礦物摻合料對砂漿體積穩(wěn)定性的影響研究

崔　鑫，郭　偉，王龍志，張海霞，劉家奇

(1.山東建澤混凝土有限公司技術(shù)中心，濟(jì)南　250101;2.濟(jì)南市工程質(zhì)量與安全生產(chǎn)監(jiān)督站, 濟(jì)南　250001)

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礦物摻合料對砂漿體積穩(wěn)定性的影響研究

崔鑫1，郭偉2，王龍志1，張海霞1，劉家奇1

(1.山東建澤混凝土有限公司技術(shù)中心，濟(jì)南250101;2.濟(jì)南市工程質(zhì)量與安全生產(chǎn)監(jiān)督站, 濟(jì)南250001)

濟(jì)南軌道交通R1線擬建成為國內(nèi)首條全線路清水混凝土軌道交通工程，且為100年工程。為此，開展了混凝土體積穩(wěn)定性的前期研究，即礦物摻合料對砂漿體積穩(wěn)定性的影響研究，為高性能清水混凝土提供技術(shù)支持。研究了單摻粉煤灰(30%、50%)、單摻礦粉(30%、50%)、雙摻粉煤灰和礦粉(30%+20%、20%+30%)對水膠比為0.5的砂漿的體積穩(wěn)定性能的影響規(guī)律，分析了單摻與雙摻礦物摻合料對砂漿體積穩(wěn)定性的影響機(jī)理。研究結(jié)果表明：礦物摻合料的摻入均可有效降低砂漿的收縮率；粉煤灰對砂漿的收縮率的降低優(yōu)于礦粉對砂漿的收縮率的降低；雙摻礦物摻合料對砂漿的收縮率的影響界于粉煤灰與礦粉對砂漿的收縮率的影響之間。

粉煤灰； 礦粉； 砂漿； 體積穩(wěn)定性； 機(jī)理

1　引　言

濟(jì)南市軌道交通R1線是濟(jì)南市十三五重點工程，根據(jù)工程設(shè)計，建成國內(nèi)首條全線路清水混凝土軌道交通工程，且為百年工程。

混凝土結(jié)構(gòu)物一般都認(rèn)為具有較好的耐久性，幾乎具有無限的生命潛力。但混凝土裂紋的存在和發(fā)展，嚴(yán)重的影響混凝土的力學(xué)性能、耐久性能等。為了減少混凝土裂紋、提高混凝土的體積穩(wěn)定性，研究人員已經(jīng)做了一定的工作，并取得了一定的成果，但成果主要針對混凝土的收縮特點、單因素收縮機(jī)理、減縮劑或膨脹劑對混凝土體積穩(wěn)定性的影響、某一特定收縮特征等進(jìn)行研究[1-3]。為了減少影響因素、對混凝土體積穩(wěn)定性進(jìn)行基礎(chǔ)研究，本文以濟(jì)南軌道交通工程為依托，開展不同礦物摻合料、不同摻加比例、單摻礦物摻合料、雙摻礦物摻合料等因素對砂漿的體積穩(wěn)定性進(jìn)行研究，探討砂漿體積穩(wěn)定性的變化規(guī)律，為高性能、高體積穩(wěn)定性混凝土的科技進(jìn)步提供技術(shù)支持。

2　實　驗

2.1實驗原材料

2.1.1水泥

選用的水泥為山東水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5級水泥，其物理性能指標(biāo)如表1所示。

表1　水泥物理性能指標(biāo)

2.1.2礦粉

選用的礦粉為濟(jì)南永通建材有限公司生產(chǎn)的S95級礦粉，其物理性能指標(biāo)如表2所示。

表2　礦粉物理性能指標(biāo)

2.1.3粉煤灰

選用的粉煤灰為聊城茌平電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，其物理性能指標(biāo)如表3所示[4]。

表3　粉煤灰物理性能指標(biāo)

2.1.4砂

ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。

2.1.5水

濟(jì)南地區(qū)飲用水。

2.2實驗方法

2.2.1實驗試件成型

分別成型7組帶測長釘頭的實驗試件，具體如下：

實驗組1：不摻加任何礦物摻合料，即225 g水，450 g水泥，1350 g標(biāo)準(zhǔn)砂；

實驗組2：粉煤灰取代水泥質(zhì)量的50%，即225 g水，225 g 水泥，225 g粉煤灰，1350 g標(biāo)準(zhǔn)砂；

實驗組3：礦粉取代水泥質(zhì)量的50%，即225 g水，225 g水泥，225 g粉煤灰，1350 g標(biāo)準(zhǔn)砂；

實驗組4：粉煤灰與礦粉總共取代水泥質(zhì)量的50%，且粉煤灰與礦粉的摻入量為4∶6，即225 g水，225 g水泥，90 g粉煤灰，135 g礦粉，1350 g標(biāo)準(zhǔn)砂；

