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        礦物摻合料在水泥及混凝土中的應(yīng)用研究

        2013-07-11 07:06:52李保亮劉志強(qiáng)
        商品混凝土 2013年11期
        關(guān)鍵詞:膠砂礦粉減水劑

        李保亮,劉志強(qiáng)

        (1. 淮安市建筑工程檢測(cè)中心有限公司, 江蘇 淮安 223001;2. 濰坊山水水泥有限公司, 山東 濰坊 261000)

        “十二五”期間,國(guó)家要發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì),走可持續(xù)發(fā)展之路,需要混凝土企業(yè)進(jìn)一步降低高能耗原料——水泥的用量[1],充分利用礦物摻合料的潛在活性,提高混凝土的耐久性。作為礦物摻合料的粉煤灰、礦粉、石粉等工業(yè)副產(chǎn)品在水泥混凝土中的應(yīng)用除了減少能源、資源消耗、降低成本外,還可以減輕粉煤灰、礦渣排放對(duì)環(huán)境帶來(lái)的負(fù)荷[2],然而礦物摻合料的使用在節(jié)能降耗的同時(shí),也給混凝土帶來(lái)了早強(qiáng)低、與外加劑適應(yīng)性不良、碳化嚴(yán)重[3]等一系列問(wèn)題。特別是在預(yù)拌混凝土生產(chǎn)過(guò)程中,為改善混凝土的性能,降低混凝土生產(chǎn)成本,在原本已有各種助劑(助磨劑、早強(qiáng)劑等)的水泥中,又二次摻加一定比例的礦物摻合料,使得使水泥與外加劑的適應(yīng)性變差,混凝土坍落度損失增加,給商品混凝土生產(chǎn)供應(yīng)帶來(lái)困難。本文提供了一種礦物摻合料混凝土的制備方法,即在強(qiáng)度等級(jí)號(hào)(以 C30 為例)混凝土中,利用 P·I52.5 水泥及一部分礦粉、粉煤灰代替 P·O42.5 水泥,研究其對(duì)水泥及混凝土性能的影響、出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法,以期指導(dǎo)生產(chǎn)。

        1 原材料

        (1)水泥:海螺 P·O42.5 水泥及 P·I52.5 水泥,其各項(xiàng)物理性能如表1 所示,其中 P·O42.5 水泥熟料與各混合材比例為熟料∶石膏∶粉煤灰∶礦粉石粉=76∶5∶5∶10∶4,P·I52.5 水泥中熟料與石膏比例為 96∶4。

        表1 水泥物理性能

        (2)細(xì)集料:中砂,細(xì)度模數(shù) 2.6,含泥量 2.0%。

        (3)粗集料:碎石,規(guī)格 5~31.5 mm,含泥量 0.4%。

        (4)水:使用自來(lái)水。

        (5)粉煤灰:使用 Ⅱ 級(jí)灰,45μm 方孔篩篩余量18%,燒失量 5.2%,需水量比 97%,28d 活性指數(shù) 74%。

        (6)礦渣微粉:S95 級(jí),需水量比 98%,28d 活性指數(shù)103%。

        (7)減水劑:緩凝型減水劑減水率 16%。

        (8)激發(fā)劑:復(fù)合激發(fā)劑(Na2SO4、TEA 等成分)。

        (9)砂:ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂。

        2 試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)在保證成本降低的條件下,用 P·I52.5 水泥摻少量礦物摻合料代替 P·O42.5,其水泥、礦粉、粉煤灰具體比例如表2 所示,其中 A1 用 P·O42.5水泥,A2~A9 用 P·I52.5 水泥。試驗(yàn)方法參照 GB/T 1346—2001《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》、GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》、GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》和 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)試驗(yàn)方法》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行,測(cè)試的項(xiàng)目包括水泥凝結(jié)時(shí)間,水泥膠砂流動(dòng)度、抗折、抗壓強(qiáng)度,混凝土的坍落度及1小時(shí)坍落度經(jīng)時(shí)損失和抗壓強(qiáng)度。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        3.1 P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥對(duì)水泥性能的影響

