石粉含量不同時摻雜S105級礦粉對水泥基材料性能的影響

喬金麗，金建星，佘 亮，張艷佳

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.河北金泰成環(huán)境資源有限公司，邢臺 054000)

0 引 言

伴隨著天然砂不可再生、日漸減少、品質(zhì)降低、價格增加等現(xiàn)象，機制砂應(yīng)運而生，其生產(chǎn)可以在當(dāng)?shù)厝〉迷牧?，既?jié)約了成本，同時質(zhì)量可控、穩(wěn)定。因此，混凝土中應(yīng)用機制砂是必然趨勢。目前國內(nèi)應(yīng)用機制砂混凝土普遍在C30～C60，相比之下，C80機制砂混凝土的研究和應(yīng)用較少。

相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)在一定摻量內(nèi)，粉煤灰、礦粉、硅灰單、雙摻時均可以在不同水平上提高混凝土的性能和強度[1-5]。目前以S95級礦粉為主要研究和應(yīng)用對象，而S105級礦粉應(yīng)用及與不同摻合料復(fù)摻時的研究較少，隨著設(shè)備、工藝的進步，已可有效控制S105級礦粉的成本。同時機制砂石粉一直是熱點話題，一些學(xué)者進行了相應(yīng)試驗研究[6-8]。楊玉輝等[9]發(fā)現(xiàn)機制砂石粉含量在7%左右時，C80機制砂混凝土流動性較好，強度較高；寧成晉[10]發(fā)現(xiàn)機制砂石粉含量低于7%時，C60機制砂混凝土性能較好，而機制砂石粉含量在 7%～10.4%時，混凝土強度達標(biāo)，但工作性能較差；李北星等[11]則認(rèn)為C60機制砂混凝土機制砂中石粉可以放寬至10.5%；林基泳等[12]指出機制砂混凝土中機制砂的最佳石粉含量與混凝土強度等級和配合比設(shè)計參數(shù)存在關(guān)聯(lián)性。所以S105級礦粉摻量變化對水泥基材料性能的影響，以及在機制砂中不同石粉含量下單摻S105級礦粉和在機制砂中石粉含量不變的情況下雙摻S105級礦粉與不同摻合料時水泥基材料的性能值得研究。因此，本文引入比強度法以及活性效應(yīng)強度貢獻率，直觀描述了S105級礦粉摻量變化對水泥基材料的強度貢獻大小，同時研究機制砂中不同石粉含量時單摻S105級礦粉和機制砂中石粉含量不變時雙摻S105級礦粉與不同摻合料對C80高強機制砂混凝土的工作性能及力學(xué)性能的影響規(guī)律。以期為S105級礦粉應(yīng)用于高強機制砂混凝土提供新的思路，并且為工程應(yīng)用提供借鑒。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：邯鄲武安新峰P·O 42.5水泥，比表面積365 m2/kg，3 d和28 d抗壓強度分別為26 MPa和52 MPa。

S105級礦粉、超細(xì)礦粉：金泰成粉體公司生產(chǎn)，比表面積分別為565 m2/kg和1 160 m2/kg，7 d活性指數(shù)分別為100%和115%，28 d活性指數(shù)分別為113%和120%。

微珠：河南道特生產(chǎn)，比表面積為3 570 m2/kg，7 d和28 d活性指數(shù)分別為88%和108%。

硅灰：石家莊百豐公司生產(chǎn)，比表面積為1 140 m2/kg，顆粒分布D50為6.25 μm。摻合料化學(xué)成分如表1所示。

表1 礦物摻合料的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of mineral admixtures /%

石粉：機制砂粒徑小于75 μm的顆粒，其化學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 石粉化學(xué)指標(biāo)Table 2 Chemical indicators of stone powder /%

粗骨料：金泰成砂石骨料公司生產(chǎn)的5～10 mm及10～25 mm碎石，其性能指標(biāo)如表3所示。

表3 碎石性能指標(biāo)Table 3 Performance indicators of gravel

細(xì)骨料：機制砂由石灰石破碎得到，石粉含量7.8%，細(xì)度模數(shù)2.8，MB值0.8；標(biāo)準(zhǔn)砂采用廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。

