礦渣粉細(xì)度與顆粒級配對水泥砂漿性能的影響

李瀅

(青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海西寧 810016)

1 概述

礦渣是高爐煉鐵得到的以硅鋁酸鈣為主的熔融物，它具有較高的潛在活性，磨細(xì)后的礦渣粉作為混凝土的獨(dú)立組分可以改善混凝土強(qiáng)度和耐久性［1］。以往對礦渣粉的研究多集中于研究其細(xì)度與活性之間的關(guān)系，雖然取得了良好的效果，但由于大大地增加了粉磨時間，提高了成本，不能大范圍大摻量用于高性能混凝土工程中。另一方面，將礦渣粉加工成完全均一細(xì)度的細(xì)粉，沒有形成級配，摻入混凝土中后不能充分發(fā)揮微觀填充作用。如果考慮將不同細(xì)度的礦渣粉以不同的比例摻配到水泥漿體中，使?jié){體中粉體的顆粒形成一定的級配，從而能夠緊密地填充，有效降低水泥漿體的空隙率，改善孔結(jié)構(gòu)，勢必對漿體的性能起到改善作用［2，3］。本文就在此方面做了一些嘗試性工作，通過對比三種細(xì)度礦渣粉單摻以及復(fù)摻后取代一定量的水泥的膠砂試件的3 d，28 d抗折及抗壓強(qiáng)度，探討這三種礦渣粉單摻或復(fù)摻對水泥膠砂試件強(qiáng)度的影響，并從顯微結(jié)構(gòu)及顆粒級配上考察礦渣粉對水泥砂漿性能的影響。

2 原材料及試驗(yàn)方案

2.1 原材料及其性能指標(biāo)

1)水泥：河北冀東水泥廠生產(chǎn)的32.5號普通硅酸鹽水泥;

2)砂：北京昌平產(chǎn)河砂，細(xì)度模數(shù)為2.68，試驗(yàn)前過5 mm篩子;

3)礦物摻合料：礦渣粉SL1產(chǎn)自首鋼，SL2產(chǎn)自Ssang Yong Cement Limited，SL3產(chǎn)自武漢鋼鐵公司，分別對其主要物理性能指標(biāo)及化學(xué)成分進(jìn)行測定，見表1，并且采用歐美克LS-POP(Ⅲ)型激光顆粒分析儀測定了三種摻合料的顆粒分布，結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2的結(jié)果計(jì)算出SL1和SL3復(fù)合摻配時粉體材料顆粒級配的變化如表3所示。

表1 礦渣粉物理性能指標(biāo)及化學(xué)成分

表2 水泥、礦渣粉的顆粒粒徑分布

表3 礦渣粉復(fù)合摻配時粉體顆粒級配的變化

2.2 膠砂強(qiáng)度對比試驗(yàn)

將這三種礦渣粉單摻及以不同的比例復(fù)合摻配后根據(jù)國標(biāo)GB/T 17671-1999成型水泥膠砂試件，水膠比為0.5，灰砂比為1∶3，以30%的礦物摻合料取代水泥，在水中養(yǎng)護(hù)至3 d，28 d后分別測其抗折及抗壓強(qiáng)度。

2.3 水泥凝膠體微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

水化至一定齡期的水泥凝膠其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和水化狀態(tài)、水化產(chǎn)物形態(tài)采用KYKY-2800型掃描電鏡進(jìn)行測試。將水化至規(guī)定齡期的水泥膠砂試件壓碎后兩組試樣，其一為膠砂成型后的7 d，其二為成型后的28 d。取樣后至電子顯微鏡掃描觀測之前，試樣采用無水酒精浸泡以終止水泥的水化。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 膠砂強(qiáng)度對比試驗(yàn)

礦渣粉的活性與其比表面積有著密切的關(guān)系，同時粉體的顆粒群特征對其活性的影響也是至關(guān)重要的。本研究中采用了三種不同細(xì)度的礦渣粉，分別將這三種礦渣粉以30%的比例單摻及復(fù)摻加入水泥漿體中，拌制砂漿。摻礦渣粉的砂漿配比設(shè)計(jì)如表4所示。

表4 膠砂試件配比

1)從圖1，圖2看，單摻礦渣粉的早期膠砂強(qiáng)度除了SL3均低于不摻的強(qiáng)度，其中單摻SL3的強(qiáng)度最高，SL2次之，SL1則為最低。因?yàn)槲覀冎?，水泥熟料中小?0 μm的顆粒對早期強(qiáng)度有較大貢獻(xiàn)，10 μm～30 μm的顆粒對7 d與28 d強(qiáng)度有較好的相關(guān)性，而大于60 μm的顆粒則基本不能水化。分析這三種礦物摻合料的粒徑分布數(shù)據(jù)可以看出，SL3中小于10 μm的顆粒達(dá)到62.1%，SL2次之，為50.83%，SL1中的含量就要稍微低一些，為23.9%，但是仍然遠(yuǎn)高于水泥，故摻加了礦渣粉的試件在3 d就表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度。隨著齡期的增長，除了摻SL2的砂漿的28 d抗折強(qiáng)度外，其余的強(qiáng)度值均超過純水泥砂漿。

