礦物摻合料對蒸養(yǎng)水泥砂漿強度和干縮性能的影響

潘俊明， 孫晉超， 阮波

(1.江蘇省鐵路集團融發(fā)管理有限公司，江蘇 南京 210000； 2.蘇北鐵路有限公司； 3.中南大學 土木工程學院)

1 前言

為建設(shè)綠色環(huán)保型社會，減少工業(yè)廢渣堆積對環(huán)境造成的不利影響，常將工業(yè)廢渣作為礦物摻合料摻入混凝土，可改善混凝土性能。而高性能混凝土以加入礦物摻合料作為前提，因此其力學性能和體積穩(wěn)定性成為必須考慮的重點之一。

蒸氣養(yǎng)護條件下制成的高性能混凝土具有施工效率高、成本低、表面光潔度高、生產(chǎn)節(jié)能等優(yōu)點，因此在許多重大工程如高速公路、公鐵橋梁和無砟軌道中有廣泛的應(yīng)用。實踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：使用蒸氣養(yǎng)護的混凝土構(gòu)造物仍出現(xiàn)了多種問題，比較突出的是混凝土開裂。混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因之一是干燥收縮，因為在高濕環(huán)境下，混凝土體系中的水分散失將引起水泥漿體體積縮小。關(guān)于收縮性能，許多學者做了深入研究。宋亮分析粉煤灰對再生混合料干縮應(yīng)變具有抑制效果，確定最佳摻量為1.05%；曹長偉等通過對比試驗研究發(fā)現(xiàn)乳化瀝青-水泥穩(wěn)定鈣石混合料具有剛度小、干縮性能小、工期短、工程造價低等優(yōu)點；李九蘇等研究粉煤灰、膨脹劑雙摻技術(shù)對混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)粉煤灰、膨脹劑的摻入減小了干縮應(yīng)變、降低了抗彎彈性模量。對于標準養(yǎng)護條件下，礦物摻合料對水泥漿體干縮的影響，已有諸多報道且結(jié)論不盡相同。但在蒸養(yǎng)條件下的研究更是少之又少。該文系統(tǒng)地研究蒸養(yǎng)條件下，粉煤灰、礦渣和石灰石粉3種常見礦物摻合料對水泥漿體強度和干縮性能的影響，為礦物摻合料在高性能蒸養(yǎng)混凝土中的應(yīng)用提供理論支持。

2 試驗

原材料中包括基準水泥(PC)、磨細粉煤灰(A)、S95 級?；郀t礦渣粉(B)和石灰石粉(C)。減水劑采用減水率為30%的聚羧酸減水劑。試驗材料的化學組成及物理性能如表1所示。

表1 水泥和礦物摻合料的化學組成 %

試驗采用的蒸養(yǎng)方法是根據(jù)中國鐵路預(yù)制梁體和軌道板設(shè)計的，蒸養(yǎng)溫度為(60±5) ℃，養(yǎng)護結(jié)束后靜置24 h脫模。各試樣配合比設(shè)計如表2所示，水膠比為0.27，通過調(diào)整減水劑用量使?jié){體流動度控制為(160±20) mm，以便于成型。

表2 各試樣配合比(質(zhì)量分數(shù)) %

按表2稱取相應(yīng)材料，分別成型25 mm×25 mm×250 mm和20 mm×20 mm×20 mm兩種尺寸試件。將脫模后的試樣移入溫度為(20±3) ℃、濕度為90%的恒溫恒濕控制箱中進行養(yǎng)護，其中20 mm×20 mm×20 mm試件養(yǎng)護到指定齡期后進行抗壓強度測試，并在3、90 d齡期的破碎樣品中選取約3 mm的顆粒浸泡于丙酮中，采用壓汞儀進行孔結(jié)構(gòu)測試。25 mm×25 mm×250 mm試件自成型時算起養(yǎng)護至3 d時取出，待試件表面擦干后測量初始長度(c0)，測量儀器為比長儀。測量結(jié)束后，把試件放回養(yǎng)護箱養(yǎng)護至指定齡期，養(yǎng)護箱溫度設(shè)置為(20±1) ℃，濕度為(40±3)%。分別測量齡期t時試件的長度(ct)。按式(1)計算水泥漿體干縮率(Ct)：

Ct=(c0-ct)/250×100%

(1)

