張旭飛 何 娟
(1.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院,陜西 西安 710055; 2.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司,云南 昆明 650021)
用于混凝土中的礦粉一般是指?;郀t礦渣粉[1,2]。高爐礦渣是高爐煉鐵時(shí),由鐵礦石中的次要組分、夾雜物與焦炭燃燒后的殘?jiān)?,以及熔煉時(shí)必須加入的石灰石或白云石形成的[2,3]。高爐礦渣的化學(xué)組成隨煉鐵方法和鐵礦石種類的變化而不同,可以用CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元相圖來表示[4]。慢冷礦渣的膠凝性很弱或者沒有膠凝性,采取快速冷卻熔融的礦渣以提高其膠凝性[5]。礦渣是結(jié)晶相和玻璃相(約占90%)的聚合體[4],前者是惰性組分,而后者是活性組分,故玻璃相組分越多,礦渣的活性就越大;而對(duì)于玻璃相而言,玻璃網(wǎng)絡(luò)體的聚合度越小,其水硬活性越高[6-8]。
高品位的?;郀t礦渣粉作為礦物摻合料已經(jīng)廣泛應(yīng)用到混凝土中,應(yīng)用其可以優(yōu)化膠凝材料的顆粒級(jí)配,改善混凝土的界面結(jié)構(gòu),提高混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性。由于高品位礦粉的價(jià)格較高,尋求質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的礦物摻合料在所難免。為降低混凝土的生產(chǎn)成本,提高礦粉的使用效率,本文以低品位礦粉為對(duì)象,研究了其摻量對(duì)混凝土工作性和力學(xué)性能的影響,以期對(duì)礦粉在混凝土中的應(yīng)用提供理論支撐。
水泥為云南國資水泥紅河有限公司開遠(yuǎn)水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5等級(jí),其主要物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。
表1 水泥主要物理力學(xué)性能指標(biāo)
礦粉為玉溪三和新型建材技術(shù)有限公司生產(chǎn),其主要物理力學(xué)性能指標(biāo)見表2。
表2 礦粉主要物理力學(xué)性能指標(biāo)
粉煤灰為云南恒陽實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰,其主要物理力學(xué)性能指標(biāo)見表3。
表3 粉煤灰主要物理力學(xué)性能指標(biāo)
碎石采用5 mm~25 mm連續(xù)級(jí)配,砂采用機(jī)制砂和山砂混合,砂級(jí)配混合調(diào)整后為Ⅱ區(qū)中砂。外加劑使用上海三瑞高分子材料股份有限公司VIVID-500聚羧酸系外加劑,固含量12%,減水率25%。水采用自來水。
試驗(yàn)中選用四組水膠比,分別為0.56,0.49,0.41和0.36,每組水膠比,對(duì)應(yīng)三種礦粉摻量,在膠凝材料總量的16%~30%之間波動(dòng),等量取代水泥。粉煤灰的摻量固定,分別為膠凝材料總量的27%,22%,19%和14%?;炷僚浜媳热绫?所示。每組配合比研究混凝土拌合物的工作性和3 d,7 d,28 d與56 d齡期的抗壓強(qiáng)度。
表4 試驗(yàn)配合比
不同配合比混凝土的工作性如表5所示。
從表5可以看出,不同水膠比混凝土拌合物的工作性能均比較良好。水膠比從0.56變化到0.36時(shí),膠凝材料總量由330 kg增加到490 kg,減水劑由1.6%增加到2.3%,坍落度從190 mm增加到240 mm,擴(kuò)展度從430 mm增加到630 mm。從混凝土配合比可以看出,膠凝總量增加,粉煤灰稍有減少,而礦粉略有增加,所以膠凝總量增加主要來源于水泥用量的增加,可以認(rèn)為坍落度和擴(kuò)展度的增加主要是由于減水劑用量的增加。
同時(shí),從表5還可以看出,同一水膠比,同一膠凝材料與減水劑用量時(shí),礦粉摻量對(duì)混凝土工作性能的影響不是很明顯。例如水膠比為0.41時(shí)的混凝土,礦粉摻量由110 kg變化到70 kg時(shí),坍落度在220 mm~230 mm之間,擴(kuò)展度在560 mm~570 mm之間;而水膠比為0.56時(shí),礦粉摻量由100 kg變化到60 kg時(shí),坍落度在190 mm~200 mm之間,擴(kuò)展度在430 mm~440 mm之間。從表2可以看出礦粉的比表面積雖然大于水泥的比表面積,但不屬于超細(xì)粉的范疇,活性不高,28 d活性指數(shù)小于75%,屬于低品位的礦粉。所以礦粉對(duì)于混凝土早期水化程度的影響較弱,可以增加混凝土拌合物的流動(dòng)性,改善混凝土拌合物的保水性和黏聚性。
