蒸養(yǎng)混凝土中礦物摻合料的激發(fā)效應(yīng)研究

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(1.四川華西綠舍建材有限公司，四川 成都 610081；2.西安建筑科技大學(xué) 材料與礦資學(xué)院，陜西 西安 710055)

引言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資的不斷加大，包括鋼筋混凝土箱梁、鐵路軌枕、隧道襯砌等預(yù)制構(gòu)件的需求量激增，促使我國混凝土制品工業(yè)的發(fā)展達(dá)到了一個前所未有的新階段。隨著我國建筑工業(yè)化的不斷推進(jìn)，混凝土預(yù)制構(gòu)件在未來建筑業(yè)發(fā)展中的重要性也逐漸顯現(xiàn)。

但是，由于受到高能耗、環(huán)境污染等影響因素的制約，造成普通硅酸鹽水泥的價格不穩(wěn)定，在一定程度上制約了預(yù)制品行業(yè)的發(fā)展，這就需要尋求一些價格低廉、綠色環(huán)保并能保證有足夠強(qiáng)度的材料，來盡可能大量地取代水泥，降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)預(yù)制品行業(yè)的發(fā)展。鋼渣、粉煤灰、礦粉等材料由于具有潛在活性、綠色環(huán)保、價格低廉、能改善混凝土耐久性等特點(diǎn)，可以部分取代水泥[1]，但在目前預(yù)制品行業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，礦物摻合料摻量一般僅為30%左右。礦粉等礦物摻合料能夠與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，高溫蒸養(yǎng)也能夠促進(jìn)礦物摻合料的水化反應(yīng)[2]，所以礦物摻合料在蒸養(yǎng)混凝土中的摻量有較大的提升空間。

因此，如果能在混凝土預(yù)制品中提高礦物摻合料摻量，將具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保意義。本文選取目前具有代表性的礦粉、鋼渣、粉煤灰等3種摻合料，使用自配復(fù)合激發(fā)劑，在蒸養(yǎng)條件下，研究復(fù)合激發(fā)劑對不同礦物摻合料的激發(fā)效應(yīng)，以提高混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度，達(dá)到節(jié)約水泥、提高礦物摻合料摻量的目的。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為四川峨勝水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5R水泥，其性能見表1；砂為河砂，細(xì)度模數(shù)為2.2，含泥量為2.1%；石子為粒徑5～25 mm連續(xù)級配碎石，壓碎指標(biāo)為7.4%；激發(fā)劑為自配三元復(fù)合激發(fā)劑，由CaSO4·0.5H2O、Na2SO4和CaO組成，其摻量按礦物摻合料質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計算；礦粉為西安德龍粉體工程材料有限公司生產(chǎn)的S 95級礦粉；鋼渣為樂山西南不銹鋼廠水淬鋼渣粉；粉煤灰為江油發(fā)電廠的Ⅰ級粉煤灰，3種礦物摻合料的化學(xué)成分見表2；減水劑為四川華西綠舍建材有限公司生產(chǎn)的固含量為26%的聚羧酸系高效減水劑，減水劑摻量按膠凝材料總量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計算。

表1 所用P·O 42.5R水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

表2 摻合料化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土基準(zhǔn)配合比如表3所示。試模尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，蒸汽養(yǎng)護(hù)制度為：靜停2 h+升溫2 h+80 ℃恒溫10 h+降溫2 h。降溫結(jié)束后，立即測試混凝土的蒸養(yǎng)強(qiáng)度。

表3 蒸養(yǎng)混凝土基準(zhǔn)配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 復(fù)合激發(fā)劑對礦粉的激發(fā)效應(yīng)

固定激發(fā)劑摻量，分別測試礦粉摻量為膠凝材料總量的0～70%時(內(nèi)摻法)，復(fù)合激發(fā)劑對混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 礦粉摻量對混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度的影響

由圖1可以看出，在有激發(fā)劑和無激發(fā)劑兩種條件下，隨著礦粉摻量的增加，混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大、后降低的趨勢。有激發(fā)劑時的強(qiáng)度最大值點(diǎn)(礦粉摻量為50%、蒸養(yǎng)強(qiáng)度為74.6 MPa)均高于無激發(fā)劑的情況(礦粉摻量為20%、蒸養(yǎng)強(qiáng)度71.3 MPa)；在礦粉摻量<40%時，有激發(fā)劑的蒸養(yǎng)強(qiáng)度低于無激發(fā)劑的蒸養(yǎng)強(qiáng)度；礦粉摻量≥40%時，有激發(fā)劑的蒸養(yǎng)強(qiáng)度高于無激發(fā)劑的蒸養(yǎng)強(qiáng)度，這時，激發(fā)劑對礦粉的激發(fā)效應(yīng)才較好地表現(xiàn)出來。

