三元礦物摻合料對清水混凝土強度的影響

蓋廣清，吳奇隆

吉林建筑大學(xué) 建筑節(jié)能技術(shù)工程實驗室,長春 130118

隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,我國已成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體,2020年基本完成工業(yè)化進(jìn)程的同時也帶來了大量工業(yè)固體廢料排放.如何將工業(yè)固體廢料合理利用成為新的研究課題.如燃煤電廠排出粉煤灰、電熱法生產(chǎn)黃磷產(chǎn)生的磷渣、礦熱電爐內(nèi)排出的硅灰等,大量工業(yè)廢棄物不僅污染環(huán)境,而且嚴(yán)重危害人們的身心健康.如何有效處理工業(yè)固體廢棄問題已迫在眉睫[1].

目前，很多國內(nèi)外學(xué)者對礦渣、粉煤灰、硅灰已有諸多研究,但多數(shù)僅局限于其中兩種礦物摻合料.如崔鑫等[2]人研究出清水混凝土表面黑斑的成因;周立君[3]研究了礦物摻合料對清水混凝土外觀質(zhì)量的影響；王龍志等[4]人研究了清水混凝土表觀狀態(tài)的相關(guān)要求.本文實驗采用正交設(shè)計方法研究了同時摻入粉煤灰、硅灰、礦粉三元礦物摻合料對清水混凝土強度的影響規(guī)律.

1 原材料

礦粉：(鞏義市恒諾濾料有限公司),其物理性能指標(biāo)見表1.

表1 礦粉基本物理性質(zhì)

硅灰：(鞏義市恒諾濾料有限公司),其化學(xué)成分見表2.

表2 硅灰的化學(xué)成分

粉煤灰：(鞏義市恒諾濾料有限公司),其化學(xué)成分見表3.

表3 粉煤灰的化學(xué)成分

水泥：(吉林亞泰水泥有限公司)P·O 42.5普通硅酸鹽水泥.

細(xì)集料：普通建筑河沙,中砂.

粗集料：碎石,最大粒徑20 mm.

減水劑：(通聯(lián)華鑫混凝土外加劑有限公司)聚羧酸高效減水劑(其摻量為1 %).

消泡劑：(山東煙臺宏祥建材).

2 試驗研究及分析

2.1 正交設(shè)計試驗

試驗選取礦粉(GGBS)、粉煤灰(FL)、硅灰(SF)、消泡劑(DA)4個因素,每個因素取3個水平值,采用L9(34)正交表.表4為因素水平列表,表5為正交試驗設(shè)計表.

表4 因素水平列表

表5 正交試驗設(shè)計

2.2 實驗研究及數(shù)據(jù)處理

實驗?zāi)＞卟捎?00 mm×100 mm×100 mm型號的鋼模具,對每個齡期的實驗組制作3個試塊,試件連模養(yǎng)護(hù)24 h后方可脫模，脫模后的試塊放在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)強度.混凝土試塊強度結(jié)果見表6.

表6 抗壓強度試驗結(jié)果

在試驗前期發(fā)現(xiàn),當(dāng)消泡劑用量過少時,混凝土表面有很多細(xì)小氣泡,此時粉煤灰摻量達(dá)到20 %時,試塊顏色偏暗并有小黑斑，如圖1(a)所示.隨著礦粉的摻量和消泡劑用量增多,混凝土試件外表面顏色白度逐漸提升,其表面氣泡驟減，如圖1(b)所示.隨著礦粉和硅灰摻量的增加,凝固的試塊表面的亮度有較大提高,整體的均勻性也得到很好的提升，如圖1(c)所示.

(a)粉煤灰摻量過多 (b)礦粉適宜摻量 (c)三者均勻摻量

由表6可得表7正交試驗極差分析.

表7 正交試驗極差分析

表中,Ki′表示混凝土7 d抗壓強度任意列上因素號為i時所對應(yīng)的試驗結(jié)果之和；R′表示混凝土7 d抗壓強度中每個因素下K的最大值減最小值.表中Ki表示混凝土28 d抗壓強度任意列上因素號為i時所對應(yīng)的實驗結(jié)果之和；R表示混凝土28 d抗壓強度中每個因素下K的最大值減最小值.由極差結(jié)果分析可得試驗各因素對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 7 d,28 d 的清水混凝土的影響程度.

研究因素對標(biāo)養(yǎng)7d的清水混凝土抗壓強度影響順序：粉煤灰(A)>硅灰(C)>礦粉(B)>消泡劑(D).而對于標(biāo)養(yǎng)下28 d的清水混凝土抗壓強度影響順序發(fā)生一定變化,其影響順序：粉煤灰(A)>礦粉(B)>硅灰(C)>礦粉(B)>消泡劑(D).由表6,表7的實驗數(shù)據(jù)可以得到各實驗因素影響混凝土7 d和28 d抗壓強度趨勢圖,如圖2所示.

圖2 各實驗因素對抗壓強度的影響

由圖2分析可得:

(1)對清水混凝土7 d抗壓強度影響最大的因素是硅灰和礦粉,而對混凝土28 d抗壓強度影響最大的因素是礦粉和粉煤灰.這是由于硅灰顆粒極細(xì)且活性非常高,在短時間內(nèi)就能參與水化反應(yīng)，所以在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d的清水混凝土中,硅灰對其抗壓強度提升極大.

(2)清水混凝土早期抗壓強度隨粉煤灰摻量增加而持續(xù)降低,由此可見，粉煤灰對前期強度影響不大,摻量過多反而會影響前期強度.而混凝土試塊的28 d抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加呈先升后降的趨勢,這是由于粉煤灰活性較低,其在混凝土膠凝體系的水化后期才開始大量參與反應(yīng),故28 d混凝土強度的提高主要是由礦粉和粉煤灰參與反應(yīng)后提供的.

(3)礦粉的活性較優(yōu)于粉煤灰,所以在水化前期礦粉開始參加反應(yīng),少量礦粉的摻入可優(yōu)化混凝土膠凝體系的顆粒級配，提升膠凝體系的密實程度，因而能提高混凝土的強度，故可以看出混凝土7 d抗壓強度隨礦粉摻量的增加而略微提升.

結(jié)果表明,粉煤灰對混凝土后期強度增長潛力較大.硅灰對混凝土前期強度貢獻(xiàn)較為明顯，后期則相對疲軟.混凝土內(nèi)礦粉量越大,其前期強度較對照組降低幅度也越大,但后期強度的增加幅度也越明顯.由實驗可以得出混凝土最優(yōu)配合比為礦粉摻量10 %,粉煤灰摻量15 %,硅灰摻量8 %,消泡劑添加量2 %,減水劑添加量1 %.

3 結(jié)論

(1)當(dāng)粉煤灰摻量過多時,清水混凝土表面色澤會偏黑偏暗,不利其裝飾效果；當(dāng)粉煤灰和礦粉均摻量過多時,清水混凝土表面會有較多大直徑氣泡,同樣影響飾面效果；當(dāng)摻入適量的粉煤灰、礦粉、硅灰時,清水混凝土表面色澤均勻,氣泡數(shù)量少，每平方面積為12 cm2,且氣泡直徑也小,最大直徑為6 mm,平均直徑為4 mm.

(2)粉煤灰、礦粉對清水混凝土后期強度的提高有明顯作用,而硅灰對清水混凝土強度前期影響較為明顯,后期較為緩慢.

(3)摻合料不僅可以提高清水混凝土的力學(xué)性能,改善工作性能,在三元摻合料中細(xì)粉顆粒比較容易填充粗粉之間的孔隙,還可增加結(jié)構(gòu)整體密實度.