不同類(lèi)型混合材對(duì)路用水泥力學(xué)性能影響試驗(yàn)研究

劉志勝 楊文尚 張彧琦

摘要：為研究不同礦渣、粉煤灰和不同細(xì)度的混合料對(duì)水泥力學(xué)性能的影響，并分析不同混合材對(duì)水泥活性指數(shù)的影響，確定了混合材對(duì)水泥性能的影響機(jī)理。結(jié)果表明：礦渣中的CaO和MgO成分是導(dǎo)致礦渣對(duì)水泥性能及活性影響的直接原因；混合材主要起到填充作用，其細(xì)度對(duì)水泥的早期、后期強(qiáng)度沒(méi)有明顯的改善作用；較粗的活性混合材對(duì)提高水泥活性指數(shù)和抗壓性能具有更明顯的效果。

關(guān)鍵詞：水泥性能；混合材；活性指數(shù)；抗壓強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： The mechanism of how admixture affects the mechanical properties of cement was determined by testing with different slag， fly ash and mixture with different fineness and analyzing the impact of admixture on the activity index of cement. The results show that CaO and MgO in the slag directly cause the impact on cement's properties and its activity index； the fineness of the admixture has little impact on the strength of cement； coarse active admixture improves the activity index and compressive strength more obviously.

Key words： cement property； admixture； activity index； compressive strength

0 引 言

近年來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，道路工程逐步向深山、大河等氣候、地理?xiàng)l件更加復(fù)雜的地區(qū)延伸。在高等級(jí)路面中，水泥混凝土路面僅占道路總里程的5%左右。制約水泥混凝土路面應(yīng)用的主要因素是：水泥混凝土在實(shí)體工程中干、溫縮明顯；水泥石內(nèi)部孔隙收縮力較大，易引發(fā)內(nèi)部微裂紋；在荷載作用下，硬化后的混凝土沿裂紋拓展方向發(fā)生破壞[1-2]。此外，水泥混凝土路面為條帶狀結(jié)構(gòu)，與周?chē)h(huán)境接觸的比表面積相對(duì)多，更大程度上促進(jìn)了干、溫縮裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展；同時(shí)，基層的摩阻增加了水泥混凝土自身的應(yīng)力，硫酸鹽腐蝕體滲入水泥混凝土內(nèi)部，影響水泥結(jié)構(gòu)與構(gòu)造內(nèi)部鋼筋的使用壽命[3]。但是，水泥混凝土路面具有較高的承載力，如果將其推廣，可解決中國(guó)重載交通對(duì)道路破壞的難題；同時(shí)，水泥和鋼材一直維持在較低的價(jià)位，水泥混凝土路面的建設(shè)成本遠(yuǎn)低于瀝青混凝土路面。因此，本文從水泥基本性能出發(fā)，系統(tǒng)研究混合料類(lèi)型對(duì)路用水泥基本性能的影響，研究不同混合料對(duì)水泥的抗壓、抗折強(qiáng)度和活性指數(shù)的影響規(guī)律，為路面用水泥混凝土的材料組成優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用水泥熟料選自朔州山水新時(shí)代水泥有限公司。將生產(chǎn)的熟料混勻，取樣點(diǎn)設(shè)在出窯熟料輸送機(jī)處，每小時(shí)取樣一次，每次取樣約2 000 g，經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎至粒度小于5 mm，測(cè)試水泥熟料的化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表1。

試驗(yàn)所用的混合料均來(lái)自山西省朔州市周?chē)牟牧仙a(chǎn)基地、再生料應(yīng)用廠家。測(cè)試不同類(lèi)型混合材的化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表2。

試驗(yàn)所用脫硫石膏來(lái)自朔州山水新時(shí)代水泥有限公司，石膏中SO3含量為42.3%，其他相關(guān)性能均符合《用于水泥中的工業(yè)副產(chǎn)石膏》（GB/T 21371—2008）的規(guī)定，石膏的化學(xué)成分見(jiàn)表3。采用占水泥總質(zhì)量5%的石膏進(jìn)行水泥的制備。

1.2 試驗(yàn)方法

為研究不同類(lèi)型混合料對(duì)復(fù)合水泥實(shí)際性能的影響，混合材與水泥熟料質(zhì)量比例采用1∶1，進(jìn)行3 d和28 d的抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，并與水泥熟料制備的水泥進(jìn)行對(duì)比，分析不同混合料對(duì)水泥活性指數(shù)的影響。試驗(yàn)均按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30—2005）進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

將制備好的熟料按等分法稱(chēng)取5.00 kg為一份，加入5%的脫硫石膏，以硅酸鹽水泥為基礎(chǔ)，分別與11種混合材在最佳摻量下進(jìn)行磨細(xì)，制備出不同類(lèi)型的硅酸鹽水泥。粉磨時(shí)間（試驗(yàn)為30 min）根據(jù)KH（石灰飽和系數(shù)）憑經(jīng)驗(yàn)確定，甩料3 min，用0.9 mm方孔篩過(guò)篩，混合均勻后，進(jìn)行物理指標(biāo)、力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

