礦物摻合料對雙膨脹源膨脹劑限制膨脹率的影響研究

紀(jì)憲坤，徐可，趙娟，周清松

（1.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430083；2.武漢源錦建材科技有限公司，湖北 武漢 430083）

由于膠凝材料的水化反應(yīng)，實(shí)體結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部溫度及濕度的變化等綜合因素的影響，混凝土在硬化及使用過程中會產(chǎn)生體積收縮[1]，在混凝土中摻入適量的膨脹劑可補(bǔ)償其體積收縮，對混凝土的抗開裂性能和耐久性均有較大程度的改善與提高[2-3]。膨脹劑包括氧化鈣類、硫鋁酸鈣類、硫鋁酸鈣-氧化鈣類、氧化鎂類，不同膨脹劑的水化進(jìn)程和膨脹效能的發(fā)揮有很大差異。由于工程應(yīng)用過程中對膨脹劑的性能缺乏科學(xué)系統(tǒng)的認(rèn)識，業(yè)界對膨脹劑的作用產(chǎn)生了質(zhì)疑[4]。膨脹劑的工程應(yīng)用需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：（1）實(shí)驗(yàn)室條件下所測試的限制膨脹率指標(biāo)，該指標(biāo)為產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)[5]，其大小直接影響膨脹劑的補(bǔ)償收縮能力；（2）工程的具體施工條件，包括混凝土強(qiáng)度等級、結(jié)構(gòu)尺寸、施工環(huán)境、混凝土原材料性能、混凝土配合比等；（3）混凝土的施工技術(shù)和養(yǎng)護(hù)方式等[6]。這些因素對膨脹劑的使用有著決定性的作用，需要結(jié)合工程實(shí)際情況選擇合適的膨脹劑種類。

現(xiàn)代混凝土中，礦物摻合料已經(jīng)成為混凝土不可或缺的組分，GB/T 51003—2014《礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中包括了8種礦物摻合料，不同摻合料都會影響膨脹劑在混凝土中的膨脹性能?；诖?，本文選擇了粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉、鋼渣粉和硅灰5種礦物摻合料，采用目前常用的硫鋁酸鈣-氧化鈣類雙膨脹源膨脹劑進(jìn)行水泥膠砂限制膨脹率的對比試驗(yàn)，分析各種摻合料在不同摻量時(shí)對雙膨脹源膨脹劑的影響，為工程實(shí)踐中正確使用膨脹劑提供一定的參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：基準(zhǔn)水泥，比表面積355 m2/kg，7、28 d膠砂抗壓強(qiáng)度分別為46.9、66.4 MPa；粉煤灰：武漢陽邏電廠，Ⅱ級，45μm篩篩余17.0%，需水量比97%，燒失量6.5%；礦渣粉：武新，S95級，比表面積450 m2/kg；石灰石粉：45μm篩篩余13.5%；硅灰：比表面積18 200 m2/kg，7 d活性指數(shù)140%；鋼渣粉：武新，比表面積420 m2/kg，7 d活性指數(shù)75%；膨脹劑：硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑，比表面積295 m2/kg，水中7 d膠砂限制膨脹率6.0×10-4，符合GB23439—2017《混凝土膨脹劑》中Ⅱ型要求，主要粒徑區(qū)間集中在10～100μm（見圖1）。膠凝材料的主要化學(xué)成分見表1。

圖1 膨脹劑的粒徑分布曲線

表1 膠凝材料的主要化學(xué)成分 %

標(biāo)準(zhǔn)砂：符合GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》規(guī)定的要求；水：自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 23439—2017附錄A規(guī)定的試驗(yàn)材料及用量表進(jìn)行限制膨脹率與強(qiáng)度試件成型及檢測，基準(zhǔn)組的材料配比如表2所示。

表2 基準(zhǔn)組膠砂限制膨脹率及強(qiáng)度成型配比 g

在此基礎(chǔ)上，分別單摻及雙摻不同比例粉煤灰、礦粉、石灰石粉、硅灰和鋼渣粉，礦物摻合料均為內(nèi)摻，等質(zhì)量替代水泥，礦物摻合料的上限值按照實(shí)際混凝土中可能的最大摻量設(shè)計(jì)。成型40mm×40 mm×160 mm內(nèi)置鋼筋限制桿的膠砂試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至膠砂強(qiáng)度為8～12 MPa拆模，并測試初長，隨后轉(zhuǎn)入（20±2）℃自來水中養(yǎng)護(hù)7 d，然后轉(zhuǎn)入溫度（20±2）℃、相對濕度（60±5）%干養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)28 d，期間分別測試其水中養(yǎng)護(hù)3、5、7 d，干空14、28 d的限制膨脹率。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰對膠砂試件限制膨脹率及強(qiáng)度的影響

