S105級(jí)礦粉在超高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用

文蓓蓓,高 博

(武漢武新新型建材有限公司,武漢 430080)

S105級(jí)礦粉在超高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用

文蓓蓓,高 博

(武漢武新新型建材有限公司,武漢 430080)

研究了S105級(jí)礦粉及其摻量對(duì)超高強(qiáng)混凝土工作性能、物理性能、耐久性方面的影響。結(jié)果表明:S105級(jí)礦粉是一種高效的活性摻合料,在超高強(qiáng)混凝土中摻入S105級(jí)礦粉,能夠提高超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度,改善超高強(qiáng)混凝土的工作性能和耐久性能,是配制超高強(qiáng)混凝土不可缺少的組分。

S105級(jí)礦粉; 超高強(qiáng)混凝土; 耐久性; 強(qiáng)度; 工作性能

1 前 言

1.1 超高強(qiáng)混凝土的現(xiàn)狀及發(fā)展

近十年來,高強(qiáng)混凝土特別是超高強(qiáng)混凝土的研究與發(fā)展已受到了各國(guó)研究機(jī)構(gòu)與工程部門的廣泛重視,在美國(guó)、日本、挪威及西德已有用抗壓強(qiáng)度達(dá)到100 MPa左右的超高強(qiáng)混凝土建造橋梁貯油灌及高層建筑的工程實(shí)例[1],特別是挪威已經(jīng)頒布了有關(guān)高強(qiáng)混凝土的標(biāo)準(zhǔn)[2],而且有關(guān)超高強(qiáng)混凝土的原材料、配合比、和易性、強(qiáng)度、收縮、徐變、耐久性及力學(xué)行為等各項(xiàng)性能的研究方興未艾,取得了可喜的成果。在國(guó)內(nèi),高強(qiáng)混凝土也開始引起學(xué)術(shù)界和工程界的重視,1992年6月由中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)、混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)會(huì)所屬高強(qiáng)混凝土委員會(huì)在清華大學(xué)組織召開的“高強(qiáng)混凝土及其應(yīng)用第一屆學(xué)術(shù)討論會(huì)”交流了我國(guó)高強(qiáng)混凝土的研究情況,與起步較早的國(guó)家相比,我們的研究水平還比較落后,特別是28 d的強(qiáng)度多在70～80 MPa之間,100 MPa以上的超高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用實(shí)例還比較少見。

1.2 超高強(qiáng)混凝土的原材料要求

隨著科學(xué)技術(shù)和建筑業(yè)的發(fā)展,社會(huì)對(duì)建筑材料提出更高要求,不僅要滿足設(shè)計(jì)要求、施工可行性,還要遵循可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。因而在保證混凝土強(qiáng)度要求的前提下,合理選擇優(yōu)質(zhì)摻合料,最大限度地降低水泥用量,是改善混凝土諸多技術(shù)性能的有效途徑,也是高性能混凝土需要重點(diǎn)研究和解決的課題。

目前,硅灰是我國(guó)配制超高強(qiáng)混凝土的必用材料之一,對(duì)于提高混凝土的早期強(qiáng)度以及耐久性效果明顯。但硅灰是一種稀缺資源,價(jià)格很高,不利于超高強(qiáng)混凝土的大規(guī)模推廣應(yīng)用。而且有研究表明:使用硅灰的超高強(qiáng)混凝土收縮加大,后期強(qiáng)度存在倒縮的現(xiàn)象[3]。

1.3 S105級(jí)礦粉性能優(yōu)勢(shì)

S105級(jí)礦粉是采用生鐵冶煉中排除的高溫熔渣并經(jīng)水淬處理后的?；郀t礦渣,經(jīng)干燥、粉磨等工藝處理后得到的具有規(guī)定細(xì)度及顆粒級(jí)配并滿足相應(yīng)活性指標(biāo)要求的粉料,其應(yīng)用在高強(qiáng)混凝土中能改善混凝土后期強(qiáng)度,減小混凝土收縮,并在一定程度上提高混凝土的耐久性[4],并具有綠色環(huán)保特性,符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