實驗組5：粉煤灰與礦粉總共取代水泥質(zhì)量的50%，且粉煤灰與礦粉的摻入量為6∶4，即225 g水，225 g水泥，135 g粉煤灰，90 g礦粉，1350 g標(biāo)準(zhǔn)砂；

實驗組6：粉煤灰取代水泥質(zhì)量的30%，即225 g水，315 g水泥，135 g粉煤灰，1350 g標(biāo)準(zhǔn)砂；

實驗組7：礦粉取代水泥質(zhì)量的30%，即225 g水，315 g水泥，135 g礦粉，1350 g標(biāo)準(zhǔn)砂。

2.2.2實驗條件

成型后的試件放入溫度為(20±1) ℃ ，相對濕度為90%以上的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)。試體自加水時算起，養(yǎng)護(hù)(24±2) h后脫模，脫模后的試件移入溫度為(20±2) ℃，相對濕度為60%±5%的干養(yǎng)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。達(dá)到相應(yīng)齡期后，讀取比長儀數(shù)據(jù)并記錄。

圖1　比長儀Fig.1　Length comparator

2.2.3實驗結(jié)果處理

水泥膠砂試體的各齡期干縮率St(%)，按下式計算：

St=(Lt-L0)/160

式中：Lt-某齡期的測量讀數(shù)，毫米；L0-初始測量讀數(shù)，毫米；160-試體有效長度，毫米。

2.3實驗設(shè)備

PL602-L型電子天平、比長儀(見圖1所示)、三聯(lián)模(40 mm×40 mm×160 mm)、砂漿攪拌機(jī)、養(yǎng)護(hù)箱等。

3　礦物摻合料對砂漿體積穩(wěn)定性的影響研究

試件拆模后，將試件安放于比長儀規(guī)定測量位置并記錄初始值，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)測量齡期后直接讀取長度數(shù)據(jù)即可。各實驗組所得數(shù)據(jù)經(jīng)過分析和整理如表4、表5所示。

表4　各實驗組收縮數(shù)據(jù)

表5　各實驗組收縮率

3.1單摻礦物摻合料對砂漿體積穩(wěn)定性的影響

根據(jù)實驗組1、2、3的收縮率數(shù)據(jù)可知(見圖2所示)，未摻礦物摻合料的實驗組1收縮率最大，摻50%礦粉的實驗3收縮率次之，而摻50%粉煤灰的實驗2收縮率最小。說明摻加礦物摻合料可有效降低砂漿的收縮率，且摻50%粉煤灰比摻50%礦粉更有利于降低砂漿的收縮率。

根據(jù)實驗組1、2、6的收縮率數(shù)據(jù)可知(見圖3所示)，未摻礦物摻合料的實驗組1收縮率最大，摻30%粉煤灰的實驗6收縮率次之，而摻50%粉煤灰的實驗2收縮率最小。說明摻加礦物摻合料可有效降低砂漿的收縮率，且摻50%粉煤灰比摻30%粉煤灰更有利于減小砂漿的收縮率。

圖2　50%礦物摻合料對砂漿體積穩(wěn)定性的影響Fig.2　Effect of 50% mineral admixture onthe volume stability of mortar

圖3　單摻粉煤灰對砂漿體積穩(wěn)定性的影響Fig.3　Effect of single mixed fly ashon volume stability of mortar

根據(jù)實驗組1、3、7的收縮率數(shù)據(jù)可知(見圖4所示)，未摻礦物摻合料的實驗組1收縮率最大，摻30%礦粉的實驗7收縮率次之，而摻50%礦粉的實驗3收縮率最小。說明摻加礦物摻合料可有效降低砂漿的收縮率，且摻50%礦粉比摻30%礦粉更有利于降低砂漿的收縮率。

