充效應也具有一定的潤滑效應。從圖1(c)可以看出,摻硅灰混凝土坍落度也隨著水膠比的增加逐漸增大,但相較于基準對照組其坍落度明顯降低,究其原因是硅灰顆粒的潤滑效應小于對水的吸附作用,在兩者的共同作用下使得總坍落度明顯降低。

總體而言,粉煤灰、礦粉和硅灰的摻入會使得混凝土工作性能出現不同程度的下降,以摻硅灰混凝土降幅最高,其次是摻礦粉組,摻粉煤灰所產生的不利影響較低。試驗設計水膠比較小,為配制出工作性能良好且相同的拌合物各組摻入的減水劑用量不同,其中減水劑摻量最高的是摻硅灰組達到2.5%,摻粉煤灰和礦粉組減水劑用量均為1.6%,而基準對照組只有0.4%。試驗表明,摻粉煤灰、礦粉和硅灰可以明顯改善保水性和黏聚性,隨著水膠比的增大水泥基體的流動性逐漸提高[13-14]。

2.2 硬化混凝土早期強度

單摻0%、15%、30%硅灰、粉煤灰和礦粉混凝土的早齡期(7d)抗壓強度,如圖2所示。從圖2(a)可以看出,隨著水膠比的增加不摻礦粉組的7d抗壓強度快速下降,而摻礦粉組的早期強度逐漸增大,這是因為水化早期礦粉發揮著一定的微集料、火山灰和填充效應,水化產物Ca(OH)2會與礦粉發生二次反應生成C-S-H凝膠,通過消耗大量的Ca(OH)2加速水化進程,該過程既有利于增強水泥漿與骨料界面過渡區的黏結力,還可以填充體系內部空隙,進一步優化孔隙結構,提高界面過渡區強度。另外,礦粉參與二次反應需要更多的水分,其水化反應程度隨內部水量的增多而提高,因此增大水膠比會明顯提高摻礦粉混凝土的早齡期強度,而較低水膠比時摻礦粉組相較于基準對照組的7d抗壓強度偏低。

(a)不同礦粉摻量

從圖2(b)可以看出,摻粉煤灰組與基準對照組的早齡期強度變化規律相似,即7d抗壓強度均隨著水膠比的增加快速下降,水膠比相同時摻粉煤灰混凝土整體高于基準對照組的7d抗壓強度,究其原因是粉煤灰發揮著一定火山灰效應,水化產物Ca(OH)2與粉煤灰顆粒反應生成的凝膠物質可以增強混凝土強度。然而,該過程不會消耗大量水分,故隨著水膠比的增加早齡期抗壓強度逐漸降低,粉煤灰摻量過高相當于水泥用量較低,Ca(OH)2不足反過來又會約束反應的進行,從而使得摻量較高時試件的7d強度反而有所降低。

從圖2(c)可以看出,將硅灰摻入混凝土中會使其早齡期強度明顯下降,降幅達到50%以上,究其原因是摻入的硅灰大大降低了水化反應速率,這使得早期強度急劇降低。另外,摻硅灰混凝土早齡期強度隨水膠比的增加略有上升,這是由于硅灰的摻入使得水化需水量明顯增大,水化反應程度隨著水膠比的增大逐漸提高。

3 結 論

1)摻入礦粉、粉煤灰、硅灰會在一定程度降低拌合物流動度和坍落度,但有利于改善拌合物保水性及黏聚性,這是因為礦粉的微集料填充效應改善了水泥基體的孔隙結構,使其黏聚性及保水性提高。大摻量相較于低摻量時礦粉和粉煤灰混凝土坍落度有所提高,硅灰能夠大大降低拌合物坍落度,硅灰摻量越高其流動性和坍落度越小。

2)較小水膠比情況下,礦粉的摻入使得早期強度有所降低,降幅處于20%～40%之間;水膠比超過0.45時,礦粉的摻入有利于增強早期強度,增幅處于10%～70%之間,故摻礦粉混凝土的推薦水膠比為0.50。粉煤灰的摻入有利于增強早期強度,但摻量過高7d抗壓強度有所下降,且隨水膠比的增加摻粉煤灰混凝土早期強度明顯下降,應控制粉煤灰摻量≤30%。硅灰的摻入會明顯減小早期強度,不同摻量時降幅達到30%～50%。因此,為提高水工混凝土早期強度應適當增大水膠比或采取摻入適量早強劑等措施。