礦粉目前在高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用以S95為主。S105礦粉較S95礦粉活性更高,性能更優(yōu)良,由于生產(chǎn)工藝等方面原因,應(yīng)用很少。

在分析國(guó)外學(xué)者對(duì)超高強(qiáng)混凝土研究的基礎(chǔ)上[5],結(jié)合國(guó)內(nèi)的原材料,利用硅灰的早強(qiáng)特性與礦粉的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)起到互補(bǔ)作用,通過采用雙摻硅灰和礦粉的方法來克服超高強(qiáng)混凝土收縮大,后期強(qiáng)度倒縮[6],并研究了S105礦粉全取代S95礦粉以及部分取代硅灰對(duì)C100超高強(qiáng)混凝土工作性能、物理性能、耐久性方面的影響。

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料

水泥:某品牌P.O52.5水泥,其性能見表1。

礦粉:武新S95礦粉;某品牌S105礦粉(球磨),性能見表2。

粉煤灰:武漢陽邏電廠Ι級(jí)FA,相關(guān)性能見表3。

硅灰:武漢新必達(dá)化工有限公司提供的硅灰,比表面積15 000～20 000 m2/kg,SiO2含量91%。

砂:巴河河砂,細(xì)度模數(shù)2.8,含泥量0.3%。

碎石:產(chǎn)地武穴,粒徑5～25 mm,連續(xù)級(jí)配,壓碎值7.5,含泥量0.2%。

減水劑:西卡3301,固含量20%,減水率25%。

水:普通自來水。

2.2 試驗(yàn)方法

1)混凝土工作性測(cè)試:參照普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法(GBJ 80—85)的規(guī)定,用新拌混凝土的初始坍落度法/擴(kuò)展度以及混凝土1 h后坍落度/擴(kuò)展度來表征混凝土拌合物的工作性能。

2)混凝土強(qiáng)度測(cè)試:成型的試塊放入標(biāo)養(yǎng)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù),待達(dá)到齡期后,按GB/T 50081標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

3)混凝土耐久性測(cè)試:參照J(rèn)C/T 1086—2008《水泥氯離子擴(kuò)散系數(shù)檢驗(yàn)方法》進(jìn)行,采用NEL氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀,試件規(guī)格?100 mm×50 mm。

2.3 超高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)

為研究S105級(jí)礦粉在超高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用情況,在《普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一系列C100混凝土配合比,見表4。

由表4可見:J1是C100基準(zhǔn)配合比,礦粉為S95級(jí),硅灰摻量10%;D1為采用S105級(jí)礦粉取代S95級(jí)礦粉,硅灰摻量不變;D2～D5為S105級(jí)礦粉進(jìn)一步取代部分硅灰,硅灰摻量從10%降至6%。在此基礎(chǔ)上研究S105級(jí)礦粉取代S95級(jí)礦粉以及部分硅灰對(duì)超高強(qiáng)混凝土工作性能、強(qiáng)度、耐久性能的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 S105級(jí)礦粉的應(yīng)用對(duì)C100混凝土工作性能的影響

對(duì)于超高強(qiáng)混凝土來說,其工作性的好壞對(duì)混凝土的施工質(zhì)量影響較大。通過新拌混凝土的初始以及1 h坍落度/擴(kuò)展度來表征混凝土的工作性,結(jié)果如表5所示。從以上結(jié)果可以看出,隨著S105級(jí)礦粉摻量的增加,硅灰摻量的降低,混凝土的工作性能變化不是很明顯,且均有良好的工作性能。

3.2 S105級(jí)礦粉的應(yīng)用對(duì)C100混凝土強(qiáng)度的影響

對(duì)超高強(qiáng)混凝土而言,抗壓強(qiáng)度是決定其強(qiáng)度等級(jí)的重要指標(biāo)。S105級(jí)礦粉對(duì)C100混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見表6。從表6可以得出如下結(jié)果。