        3.1.1 對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

        按照表2 中的比例將水泥、礦粉、粉煤灰混合均勻,在水灰比為 0.3 的條件下測(cè)試各組凝結(jié)時(shí)間的變化,詳見(jiàn)表3。由表3 可見(jiàn),P·I52.5 水泥混合部分礦粉、粉煤灰后,水泥的初凝時(shí)間及終凝時(shí)間均比 P·O42.5 水泥 (A1) 要長(zhǎng),且水泥越少礦物摻合料越多,水泥凝結(jié)越長(zhǎng),這是膠凝材料中膠凝礦物減少的原因。而當(dāng)水泥量固定,將礦粉含量依次增加、粉煤灰含量依次減少時(shí),A2~A5 組試樣中由于礦粉中鋁酸鹽礦物、硅酸鹽礦物等膠凝材料的作用,水泥凝結(jié)逐漸變短。

        3.1.2 對(duì)水泥膠砂性能的影響

        (1)對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度的影響

        P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度的影響如表3 所示。其中 B1 用 P·O42.5 水泥,B2~B9 用 P·I52.5 水泥。由于 P I52.5 水泥需水量較低,以及礦粉和粉煤灰的逐級(jí)填充、滾珠潤(rùn)滑等作用,P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥后水泥膠砂流動(dòng)度有了明顯的改觀,基準(zhǔn) B1 水泥膠砂流動(dòng)度僅為205mm 而 B2 水泥膠砂流動(dòng)度達(dá)到了 245mm,當(dāng)?shù)V物摻合料摻量繼續(xù)增多時(shí),水泥膠砂流動(dòng)度變化不大,礦粉增多粉煤灰含量減少的 B2~B5 水泥膠砂流動(dòng)度變化較小。

        表2 水泥、礦粉、粉煤灰比例

        (2)對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響

        結(jié)果見(jiàn)表3。其中 C1 用 P·O42.5 水泥,C2~C9 用P·I52.5 水泥。從表3 中可以看出,用 P·I52.5 水泥摻少量礦物摻合料代替 P·O42.5 水泥后,水泥 3d、28d 抗折、抗壓強(qiáng)度均比 P·O42.5 水泥略有提高,滿足 GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》水泥強(qiáng)度要求,且后期 28d 抗折強(qiáng)度富余較多。當(dāng)?shù)V物摻合料較多時(shí),如表3 中 C8、C9 水泥膠砂早期 3d、7d抗壓強(qiáng)度相比基準(zhǔn) C1 有所降低,但是后期 28d 強(qiáng)度仍可滿足要求。

        3.2 P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥對(duì)混凝土性能的影響

        3.2.1 對(duì)混凝土工作性的影響

        C30 混凝土基準(zhǔn)配比如表4 中 C1 所示,P·I52.5 水泥按照表2 摻礦物摻合料比例等量取代 P·O42.5 后,混凝土配合比如表4 所示,其各項(xiàng)物理力學(xué)性能如表5 所示。

        表4 混凝土配合比 kg/m3

        表5 混凝土各項(xiàng)性能

        由表5 可知,當(dāng) P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 后,混凝土坍落度并沒(méi)有像水泥膠砂流動(dòng)度那樣有較大的改善,而是略有降低,而且混凝土 1h 坍落度損失也比較大。究其原因一是混凝土中加入了減水劑,且加入的是普通萘系與脂肪族系減水劑,此類減水劑的作用機(jī)理是減水劑分子定向吸附于水泥顆粒表面,使水泥顆粒表面帶有同一電荷而形成靜電排斥作用,使水泥顆粒相互分散,絮凝結(jié)構(gòu)破壞,釋放出被包裹部分水參與流動(dòng)從而有效地增加混凝土拌合物的流動(dòng)性。P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 后,混凝土礦物摻合料增多,特別是礦渣的使用,使得混凝土普遍缺硫,硫含量較少的混凝土由于對(duì)減水劑強(qiáng)烈的吸附,減水劑有效濃度下降,導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性較小。而混凝土中加入復(fù)合激發(fā)劑之后,混凝土的初始坍落度及坍落度損失均有了很明顯的改善(見(jiàn)表6),這是因?yàn)榛炷林锌扇苄粤蛩猁}含量增加,使混凝土對(duì)減水劑的吸附成準(zhǔn)線性下降,提高了膠凝材料與水泥外加劑的適應(yīng)性[4-5]。另外,由筆者以前的研究可知[6],可溶性硫酸鹽的摻量不宜超過(guò)混凝土中膠凝材料總量的 0.6%。

