風(fēng)積沙石粉在混凝土中應(yīng)用可行性研究

李凱，朱炎寧，沈忠雪，艾洪祥

（中建西部建設(shè)股份有限公司，新疆　烏魯木齊　830000）

風(fēng)積沙石粉在混凝土中應(yīng)用可行性研究

李凱，朱炎寧，沈忠雪，艾洪祥

（中建西部建設(shè)股份有限公司，新疆烏魯木齊830000）

本文通過粉磨技術(shù)對(duì)風(fēng)積沙進(jìn)行處理，得到風(fēng)積沙石粉。研究石粉易磨性、不同比表面積風(fēng)積沙石粉的活性指數(shù)、風(fēng)積沙石粉對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性影響，并研究風(fēng)積沙石粉替代水泥進(jìn)行商品混凝土拌制的可行性。結(jié)果表明風(fēng)積沙石粉替代10% 水泥進(jìn)行混凝土拌制是可行的。

風(fēng)積沙；石粉易磨性；體積穩(wěn)定性；替代水泥；混凝土

0　前言

新疆地區(qū)地域遼闊，占 1/6 的國(guó)土面積，其中沙漠面積為 80.89 萬(wàn)平方公里，約占全國(guó)國(guó)土面積的 8.43%，且每年有增長(zhǎng)趨勢(shì)。風(fēng)積沙是存在于沙漠中被風(fēng)吹、沉淀的沙層，其粒徑主要分布在 0.75～2.36mm 之間，該區(qū)間顆粒含量高達(dá)90% 以上，而且其具有高含泥、非塑性、低吸水、松鋪系數(shù)小等特點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于風(fēng)積沙的利用僅局限于修筑公路，其用量對(duì)于我國(guó)風(fēng)積沙的資源總量來(lái)說，可謂是九牛一毛，并沒有將風(fēng)積沙進(jìn)行最大限度的開發(fā)應(yīng)用。我國(guó)實(shí)施“十一五”規(guī)劃綱要以來(lái)，把節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境作為一項(xiàng)基本國(guó)策，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，建設(shè)資源節(jié)約和環(huán)境友好型社會(huì)已成為社會(huì)發(fā)展的必然方向。研究和認(rèn)識(shí)風(fēng)積沙，積極探索風(fēng)積沙的可利用功能，無(wú)論對(duì)于綠色可持續(xù)發(fā)展還是廢棄資源再利用都具有深遠(yuǎn)的意義。本研究采用粉磨等手段得到一定比表面積的風(fēng)積沙石粉，研究風(fēng)積沙易磨性、不同比表面積石粉的活性指數(shù)、風(fēng)積沙石粉對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性影響、作為膠凝材料取代水泥在混凝土中應(yīng)用的可行性。

1　試驗(yàn)材料

1.1水泥

水泥采用新疆青松水泥有限公司的強(qiáng)度等級(jí)為 42.5R 的普通硅酸鹽水泥。其性能指標(biāo)測(cè)定比表面積為 382m2/kg；初凝時(shí)間 150min，終凝時(shí)間 180min；其 3d 和 28d 抗折強(qiáng)度分別為 5.8MPa、8.5MPa；3d 和 28d 抗壓強(qiáng)度分別為 27.3MPa、45.0MPa；安定性檢測(cè)合格。

1.2粉煤灰

粉煤灰產(chǎn)地新疆紅雁池二電廠（Ⅲ 級(jí)）。其性能檢測(cè)指標(biāo)測(cè)定細(xì)度 30.3%，需水量比 98%；游離氧化鈣 0.4%，燒失量 2.3%，SO3含量 0.5%，28d 活性指數(shù) 71.2%。

1.3磨細(xì)礦渣粉

磨細(xì)礦渣粉產(chǎn)地：中建西部建設(shè)股份有限公司烏市分公司粉磨車間。其性能檢測(cè)指標(biāo)測(cè)定比表面積 420m2/kg，SO3含量 1.0%，燒失量 1.0%，需水量比 98%；3d、7d、28d 活性指數(shù)分別為 58%、76%、98%。

1.4砂樣

本研究使用風(fēng)積沙試樣取自新疆烏魯木齊周邊的沙漠背風(fēng)層表面浮砂。物理性質(zhì)見表 1。

表1　風(fēng)積沙物理性質(zhì)

1.5風(fēng)積沙石粉

通過球磨機(jī)粉磨得到不同比表面積風(fēng)積沙石粉，化學(xué)組分見表 2。

表2　風(fēng)積沙石粉化學(xué)組成　　　　　%

1.6骨料

粗細(xì)骨料均產(chǎn)自烏魯木齊周邊，天然砂具體參數(shù)見表1。粗骨料粒徑為 5～20mm、20～40mm。各項(xiàng)性能指標(biāo)符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定。

