礦粉對水泥和混凝土性能的影響

張 芳，溫超凱，張 林，王 軍

(1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.廣東生之源數(shù)碼電子股份有限公司，廣東 佛山 528000；3.中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著建筑物高層、大跨度、輕量化，使高性能混凝土的開發(fā)和應(yīng)用得到快速發(fā)展，對混凝土的性能也提出了越來越高的要求.吳中偉院士認(rèn)為，高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)配制而成.其以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，同時還要保證工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性[1].在配制混凝土?xí)r，加入一定量礦物摻合料不僅可以節(jié)約水泥，節(jié)約成本，而且由于摻合料的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，對改善混凝土的工作性能，改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和提高混凝土的力學(xué)性能有著顯著的作用[2-6].通常使用的摻合料多為活性礦物摻合料，由于它能夠改善混凝土拌合物的和易性，或能夠提高混凝土硬化后的密實(shí)性、抗?jié)B性和強(qiáng)度等，因此目前較多的土木工程中都或多或少地應(yīng)用活性礦物摻合料[7].特別是隨著預(yù)拌混凝土、泵送混凝土技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，以及環(huán)境保護(hù)的要求，在混凝土中使用礦物摻合料將愈加廣泛.如?；郀t礦渣、火山灰質(zhì)材料、粉煤灰和硅灰等.

本文研究最常用的礦物摻合料—礦粉對水泥凈漿稠度、凝結(jié)時間、流動度和力學(xué)性能的影響.礦粉選用超細(xì)礦粉和普通礦粉，對比研究超細(xì)礦粉和普通礦粉對水泥凈漿及混凝土性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

水泥：水泥為華新水泥廠產(chǎn)P.O42.5普通硅酸鹽水泥，密度3.14 g/cm3，勃氏比表面積3 320 cm2/g，化學(xué)成分見表1，主要技術(shù)指標(biāo)見表2.

表1 42.5普通硅酸鹽水泥的化學(xué)成分

表2 42.5硅酸鹽水泥的性能

礦粉：中建商品混凝土公司生產(chǎn)S95級礦粉，其燒失量0.71%，Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.032%，SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.18%，流動度比101%，密度2.8 g/cm3，7 d活性指數(shù)71，28 d活性指數(shù)96，勃氏比表面積4 600 cm2/g.

超細(xì)礦粉：天津市漁陽超細(xì)礦粉加工有限公司，其燒失量0.81%，Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.003%，密度2.9 g/cm3，勃氏比表面積9 200 cm2/g，細(xì)度范圍0.13～14.01 μm.

表3 粒度特征參數(shù)

砂：細(xì)度模數(shù)2.58，含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%，泥塊質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%，表觀密度2 700 kg/m3.

石：顆粒粒級5～25 mm，含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%，泥塊質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%，壓碎指標(biāo)4.1%.

減水劑：中建商品混凝土有限公司生產(chǎn)聚羧酸減水劑.

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)用超細(xì)礦粉和普通礦粉對水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時間影響的配比見表4；超細(xì)礦粉和普通礦粉對水泥凈漿和混凝土抗壓強(qiáng)度影響的配比分別見表5和表6.

表4 水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時間各原材料配比Table 4 The raw materials ratio of cement paste’s normal consistency and setting time

表5 水泥凈漿抗壓強(qiáng)度各原材料配比Table 5 The raw materials ratio of cement paste compressive strength test

表6 混凝土抗壓強(qiáng)度各原材料配比Table 6 The raw materials ratio of concrete compressive strength test

2 結(jié)果與討論

2.1 超細(xì)礦粉和普通礦粉對水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度和凝結(jié)時間的影響

普通礦粉和超細(xì)礦粉的摻入對水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度的影響如圖1(a)所示，從圖1(a)可以看出：a.普通礦粉等量取代水泥，隨著普通礦粉取代量的增大，水泥漿體標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量減小，當(dāng)普通礦粉的取代量達(dá)到30%時，繼續(xù)增大普通礦粉的取代量到50%，水泥漿體標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量不再改變，普通礦粉的摻入，雖然可以在一定程度上減小水泥漿體標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量，但效果并不明顯；b.超細(xì)礦粉等量取代水泥后，增大水泥漿體的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量，且隨超細(xì)礦粉取代量的增大，水泥漿體標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量越大.

普通礦粉等量取代水泥后，由于普通礦粉的細(xì)度比水泥顆粒細(xì)，普通礦粉的填充作用和微集料效應(yīng)使普通礦粉填充在水泥顆粒的空隙中，置換出中間的水分，因而使拌合物的表面水量相應(yīng)增加，增加了水泥顆粒的潤滑作用，促進(jìn)了漿體流動性的改善.所以普通礦粉取代等量水泥，減小標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量.超細(xì)礦粉的比表面積比較大，在取代等量的水泥后，超細(xì)礦粉之間的摩擦比較大，細(xì)度過小增大對水的需要量.達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量比較大，從而增大標(biāo)準(zhǔn)稠度的需水量.