根據(jù)實驗組1、2、3、6、7的收縮率數(shù)據(jù)可知(見圖5所示)，未摻礦物摻合料的實驗組1收縮率最大，摻30%礦粉的實驗組7收縮率次之，摻30%粉煤灰的實驗組6與摻50%礦粉的實驗組3收縮率較小，而摻50%粉煤灰的實驗2收縮率最小。說明摻加礦物摻合料可有效降低砂漿的收縮率，且摻50%礦粉與摻30%粉煤灰對砂漿收縮率的降低效果接近，這也進(jìn)一步說明了粉煤灰對砂漿的減縮效果優(yōu)于礦粉對砂漿的減縮效果。

圖4　單摻礦粉對砂漿體積穩(wěn)定性的影響Fig.4　Effect of single mixed slag powder on volume stability of mortar

圖5　單摻礦物摻合料對砂漿體積穩(wěn)定性的影響Fig.5　Effect of single mixed mineral admixture on volume stability of mortar

3.2雙摻礦物摻合料對砂漿體積穩(wěn)定性的影響

根據(jù)實驗組1、4、5的收縮率數(shù)據(jù)可知(見圖6所示)，未摻礦物摻合料的實驗組1收縮率最大，摻20%粉煤灰加30%礦粉的實驗4收縮率次之，而摻30%粉煤灰加20%礦粉的實驗5收縮率最小。說明摻加礦物摻合料可有效降低砂漿的收縮率，且粉煤灰對于降低砂漿收縮率的效果優(yōu)于礦粉降低砂漿收縮率的效果。

根據(jù)實驗組1、4、5、6、7的收縮率數(shù)據(jù)可知(見圖7所示)，未摻礦物摻合料的實驗組1收縮率最大，單摻30%粉煤灰或30%礦粉的實驗6、7收縮率次之，而雙摻粉煤灰和礦粉的實驗4、5收縮率最小。說明摻加礦物摻合料可有效降低砂漿的收縮率，且在一定范圍內(nèi)，摻加的礦物摻合料多有利于降低砂漿的收縮率。

根據(jù)實驗組1、2、3、4、5的收縮率數(shù)據(jù)可知(見圖8所示)，未摻礦物摻合料的實驗組1收縮率最大，摻50%礦粉的實驗組3次之，摻50%粉煤類的實驗組2收縮率最小，而雙摻粉煤灰和礦粉的實驗組4、5收縮率介于實驗組2與實驗組3之間。說明摻加礦物摻合料可有效降低砂漿的收縮率，且進(jìn)一步說明了粉煤灰對砂漿的減縮效果優(yōu)于礦粉對砂漿的減縮效果。

圖6　雙摻礦物摻合料對砂漿體積穩(wěn)定性的影響Fig.6　Effect of double mixed mineral admixtureon volume stability of mortar

圖7　礦物摻合料對砂漿體積穩(wěn)定性的影響Fig.7　Effect of mineral admixture onvolume stability of mortar

3.3礦物摻合料對砂漿體積穩(wěn)定性的影響機(jī)理

圖8　礦物摻合料對砂漿體積穩(wěn)定性的影響Fig.8　Effect of mineral admixture on volume stability of mortar

粉煤灰的火山灰反應(yīng)必須依靠水泥水化析出的氫氧化鈣激發(fā)，所以其反應(yīng)的活性與速度較低，并且粉煤灰摻加比例越高，反應(yīng)活性越低。粉煤灰取代水泥以后，降低了砂漿體系中的水泥用量，在總水膠比一定的情況下，相當(dāng)于增大了水灰比，導(dǎo)致水泥水化速度相對較慢，水化產(chǎn)物總量減少，由于水化而導(dǎo)致的砂漿自收縮就弱，從而降低了砂漿體系的收縮。同時，由于粉煤灰水化速度比水泥水化速度慢，未水化反應(yīng)的粉煤灰顆粒起到穩(wěn)定和抑制粉煤灰-水泥體系收縮的骨架作用，從而進(jìn)一步降低了砂漿的收縮?；谒瘎恿W(xué)原理，摻加粉煤灰的水泥漿孔隙結(jié)構(gòu)相對較粗，由于粉煤灰的摻加，漿體水化反應(yīng)消耗水分的速度減慢，且水分的消耗趨于在較大孔隙進(jìn)行，因此水化動力學(xué)臨界半徑達(dá)到的速度就慢，具體表現(xiàn)為毛細(xì)管負(fù)壓增加的速度和程度減小，粉煤灰水泥砂漿體系的體積收縮速度和程度降低。