1.8外加劑

外加劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的高性能聚羧酸減水劑。與本研究涉及水泥具有良好適應(yīng)性，減水率為 28%，性能指標(biāo)符合 GB 8076—2008《混凝土外加劑》要求。

2　風(fēng)積沙粉磨及活性指數(shù)試驗(yàn)

2.1易磨性試驗(yàn)

通過球磨機(jī)將風(fēng)積沙按不同粉磨時(shí)間進(jìn)行處理，得到不同比表面積的風(fēng)積沙粉磨石粉。比表面積的測(cè)試參照 GB/T 8074—2008《水泥比表面積測(cè)定方法—勃氏法》進(jìn)行。粉磨時(shí)間與對(duì)應(yīng)比表面積見圖 1。

由圖 1 可知，風(fēng)積沙石粉比表面積隨粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，粉磨時(shí)間超過 30min 后石粉的比表面積增大不明顯，原因是粉磨超過 30min，粉體開始結(jié)團(tuán)，出現(xiàn)粘球現(xiàn)象。粉磨超過 40min 粘球現(xiàn)象嚴(yán)重，團(tuán)聚程度增大。

圖1　粉磨時(shí)間與比表面積對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2強(qiáng)度活性指數(shù)

借鑒粉煤灰強(qiáng)度活性指數(shù)試驗(yàn)，參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》對(duì)風(fēng)積沙石粉進(jìn)行強(qiáng)度活性指數(shù)試驗(yàn)。膠砂配比見表 3，7d、28d 水泥膠砂抗壓強(qiáng)度見表 4。

表3　膠砂配比

表4　7d、28d 水泥膠砂抗壓強(qiáng)度

由表 3 和表 4 可以看出：風(fēng)積沙石粉替代水泥量為總膠材的 30%，而摻入石粉的粉磨時(shí)間在 20min 以上的水泥膠砂試塊的抗壓強(qiáng)度損失都小于 30%。根據(jù)馮乃謙教授的膠材活性理論，可以認(rèn)為風(fēng)積沙石粉具有一定的活性。隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，風(fēng)積沙石粉比表面積的增加，石粉的水泥膠砂 28d抗壓強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)平緩?？梢酝茰y(cè)風(fēng)積沙石粉比表面積達(dá)到一定值后風(fēng)積沙石粉的其他性能對(duì)混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)有幫助，比如風(fēng)積沙石粉的填充效應(yīng)，能夠在一定條件下增加混凝土的致密性，提高水泥膠砂強(qiáng)度。根據(jù)風(fēng)積沙石粉膠砂7d 強(qiáng)度可以看出：風(fēng)積沙石粉對(duì)混凝土前期強(qiáng)度的增長(zhǎng)效果高于后期，原因是風(fēng)積沙石粉具有“加速效應(yīng)”。其基本原理是風(fēng)積沙石粉顆粒作為一個(gè)個(gè)成核場(chǎng)所，致使摻入風(fēng)積沙石粉后，混凝土中水泥水化速率加快。

3　風(fēng)積沙石粉對(duì)砂漿體積穩(wěn)定性影響

結(jié)合圖 1 和表 4 選擇粉磨時(shí)間為 50min 的風(fēng)積沙石粉進(jìn)行砂漿限制膨脹率試驗(yàn)。試驗(yàn)參照 GB 23439—2009《混凝土膨脹劑》中附錄 A 的方法進(jìn)行。風(fēng)積沙石粉內(nèi)摻為 10%，水膠比為 0.4，膠砂比為 2.0。不同養(yǎng)護(hù)條件下風(fēng)積沙石粉限制膨脹率試驗(yàn)結(jié)果見表 5 和圖 2。

圖2　不同養(yǎng)護(hù)條件下風(fēng)積沙石粉限制膨脹率

由圖 2 可以看出，摻入風(fēng)積沙石粉的砂漿在絕濕和水養(yǎng)的養(yǎng)護(hù)條件下的限制膨脹率均大于未摻加石粉的基準(zhǔn)組，由此可以認(rèn)為風(fēng)積沙石粉能夠在一定程度上彌補(bǔ)體積收縮，對(duì)水泥基膠凝材料的體積穩(wěn)定性無(wú)不利影響。原因可能是風(fēng)積沙石粉的填充效應(yīng)使砂漿體系更加密實(shí)；風(fēng)積沙石粉中的活性 SiO2與水泥水化產(chǎn)物 Ca(OH)2反應(yīng)生成了有膠凝性質(zhì)的穩(wěn)定的水化硅酸鈣凝膠，增加了有益水化物數(shù)量，從而達(dá)到了補(bǔ)償收縮的效果。

