摻合料復(fù)配和激發(fā)劑改性對(duì)水泥基材料性能的影響

曾春明，曾智科，修 楊，章 晨

(1.江西省盛三和防水工程有限公司,南昌 330001；2.萍鄉(xiāng)金宜混凝土有限公司,萍鄉(xiāng) 337000；3.南昌市市政工程管理處,南昌 330001)

1 前言

礦物摻合料作為水泥基材料必不可少的組分之一,已經(jīng)越來越受到重視,但由于其不可再生性,而優(yōu)質(zhì)資源能源消耗與日俱增,不利于混凝土行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前解決這一問題的辦法是開發(fā)新型礦物摻合料,而不是局限于粉煤灰、礦渣粉等傳統(tǒng)摻合料。盡管粉煤灰和礦粉對(duì)提高混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能都有利,但粉煤灰和礦粉也是不可再生資源,加上部分地區(qū)資源分布極不均勻、原材料短缺嚴(yán)重、產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊等問題,不得不使用新型礦物摻合料,如石灰石粉、鋼渣粉和天然火山灰粉等[1]。

將石灰石粉、鋼渣粉和天然火山灰粉等取代一定量的水泥不僅對(duì)膠凝材料體系的性質(zhì)產(chǎn)生影響,還可以改變膠凝材料體系的孔結(jié)構(gòu)及密實(shí)度。由于礦物之間的物理性能及化學(xué)活性的差異,相應(yīng)對(duì)膠凝材料體系的影響也不同。不同成分、不同含量的礦物摻合料如果以合適的比例復(fù)摻時(shí),不僅能發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),還能夠產(chǎn)生性質(zhì)上的互補(bǔ),具有一定程度的超疊加效應(yīng),獲得較單摻情況下更好的性能[2-3]。

因此,本文研究石灰石粉、鋼渣粉和天然火山灰粉復(fù)摻時(shí)的合適比例及性能,改變礦物摻合料在膠凝體系中的比例；通過復(fù)摻技術(shù)和化學(xué)激發(fā)改性,對(duì)復(fù)合膠凝材料體系的工作性能和力學(xué)性能等方面的影響進(jìn)行探討研究,為制備高性能水泥基材料提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)原材料

(1)水泥

采用萬年青P·O42.5普通硅酸鹽水泥,主要性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥主要性能指標(biāo)

(2)化學(xué)激發(fā)劑

化學(xué)激發(fā)劑主要礦物相是硫鋁酸鹽,其化學(xué)分析見表2。

表2 化學(xué)激發(fā)劑化學(xué)成分

(3)粉煤灰

粉煤灰的化學(xué)分析見表3。

表3 粉煤灰的化學(xué)成分(wt%)

(4)礦渣粉

礦渣粉的化學(xué)分析見表4。

表4 礦渣的化學(xué)成分(wt%)

(5)火山灰

火山灰的化學(xué)分析見表5。

表5 火山灰粉的化學(xué)成分(wt%)

(6)鋼渣粉

鋼渣粉的化學(xué)分析見表6。

表6 磨細(xì)鋼渣粉的化學(xué)成分(wt%)

(7)石灰石粉

石灰石粉的化學(xué)分析見表7。

表7 石灰石粉的化學(xué)成分(wt%)

(8)其他原材料性能指標(biāo)：

粗骨料：5～25mm連續(xù)級(jí)配碎石；河砂：中砂,細(xì)度模數(shù)2.6,堆積密度1560kg/m3,表觀密度1600kg/m3；外加劑：聚羧酸系緩凝高效減水劑,含固量為6.3%,減水率22%。

2.2 試驗(yàn)方法

(1)混凝土工作性試驗(yàn)

按照(GB/T 50080-2016)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的方法進(jìn)行。測(cè)試新拌混凝土工作性能。

(2)混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

按照(GB/T 50081-2002)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的方法進(jìn)行。試驗(yàn)采用尺寸為150mm×150mm×150mm的試件,測(cè)試其28d抗壓強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 石灰石粉與鋼渣粉復(fù)配試驗(yàn)研究