單摻粉煤灰對膠砂試件限制膨脹率和抗壓強(qiáng)度的影響分別見圖2、表3。

圖2 粉煤灰摻量對膠砂試件限制膨脹率的影響

表3 粉煤灰摻量對膠砂試件抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可知：當(dāng)粉煤灰摻量低于30%時(shí)，限制膨脹率隨著粉煤灰摻量的增加而增大，當(dāng)摻量為30%時(shí)，7 d限制膨脹率達(dá)到最大值8×10-4，較未摻粉煤灰的基準(zhǔn)組提高了35%。而粉煤灰摻量為50%時(shí)，限制膨脹率增加值有所降低，但仍高于基準(zhǔn)組。說明粉煤灰對膠砂限制膨脹率的發(fā)展有促進(jìn)作用，摻量為30%時(shí)膨脹率最大。粉煤灰摻量對膨脹率最大值與轉(zhuǎn)至干空后的最小膨脹率落差值影響不大。其可能原因?yàn)椋海?）適量摻入粉煤灰，降低了膠砂早期強(qiáng)度的發(fā)展速率（見表3），摻粉煤灰后的膠砂強(qiáng)度均有所降低，減少了由于強(qiáng)度較高而導(dǎo)致膨脹能發(fā)揮受到抑制的影響，從而使膨脹劑能在更長的時(shí)間范圍內(nèi)產(chǎn)生有效膨脹[7]；（2）粉煤灰中含有較多的活性Al2O3，其與雙膨脹源膨脹劑中的CaO和CaSO4反應(yīng)生成鈣礬石[8]，從而適當(dāng)提高了限制膨脹率；（3）用粉煤灰取代基準(zhǔn)水泥后，提高了膠砂體系的密實(shí)性，有降低收縮的作用[9]。

2.2 礦渣粉對膠砂試件限制膨脹率及強(qiáng)度的影響

單摻礦渣粉對膠砂試件限制膨脹率和抗壓強(qiáng)度的影響分別見圖3、表4。

圖3 礦渣粉摻量對膠砂試件限制膨脹率的影響

表4 礦渣粉摻量對膠砂試件抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4可知：當(dāng)?shù)V渣粉摻量從20%增加到60%時(shí)，限制膨脹率明顯降低，說明礦渣粉對膨脹能的發(fā)揮有抑制作用。當(dāng)?shù)V渣粉摻量為60%時(shí)，7 d限制膨脹率從基準(zhǔn)組的6×10-4降至2.9×10-4，降幅達(dá)50%以上。其可能原因在于：（1）礦渣粉的活性較高，水化反應(yīng)早期能與水泥和硫鋁酸鹽-氧化鈣類膨脹劑中CaO的水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)生成C-S-H凝膠，降低了膠凝體系的堿度，同時(shí)也消耗了一定的膨脹產(chǎn)物[10]，礦渣粉的摻量越高，其消耗的膨脹產(chǎn)物更多，從而導(dǎo)致膠砂限制膨脹率的降低越明顯。（2）摻入一定比例的礦渣粉能夠明顯提高膠砂試件的早期抗壓強(qiáng)度（見表4），在20%及30%摻量時(shí)，其7、28 d抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組，早期強(qiáng)度的快速發(fā)展縮短了膨脹劑的有效膨脹窗口，并提高了強(qiáng)度對膨脹的約束。因此，在單摻礦渣粉的膠凝材料組成情況下，為盡量較少對限制膨脹率的影響，礦渣粉摻量宜控制在2 0%以內(nèi)。

