基于水膜厚度的拋光磚粉混凝土和易性及抗壓強(qiáng)度研究

鄭孫博,陳嘉健,李秋亨

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 交通與土木建筑學(xué)院,佛山 528000)

保護(hù)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展已成為不可阻擋的時(shí)代潮流,同時(shí)摻加礦物摻和料是目前改善混凝土性能的有效方法之一,為此合理的將工業(yè)廢料作為摻和料使用具有十分深遠(yuǎn)的意義[1-6]。工業(yè)廢料拋光磚粉是拋光磚在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)研磨拋光后產(chǎn)生的廢粉[7]。近年來(lái)隨拋光磚的需求量不斷上升,工業(yè)廢料拋光磚粉也隨之增多,因此將其作為礦物摻和料加入到混凝土中,能有效地保護(hù)環(huán)境同時(shí)減少能源的損耗[8-12]。研究表明摻入的陶瓷拋光粉摻量占混凝土總量10%時(shí),混凝土各個(gè)齡期抗壓強(qiáng)度都會(huì)明顯提高;但繼續(xù)增加拋光磚粉,混凝土抗壓強(qiáng)度反而會(huì)下降,尤其是拋光粉摻量占混凝土總量的20%以上,拋光磚粉摻量增加會(huì)使混凝土抗壓強(qiáng)度大幅度下降[13]。也有相關(guān)研究表明C30混凝土的拋光磚粉摻量應(yīng)該控制在20%以內(nèi),因?yàn)閽伖獯u粉摻量大于20%后,將會(huì)導(dǎo)致混凝土耐久性能降低[14]。王功勛等研究表明與等摻量的粉煤灰混凝土相比,摻拋光磚粉混凝土的強(qiáng)度較高,且早期表現(xiàn)尤為明顯[15]。

雖然此前已有很多學(xué)者對(duì)內(nèi)摻拋光磚粉混凝土的各項(xiàng)性能展開(kāi)了研究,并取得了不錯(cuò)的研究成果[16-19],但在不同水膠比下,使用工業(yè)廢料拋光磚粉部分置換水泥后對(duì)混凝土性能的影響研究具有十分重要的意義。本文利用微觀測(cè)試方法,分析拋光磚粉的物理及化學(xué)性質(zhì);研究3組水膠比下,不同拋光磚粉摻量對(duì)混凝土和易性和抗壓強(qiáng)度的影響,并引入填充密度和水膜厚度概念[20-23],線性回歸分析水膜厚度與混凝土流動(dòng)性、黏聚性和抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1) 水泥:石井牌P.O42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥,其物理性能見(jiàn)表1。

表1 水泥的物理性能

2) 拋光磚粉:佛山本地瓷磚廠廢瓷渣,經(jīng)烘干以及球磨處理后得到拋光磚粉,對(duì)應(yīng)物理及化學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 拋光磚粉的化學(xué)組成 %

3) 骨料:粗骨料為佛山地區(qū)石灰?guī)r碎石;細(xì)骨料為佛山地區(qū)河沙,其細(xì)度模數(shù)為2.7,粗細(xì)骨料滿足規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)[24]。

4) 外加劑:使用聚羧酸高效減水劑,符合國(guó)家規(guī)范的要求[25]。

5) 水:自來(lái)水。

1.2 配比設(shè)計(jì)

正交配制了水膠比由0.4至0.6變化,以0.1為級(jí)差;拋光磚粉摻量由0至12%混凝土體積比變化,以4%為級(jí)差;水泥漿量統(tǒng)一為38%;細(xì)骨料和粗骨料比值統(tǒng)一為2∶3;減水劑量統(tǒng)一為粉體材料的2.6×10-5kg/m2,這是因?yàn)檫^(guò)往研究表明,聚羧酸減水劑是附著在粉體表面,通過(guò)靜電排斥、空間位阻發(fā)揮作用,劑量應(yīng)該根據(jù)整體表面積來(lái)決定,這個(gè)劑量是減水劑效果達(dá)到飽和時(shí)候的量[26]?；炷猎嚇拥呐浔纫?jiàn)表3。