圖1 礦粉對水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度和凝結(jié)時間的影響Fig.1 Effect of slag on the normal consistency and setting time of cement paste

圖1(b)為兩種礦粉對水泥漿體凝結(jié)時間的影響，從圖1(b)可以看出：a.兩種礦粉的摻入都增大水泥漿體的初凝時間和終凝時間，隨著兩種礦粉摻量的增加，水泥漿體的凝結(jié)時間逐漸增加；b.超細(xì)礦粉比普通礦粉對水泥漿體凝結(jié)時間的影響略大，但兩種礦粉對水泥漿體的初凝和終凝時間的影響都較小.

2.2 超細(xì)礦粉和普通礦粉對水泥凈漿流動度的影響

從表7可以看出，隨著普通礦粉摻量的增大，水泥漿體的流動度逐漸增大.在30 min時，摻入普通礦粉水泥漿體的流動度出現(xiàn)下降，在60 min時，水泥漿體的流動度略有回升.由于普通礦粉的比表面積大，顆粒較小，在水泥膠凝體系中，水泥顆粒之間存在一定的空隙，這部分空隙需要一定量的水來填充，用礦粉取代一定量的水泥后，礦粉將填充在水泥顆粒之間的空隙中，釋放出水泥顆粒之間包裹的自由水，從而增大水泥漿體中的自由水，對水泥顆粒之間起到一定的潤滑作用，從而增大水泥漿體的流動度.

超細(xì)礦粉的摻入使水泥漿體的流動度大幅減小，摻量越大，水泥漿體的流動度越低.隨時間的延長水泥漿體的流動度逐漸降低.超細(xì)礦粉的比表面積大，顆粒相對水泥顆粒小很多，對水具有比水泥顆粒較大的吸附能力，超細(xì)礦粉摻入后，由于超細(xì)礦粉吸附較多的水和減水劑.另外超細(xì)礦粉是具有膠凝性的無定性顆粒， 顆粒間的滑動阻力較大，對水泥漿體的流動度起主要作用，隨超細(xì)礦粉摻量的增加，超細(xì)礦粉之間的摩擦力逐漸增大，水泥漿體的流動度逐漸減小.所以普通礦粉可以改善水泥漿體的流動度，超細(xì)礦粉減小水泥漿體的流動度.

表7 礦粉對水泥凈漿流動度的影響Table 7 Effect of slag on the fluidity of cement paste

2.3 超細(xì)礦粉和普通礦粉對水泥凈漿力學(xué)性能的影響

礦粉等量取代水泥后，會造成水泥體系發(fā)生一些變化，從而導(dǎo)致強(qiáng)度發(fā)生變化.圖2為礦粉對水泥漿體強(qiáng)度的影響.

圖2可以看出，摻入兩種礦粉水泥凈漿的7 d抗壓強(qiáng)度均低于純水泥體系.水泥的凝結(jié)硬化主要取決于水泥熟料的主要礦物成分及其含量，普通礦粉取代等量的水泥后，造成水泥凈漿中C3S的含量相對降低，因?yàn)镃3S的水化速率快，對水泥的早期強(qiáng)度起到主要作用.隨著水化的進(jìn)行，礦粉的火山灰活性和微填充效應(yīng)逐漸發(fā)揮，普通礦粉的摻入可以改善水泥凈漿的微觀結(jié)構(gòu)，使水泥漿體更加密實(shí)，促進(jìn)水泥漿體后期抗壓強(qiáng)度的提高[8].圖2(a)為普通礦粉對水泥凈漿強(qiáng)度的影響.普通礦粉的28 d抗壓強(qiáng)度普遍高于純水泥體系.

圖2(b)為超細(xì)礦粉對水泥漿體強(qiáng)度的影響.超細(xì)礦粉摻入后，水泥凈漿早期抗壓強(qiáng)度比普通礦粉摻入的早期抗壓強(qiáng)度有所提高，但其7 d抗壓強(qiáng)度低于純水泥體系.28 d抗壓強(qiáng)度普遍大于純水泥體系.超細(xì)礦粉取代30%的水泥時，28 d抗壓強(qiáng)度最好.由于超細(xì)礦粉的潛在水硬性對水泥的水化起到微晶核作用，使超細(xì)礦粉的活性被激發(fā)，減少氫氧化鈣的含量，加速水泥的水化，使結(jié)構(gòu)更加密實(shí).