2.3 石灰石粉對膠砂試件限制膨脹率的影響

單摻石灰石粉對膠砂試件限制膨脹率和抗壓強(qiáng)度的影響分別見圖4、表5。

圖4 石灰石粉摻量對膠砂試件限制膨脹率的影響

表5 石灰石粉摻量對膠砂試件抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4可知：石灰石粉摻量從10%增至20%時(shí)，均能促進(jìn)膠砂早期限制膨脹率的增長，最大增長率為11.7%，但促進(jìn)膨脹效果有限。其原因在于石灰石粉的適量摻入，降低了膠砂早期強(qiáng)度的發(fā)展速度（見表5），摻入石灰石粉后，膠砂試件的強(qiáng)度較基準(zhǔn)組均降低，進(jìn)而減少了強(qiáng)度對膨脹的限制作用，從而促進(jìn)了限制膨脹率的增加。同時(shí)，若以28 d與7 d限制膨脹率差值作為后期干縮落差值，10%、15%、20%石粉摻量的干燥落差值分別為3.6×10-4、4.3×10-4、4.5×10-4，均高于基準(zhǔn)組的3.4×10-4，且摻量越高干縮落差值越大。其主要由于干燥養(yǎng)護(hù)條件下，石灰石粉活性低，以物理填充作用為主，從而一定程度上提高了砂漿的孔隙率，水分蒸發(fā)速率較高，使得后期干燥收縮變大。因此，建議石灰石粉的摻量宜控制在10%以下。

2.4 鋼渣粉對膠砂試件限制膨脹率及強(qiáng)度的影響

單摻鋼渣粉對膠砂試件限制膨脹率和抗壓強(qiáng)度的影響分別見圖5、表6。

圖5 鋼渣粉摻量對膠砂試件限制膨脹率的影響

表6 鋼渣粉摻量對膠砂試件抗壓強(qiáng)度的影響

由圖5可知：當(dāng)鋼渣粉的摻量從10%增加到20%時(shí)，限制膨脹率逐漸降低，在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)的最大降低率為22%，說明鋼渣粉對膠砂限制膨脹率的發(fā)展有抑制作用，摻量增大，抑制作用增強(qiáng)，其原因與礦粉對限制膨脹率的影響原因較為類似，在于活性鋼渣能與水泥及硫鋁酸鹽-氧化鈣類膨脹劑中CaO的水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)生成C-S-H凝膠，降低了膠凝體系的堿度，消耗了一定的膨脹產(chǎn)物，但由于早期活性要低于礦渣粉。由表6可知，鋼渣粉的摻入并未提高膠砂的強(qiáng)度，其早期強(qiáng)度與基準(zhǔn)組較為接近，因此，強(qiáng)度對膨脹的抑制作用要小于礦渣粉，為減小鋼渣粉對膨脹率的影響，其最佳摻量宜小于10%。

2.5 硅灰對膠砂試件限制膨脹率及強(qiáng)度的影響

單摻硅灰對膠砂試件限制膨脹率和抗壓強(qiáng)度的影響分別見圖6、表7。

圖6 硅灰摻量對膠砂試件限制膨脹率的影響

表7 硅灰摻量對膠砂試件抗壓強(qiáng)度的影響

由圖6可見，硅灰摻量從5%增加到10%時(shí)，硅灰對膠砂限制膨脹率的發(fā)展有明顯抑制作用，其對膠砂限制膨脹率的最大降低率為35%，且其抑制作用與摻量關(guān)系不明顯，5%～8%摻量內(nèi)其各齡期的限制膨脹率較為接近。因硅灰是一種高活性摻合料，能顯著提高膠砂的早期強(qiáng)度（見表7），7 d抗壓強(qiáng)度最大提高了55.2%，進(jìn)而使得膨脹劑的膨脹受到膠凝材料的水化產(chǎn)物的限制作用更大，從而降低了膨脹劑的膨脹性能[11]。同時(shí)，由于硅灰對膠凝體存在微集料填充效應(yīng)，使?jié){體的密實(shí)度提高，微孔隙減少，膨脹水化產(chǎn)物的生長空間受到限制，在此兩方面影響下使膠砂的限制膨脹率要明顯低于基準(zhǔn)組。因此，建議硅灰的最優(yōu)摻量不宜大于5%。