表3 拋光磚粉混凝土試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 黏聚性測(cè)試

混凝土黏聚性用過(guò)篩率的大小表示[20]。試驗(yàn)使用5 mm的方孔篩,取250 g攪拌后的混凝土漿體從300 mm的高度倒入方孔篩中,讓其靜置2 min,通過(guò)方孔篩的漿體質(zhì)量與倒入的總漿體質(zhì)量的比值即為混凝土過(guò)篩率?；炷吝^(guò)篩率越低說(shuō)明黏聚性越好,反之則較差。

1.3.2 混凝土的坍落度與擴(kuò)展度

坍落度試驗(yàn)的主要步驟:將攪拌完成的混凝土試樣分三層裝入坍落度筒內(nèi),插搗后刮去多余混凝土并沿筒口抹平,接著垂直提起坍落度筒,30 s后用鋼尺量出筒高與坍落后混凝土試樣最高點(diǎn)之間的高度差,即為坍落度值。擴(kuò)展度的試驗(yàn)步驟與坍落度試驗(yàn)相似,提起坍落度筒50 s后,量取混凝土試樣擴(kuò)展面的最大直徑及其垂直方向的直徑,二者的平均值即為擴(kuò)展度值。

1.3.3 混凝土抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)使用150 mm的正方體模具,經(jīng)振搗抹平后靜置24 h拆模,混凝土試塊放置在溫度(20±2) ℃、相對(duì)濕度為90%以上的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28和70 d。

1.3.4 填充密度測(cè)量及水膜厚度計(jì)算

研究表明使用水測(cè)緊密值法可以準(zhǔn)確地測(cè)量出填充密度[27],該方法是在不同水量下,用相應(yīng)的固體顆粒組合能達(dá)到的最大填充率數(shù)值來(lái)表示填充密度的大小[20],具體計(jì)算公式如下:

式中:M為試樣的總質(zhì)量,g;V為鋼桶的體積,mL;mc,mp,mq和ms分別為水泥、拋光磚粉、骨料和水的質(zhì)量,g;ρc,ρp,ρe,ρf和ρs分別為水泥、拋光磚粉、砂、碎石和水的密度,g/mm3;Us為水與固體材料體積的百分比;Rc,Rp,Re和Rf分別為水泥、拋光磚粉、砂和碎石占總固體材料的體積分?jǐn)?shù)。

水膜厚度是固體摻和料的單位表面積上所覆蓋包裹的平均液體層厚度,計(jì)算方法為用攪拌混凝土所需的總水量減固體顆粒間的空隙體積比上固體摻和料的總表面積的比值[21]。在度量出膠凝材料的填充密度后,水膜厚度可由下列公式進(jìn)行計(jì)算:

We=V1-V2

式中:TS為水膜厚度,μm;We為剩余水體積,mL;A為固體材料的總表面積,m2;V1為實(shí)際液體體積,mL;V2為固體材料間空隙所占體積,mL;γ為空隙比率;Pmax為填充密度;Mc,Mp,Me,Mf,Ms和Mj分別為水泥、拋光磚粉、砂、碎石、水和減水劑的質(zhì)量,g;ρc,ρp,ρe,ρf,ρs和ρj分別為水泥、拋光磚粉、砂、碎石、水和減水劑的密度,kg/m3;Ac,Ap,Ae和Af分別為水泥、拋光磚粉、砂和碎石的比表面積,m2/m3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拋光磚粉摻量對(duì)混凝土5 mm過(guò)篩率的影響

黏聚性測(cè)試結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,相同水膠比下拋光磚粉的摻量增加會(huì)導(dǎo)致混凝土5 mm過(guò)篩率變小,說(shuō)明混凝土流動(dòng)性逐漸下降,黏聚性變好。拋光磚粉較細(xì),有效地填充了混凝土漿體間的空隙使得黏結(jié)力增強(qiáng),這是黏聚性變好的主要原因。