3.2.1 基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,J1為基準(zhǔn)配合比, C100混凝土的3 d抗壓達(dá)90.1 MPa,7 d抗壓強(qiáng)度超過100 MPa,28 d接近120 MPa,說明該配合比能達(dá)到C100混凝土設(shè)計(jì)要求,各項(xiàng)性能良好。

3.2.2 S105級(jí)礦粉取代S95級(jí)礦粉

與基準(zhǔn)混凝土J1相比較可以看出,S105礦粉取代S95礦粉后,無論3 d、7 d、28 d強(qiáng)度均不同程度的提高,其中28 d強(qiáng)度提高達(dá)5 MPa。這是由于S105礦粉較S95礦粉而言活性更高,在混凝土中的微集料填充效應(yīng)更明顯。這也為S105礦粉取代部分硅灰提供了數(shù)據(jù)支持。

3.2.3 S105級(jí)礦粉取代硅灰

1)采用S105級(jí)礦粉取代硅灰后,C100混凝土3 d強(qiáng)度有所降低。

D2～D5為在D1基礎(chǔ)上,用S105級(jí)礦粉取代部分硅灰。從表中數(shù)據(jù)可以看出:采用S105礦粉取代硅灰后,C100混凝土3 d強(qiáng)度有所降低,這是因?yàn)楣杌冶人囝w粒更小,它在混凝土中主要填充于水泥顆粒之間的空隙,改善了膠結(jié)料的級(jí)配,將原束縛在其中的水分置換出來,產(chǎn)生了填充效應(yīng)與微集料效應(yīng)[7],置換出的水能和水泥中的有效成分繼續(xù)反應(yīng),增加水泥最終強(qiáng)度,同時(shí),添加硅灰后水泥中C-S-H凝膠的CaO/SiO2之比值約從1.7下降到了1.3,CaO/SiO2的比值越低,說明SiO2立體網(wǎng)絡(luò)增密,凝膠有良好的致密性[8],因此膠結(jié)層區(qū)域的密度和強(qiáng)度同時(shí)得到了提高,從而使材料的整體強(qiáng)度得到了提高,使混凝土強(qiáng)度得到了提高。

2)采用S105級(jí)礦粉取代硅灰后,C100混凝的的7 d抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

采用S105礦粉取代部分硅灰后,C100混凝土的3 d強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度(除硅灰摻量為6%,強(qiáng)度89.7 MPa略低于基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度);7 d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到100 MPa,能滿足設(shè)計(jì)要求。這是因?yàn)镾105礦粉也有填充效應(yīng)與微集料效應(yīng),但是由于礦粉的顆粒細(xì)度比硅灰大,置換效應(yīng)沒有硅灰明顯,水泥與集料膠結(jié)層的孔洞無法完全被填滿,所以強(qiáng)度的提高沒有硅灰大。

3)采用S105級(jí)礦粉取代硅灰后,C100混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度均超過設(shè)計(jì)要求。

從28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果來看,即使硅灰摻量從10%降至6%,C100混凝土的強(qiáng)度也超過110 MPa,能滿足應(yīng)用要求。這是因?yàn)榈V粉是具有活性效應(yīng)的摻合料,在混凝土中可與水泥水化后的水化產(chǎn)物產(chǎn)生二次水化,活性SiO2和Al2O3與水泥熟料水化析出的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng),生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,促進(jìn)混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)[9]。

4)在硅灰摻量為7%,硅灰摻量下降到7%時(shí),其強(qiáng)度綜合性能最好。這是因?yàn)閾接肧105級(jí)礦粉的混凝土強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土接近。