表5 混凝土工作性能
混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度如表6所示,抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律如圖1所示,7 d,28 d與56 d抗壓強(qiáng)度相對(duì)于3 d抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)率如圖2所示。
表6 混凝土抗壓強(qiáng)度 MPa
從表6和圖1可以看出,隨水灰比降低,各齡期混凝土強(qiáng)度均有增加,符合常態(tài)。同一水膠比,隨礦粉摻量的降低,各齡期抗壓強(qiáng)度均有增加。而且,水膠比降低引起強(qiáng)度的增加強(qiáng)于礦粉摻量降低引起強(qiáng)度的增加。例如3號(hào)和7號(hào)試樣,水膠比分別為0.56和0.41,礦粉摻量分別為60 kg和110 kg,分別占膠凝摻材料總量的18%與26%,而3 d,7 d,28 d與56 d的抗壓強(qiáng)度分別為11.6 MPa,20.9 MPa,16.5 MPa,30.5 MPa,24.9 MPa,44.5 MPa與34.0 MPa,49.2 MPa。因此,可以認(rèn)為,配合比設(shè)計(jì)合適,低品位礦粉可以用于混凝土中而不影響混凝土的強(qiáng)度發(fā)展,最大摻量應(yīng)該由試驗(yàn)來確定。
同一水膠比,礦粉用量對(duì)混凝土早期強(qiáng)度(3 d)的影響比較顯著,而后期隨著礦粉的二次水化,混凝土強(qiáng)度得以發(fā)展,礦粉用量對(duì)強(qiáng)度的影響降低。如果混凝土按照長(zhǎng)齡期強(qiáng)度評(píng)定驗(yàn)收,能大幅降低水泥用量,節(jié)約能源和成本。
從圖2可以看出,水膠比影響7 d,28 d與56 d相對(duì)于3 d抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)度增長(zhǎng)率。較高水膠比時(shí)(即序號(hào)1~3樣品的水膠比為0.56,4~6樣品的水膠比為0.41),抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率較大,28 d,56 d齡期表現(xiàn)得更顯著,而較低水膠比(即序號(hào)7~9樣品的水膠比為0.41,10~12樣品的水膠比為0.36)的強(qiáng)度增長(zhǎng)率較小一些。水膠比較大時(shí),較多水分促進(jìn)水泥的充分水化,同樣多余水分有助于礦粉的二次水化,從而提高混凝土的后期強(qiáng)度。但是,從表6看出,水膠比大的混凝土早期強(qiáng)度較低,由于較多水分蒸發(fā)留下孔隙,而礦粉二次水化產(chǎn)物還沒來得及填充孔隙,所以早期強(qiáng)度較低,后期發(fā)展較快。所以使用低品位礦粉的混凝土建議采用60 d或更長(zhǎng)齡期的強(qiáng)度作為評(píng)定驗(yàn)收依據(jù)。
結(jié)合混凝土的工作性與力學(xué)性能,認(rèn)為只要配合比設(shè)計(jì)得當(dāng),較高水膠比,較大低品位礦粉用量就可以制備出工作性良好,力學(xué)性能符合要求的混凝土。
1)低品位礦粉對(duì)于混凝土早期水化程度的影響較弱,可以增加混凝土拌合物的流動(dòng)性,改善混凝土拌合物的保水性和黏聚性。
2)較高水膠比時(shí),摻低品位礦粉混凝土的后期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率較大,而較低水膠比時(shí),早期強(qiáng)度高,后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率較小。配合比設(shè)計(jì)得當(dāng),較高水膠比,較大低品位礦粉用量可以制備出工作性良好,力學(xué)性能符合要求的混凝土。
3)摻入低品位礦粉混凝土的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著,采用60 d或更長(zhǎng)齡期的強(qiáng)度作為評(píng)定驗(yàn)收依據(jù),能大幅減少水泥用量,有效降低成本和能源消耗。
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