2.2 復(fù)合激發(fā)劑對鋼渣粉的激發(fā)效應(yīng)

固定激發(fā)劑摻量，分別測試鋼渣粉摻量為膠凝材料總量的0～70%時(內(nèi)摻法)，復(fù)合激發(fā)劑對混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 鋼渣粉摻量對混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度的影響

由圖2可以看出，在有激發(fā)劑和無激發(fā)劑兩種條件下，隨著鋼渣粉摻量的增加，混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大、后降低的趨勢。有激發(fā)劑時的強(qiáng)度最大值點(diǎn)(鋼渣粉摻量40%、蒸養(yǎng)強(qiáng)度65.8 MPa)均高于無激發(fā)劑的情況(鋼渣粉摻量10%、蒸養(yǎng)強(qiáng)度64.8 MPa)；在鋼渣粉摻量<30%時，有激發(fā)劑的蒸養(yǎng)強(qiáng)度低于無激發(fā)劑的蒸養(yǎng)強(qiáng)度；鋼渣粉摻量≥30%時，有激發(fā)劑的蒸養(yǎng)強(qiáng)度高于無激發(fā)劑的蒸養(yǎng)強(qiáng)度，激發(fā)劑的激發(fā)效應(yīng)較為明顯。

2.3 復(fù)合激發(fā)劑對粉煤灰的激發(fā)效應(yīng)

固定激發(fā)劑摻量，分別測試粉煤灰摻量為膠凝材料總量的0～70%時(內(nèi)摻法)，復(fù)合激發(fā)劑對混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 粉煤灰摻量對混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度的影響

由圖3可以看出，在有激發(fā)劑和無激發(fā)劑兩種條件下，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大、后降低的趨勢。有激發(fā)劑時的強(qiáng)度最大值點(diǎn)(粉煤灰摻量40%、蒸養(yǎng)強(qiáng)度68.5 MPa)均高于無激發(fā)劑的情況(粉煤灰摻量20%、蒸養(yǎng)強(qiáng)度67.4 MPa)；在粉煤灰摻量<30%時，有激發(fā)劑的蒸養(yǎng)強(qiáng)度低于無激發(fā)劑的蒸養(yǎng)強(qiáng)度；粉煤灰摻量≥30%時，有激發(fā)劑的蒸養(yǎng)強(qiáng)度高于無激發(fā)劑的蒸養(yǎng)強(qiáng)度。

綜合以上數(shù)據(jù)可以得出，在礦粉、鋼渣粉和粉煤灰的摻量均小于一定值時，復(fù)合激發(fā)劑的摻入不利于混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度的發(fā)展。這是由于在膠凝體系中，礦物摻合料的摻量較小，水泥的濃度就相對較高，在復(fù)合激發(fā)劑中的強(qiáng)堿和硫酸鹽作用下，水泥顆粒會迅速發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生急凝現(xiàn)象，導(dǎo)致早期水泥水化產(chǎn)物包裹大量的未水化顆粒，隔絕了與水的接觸，使大量的水泥和摻合料顆粒僅起到填充作用，造成早期膠凝體系結(jié)構(gòu)發(fā)育不完善[3]，導(dǎo)致有激發(fā)劑時的蒸養(yǎng)強(qiáng)度低于無激發(fā)劑的蒸養(yǎng)強(qiáng)度。

當(dāng)?shù)V粉、鋼渣粉和粉煤灰的摻量均大于一定值時，膠凝體系中水泥的濃度相對較低，在靜停期，復(fù)合激發(fā)劑可以使膠凝材料的水化進(jìn)程平穩(wěn)進(jìn)行，有助于水泥石形成完善的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，促進(jìn)混凝土強(qiáng)度在蒸養(yǎng)階段穩(wěn)步提高，這時復(fù)合激發(fā)劑才有較好的激發(fā)效應(yīng)。