采用磨細(xì)石灰石粉和磨細(xì)鋼渣粉進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn),礦物摻合料總摻量(37%)保持不變,試驗(yàn)配合比及結(jié)果見表8和表9。

表8 雙摻石灰石粉和鋼渣粉試驗(yàn)配合比

表9 雙摻石灰石粉和鋼渣粉試驗(yàn)結(jié)果

從表9的試驗(yàn)結(jié)果來看,不同品種水泥與石灰石粉、鋼渣粉復(fù)合礦物摻合料組成的膠凝材料體系工作性和強(qiáng)度相差不大,砂漿1h擴(kuò)展度損失在90mm～135mm范圍內(nèi),膠砂試件28d抗壓強(qiáng)度在32MPa～37MPa范圍內(nèi),但就石灰石粉與鋼渣粉復(fù)配比例對(duì)強(qiáng)度影響而言,石灰石粉與鋼渣粉以8∶5比例復(fù)合時(shí)強(qiáng)度較高。但石灰石粉、鋼渣粉復(fù)合礦物摻合料對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)還達(dá)不到粉煤灰、礦粉復(fù)合礦物摻合料對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn),需要采取一定的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行改性。

3.2 石灰石粉與天然火山灰粉復(fù)配試驗(yàn)研究

采用磨細(xì)石灰石粉和磨細(xì)天然火山灰粉進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn),礦物摻合料總摻量(37%)保持不變,試驗(yàn)配合比及結(jié)果見表10和表11。

表10 雙摻石灰石粉和天然火山灰粉試驗(yàn)配合比

表11 雙摻石灰石粉和天然火山灰粉試驗(yàn)結(jié)果

由表11的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,不同品種水泥與石灰石粉、天然火山灰粉復(fù)合礦物摻合料組成的膠凝材料體系工作性和強(qiáng)度相差不大,砂漿1h擴(kuò)展度損失在35mm～70mm范圍內(nèi),該復(fù)合膠凝材料體系擴(kuò)展度損失要小于石灰石粉、鋼渣粉復(fù)合膠凝材料體系；另外,石灰石粉、天然火山灰粉復(fù)合膠凝材料體系28d抗壓強(qiáng)度在30MPa～35MPa范圍內(nèi),低于石灰石粉、鋼渣粉復(fù)合膠凝材料體系。石灰石粉和天然火山灰粉復(fù)配比例為6∶7時(shí),強(qiáng)度相對(duì)較高,但也達(dá)不到粉煤灰、礦粉復(fù)合時(shí)對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn),需要采取一定的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行改性。

3.3 硫鋁酸鹽激發(fā)劑對(duì)大摻量礦物摻合料膠凝材料體系的改性激發(fā)

研究硫鋁酸鹽激發(fā)劑對(duì)大摻量礦物摻合料復(fù)合膠凝材料體系的激發(fā)效果,保持膠凝材料總量不變,提高礦物摻合料摻量(50%以上),相應(yīng)地降低水泥用量,適當(dāng)提高激發(fā)劑摻量,測(cè)試膠砂試件的7d、28d和56d強(qiáng)度,試驗(yàn)配合比和試驗(yàn)結(jié)果見表12。

表12 激發(fā)劑對(duì)普通硅酸鹽水泥、礦粉和石灰石粉體系的改性激發(fā)

從表12可知,當(dāng)石灰石粉和礦粉分別等質(zhì)量替代20%和31%的普通硅酸鹽水泥時(shí),隨著硫鋁酸鹽激發(fā)劑摻量的提高,其7d和28d強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),28d的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度比7d的大,但56d的強(qiáng)度呈現(xiàn)一直遞增的規(guī)律,且隨著硫鋁酸鹽激發(fā)劑摻量的提高,不同齡期的膠砂強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組。