2.1 不同類(lèi)型礦渣對(duì)水泥性能的影響

對(duì)上述不同類(lèi)型礦渣混合材制備的水泥進(jìn)行力學(xué)性能研究，分析不同類(lèi)型礦渣混合材對(duì)水泥抗壓、抗折強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)圖1可以看出，不同類(lèi)型礦渣混合材的3 d和28 d抗折、抗壓強(qiáng)度均低于單純的水泥熟料與石膏制備的水泥，表明不同類(lèi)型礦渣對(duì)水泥的力學(xué)性能均有不利影響。相比較而言，礦渣對(duì)水泥性能3 d和28 d抗折強(qiáng)度的影響相對(duì)較??；同時(shí)，隨著養(yǎng)生時(shí)間的增加，混合料對(duì)水泥性能的影響也逐漸明顯。3種礦渣對(duì)水泥性能的影響表現(xiàn)出相同的規(guī)律。隨著養(yǎng)生時(shí)間增加差異性逐漸明顯，宣化礦渣對(duì)水泥性能的影響最小，華貿(mào)礦渣次之，太鋼礦渣最大。添加不同類(lèi)型礦渣對(duì)水泥產(chǎn)生不同影響的原因在于：宣化礦渣含有更多的CaO和MgO，這些富鈣成分和水泥熟料結(jié)構(gòu)中的SiO2發(fā)生反應(yīng)生成玻璃體，促進(jìn)了礦渣與水泥熟料混合物性能的提升[4-6]。

2.2 不同類(lèi)型粉煤灰對(duì)水泥性能的影響

對(duì)上述不同類(lèi)型粉煤灰混合材制備的水泥進(jìn)行力學(xué)性能研究，分析不同類(lèi)型粉煤灰對(duì)水泥抗壓、抗折強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著養(yǎng)生時(shí)間的增加，3種粉煤灰對(duì)水泥性能影響的差異性逐漸明顯。不同類(lèi)型的粉煤灰對(duì)水泥的3 d和28 d抗折、抗壓強(qiáng)度均產(chǎn)生不同程度的影響；相比較而言，粉煤灰對(duì)水泥性能3 d和28 d抗折強(qiáng)度的影響小于對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。隨著養(yǎng)生時(shí)間的增加，不同類(lèi)型粉煤灰對(duì)水泥抗壓和抗折強(qiáng)度的影響逐漸明顯。格瑞特粗灰對(duì)水泥抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響均小于其他2種粉煤灰。原因是格瑞特粗灰具有較小的燒失量和較高的Al2O3含量，Al2O3在濕環(huán)境下可以提高水泥中OH-的濃度，進(jìn)而可有效地克服富鈣相的分解活化能，并與水泥成分中的活性硅鋁陽(yáng)離子作用生成水化鋁酸鈣等產(chǎn)物，增加材料性能。

2.3 不同細(xì)度混合料對(duì)水泥性能的影響

對(duì)上述2種粉煤灰混合料制備的水泥進(jìn)行力學(xué)性能研究，分析不同類(lèi)型和不同細(xì)度粉煤灰混合材對(duì)水泥抗壓、抗折強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

通過(guò)圖3可以看出，2種細(xì)灰作為混合料制備的水泥的3 d抗折強(qiáng)度均小于以粗灰作為混合料的水泥；而2種細(xì)灰作為混合料制備的水泥28 d抗折強(qiáng)度均大于粗灰制備的水泥，表明增加粉煤灰細(xì)度，可以提高水泥后期抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率。整體而言，不同細(xì)度的粉煤灰對(duì)水泥3 d和28 d抗折強(qiáng)度影響不明顯。相比抗折性能，2種細(xì)度粉煤灰對(duì)水泥抗壓強(qiáng)度性能的影響隨養(yǎng)生期的延長(zhǎng)表現(xiàn)出相反的規(guī)律，添加格瑞特粗灰制備的水泥28 d強(qiáng)度大于同等條件下添加其他混合材制備的水泥。按照已有理論，混合料的比例越大，化學(xué)反應(yīng)越快，強(qiáng)度性能提升越快；然而，實(shí)際水化過(guò)程中大部分混合料只起到填充作用，對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不大，同時(shí)較細(xì)的混合材2次水化相對(duì)充分，水化產(chǎn)物不斷發(fā)育，具有一定的膨脹性，對(duì)材料的性能有一定的負(fù)面影響。

2.4 不同類(lèi)型混合料對(duì)水泥活性指數(shù)的影響

對(duì)表4中，得到不同類(lèi)型的混合料制備的水泥力學(xué)性能分析不同類(lèi)型混合料對(duì)水泥活性指數(shù)的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，不同類(lèi)型的混合料對(duì)水泥活性指數(shù)具有不同程度的影響，格瑞特粉煤灰對(duì)水泥性能的影響遠(yuǎn)小于其他類(lèi)型。隨著養(yǎng)生齡期的增加，添加不同類(lèi)型混合料制備的水泥的活性指數(shù)呈現(xiàn)不同的增長(zhǎng)，而添加石子作為非活性材所制備的水泥表現(xiàn)出活性指數(shù)下降的趨勢(shì)；添加格瑞特粗灰所制備的水泥活性指數(shù)最大，而添加宣化礦渣所制備的水泥活性指數(shù)增長(zhǎng)速率最大。進(jìn)一步說(shuō)明了活性混合料對(duì)水泥性能的影響大于非活性材，同時(shí)，較粗的活性混合料對(duì)水泥活性指數(shù)的提高與抗壓性能的增強(qiáng)更加明顯。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從水泥基本性能出發(fā)，系統(tǒng)研究了不同混合料類(lèi)型對(duì)水泥的抗壓、抗折強(qiáng)度和活性指數(shù)的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論。

（1） 礦渣中的CaO和MgO成分對(duì)水泥力學(xué)性能及活性指數(shù)有直接影響，添加Al2O3含量較高的粉煤灰對(duì)水泥抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度影響較小。

（2） 混合料主要起到填充作用，其細(xì)度對(duì)水泥的早期、后期強(qiáng)度沒(méi)有很明顯的改善作用。

（3） 活性混合料對(duì)水泥性能的影響大于非活性材，較粗的活性混合料對(duì)水泥活性指數(shù)與抗壓性能的增強(qiáng)更加明顯。

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[責(zé)任編輯：譚忠華]