在礦物摻合料摻量高于一定值時，隨著摻量的進(jìn)一步增加，混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度均呈下降趨勢。這是由于隨著礦物摻合料摻量的繼續(xù)增加，膠凝體系中水泥的濃度持續(xù)降低，使靜停期水泥水化生成的凝膠體和Ca(OH)2減少，而漿體中OH-的濃度不足以激發(fā)礦物摻合料的活性，以致不能形成致密的硬化體結(jié)構(gòu)[4]，造成蒸養(yǎng)階段混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生，影響強(qiáng)度發(fā)展。

2.4 復(fù)合激發(fā)劑對礦粉、鋼渣粉和粉煤灰的激發(fā)效應(yīng)比較

通過以上試驗(yàn)分析，可以得出在蒸養(yǎng)條件下復(fù)合激發(fā)劑激發(fā)礦粉、鋼渣粉和粉煤灰的最佳摻量及強(qiáng)度(見表4)。

表4 礦粉、鋼渣粉和粉煤灰的最佳摻量及最高強(qiáng)度

由表4可以看出，礦粉的最佳摻量和最高強(qiáng)度均最大，分別為50%和72.6 MPa，粉煤灰次之，鋼渣粉的最佳摻量和最高強(qiáng)度最小，分別為40%和65.3 MPa，均可達(dá)到C60強(qiáng)度等級。

決定礦物摻合料潛在火山灰活性大小的因素是玻璃體含量和鈣硅物質(zhì)的量之比(摩爾比)，后者決定了玻璃體中硅氧四面體聚合度的高低。鈣硅摩爾比小，玻璃體中硅氧四面體的聚合度高，形成了較連續(xù)的帶有Al3+的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，玻璃體結(jié)構(gòu)就較難被破壞[5]。

鋼渣自身的水硬強(qiáng)度低，水化較慢，一般條件下較難受堿的侵蝕，其鈣硅比約為0.1～0.16，比礦渣相應(yīng)的比值(0.9～1.2)小得多。所以，只有在蒸養(yǎng)和復(fù)合激發(fā)劑共同作用下，鋼渣才有一定水硬活性[9]。

本試驗(yàn)選取的粉煤灰為高鈣灰，在高溫和強(qiáng)堿性環(huán)境下，粉煤灰的玻璃體結(jié)構(gòu)發(fā)生解聚，分解成為聚合度較低的Al、Si單聚體和雙聚體，這些基團(tuán)之間發(fā)生碰撞而進(jìn)行重構(gòu)和重組，并發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物，從而形成致密的硬化體結(jié)構(gòu)[10]。

2.5 復(fù)合激發(fā)劑摻量對礦粉激發(fā)效應(yīng)的影響

固定礦粉摻量為50%，分別測試復(fù)合激發(fā)劑摻量為0、2%、4%、6%、8%、10%時混凝土的蒸養(yǎng)強(qiáng)度和標(biāo)養(yǎng)28 d強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 復(fù)合激發(fā)劑摻量對混凝土強(qiáng)度的影響

由圖4可以看出，隨著復(fù)合激發(fā)劑摻量的增加，混凝土的蒸養(yǎng)強(qiáng)度和標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大、后降低的趨勢。激發(fā)劑摻量為6%時，混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值78.9 MPa；激發(fā)劑摻量為8%時，混凝土標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值69.1 MPa；在其他條件相同的情況下，混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度均高于標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度。

3 結(jié)論

3.1 對所選取的3種礦物摻合料進(jìn)行比較，自配復(fù)合激發(fā)劑對礦粉的激發(fā)效應(yīng)最好，粉煤灰次之，鋼渣最差；礦粉的最佳摻量為50%，激發(fā)劑的最佳摻量為礦粉摻量的6%，強(qiáng)度可達(dá)78.9 MPa；鋼渣粉和粉煤灰最佳摻量為40%，均可達(dá)到C60強(qiáng)度等級。

3.2 選取的礦物摻合料摻量較小時，自配激發(fā)劑會使水泥急凝，對水泥-礦物摻合料膠凝體系的水化進(jìn)程有不利影響；摻量在40%～70%時，激發(fā)劑對其有較好的激發(fā)效果。

3.3 在其他條件相同的情況下，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比，蒸汽養(yǎng)護(hù)更有利于激發(fā)劑對礦粉的激發(fā)效應(yīng)。

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