另外,持續(xù)提高礦粉的摻量,當(dāng)?shù)V粉的摻量達(dá)到42%甚至50%時(shí),摻入8%或10%的激發(fā)劑,其早期7d強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相當(dāng),但后期28d強(qiáng)度則顯著的高于基準(zhǔn)組,這可能是因?yàn)?礦粉的活性較大,激發(fā)劑對(duì)其起到一定的激發(fā)效果。

同時(shí),對(duì)比配合比4與配合比6,以及配合比5與配合比7,可知,在硫鋁酸鹽激發(fā)劑和石灰石粉摻量固定的情況下,用礦粉等質(zhì)量的替代水泥,提高礦粉的摻量,降低水泥的用量,水泥膠砂強(qiáng)度有一定程度的下降,由此可知,礦粉存在合適的摻量,過多的礦粉會(huì)導(dǎo)致水泥膠砂強(qiáng)度的降低。此外,當(dāng)?shù)V粉摻量為38%時(shí),石灰石粉摻量超過20%,提高到25%甚至30%左右時(shí),摻入10%的硫鋁酸鹽激發(fā)劑效果不明顯,水泥膠砂強(qiáng)度低于基準(zhǔn)組。

綜上可見,硫鋁酸鹽激發(fā)劑對(duì)石灰石粉與礦粉復(fù)合礦物摻合料存在一定激發(fā)的效果,盡管石灰石粉的水化活性較小,當(dāng)石灰石粉摻量超過20%時(shí),則硫鋁酸鹽激發(fā)劑對(duì)整個(gè)體系的激發(fā)效果不好,水泥膠砂強(qiáng)度將低于基準(zhǔn)組。但摻適量石灰石粉對(duì)提高膠砂試件早期強(qiáng)度較為明顯,而適當(dāng)提高礦粉摻量則有利于膠砂試件后期強(qiáng)度發(fā)展。

4 結(jié)論

(1)石灰石粉和天然火山灰粉比表面積對(duì)工作性和強(qiáng)度的影響規(guī)律有所不同。石灰石粉與攪拌站生產(chǎn)用外加劑適應(yīng)性良好,提高石灰石粉粉磨太細(xì)會(huì)增大砂漿1h擴(kuò)展度損失,但對(duì)早期強(qiáng)度有利,這種早強(qiáng)作用隨著石灰石粉比表面積的提高而越來越顯著。而天然火山灰粉粉磨太細(xì),砂漿擴(kuò)展度下降的趨勢(shì)越顯著,但有利于強(qiáng)度增長(zhǎng)。

(2)與粉煤灰和礦粉復(fù)合礦物摻合料相比,石灰石粉與鋼渣粉按61.5%:38.5%比例復(fù)合時(shí),強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相當(dāng)；石灰石粉與天然火山灰粉按一定比例復(fù)摻等量替代粉煤灰和礦粉時(shí),強(qiáng)度有所下降,需要采取一定的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行改性。

(3)激發(fā)劑對(duì)石灰石粉與礦粉復(fù)配的復(fù)合微粉(石灰石粉與礦粉比例為9∶14,即石灰石粉占39%,鋼渣粉占61%)存在一定激發(fā)的效果,可大幅降低水泥用量(復(fù)合微粉比例達(dá)51%),具有一定的早強(qiáng)效果,且不影響后期強(qiáng)度的發(fā)展。盡管石灰石粉的水化活性較小,但摻適量石灰石粉對(duì)提高膠砂試件早期強(qiáng)度較為明顯,而適當(dāng)提高礦粉摻量則有利于膠砂試件后期強(qiáng)度發(fā)展。

[1]徐輝,李克亮,黃國(guó)泓.多種礦物摻合料復(fù)合膠凝材料的密實(shí)性及性能研究[J].山東建材,2005(3):49-52．

[2]勾成福.水泥-石灰石粉-礦粉復(fù)合膠凝體系收縮性能研究[D].中南大學(xué)碩士論文,2011．

[3]周永祥,王永海,王思婭,等.石灰石粉的特性及對(duì)混凝土性能的影響[J].施工技術(shù),2014(9):23-27．