圖1 礦渣粉細(xì)度對砂漿抗折強(qiáng)度的影響

圖2 礦渣粉細(xì)度對砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

2)從圖1，圖2的試驗(yàn)結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，礦渣粉的活性與其比表面積之間并不是簡單的線性關(guān)系。SL1的比表面積為300 m2/kg，SL2的比表面積為521 m2/kg，但是摻這兩種礦渣粉的砂漿T-1，T-2的強(qiáng)度除了28 d抗折強(qiáng)度有較大差別之外，其余齡期的抗壓及抗折強(qiáng)度的增長趨勢基本接近，摻加SL2的砂漿的強(qiáng)度并沒有比摻加SL1的砂漿表現(xiàn)出多大的優(yōu)勢。這時就得考慮礦渣粉的顆粒分布對其活性的影響。有學(xué)者通過灰色關(guān)聯(lián)分析的方法得出，礦渣微粉中9.9 μm～20.0 μm顆粒含量與7 d，28 d(抗壓)活性指數(shù)關(guān)聯(lián)度最大，其次是0 μm～9.9 μm顆粒，而大于20.0 μm的顆粒含量與活性指數(shù)為負(fù)相關(guān)［4］。從這三種礦渣粉的顆粒分布數(shù)據(jù)可以看出，SL3中小于16 μm的顆粒占到85%，SL1中這部分顆粒只有35%，SL2中小于20 μm的顆粒有64.43%，所以表現(xiàn)出來SL3的活性最高。對比SL1與SL2可以發(fā)現(xiàn)，雖然SL2中小于20 μm的顆粒含量高于SL1，但是其微細(xì)顆粒的含量遠(yuǎn)低于SL1，其中SL2中小于4 μm的顆粒只有0.02%，而SL1中小于4 μm的顆粒就有15.1%，SL1中這部分微細(xì)顆粒可以起到良性的填充作用，改善膠凝材料粉體的顆粒級配，使水泥石結(jié)構(gòu)致密，提高水泥砂漿的強(qiáng)度。并且SL1與SL3中大量的小于2 μm的顆粒在3 d即可反應(yīng)，消耗于強(qiáng)度不利的CH晶體，并增加火山灰反應(yīng)，從而增加C—S—H含量，且減少了毛細(xì)孔體積。

3)SL1和SL3的比表面積分別為300 m2/kg和700 m2/kg，細(xì)度上還是有很大差別，將它們復(fù)摻到水泥砂漿中后可以粗細(xì)搭配，改善膠凝材料粉體顆粒級配，具有一定的疊合效應(yīng)。表3中列出了本組試驗(yàn)中所采用的三種配比的砂漿中膠凝粉體材料的顆粒粒徑分布變化趨勢。從該表中可以看出，以小于8 μm的顆粒為基準(zhǔn)，這三種配比下隨著SL3摻量的逐漸增加和SL1摻量的逐漸減少，粉體中小于8 μm的顆粒的含量也是逐漸增加，當(dāng)摻配比例為SL1∶SL3=1∶4時，粉體中小于8 μm的顆粒占到33.11%，其他兩種配比下的這部分顆粒比較接近。與此相對應(yīng)，來看這三種配比制得的水泥砂漿的強(qiáng)度變化趨勢如圖3，圖4所示，在水化到3 d的時候，由這三種配比配制出的水泥砂漿的抗折及抗壓強(qiáng)度基本上接近，略低于純水泥砂漿的3 d強(qiáng)度。到7 d的時候以SL1∶SL3=1∶4的比例摻配的水泥漿體的強(qiáng)度就比其他兩種配比的要高。隨著齡期的進(jìn)一步延長，強(qiáng)度進(jìn)一步增長，到28 d時還是這種配比的砂漿的強(qiáng)度最高，以28 d的抗壓強(qiáng)度為例，當(dāng)SL1與SL3以1∶4的比例摻配時得到的砂漿的強(qiáng)度達(dá)到41.4 MPa，比它們以4∶1，3∶2的比例摻配得到的砂漿的強(qiáng)度分別提高了8%和10%。