3.3 S105礦粉的應(yīng)用對(duì)C100混凝土耐久性的影響

高性能混凝土不僅要求有高強(qiáng)度,還要求具有良好的耐久性。S105礦粉取代部分硅灰對(duì)混凝土耐久性的影響通過測(cè)試混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)來表征,結(jié)果見表7。

混凝土耐久性參照《GB/T 50082—2009普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行,采用NEL氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀,結(jié)果表明適量S105礦粉取代硅灰對(duì)C100混凝土的氯離子滲透系數(shù)無不利的影響,也即對(duì)混凝土的耐久性影響不大。

4 S105礦粉在超高強(qiáng)混凝土中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益分析

以C100為例,使用S105礦粉,硅灰摻量可降至7%,單方可減少硅灰用量20 kg,武漢市場(chǎng)硅灰價(jià)格在1 800元/t,目前可每方節(jié)約硅灰成本20×1.8=36.0元;假設(shè)S105礦粉較S95礦粉售價(jià)增加200元/t(實(shí)際達(dá)不到這么多),根據(jù)該文配比,礦粉成本增加80×0.2=16.0元,差價(jià)為36.0-16.0=20.0元。按照未來混凝土攪拌站超高強(qiáng)混凝土C100年方量為10萬方,則可節(jié)約20.0×10萬=200萬元。從經(jīng)濟(jì)效益角度分析,可產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

a.摻入S105級(jí)礦粉,超高強(qiáng)混凝土的工作性能良好,且穩(wěn)定。

b.用S105級(jí)礦粉取代部分硅灰,超高強(qiáng)混凝土物理性能均能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求,且當(dāng)硅灰摻量降為7%時(shí),其強(qiáng)度及綜合性能最好。

c.摻S105級(jí)礦粉可以使超高強(qiáng)混凝土具有優(yōu)異的耐久性能。

d.硅灰價(jià)格昂貴,采用S105級(jí)礦粉取代部分硅灰,可以降低成本,產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

e.采用S105級(jí)礦粉是利用工業(yè)廢料,保護(hù)環(huán)境,符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

[1] FIP-CEB Working Group,High Strength Conerete,Astate of the Artre Port,1990.

[2] Norwegian Standard NS 3473,Ausgabe Nov.1989.

[3] 焦楚杰,周 云,程從密,等.超高強(qiáng)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009(4):78-82.

[4] 蓋永豐,戴 民,張敬會(huì).礦渣粉在高性能混凝土中的試驗(yàn)研究[J].混凝土,2005(7):67-70.

[5] 蒲心誠(chéng).超高強(qiáng)高性能混凝土[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2004.

[6] 郭永智,李培彥,李秋義.微米級(jí)超細(xì)礦渣粉與硅灰性能對(duì)比研究[J].混凝土,2008(10):67-69.

[7] Pratt C J.Use of Permeable,Reservoir Pavement Constructions for Storm Water Treatment and Storage fo Reuse[J]. Water Science and Technology,1999,39(5):145-151.

[8] 楊玉喜,劉學(xué)擴(kuò).硅灰在混凝土中的作用[J].黑龍江交通科技,2007(6):51-52.

[9] 肖歷文.磨細(xì)礦粉對(duì)高強(qiáng)大體積混凝土性能的影響[J].管理與技術(shù),2006(2):7-11.

Application of S105 GGBS in the Ultra-high Strength Concrete

WEN Bei-bei,GAO Bo
(Wuxin Materials Company Limited,Wuhan 430080,China)

Effects of S105 GGBS on the properties of ultra-high strength concrete,such as physic property,workability and durability were investigated in this paper.The results showed that,S105 GGBS is a high activity admixture.The workability,compressive strength and durability of ultra-high strength concrete could be improved by adding S105 GGBS as mineral admixture.Therefore,S105 GGBS would be a indispensable component of ultra-high strength concrete.

S105 GGBS; ultra-high strength concrete; durability; concrete strength; workability

2014-05-07.

文蓓蓓(1989-),助理工程師.E-mail:jiancaisj@263.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.004