減水劑：上海巴斯夫聚羧酸高性能減水劑，山東博克聚羧酸減水劑。

1.2 試驗方法

按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》測試3 d、7 d、28 d、56 d的膠砂抗壓強度。按GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》測出機制砂中石粉含量，篩出部分石粉進行復(fù)配，復(fù)配出石粉含量分別為0%、3%、6%、9%、12%、15%的機制砂。按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測定混凝土的坍落度及擴展度，并輔以直觀經(jīng)驗判定混凝土拌合物狀態(tài)的優(yōu)劣。按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測定混凝土試件的3 d、7 d、28 d、60 d抗壓強度。立方體試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 S105級礦粉對水泥基材料活性效應(yīng)的影響

為了更好判定S105級礦粉摻量變化對水泥基材料性能的影響，參考蒲心誠教授[13-14]提出的比強度法，對S105級礦粉在膠砂中的活性效應(yīng)進行分析。選取S105級礦粉摻量范圍為15%～25%，S105級礦粉取代水泥比例分別為15%、20%、25%，膠凝材料總質(zhì)量為450 g，水為225 mL，標(biāo)準(zhǔn)砂為1 350 g。

首先引入水泥對膠砂強度貢獻的概念，即某配合比下，不同齡期時單位質(zhì)量的水泥對該砂膠試件抗壓強度貢獻的大小，將其定義為水泥膠砂的初始抗壓比強度，它等于不同齡期時膠砂抗壓強度與水泥用量百分?jǐn)?shù)的比值，其計算公式見式(1)；然后將相應(yīng)齡期內(nèi)摻有S105級礦粉的膠砂比強度與摻有純水泥的膠砂比強度的差值定義為該齡期膠砂的活性效應(yīng)比強度，其計算公式見式(2)；最后引入活性效應(yīng)強度貢獻率，可以直觀描述S105級礦粉摻量變化對水泥基材料的強度貢獻大小，當(dāng)強度貢獻率為正值且數(shù)值越大時表明貢獻越大，而為負(fù)值且數(shù)值越大時表明貢獻越差，其計算公式見式(3)。

(1)

R比火=R比摻-R比基

(2)

(3)

式中：R比為水泥膠砂的抗壓比強度，MPa；R為膠砂試件抗壓強度絕對值，MPa；q為膠凝材料中水泥用量百分?jǐn)?shù)，%；R比基為純水泥膠砂比強度，MPa；R比火為膠砂活性(火山灰)效應(yīng)比強度，MPa；R比摻為含摻合料的膠砂比強度，MPa；P火山為膠砂活性(火山灰)效應(yīng)強度貢獻率，%。通過式(1)～(3)可以計算出S105級礦粉摻量變化對膠砂活性效應(yīng)的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 S105級礦粉摻量變化對膠砂活性效應(yīng)的影響Table 4 Effect of S105 slag powder content change on the activity effect of mortar

由表4可以看出，與純水泥組相比，3 d、7 d齡期時，隨著S105級礦粉摻量的增加，膠砂的抗壓比強度略微高于純水泥組抗壓比強度，隨著齡期的不斷增長，S105級礦粉為膠砂比強度提供了不同水平的增長幅度，且均增長顯著，并且隨S105級礦粉摻量的增加，抗壓比強度逐漸增加。從活性效應(yīng)比強度可以看出，單摻S105級礦粉時的活性效應(yīng)均有不同水平的增加，水化反應(yīng)前期時S105級礦粉的活性效應(yīng)尚未充分發(fā)揮，但隨著水化反應(yīng)進行，28 d、56 d齡期時，S105級礦粉的活性效應(yīng)開始更好的發(fā)揮，活性效應(yīng)比強度增幅更大。通過表4進一步發(fā)現(xiàn)，單摻S105級礦粉時的膠砂活性效應(yīng)強度貢獻率隨S105級礦粉摻量的增加而逐漸增大，并且活性效應(yīng)強度貢獻率均為正值，說明單摻S105級礦粉對水泥基材料的活性效應(yīng)強度貢獻率有著積極的促進作用，并隨S105級礦粉摻量的增加而逐漸加大，其中當(dāng)S105級礦粉摻量為25%時，活性效應(yīng)比強度貢獻效果達到較好的水平，與S105級礦粉摻量為20%時相比，3 d、7 d、28 d、56 d活性效應(yīng)強度貢獻率增幅分別為38.6%、28.9%、10.3%、5.5%。