4　風(fēng)積沙石粉取代水泥試驗(yàn)

風(fēng)積沙石粉對(duì)膠砂的強(qiáng)度有一定的幫助，能否在混凝土生產(chǎn)中加以利用是風(fēng)積沙石粉的應(yīng)用關(guān)鍵。根據(jù)風(fēng)積沙石粉活性指數(shù)及經(jīng)濟(jì)成本考慮，選擇粉磨時(shí)間為 50min 風(fēng)積沙石粉進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)配合比及相關(guān)性能見表 6。

表6　風(fēng)積沙石粉取代水泥試驗(yàn)結(jié)果　　　　　　　　　　　　　　　　　　kg/m3

圖 3　風(fēng)積沙石粉替代不同比例水泥混凝土抗壓強(qiáng)度

由表 6 可知，當(dāng)風(fēng)積沙石粉替代水泥時(shí)，隨著替代率的增加，相同用水量的情況下，混凝土的坍落度增大，原因是粉磨的風(fēng)積沙石粉粒徑小，能夠有效地填充顆粒間的空隙，置換層間水，起到“減水”效果。但當(dāng)替代率增加到一定比例時(shí)，混凝土坍落度降低，原因是風(fēng)積沙石粉中含有一定的粘土，粘土能夠吸收聚羧酸減水劑，當(dāng)風(fēng)積沙石粉自身的“減水”效果小于其粘土吸附的聚羧酸減水劑的減水效果時(shí)，混凝土坍落度開始降低。從而影響混凝土的工作性能。

由圖 3 可知，當(dāng)風(fēng)積沙石粉替代水泥量在 10% 以內(nèi)時(shí)，隨著風(fēng)積沙石粉摻量的提高，混凝土 7d、28d 抗壓強(qiáng)度有一定的提高。原因是風(fēng)積沙石粉的填充效應(yīng)提高了混凝土體系的密實(shí)性。當(dāng)風(fēng)積沙石粉替代率進(jìn)一步提高時(shí)，混凝土 7d、28d 強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，原因是風(fēng)積沙石粉的活性效應(yīng)及填充效應(yīng)對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果低于所取代水泥的活性給混凝土帶來(lái)的強(qiáng)度，其次含泥量的提高也是混凝土強(qiáng)度降低的原因。

對(duì)比圖 3 中 7d 和 28d 抗壓強(qiáng)度可以看出，當(dāng)加入一定量的石粉時(shí)，混凝土的早期強(qiáng)度較基準(zhǔn)有明顯的提升，這進(jìn)一步地驗(yàn)證了風(fēng)積沙石粉的加速效應(yīng)。

5　結(jié)論

（1）風(fēng)積沙石粉比表面積隨粉磨時(shí)間延長(zhǎng)而增大，當(dāng)粉磨時(shí)間超過 40min 后，石粉比表面積增加不明顯。原因是風(fēng)積沙石粉開始結(jié)團(tuán)、團(tuán)聚。

（2）風(fēng)積沙石粉具有一定的活性，隨著比表面積增大，風(fēng)積沙石粉活性指數(shù)增大。

（3）粉磨時(shí)間為 50min 時(shí)，風(fēng)積沙石粉活性指數(shù)最高而此時(shí)能耗相對(duì)較低。

（4）風(fēng)積沙石粉對(duì)砂漿體積穩(wěn)定性無(wú)不良影響，能夠起到補(bǔ)償收縮的作用。

（5）當(dāng)風(fēng)積沙石粉替代水泥用量在 10% 以內(nèi)時(shí)，風(fēng)積沙石粉能夠在一定程度上提高混凝土流動(dòng)性及抗壓強(qiáng)度。原因是風(fēng)積沙石粉能夠置換層間水和密實(shí)混凝土，而且風(fēng)積沙石粉的活性能為混凝土提供一定強(qiáng)度。

（6）風(fēng)積沙石粉摻量在一定范圍內(nèi)時(shí)對(duì)于混凝土早期強(qiáng)度有一定的提高，與膠砂試驗(yàn)結(jié)果相同，這是所謂的“加速效應(yīng)”。

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［通訊地址］新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市沙依巴克區(qū)雅山中路 418 號(hào)（830000）

李凱（1989—），男，主要從事混凝土新技術(shù)新產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用。