“硅砂粉-石灰”復(fù)摻對蒸壓混凝土抗壓強度影響的試驗研究

夏龍興， 李京京， 吳 飛

1鄭州大學(xué)（450003） 2長江水利委員會（430010）

0 前言

以含碳酸鈣（CaCO3）為主要成分的石灰石（主要由碳酸鈣組成的沉積巖）、白云石（碳酸鈣與碳酸鎂的復(fù)鹽組成的沉積巖）等天然石灰質(zhì)材料，在立窯或回轉(zhuǎn)窯中經(jīng)1 000～1 100℃溫度的煅燒、分解和排出二氧化碳可得到以主要含有CaO的不同化學(xué)組成和物理形態(tài)的生石灰。

塊狀生石灰經(jīng)研磨即得到的生石灰粉。

由于生石灰粉熟化時能產(chǎn)生大量的熱量,其所形成的膏漿非常細膩、潤滑，且在壓蒸（溫度150℃以上）的水化熱條件下，Ca（OH）2和SiO2能起積極的反應(yīng)，形成結(jié)晶良好的托勃莫來石，托勃莫來石結(jié)晶穩(wěn)定、強度高，致使膠砂或混凝土強度顯著提高等優(yōu)點。故本研究旨在探討摻加生石灰粉對混凝土性能的效應(yīng)。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1）生石灰粉:產(chǎn)地河南省賈峪地區(qū)，通過80μm篩子的篩余，其化學(xué)成分見表1。

2）硅砂粉:河南新星材料廠，SiO2含量大于 90.0%，比表面積478m2/kg，其化學(xué)成分見表1。

3）礦粉:河南新星材料廠S95，比表面積370m2/kg，其化學(xué)成分見表1。

4）水泥:河南同力水泥廠，P.I42.5硅酸鹽水泥，堿含量為0.76%。

5）碎石:粒徑為5～25mm，產(chǎn)地河南省賈峪地區(qū)。

6）機制砂:中砂，產(chǎn)地河南省賈峪地區(qū)。

7）萘系高效減水劑:河南新星材料廠。

表1 摻合料的化學(xué)成分（%）

1.2 試驗方法

1）用生石灰粉、硅砂粉、礦粉、水泥和機制砂等原材料按一定的配合比制成40mm×40mm×160mm的膠砂試件。具體配合比見表2。

表2 膠砂配合比

每個編號有3組試件。試件在20±1℃的水中養(yǎng)護，測其7天、28天和60天的抗折強度及抗壓強度，測試方法均按照《水泥膠砂強度檢驗方法》（ISO）GB/T17671-1999標(biāo)準(zhǔn)，流動度則按照《水泥膠砂流動度測定方法》GB/T2419-2005標(biāo)準(zhǔn)，沉入度則參照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》GB/T1346-2001方法測定。

2）用生石灰粉、硅砂粉、水泥和機制砂等原材料按相同的混凝土稠度制成100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件。具體配合比見表3。

每一個編號有兩組試件，各按下述兩種養(yǎng)護方法中的一種進行養(yǎng)護。①普通蒸汽養(yǎng)護法:試件成型靜置3 h后送蒸養(yǎng)室內(nèi)蒸汽養(yǎng)護。升溫2 h，90℃恒溫4 h，降溫1 h，取出后再常溫養(yǎng)護至28 d。②高壓蒸養(yǎng)法:試件成型后，在試驗室內(nèi)靜置3 h后移入車間蒸汽養(yǎng)護池與管樁一起蒸養(yǎng)7 h（其中恒溫溫度90℃4 h），出池后送至蒸壓釜與管樁一起進行壓蒸養(yǎng)護11 h（其中恒溫180℃、10個大氣壓8 h）。然后按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》GB/T50081-2002測定試件的抗壓強度。

表3 混凝土配合比

2 試驗結(jié)果

1）按表2配合比制作的試件7天、28天和60天的抗折強度、抗壓強度值見表4，并繪制成柱狀圖1、圖2。

表4 試件7天、28天、60天抗折強度和抗壓強度值

2）按表3配合比制作的試件在90℃蒸汽中養(yǎng)護8小時后再常溫養(yǎng)護至28天的強度和經(jīng)高壓蒸養(yǎng)的強度值列于表5，并繪制成柱狀圖3。