圖2 礦粉對水泥凈漿力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of slag on the mechanical properties of cement paste

2.4 超細(xì)礦粉和普通礦粉對混凝土早期力學(xué)性能的影響

圖3為礦粉對混凝土強(qiáng)度的影響.由圖3(b)看出，摻入普通礦粉，混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度在摻量為10%時最大，養(yǎng)護(hù)14 d時混凝土的抗壓強(qiáng)度在摻量為30%時最大.由圖3(a)看出，摻入超細(xì)礦粉，摻量30%時7 d抗壓強(qiáng)度最大，而摻量為10%的14 d抗壓強(qiáng)度最大.兩種礦粉都可增大混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，7 d抗壓強(qiáng)度增長較快，14 d抗壓強(qiáng)度相對7 d抗壓強(qiáng)度則增長較慢.混凝土的早期抗壓強(qiáng)度增長快，后期抗壓強(qiáng)度增長緩慢.

圖3 礦粉對混凝土力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of slag on the mechanical properties of concrete

礦粉對混凝土強(qiáng)度的影響和對凈漿、砂漿強(qiáng)度的影響有一定的區(qū)別.礦粉作為摻合料在混凝土中，具有潛在水硬性、火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)[2]，與水泥組成二元復(fù)合膠凝材料，能提高水泥石與骨料界面粘結(jié)強(qiáng)度及改善水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)，在同時摻入高效減水劑后，在較低水膠比條件下，能制得密實(shí)性和強(qiáng)度較高的混凝土.

礦粉的加入可以改善水泥石和石子界面過渡層結(jié)構(gòu).由于石子和水泥石界面被認(rèn)為是最薄弱的環(huán)節(jié)；因此，界面結(jié)構(gòu)的改善能提高混凝土的力學(xué)性能.界面過渡層中，靠近集料一邊的是Ca(OH)2，而Ca(OH)2在界面附近的存在對混凝土的強(qiáng)度是有害的.加入礦粉能夠使過渡層厚度減弱，并能以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水化物代替片狀結(jié)構(gòu)的Ca(OH)2，這對提高界面之間的強(qiáng)度是有利的[1,9].因此礦粉的存在可以提高混凝土的強(qiáng)度.

3 結(jié) 語

綜上所述，得到結(jié)論如下：

a.普通礦粉可以降低水泥漿體標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量，未摻入礦粉時，標(biāo)準(zhǔn)稠度水灰比為0.253，普通礦粉摻量達(dá)到30%時，標(biāo)準(zhǔn)稠度水灰比為0.247，繼續(xù)增大普通礦粉摻量，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度不變；超細(xì)礦粉增大水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量，當(dāng)摻量達(dá)到50%時，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量達(dá)到0.317；超細(xì)礦粉和普通礦粉摻入都能增大水泥漿體的初凝和終凝時間，但影響不大；

b.在0.5水灰比下，普通礦粉可以改善水泥漿體的流動度，礦粉摻量增大到50%，流動度增大到270 mm；超細(xì)礦粉摻入使水泥漿體流動度降低，摻量越大，流動度越小，摻量到50%時，流動度降低到144 mm；

c.未摻加礦粉的水泥凈漿7 d抗壓強(qiáng)度為64 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為85.6 MPa，摻入兩種礦粉，7 d抗壓強(qiáng)度普遍低于純水泥體系，28 d抗壓強(qiáng)度普遍高于純水泥體系，普通礦粉和超細(xì)礦粉摻量在10%～30%效果最好，摻入超細(xì)礦粉28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到102.8 MPa，摻入普通礦粉28 d抗壓強(qiáng)度也達(dá)到93.8 MPa；

d.基準(zhǔn)混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度為57.8 MPa，14 d抗壓強(qiáng)度為63.9 MPa.摻入兩種礦粉混凝土的7 d和14 d抗壓強(qiáng)度普遍提高，對超細(xì)礦粉，摻量在10%～30%時效果最好，7d最高抗壓強(qiáng)度達(dá)到73.4 MPa，14 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到79.4 MPa，繼續(xù)增大摻量，混凝土強(qiáng)度降低；普通礦粉摻量10%～30%時效果最好，7 d最高抗壓強(qiáng)度達(dá)到64.9 MPa，14 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到73.8 MPa；在最佳摻量范圍內(nèi)，摻入超細(xì)礦粉混凝土抗壓強(qiáng)度大于摻入普通礦粉，普通礦粉和超細(xì)礦粉都能增大混凝土的抗壓強(qiáng)度.

致 謝：

感謝國家自然科學(xué)基金委員會的資金資助.

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