3 結(jié)果與討論

3.1 抗壓強度

圖1為蒸養(yǎng)水泥漿體在不同齡期(3、90 d)下強度隨摻合料摻量的變化情況。由圖1可知：在3 d齡期時，摻有礦渣和粉煤灰的蒸養(yǎng)水泥漿體抗壓強度隨摻量的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢，而摻石灰石粉的試樣隨摻量的增加而降低。說明蒸養(yǎng)條件對粉煤灰和礦渣早期活性具有一定的激發(fā)作用，從而提高漿體中水化產(chǎn)物含量。與礦渣相比，粉煤灰的活性仍較低，因此抗壓強度隨著摻量的增加而顯著降低。蒸養(yǎng)條件對石灰石粉的水化活性基本沒有影響，石灰石粉僅作為惰性填充材料，因此摻入石灰石粉后試樣抗壓強度低于純水泥試樣。隨著齡期的延長，在礦物摻合料等量取代水泥20%范圍內(nèi)， 90 d齡期時摻有礦渣和粉煤灰的蒸養(yǎng)試樣抗壓強度基本相同，但超過20%范圍后，摻粉煤灰的試樣抗壓強度有明顯的降低。而摻石灰石粉的蒸養(yǎng)試樣隨著摻量的增加抗壓強度呈線性降低。這說明蒸養(yǎng)條件下，粉煤灰的火山灰活性主要在3 d后才有效發(fā)揮。由于粉煤灰中具有聚合度很高的SiO44-，且晶體結(jié)構(gòu)致密，從而導(dǎo)致SiO44-的溶解速率非常緩慢，因此在早期粉煤灰的水化活性較難發(fā)揮。隨著齡期的不斷延長，水泥水化過程中所產(chǎn)生的Ca(OH)2含量增多，從而提高了對粉煤灰的火山灰活性的激發(fā)效應(yīng)。此外，當水泥漿體中摻入粉煤灰的含量越多，體系內(nèi)火山灰反應(yīng)越強，可明顯提高蒸養(yǎng)漿體后期的抗壓強度。與礦物摻合料摻量為10%的蒸養(yǎng)水泥漿體相比，當摻量為40%時，摻礦渣的試樣抗壓強度降低14%，摻粉煤灰的試樣降低25%，而摻石灰石粉的試樣降低了48%。這說明蒸養(yǎng)條件下，當?shù)V渣的摻量少于40%時，摻量對強度的影響較小。而石灰石粉摻量較大時，對抗壓強度產(chǎn)生不利影響，因此蒸養(yǎng)水泥漿體中不宜大摻量摻入石灰石粉。

圖1 摻合料摻量對蒸養(yǎng)漿體抗壓強度的影響

3.2 干燥收縮

圖2為摻有不同礦物摻合料的水泥漿體干燥特性曲線。

由圖2可知：

(1) 隨著齡期的延長，所有試樣的干縮率出現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象，但在28 d后曲線發(fā)展趨于平緩。這主要是由于水化反應(yīng)貫穿整個養(yǎng)護齡期，但28 d齡期前水化速率較快，之后逐漸減緩。另外，摻入粉煤灰和礦渣都有利于降低蒸養(yǎng)水泥漿體干縮值，且干縮值隨這兩種礦物摻合料摻量的增加而進一步降低。而摻入石灰石粉的蒸養(yǎng)水泥漿體，其收縮率隨石灰石粉摻量的增加出現(xiàn)先增大后降低的現(xiàn)象，在摻量為10%時收縮率值最大。此外，當石灰石粉的摻量超過10%后，摻有石灰石粉的蒸養(yǎng)水泥漿體收縮率都低于純水泥蒸養(yǎng)漿體。

圖2 蒸養(yǎng)水泥漿體干燥特性曲線

(2) 在28 d齡期時，與純水泥PC相比，當?shù)V物摻合料的摻量為10%時，摻粉煤灰的蒸養(yǎng)水泥漿體干縮率降低了8%，摻礦渣時降低了12%，摻石灰石粉時增加了3%；當?shù)V物摻合料的摻量為40%時，摻粉煤灰的蒸養(yǎng)水泥漿體干縮率降低了38%，摻礦渣時降低了50%，摻石灰石粉時降低了37%。由此可知，當?shù)V物摻合料的摻量相同時，礦渣對減緩蒸養(yǎng)水泥漿體干縮現(xiàn)象的效果最明顯。另外，增大石灰石粉的摻量將明顯提高水泥漿體抗收縮能力。

礦物摻合料的摻入對水泥漿體干燥收縮的影響具有正負效應(yīng)：一方面，礦物摻合料等量取代水泥后，蒸養(yǎng)漿體中水泥含量減少，因此早期水泥水化產(chǎn)生的水化產(chǎn)物含量減少，自由水含量增多，漿體孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，將加大干燥收縮現(xiàn)象；另一方面，礦物摻合料具有微填充作用，可穩(wěn)定和抑制漿體變形，起到骨架支撐作用，使得礦物摻合料的摻入能較好地降低干縮現(xiàn)象。除此之外，礦物摻合料若具有良好的火山灰活性，可促進漿體水化速率，增加漿體中C-S-H等水化產(chǎn)物凝膠的含量，從而加強了結(jié)構(gòu)的抗變形能力，使得干縮大大下降。由于粉煤灰和礦渣屬于火山灰材料，且蒸養(yǎng)條件下進一步促進了其活性的激發(fā)，因此有利于改善水泥漿體干縮現(xiàn)象。而石灰石粉的活性較低，可作為惰性材料，摻入石灰石粉后漿體中水化產(chǎn)物減少，抗收縮能力降低。但石灰石粉顆粒較細，具有良好的填充作用，因此當摻量超過10%后，可有效提高水泥漿體抗收縮能力。

3.3 孔結(jié)構(gòu)