2.2 S105級礦粉機制砂混凝土配合比

通過2.1節(jié)S105級礦粉摻量變化對膠砂活性效應(yīng)的貢獻可知，當(dāng)S105級礦粉摻量為25%時，活性效應(yīng)處于較好的水平。同時結(jié)合相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，選取C80機制砂混凝土容重為2 550 kg/m3，膠凝材料用量為580 kg/m3，水膠比為0.25，砂率為37%，其混凝土配合比如表5所示。

表5 混凝土配合比Table 5 Mix proportion of concrete /(kg/m3)

試配過程中不同的聚羧酸減水劑對混凝土拌合物的工作性能影響不同，如表6所示。

表6 減水劑對混凝土性能的影響Table 6 Effect of water reducing agent on concrete performances

由表6可知，A0組混凝土漿體黏度大，工作性能、力學(xué)性能均較差，而A1組明顯改善了混凝土的工作性能，坍落度和擴展度得到提升，降低了混凝土漿體黏度，3 d、7 d、28 d抗壓強度均有所增加，增幅分別為3.4%、4.8%、9.8%。因此，采用巴斯夫聚羧酸高性能減水劑比博克聚羧酸減水劑更有利于改善機制砂混凝土的工作性能并提高其抗壓強度。

2.3 S105級礦粉單摻及與摻合料雙摻時混凝土的性能

2.3.1 機制砂中石粉含量不同時單摻S105級礦粉

在A1配合比基礎(chǔ)上，分別選用復(fù)配過的含0%、3%、6%、9%、12%、15%石粉的機制砂，分析單摻S105級礦粉時混凝土的性能，如表7和圖1所示。

表7 機制砂中石粉含量不同時混凝土的性能Table 7 Performances of concrete with different content of stone powder in manufactured sand

由圖1和表7可知：機制砂中石粉含量為0%時，混凝土拌合物離析明顯，黏聚性較差，有粘底現(xiàn)象；當(dāng)機制砂中石粉含量增加至6%時，混凝土拌合物黏聚性、流動性好；而機制砂中石粉含量增加至15%時，混凝土拌合物黏聚性較好，但有粘底現(xiàn)象。隨著機制砂中石粉含量的增加，混凝土拌合物坍落度變化不大，而擴展度則先增大后減小。由表7可知機制砂中石粉含量過低或過高均會使混凝土拌合物性能下降，機制砂中石粉含量為6%時混凝土拌合物性能較優(yōu)?？赡苡捎谑鄣姆勰{體可以潤滑機制砂的表面，使砂石之間的摩擦力減小，同時石粉與S105級礦粉的填充減少了微粒間空隙，更多的自由水會提升漿體的流變性能，混凝土拌合物的和易性得以改善。由于石粉的需水量遠(yuǎn)大于機制砂，因此石粉越多用水量越多，自由水量的減少降低了漿體流變性能，從而使混凝土拌合物變得黏稠。

圖1 機制砂中石粉含量不同時混凝土的工作性能Fig.1 Workability of concrete with different content of stone powder in manufactured sand

由表7可知，機制砂中石粉含量由0%增加至15%的過程中，試配所成型混凝土試塊的3 d、7 d、28 d、60 d抗壓強度先提高后降低，機制砂中石粉含量為6%時，試配成型混凝土試塊的28 d和60 d抗壓強度達到最大?？赡苁鞘壑形⒘５奶畛渥饔檬?jié){體和界面過渡區(qū)更加密實,此外，在水泥水化初期，石粉中微粒對Ca(OH)2和C-S-H的形成起晶核作用，使C3S礦物水化進程加快[15]，有利于早期強度的提高；另一方面，石粉可以與C3A和C4AF反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣，并搭接其它水化產(chǎn)物，使結(jié)構(gòu)更加緊密，從而提高了混凝土的強度[16]。而石粉逐漸增加時，多余的石粉會破壞膠凝材料的緊密堆積結(jié)構(gòu)，部分石粉在界面過渡區(qū)或水泥石中出現(xiàn)，使集料與水泥石之間黏結(jié)力下降，從而降低了強度。

2.3.2 S105級礦粉與微珠雙摻

因微珠表面光滑致密，在攪拌時有潤滑效果，因此在原有A1配合比基礎(chǔ)上減少減水劑用量。減水劑用量為5.6 kg/m3，由此得到A2配合比。在A2配合比基礎(chǔ)上，記B2、B3、B4、B5、B6為微珠取代S105級礦粉的百分率分別是10%、20%、30%、40%、50%，分析其雙摻時混凝土的性能，結(jié)果如圖2所示。