礦粉的活性較高，且礦粉細(xì)度較細(xì)，其對水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)細(xì)化作用強(qiáng)，使得膠材體系凝膠孔比率高，毛細(xì)孔比率相對較低，毛細(xì)孔負(fù)壓較大，而引起了砂漿一定程度的收縮，但由于礦粉同樣具有的微集料效應(yīng)，其與純水泥體系相比，具有減小砂漿收縮的作用；同時，由于礦粉的摻入，細(xì)化了礦粉-水泥體系的孔結(jié)構(gòu)，降低了孔隙的連通性，增加了水分的遷移難度，可有效降低砂漿體系的收縮。所以綜合而言，礦粉具有降低砂漿體系收縮的作用。

由于礦粉的火山灰活性和水化程度要大于粉煤灰，這大大加速了密封條件下水分的消耗速度，加速了砂漿內(nèi)部干燥進(jìn)程，加快了孔隙臨界半徑降低的速度，促使摻有礦粉的膠材體系中毛細(xì)管負(fù)壓的增長和作用面積系數(shù)加大，從而相對于粉煤灰-水泥體系而言，加劇了砂漿體積的收縮，所以表現(xiàn)為礦粉的減縮作用弱于粉煤灰的減縮作用[2,5-8]。當(dāng)粉煤灰與礦粉進(jìn)行雙摻時，其兩者對砂漿體系的減縮效應(yīng)進(jìn)行了疊加，即整體表現(xiàn)為對砂漿體系的減縮效果在同摻量的情況 下弱于粉煤灰砂漿體系、強(qiáng)于礦粉砂漿體系。

4　結(jié)　論

濟(jì)南市軌道交通R1線的順利建設(shè)對濟(jì)南市全面展開軌道交通的大開發(fā)及濟(jì)南市地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都具有極其重要的意義。通過對礦物摻合料對砂漿體積穩(wěn)定性的影響研究得出如下結(jié)論：

(1)粉煤灰和礦粉的摻入都可有效降低砂漿的收縮率，增加砂漿的體積穩(wěn)定性；

(2)同摻量情況下，單摻粉煤灰對砂漿的減縮效果優(yōu)于單摻礦粉對砂漿的減縮效果；

(3)總摻量相同的情況下，雙摻粉煤灰與礦粉對砂漿的減縮效果優(yōu)于單摻礦粉對砂漿的減縮效果，但差于單摻粉煤灰對砂漿的減縮效果；

(4)礦物摻合料的加入，降低了砂漿體系中水泥的比例，降低了由于自收縮、干燥收縮、化學(xué)收縮等引起的砂漿體系收縮；

(5)雖然粉煤灰、礦粉都具有火山灰活性、微集料效應(yīng)等，但由于粉煤灰、礦粉的細(xì)度、活性的差異，從而導(dǎo)致粉煤灰、礦粉對體系的減縮效果不同。

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Influence of Mineral Admixture on the Volume Stability of Mortar

CUIXin1，GUOWei2,WANGLong-zhi1，ZHANGHai-xia1，LIUJia-qi1

(1.Technology Center of Shandong Jianze Concrete Co.Ltd.，Jinan 250101,China;2.Jinan Project Quality and Production Safety Supervision Station，Jinan 250001,China)

Ji'nan rail transit R1 line will become the domestic first full fair-faced concrete rail transportation project, and for the 100-years project. In this reason, the early research on the volume stability of concrete is carried out. The effect of mineral admixture on the volume stability of mortar is studied, which provides technical support for high performance fair-faced concrete. Study on the single mixed fly ash (30%, 50%), the single mixed slag powder (30%, 50%), double mixed with fly ash and slag powder (30%+20%, 20%+30%) on the influence of volume stability of mortar of 0.5 water-binder ratio, analyzed the single and double mixed mineral admixture on the influence mechanism of volume stability of mortar. The results show that: Mineral admixtures can effectively reduce the shrinkage of mortar; Lower fly ash on the shrinkage of mortar is better than the lower slag powder on the shrinkage of mortar; the influence of double mixed mineral admixture on the shrinkage of mortar was between in the influence of fly ash and slag powder on the shrinkage of mortar.

fy ash；slag powder；mortar；volume stability；mechanism

崔鑫(1982-)，男，碩士，工程師.主要從事混凝土工程應(yīng)用技術(shù)方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)06-1970-06