        3.2.2 對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

        P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 后,當(dāng)?shù)V物摻合料較少時(shí),C1~C7 混凝土后期 28d 強(qiáng)度均比 P·O42.5 基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度C1要高,而早期 3d 強(qiáng)度略有降低。而當(dāng)?shù)V物摻和料摻量較大時(shí),混凝土早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均有所降低,如表5 中 C8、C9,早期和后期強(qiáng)度均降低 3MPa 左右。

        而當(dāng)摻入復(fù)合激發(fā)劑之后混凝土各項(xiàng)性能見(jiàn)表6,其中激發(fā)劑摻入比例 Na2SO4為膠凝材料量的 0.6%、三乙醇胺為膠凝材料量的 0.03%[7],混凝土各齡期強(qiáng)度均比基準(zhǔn)混凝土要高,原因是復(fù)合激發(fā)劑中 Na2SO4對(duì)水泥水化的促進(jìn)作用以及對(duì)礦物摻合料的堿激發(fā)及硫酸鹽激發(fā)作用,混凝土早期 3d、7d 強(qiáng)度均有明顯的提高;復(fù)合激發(fā)劑中 TEA 的絡(luò)合作用,促進(jìn)了鈣礬石在早期大量形成,消耗了 C3A,也就減少了 C3A水化物的數(shù)量,從而大大減弱了 C3A 水化物由非晶型向晶型轉(zhuǎn)化對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生的不利影響(結(jié)晶內(nèi)應(yīng)力);另外,TEA 對(duì)C3S、C2S 的早期水化的抑制作用,使得水化產(chǎn)物在更合理的空間位置生長(zhǎng)、分布,漿體結(jié)構(gòu)更為完善、密實(shí),保證了后期強(qiáng)度而且提高了礦物摻合料在混凝土中的摻量[4]。

        表6 摻復(fù)合激發(fā)劑后混凝土各項(xiàng)性能

        3.2.3 對(duì)混凝土成本的影響

        從表6 中可以看出,用 P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥后,節(jié)約了混凝土的生產(chǎn)成本,未加激發(fā)劑的每方混凝土大約節(jié)省 3.9~11.6 元,加激發(fā)劑后每方混凝土節(jié)省 1.5~8.6元。

        另外,在低強(qiáng)度等級(jí) C30 混凝土中,使用 P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥后,由于摻合料的火山灰反應(yīng)非常緩慢,即使標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至 28d,漿體的水化程度依然很低,此時(shí)漿體中孔隙較大,火山灰反應(yīng)剛剛開(kāi)始進(jìn)行,火山灰反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)孔隙的細(xì)化也剛剛開(kāi)始,成熟度遠(yuǎn)低于純硅酸鹽水泥配制的混凝土,其碳化程度較大,因此大摻量礦物摻合料混凝土的早期濕養(yǎng)護(hù)十分重要。

        4 結(jié)論

        (1)P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥雖然提高了水泥抗折強(qiáng)度及水泥膠砂流動(dòng)度,但是凝結(jié)時(shí)間有所延長(zhǎng)、早期抗壓強(qiáng)度有所降低;

        (2)P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥在低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中應(yīng)用,提高了礦物摻合料在混凝土中的摻量,但早期強(qiáng)度略有降低、混凝土坍落度有所降低、混凝土坍落度損失有所增加;

        (3)加入復(fù)合激發(fā)劑,可以提高大摻量礦物摻合料混凝土早期強(qiáng)度,提高混凝土坍落度,降低坍落度損失;

        (4)P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥在預(yù)拌混凝土中應(yīng)用,可以節(jié)約混凝土成產(chǎn)成本。

        [1]覃維祖.混凝土材料與結(jié)構(gòu)在低碳經(jīng)濟(jì)新形勢(shì)下的發(fā)展方向[J].施工技術(shù), 2010, (3): 6-7.

        [2]鄭克仁.礦物摻合料對(duì)混凝土疲勞性能的影響及機(jī)理[D].東南大學(xué), 2005.

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        [4] 田培,劉加平,王玲,等.混凝土外加劑手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009: 102~116、284-294.

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        [6]李保亮,徐洪偉,鄧明超.Na2SO4對(duì)低硫水泥及其混凝土性能的影響[J].商品混凝土, 2012 (3): 45-47.

        [7]李保亮,徐洪偉,丁百湛,等.硫酸鈉型激發(fā)劑對(duì)混凝土性能影響研究[J].商品混凝土,2012 (10): 28-30.

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