圖3 礦渣粉復(fù)摻對砂漿抗折強(qiáng)度的影響

圖4 礦渣粉復(fù)摻對砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

3.2 膠凝材料級配對凝膠體微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖5，圖6分別為摻加30%SL1，SL2，SL3的砂漿水化7 d，28 d的SEM圖。由于SL1與SL3中存在大量的小于4 μm的顆粒，這部分顆粒在早期就能發(fā)生水化反應(yīng)并有效的填充漿體內(nèi)部的空隙，表現(xiàn)出來圖5中摻加SL3的砂漿的7 d結(jié)構(gòu)最為致密，可以看見大量的卷箔狀的水化產(chǎn)物，摻加SL1的砂漿的結(jié)構(gòu)次之，內(nèi)部也是能看見大量的網(wǎng)絡(luò)狀的水化產(chǎn)物，而相比而言摻加SL2的砂漿的結(jié)構(gòu)就有些疏松，礦渣顆粒只是隨機(jī)的分散在漿體中，水泥漿體內(nèi)部還是有許多孔隙。隨著齡期的延長，礦渣粉的物理填充及水化活性作用得到進(jìn)一步的發(fā)揮，水泥石的強(qiáng)度不斷提高，如圖6所示，砂漿的結(jié)構(gòu)也變得非常致密。

圖7是SL1與SL3分別以4∶1，1∶4的比例摻配后砂漿水化7 d的SEM圖。在7 d的時候這二者的微觀形貌差別不是很大，水泥漿體中的水化產(chǎn)物的聚集程度不是很高，漿體內(nèi)部存在很多孔隙。到水化至28 d時，如圖8所示，由于后者的粉體顆粒堆積緊密以及在SL3的含量較高的情況下SL3本身的水化活性作用的共同影響，使得水泥漿體的結(jié)構(gòu)變得非常致密，幾乎看不到有大的孔隙存在。而在SL1與SL3以4∶1的比例摻配得到的水泥砂漿水化28 d的SEM圖中還可以看見有許多孔隙，水化產(chǎn)物的形貌也是主要以網(wǎng)狀為主。這主要是因?yàn)樵诖伺浔认耂L1的摻量居多，相比前面的情況就比較缺乏微細(xì)顆粒，故得到的水泥凝膠體的結(jié)構(gòu)就沒有前者那么致密。

圖5 摻30%礦渣粉的砂漿水化7 d的SEM圖

圖6 摻30%礦渣粉的砂漿水化28 d的SEM圖

4 結(jié)語

1)普通細(xì)度的礦渣粉加入水泥砂漿中后，對水泥的凝聚結(jié)構(gòu)具有明顯的分散作用，增加水泥粒子的水化空間，擴(kuò)大了水化產(chǎn)物產(chǎn)生的場所，故摻加礦渣有利于水泥漿體早期強(qiáng)度的發(fā)展。隨著齡期的增長，水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2不斷析出，礦渣粉的活性逐漸發(fā)揮，生成更多的水化硅酸鈣及水化鋁酸鈣凝膠填充水泥漿體內(nèi)部孔隙，進(jìn)一步改善了孔結(jié)構(gòu)。一般隨礦渣比表面積的增加，砂漿的強(qiáng)度相應(yīng)增加，但比表面積增加與強(qiáng)度的增加幅度之間并不是簡單的線性關(guān)系，還得考慮粉體顆粒級配的影響。

圖7 不同細(xì)度礦渣粉復(fù)摻的砂漿水化7 d的SEM圖

圖8 不同細(xì)度礦渣粉復(fù)摻的砂漿水化28 d的SEM圖

2)SL1與SL3是細(xì)度差別比較大的兩種礦渣粉，SL3中含有大量微細(xì)顆粒，這是SL1所比較欠缺的。SL1與SL3復(fù)摻時就可以彌補(bǔ)這部分的不足之處，二者的粗細(xì)顆?？梢杂袡C(jī)搭配，使得膠凝材料粉體的顆粒級配更加合理。故SL1與SL3復(fù)摻時表現(xiàn)出一定程度的疊合效應(yīng)。這兩種礦物摻合料復(fù)合摻配時SL3的摻量占主導(dǎo)地位時由于SL3摻量大時，粉體中的微細(xì)顆粒含量高，易于滿足粉體材料緊密堆積時對微細(xì)顆粒的要求。故隨著SL3的摻量增加，水泥漿體的密實(shí)度也是不斷提高，故砂漿的強(qiáng)度得到提高。

［1］ 蒲心誠，王勇威.高效活性礦物摻料與混凝土的高性能化［J］.混凝土，2002(2)：3-6.

［2］ 李 瀅，楊 靜.膠凝材料顆粒級配對水泥凝膠體結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度的影響［J］.新型建筑材料，2004(3)：3-6.

［3］ Quanlin Niu，Naiqian Feng，Jing Yang，Xiao Yan Zheng.Effect of Superfine Slag Powder on Cement Properties［J］.Cement and Concrete Research，2002(32)：615-621.

［4］ 張永娟，張 雄，竇 竟.礦渣微粉顆粒分布與其活性指數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)分析［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2001(1)：44-48.