由圖2(a)知，當(dāng)S105級礦粉、微珠摻量分別減少和增加時，混凝土拌合物的工作性能得以改善。當(dāng)微珠摻量5%(20%取代量)時，拌合物和易性較好，無粘底現(xiàn)象，此時工作性能處于較好的水平；而進一步增大微珠摻量時，混凝土拌合物流動性略大，且黏聚性一般。當(dāng)微珠取代量增加至50%時，流動性有所下降。分析原因是微珠少量取代S105級礦粉時，因微珠表面光滑致密，在復(fù)摻時起到“滾珠效應(yīng)”。一方面，球形顆粒可以減小S105級礦粉、水泥等形貌不規(guī)則顆粒間的摩擦力，從而使?jié){體更容易發(fā)生流動；另一方面，其潤滑作用能減輕顆粒之間的團聚現(xiàn)象，更多的自由水會減小摩擦阻力，進而改善混凝土的工作性能[17]。而S105級礦粉和水泥的比表面積遠(yuǎn)小于微珠，微珠摻量的進一步增加，極大程度上會減少自由水的量，這會削弱漿體的流變性能，從而使流動性下降。

由圖2(b)知，相比單摻S105級礦粉，雙摻S105級礦粉與微珠的C80機制砂混凝土早期強度先增大后減小。這是因為微珠的活性較低，火山灰效應(yīng)相對緩慢，S105級礦粉的化學(xué)內(nèi)能和活性更高。微珠取代量在一定范圍內(nèi)增加時，一定程度上填充了水泥、礦粉之間的空隙，因此，雙摻時相比單摻S105級礦粉時的早期強度先增大后減小。而28 d、60 d 試塊抗壓強度在微珠摻量為5%時較好，微珠的進一步增加導(dǎo)致強度略有下降，但相比單摻S105級礦粉，雙摻時的強度均高于單摻，28 d、60 d試塊強度最大增幅分別為11.5%和8.6%，可以看出雙摻S105級礦粉與微珠有利于提高混凝土后期強度。這是因為S105級礦粉的(CaO+MgO)含量遠(yuǎn)大于微珠的，體系堿度(CaO+MgO)會因S105級礦粉水化而升高，破壞了微珠的玻璃相，使微珠水化進程加快，體系堿度降低，再次使S105級礦粉的水化加快，從而產(chǎn)生疊加效應(yīng)[18]。微珠的摻量不可盲目增加，否則Ca(OH)2會與微珠繼續(xù)水化，使生成C-S-H凝膠的時間變長，數(shù)量減少，從而降低了強度。

圖2 雙摻S105級礦粉與微珠時混凝土的性能Fig.2 Performances of concrete when double-mixed S105 slag powder and microbead

2.3.3 S105級礦粉與超細(xì)礦粉雙摻

在A2配合比基礎(chǔ)上，記C2、C3、C4、C5、C6為超細(xì)礦粉取代S105級礦粉的百分率分別是10%、20%、30%、40%、50%，分析其雙摻時混凝土的性能，結(jié)果如圖3所示。

由圖3(a)可知，混凝土拌合物的工作性能隨超細(xì)礦粉摻量的增加而漸漸變差，坍落度和擴展度均減小，且漿體越來越黏稠，粘底現(xiàn)象也越來越明顯。這是因為S105級礦粉的比表面積遠(yuǎn)小于超細(xì)礦粉的比表面積，當(dāng)超細(xì)礦粉逐漸取代S105級礦粉時，在其他因素和減水劑用量不變時，漿體會吸收更多的自由水，顆粒間的游離水則會大量減少，拌合物流變性能的降低使混凝土工作性能變差，黏稠和粘底現(xiàn)象也越來越明顯。

圖3 雙摻S105級礦粉與超細(xì)礦粉時混凝土的性能Fig.3 Performances of concrete when double-mixed S105 slag powder and ultra-fine powder