2.2 拋光磚粉摻量對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響

坍落度測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,當(dāng)水膠比相同時(shí),混凝土試塊的坍落度產(chǎn)生隨拋光磚粉摻量的增加而減小的現(xiàn)象;當(dāng)水膠比不同時(shí),相同拋光磚粉摻量的混凝土試塊坍落度隨水膠比的降低而減小。擴(kuò)展度測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,相同水膠比時(shí),拋光磚粉摻量的增加致使混凝土擴(kuò)展度隨之減少;而拋光磚粉的摻量不變時(shí),混凝土擴(kuò)展度值會(huì)隨水膠比的減小而減小。造成上述隨著拋光磚粉摻量的增加,坍落度和擴(kuò)展度均減小的原因是因混凝土漿體中自由水被拋光磚粉所吸附,自由水的減少讓混凝土流動(dòng)性降低。

2.3 拋光磚粉摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。28 d齡期時(shí),在相同水膠比下,隨著拋光磚粉摻量的增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度有十分明顯的提升,如水膠比為0.5時(shí),抗壓強(qiáng)度最大可提高126%;在相同拋光磚粉摻量下,水膠比越小抗壓強(qiáng)度越大。顆粒較細(xì)的拋光磚粉提高了混凝土的密實(shí)度,進(jìn)而改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),使得混凝土抗壓強(qiáng)度有所提高。

當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到70 d時(shí),在水膠比一定的條件下,隨著拋光磚粉摻量由0%增加到12%,混凝土抗壓強(qiáng)度繼續(xù)增大,且最大可提高80%,這是因?yàn)閽伖獯u粉與氫氧化鈣的二次水化反應(yīng)比水泥水化反應(yīng)慢,從而使70 d混凝土抗壓強(qiáng)度提高幅度更大。

2.4 填充密度及水膜厚度對(duì)混凝土和易性和抗壓強(qiáng)度的影響

填充密度及水膜厚度測(cè)量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4,結(jié)果表明填充密度隨著拋光磚粉摻量的增加而增大。當(dāng)拋光磚粉摻量相同時(shí),隨著水膠比的減小,固體比表面積增大而水膜厚度逐漸減小,這主要是因?yàn)閽伖獯u粉的摻入大幅度提高了固體材料比表面積,此時(shí)單位面積上吸附的水量減少,從而水膜厚度減小;當(dāng)水膠比一定時(shí),隨著拋光磚粉摻量的增加,對(duì)應(yīng)的水膜厚度也呈降低趨勢(shì),因此水膜厚度的變化是受填充密度和固體材料比表面積的共同影響。

表4 水膜厚度測(cè)量計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算和分析水膜厚度的變化,可以結(jié)合混凝土的工作性、黏聚性、抗壓強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的相關(guān)分析,探究水膜厚度對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響。水膜厚度對(duì)混凝土坍落度、擴(kuò)展度的線性分析結(jié)果如圖6、圖7所示,從中可以看出水膜厚度增大,會(huì)使得混凝土坍落度、擴(kuò)展度提高,其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9208和0.8392。圖8表明水膜厚度與混凝土5 mm過(guò)篩率呈正相關(guān)的關(guān)系,其相關(guān)系數(shù)R2為0.845。 如圖9所示,水膜厚度單一參量對(duì)混凝土28和70 d抗壓強(qiáng)度均有較高的相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)R2分別達(dá)到了0.888和0.811。拋光磚粉會(huì)增加混凝土漿體的填充密度,此時(shí)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí),抗壓強(qiáng)度提高且隨著混凝土齡期的增加抗壓強(qiáng)度繼續(xù)增加。相反,隨著水膜厚度的增大,28和70 d的混凝土抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

1) 相同水膠比,摻入拋光磚粉會(huì)使混凝土黏聚性增強(qiáng),而混凝土流動(dòng)性會(huì)相對(duì)降低。

2) 摻入拋光磚粉能改善混凝土孔隙結(jié)構(gòu),進(jìn)而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度,且28和70 d混凝土抗壓強(qiáng)度均有較明顯的提升。

3) 填充密度隨著拋光磚粉摻量的增加而增大,通過(guò)水膜厚度單一參量的回歸分析可以得出:拋光磚粉的摻入,改變了水膜厚度的大小,其變化影響著混凝土的和易性。