2.6 粉煤灰和礦渣粉雙摻對膠砂試件限制膨脹率的影響

圖7為固定粉煤灰和礦渣粉總摻量為40%，粉煤灰與礦渣粉按照不同比例復(fù)摻的膠砂試件限制膨脹率曲線。

圖7 粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻對膠砂試件限制膨脹率的影響

由圖7可知：當(dāng)粉煤灰和礦渣粉總摻量固定為40%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，礦渣粉摻量的減少，限制膨脹率逐漸增大，其影響規(guī)律與單摻礦粉及單摻粉煤灰基本一致。另外，礦渣粉對限制膨脹率的抑制作用要明顯大于粉煤灰對限制膨脹率的促進(jìn)作用，粉煤灰摻量30%，礦渣粉摻量低至10%時(shí)，其7 d限制膨脹率仍低于基準(zhǔn)組。其主要原因?yàn)樵谒唷⑴蛎泟?、粉煤灰及礦渣粉組成的膠凝體系中，礦渣粉的摻入優(yōu)先結(jié)合膨脹劑水化產(chǎn)物中的Ca（OH）2促進(jìn)C-S-H凝膠形成，減少了Ca（OH）2的溶解-析晶過程，降低了膠凝體系的堿度，同時(shí)也消耗了一定的膨脹產(chǎn)物[11]，從而使膠砂限制膨脹率明顯低于基準(zhǔn)值。因此，在粉煤灰與礦渣復(fù)摻的情況下，欲更好地發(fā)揮雙膨脹源膨脹劑的膨脹作用，宜將礦渣粉摻量控制在10%以內(nèi)，并適當(dāng)?shù)脑黾臃勖夯业膿搅俊?/p>

2.7 石灰石粉和礦渣粉復(fù)摻對膠砂試件限制膨脹率的影響

圖8為固定石灰石粉和礦渣粉總摻量為40%，石灰石粉與礦渣粉按照不同比例復(fù)摻的膠砂試件限制膨脹率曲線。

圖8 石灰石粉和礦渣粉復(fù)摻對膠砂試件限制膨脹率的影響

由圖8可知：當(dāng)石灰石粉和礦渣粉總摻量固定為40%時(shí)，其膠砂限制膨脹率較基準(zhǔn)組降低約40%，但稍微高于單摻礦渣粉組。隨著石灰石摻量從0增加到20%，礦渣粉摻量從40%降低到20%，膠砂限制膨脹率有少量的增長。說明在礦渣粉與石灰石粉復(fù)摻的體系中，礦渣粉對于限制膨脹率的抑制起主導(dǎo)作用，其原因在于石灰石摻量在20%以內(nèi)對早期強(qiáng)度的降低可以保證膨脹劑的膨脹效能發(fā)揮。

按照相同比例組成對比礦渣粉分別與粉煤灰及石灰石粉復(fù)摻時(shí)膠砂試件的限制膨脹率，結(jié)果見圖9。

圖9 相同復(fù)摻組成比例時(shí)膠砂試件的限制膨脹率曲線

由圖9可見，礦渣粉與粉煤灰復(fù)摻比礦渣粉與石灰石粉復(fù)摻時(shí)的限制膨脹率高，進(jìn)一步體現(xiàn)無論是單摻還是復(fù)摻，粉煤灰比石灰石粉對于膨脹性能的促進(jìn)作用更大。原因在于粉煤灰對膨脹性能的促進(jìn)作用除適當(dāng)降低早期強(qiáng)度以有利于膨脹發(fā)揮外，粉煤灰中含有數(shù)量較多的活性Al2O3還參與雙膨脹源膨脹劑中的CaO和CaSO4反應(yīng)生成鈣礬石[8]。因此，在復(fù)合摻合料體系中，要使膨脹劑膨脹性能更好發(fā)揮，宜采用礦渣粉與粉煤灰復(fù)摻的方式。

3 結(jié)論

（1）粉煤灰和石灰石粉對膠砂限制膨脹率的發(fā)展均有一定促進(jìn)作用，2種摻合料摻入后限制膨脹率可較基準(zhǔn)組分別提高35%和11.7%，2種摻合料各自單摻時(shí)的最優(yōu)摻量分別宜控制在30%和10%以內(nèi)。

（2）礦渣粉、鋼渣粉及硅灰對膠砂限制膨脹率有一定抑制作用，在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)的限制膨脹率較基準(zhǔn)組的最大降低率分別為50%、22%和35%，3種摻合料單摻時(shí)的最優(yōu)摻量分別宜控制在20%、10%和5%以內(nèi)。

（3）礦粉分別與粉煤灰及石灰石粉復(fù)摻時(shí)的限制膨脹率均低于基準(zhǔn)組，但高于礦粉單摻組，且相同復(fù)摻組成比例時(shí)，礦粉與粉煤灰復(fù)摻時(shí)的限制膨脹率更高，在實(shí)際工程中配制補(bǔ)償收縮混凝土，如采取雙摻技術(shù)宜優(yōu)先考慮礦渣粉與粉煤灰復(fù)摻的方式。

（4）5種常用摻合料對雙膨脹源膨脹劑膨脹性能的影響，主要在于在膨脹劑水化過程中，摻合料的摻入會影響膨脹期的強(qiáng)度發(fā)展以及參與Ca（OH）2及鈣礬石的形成過程。