圖3為3、90 d齡期時，通過壓汞試驗測得的不同試樣孔隙結(jié)構(gòu)。已有研究認為，水泥漿體里孔可分為大于50 nm的宏觀孔和小于50 nm的孔兩大部分。大于50 nm的宏觀孔對強度影響更大，宏觀孔中的水稱為自由水，自由水在漿體內(nèi)部的轉(zhuǎn)移不會引起任何體積變化。而小于50 nm的孔包括較小的毛細孔和層間孔，這兩種孔發(fā)生失水時會引起系統(tǒng)收縮。因此，該文分析不同試樣孔結(jié)構(gòu)中大于50 nm和小于50 nm的孔占總空隙率的百分比情況，結(jié)果如圖3所示。圖中折線部分為試樣孔隙率變化情況。

圖3 蒸養(yǎng)試樣孔結(jié)構(gòu)變化

由圖3可知：

(1) 隨著齡期從3 d延長至90 d，所有試樣的空隙率都有所減少。與純水泥漿體相比，摻入礦物摻合料后將增大蒸養(yǎng)水泥漿體空隙率。隨著礦物摻合料摻量的增加，蒸養(yǎng)水泥漿體的空隙率都有所增大，其中礦渣摻量對空隙率的影響最小，而摻粉煤灰和石灰石粉的蒸養(yǎng)水泥漿體的空隙率幾乎成倍增加。由此可知，蒸養(yǎng)水泥漿體抗壓強度與空隙率具有直接關(guān)系。空隙率越高，漿體抗壓強度越低。在研究的3種礦物摻合料中，礦渣的火山灰活性最強，已有研究表明，當?shù)V渣摻量少于50%時，其水化活性隨摻量的變化較小。因此，B1和B4試樣中能產(chǎn)生足夠多的水化產(chǎn)物填充孔隙，為水泥漿體提高足夠的強度，同時也提高了漿體的抗變形能力，減緩干燥收縮現(xiàn)象。

(2) 純水泥試樣和摻礦物摻合料試樣中大于50 nm的宏觀孔所占的比例隨齡期延長而降低，小于50 nm孔所占的比例隨齡期延長而增多。這主要由于隨著齡期的延長，各試樣水化還在持續(xù)進行，仍繼續(xù)生成水化產(chǎn)物，因此蒸養(yǎng)試樣的干縮率隨著齡期的延長而增大。值得注意的是，隨著礦物摻合料摻量的增加，試樣中大于50 nm的大孔所占比例增大，而小于50 nm的孔所占比例有所減少。這是由于摻入礦物摻合料導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物含量減少，水泥漿體中自由水含量增多，孔隙結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的粗化，即大孔的含量增加。除此之外，蒸養(yǎng)條件下特別是升溫階段存在水和氣的膨脹，將導(dǎo)致體系體積膨脹，且這種體積膨脹無法完全復(fù)原，導(dǎo)致蒸養(yǎng)水泥漿體中大孔含量增加，在宏觀上即表現(xiàn)為腫脹變形。由于稀釋效應(yīng)，摻入礦物摻合料的水泥漿體使得體系中有效水灰比增大。另外，摻入礦渣雖加快了蒸養(yǎng)水泥漿體中的早期水化速率，但同時也導(dǎo)致水化產(chǎn)物層變得致密從而阻礙擴散階段的水化，減少后期水化產(chǎn)物。這些現(xiàn)象都將導(dǎo)致水泥漿體的熱損傷，且礦物摻合料摻量越大，熱損傷越嚴重，即表現(xiàn)為小于50 nm的孔所占比例減少。當蒸養(yǎng)漿體中小于50 nm的孔含量減少，漿體中干縮現(xiàn)象可得到明顯的減緩，特別是摻礦渣的水泥漿體。

4 結(jié)論

(1) 相對于不摻礦物摻合料的蒸養(yǎng)試樣，摻量為10%的礦渣和粉煤灰蒸養(yǎng)試樣抗壓強度較高。但后期摻有礦物摻合料的所有試樣抗壓強度均較小，且隨摻量的增加抗壓強度逐漸降低，其中礦渣隨摻量的影響最小，而摻石灰石粉的蒸養(yǎng)試樣隨摻量的增加抗壓強度線性降低。

(2) 除10%的石灰石粉以外，摻入礦物摻合料有利于減緩蒸養(yǎng)漿體干縮效應(yīng)，且摻量越大，干縮率越低。相同摻量下，摻入礦渣的蒸養(yǎng)漿體干縮率最低，其次是粉煤灰和石灰石粉。

(3) 摻入礦物摻合料將增大蒸養(yǎng)漿體中的熱損傷效應(yīng)，并提高蒸養(yǎng)漿體空隙率，改變孔隙結(jié)構(gòu)。除礦渣以外，加大礦物摻合料摻量后蒸養(yǎng)漿體空隙率顯著增大。孔徑小于50 nm的孔對蒸養(yǎng)漿體的干縮效應(yīng)影響超過大于50 nm的孔，其中增加礦渣的摻量將明顯減少小于50 nm的孔占總空隙率的含量。