表5 試件28天、高壓蒸養(yǎng)的抗壓強度值

3 基體材料的固化機理

在硅砂粉、硅酸鹽水泥、生石灰粉的多組分的體系中，水泥的硅酸鹽組分可快速形成水化硅酸鈣和氫氧化鈣等水化產(chǎn)物,同時體系中存在的 Ca2+、OH-、、SO42-迅速擴散至硅砂粉顆粒的表面。硅砂粉的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的、無活性，通常在混凝土中只作為填充材料，常溫下幾乎不和石灰起反應(yīng)，當(dāng)其比表面積大于400m2/kg時，SiO2能與Ca（OH）2起輕微反應(yīng)，隨著溫度的上升,使活性的SiO2由少量到大量的從顆粒表面溶解，進而與其他組分形成CSH和CASH凝膠。當(dāng)溫度達到150℃時，開始出現(xiàn)水化硅酸鈣晶形轉(zhuǎn)化，逐漸生長成大量的托勃莫來石，能顯著地提高混凝土強度。因為上述產(chǎn)物的形成消耗了水泥和生石灰粉水化產(chǎn)生的Ca（OH）2，故一方面水泥和生石灰粉對硅砂粉起到堿性激發(fā)作用,另一方面硅砂粉又促進了水泥熟料C2S和C3S的水化反應(yīng)。上述幾種作用的共同結(jié)果，使體系中各種離子的擴散能力變強,反應(yīng)充分。

4 結(jié)果分析

從表2可知在用水量保持不變時，膠砂中摻加生石灰粉的流動度顯著增大,稠度顯著變?。闯寥攵仍龃螅?，顯然，此系由于生石灰粉遇水熟化后形成的膏漿極其細膩、潤滑，在膠砂組成顆粒間起到潤滑作用。

從表4可知:

1）摻生石灰比不摻生石灰制作的膠砂試件7天的抗折強度平均提高15.5%,抗壓強度平均提高18.5%;28天時分別平均提高6.2%、6.7%；60天時分別平均提高2.5%、2%。早期強度提高顯著。齡期增大，強度提高減少。這可能是生石灰遇水，釋放出熱量，加快了水泥的水化作用，故提高了混凝土的早期強度。

2）不同摻量的生石灰制作的膠砂試件,隨著摻量的增加，試件的強度逐漸增大。但摻量達到4%時，則不再增大。因此摻量不宜大于4%。

3）從表3可見保持相同的混凝土和易性（塌落度）時，摻加生石灰粉的混凝土需水量可減少（生石灰粉摻量2%～3%時，減少用水量3.3%），同樣，由于石灰膏漿所起的潤滑作用，和在膠砂試件中表現(xiàn)的情況是一致的。

從表5可見:

1）經(jīng)90℃蒸養(yǎng)的混凝土,摻2%、3%生石灰粉的28天混凝土強度平均分別增加13%、25%，強度提高顯著。究其原因可能為:生石灰粉形成的膏漿起到了減水和擠密效應(yīng)。

2）經(jīng)高壓蒸養(yǎng)的混凝土強度,顯著高于一般蒸養(yǎng)混凝土的強度,平均高69%（見表5）。這是由于在180℃的高壓蒸養(yǎng)的條件下[3]:

①水泥水化更加徹底。

②部分水化產(chǎn)物進一步與硅砂粉反應(yīng)生成高強度的托勃莫來石。

③硅砂粉與氫氧化鈣反應(yīng)直接生成強度很高的托勃莫來石。

④高壓蒸養(yǎng)混凝土摻加適量生石灰粉后,強度平均提高2.8%。其原因顯然是由于石灰膏漿的減水?dāng)D密效應(yīng)和由此生成更多托勃莫來石的緣故。

5 結(jié)語

綜上所述,可以初步認為由于生石灰粉對蒸養(yǎng)混凝土具有下列作用:

1）生石灰遇水熟化時產(chǎn)生的熱量有利于促進水泥的水化。

2）熟化后形成的膏漿，細膩、潤滑對混凝土有減水?dāng)D密效應(yīng)。

3）熟化后生成的 Ca（OH）2，在 90 ℃溫度下能與 SiO2直接反應(yīng)生成高強度的托勃莫來石C5S6H5。

因此，在混凝土特別是蒸養(yǎng)混凝土中，適量（＜4%）摻加生石灰粉，可提高混凝土強度，且石灰價格低廉對降低混凝土成本也有益。

[1] 范金花.管樁用離心混凝土與普通混凝土的異同[J].預(yù)制混凝土樁，2005～2006年年會論文集

[2] 廖振中.原材料與管樁混凝土強度[J].預(yù)制混凝土樁，2005～2006年年會論文集

[3] 阮起楠.混凝土管樁預(yù)應(yīng)力[M].中國建材工業(yè)出版社，2000