由圖3(b)可知，相比單摻S105級礦粉，雙摻時混凝土的早期強度基本上均高于單摻時，且強度保持增幅。這是因為S105級礦粉和超細(xì)礦粉都是由礦渣粉磨而來，超細(xì)礦粉比S105級礦粉具有更大的化學(xué)內(nèi)能和化學(xué)活性，因此在摻合料總量不變時，超細(xì)礦粉取代量的增加，使前期火山灰效應(yīng)反應(yīng)更快，所以從早期強度來看，單摻要略低于雙摻。個別試塊28 d齡期時發(fā)生強度輕微倒縮，而60 d時試塊強度又開始增加。這可能是因為混凝土的強度根據(jù)設(shè)計要求是一定的，早期發(fā)展得快，后期發(fā)展得慢，甚至不發(fā)展或者倒縮[19]，而60 d齡期時試塊強度繼續(xù)增長，其原因需要進一步試驗驗證。說明S105級礦粉在摻入超細(xì)礦粉時對混凝土強度可能會有不良影響，如強度倒縮現(xiàn)象發(fā)生。

2.3.4 S105級礦粉與硅灰雙摻

在A2配合比基礎(chǔ)上，記D2、D3、D4、D5、D6為硅灰取代S105級礦粉的百分率分別是10%、20%、30%、40%、50%，分析其雙摻時混凝土的性能，結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a)可知，混凝土的工作性能隨硅灰取代量的增加而漸漸變差，坍落度和擴展度均大幅度減小，且漿體越來越黏稠，最后甚至發(fā)展為塑性混凝土。由圖還可以得知硅灰摻量小于3%(10%取代量)時，雙摻混凝土拌合物的流動性由S105級礦粉和硅灰共同控制，S105級礦粉起主導(dǎo)控制地位；而硅灰摻量大于3%時，雙摻混凝土拌合物的流動性主要由硅灰控制，隨硅灰的不斷增加，混凝土拌合物流動性逐漸減小，工作性能越來越差。

由圖4(b)可知,與單摻S105級礦粉相比，3 d、7 d試塊雙摻時的強度基本均小于單摻時的強度，而對28 d、60 d試塊的抗壓強度而言，雙摻均高于單摻，且28 d、60 d齡期試塊強度最大增幅分別為14.2%和10.7%?？梢哉J(rèn)為雙摻有利于增長混凝土的后期強度，這與孫家國等[20]的研究結(jié)論基本一致。當(dāng)S105級礦粉摻量超過19%，硅灰超過5%(20%取代量)時，28 d試塊強度會有所下降，但60 d抗壓強度又開始增長。

圖4 雙摻S105級礦粉與硅灰時混凝土的性能Fig.4 Performances of concrete when double-mixed S105 slag powder and silica fume

3 結(jié) 論

(1)單摻S105級礦粉對水泥基材料的活性效應(yīng)強度貢獻率有著積極的促進作用，并隨S105級礦粉摻量的增加而逐漸加大，當(dāng)S105級礦粉摻量為25%時，活性效應(yīng)比強度貢獻效果達到較好的水平。

(2)單摻S105級礦粉時，巴斯夫聚羧酸高性能減水劑比博克聚羧酸減水劑更有利于改善機制砂混凝土的工作性能并提高抗壓強度，3 d、7 d、28 d抗壓強度增幅分別為3.4%、4.8%、9.8%。

(3)單摻S105級礦粉時，隨著機制砂中石粉含量的增大，混凝土拌合物坍落度變化不大，而擴展度則先增大后減小。機制砂石粉含量為6%時，機制砂混凝土工作性能及強度效果最佳，而繼續(xù)增加機制砂中石粉含量會使混凝土工作性能逐漸變差，出現(xiàn)泌水或粘底，混凝土的強度也有所降低。

(4)雙摻S105級礦粉與微珠，機制砂混凝土工作性能較好；雙摻S105級礦粉與超細(xì)礦粉或硅灰，機制砂混凝土工作性能較差。與單摻S105級礦粉的早期強度相比，雙摻S105級礦粉與微珠時早期強度先增大后減小，28 d、60 d抗壓強度最大增幅分別為11.5%、8.6%；雙摻S105級礦粉與硅灰時早期強度基本小于單摻，28 d、60 d抗壓強度最大增幅分別為14.2%、10.7%，兩者均能顯著提高機制砂混凝土后期強度。此外，S105級礦粉與超細(xì)礦粉雙摻可能會出現(xiàn)機制砂混凝土強度倒縮現(xiàn)象。