張懷偉
(中鐵六局集團(tuán)交通工程分公司,北京 100036)
近年來(lái),隨著國(guó)家環(huán)保政策愈發(fā)嚴(yán)格,各地火力發(fā)電廠多進(jìn)行升級(jí)改造,粉煤灰產(chǎn)量急劇降低;鋼鐵企業(yè)在降低產(chǎn)能,用鋼鐵礦渣生產(chǎn)的礦渣粉產(chǎn)量也急劇下降。在高鐵工程快速發(fā)展背景下,混凝土用礦物摻和料需求量不降反升,供需矛盾越來(lái)越大,急需尋找新的混凝土礦物摻和料替代產(chǎn)品。
作為資源非常豐富、容易獲取且質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的磨細(xì)石灰石粉的新型礦物摻和料可應(yīng)用于混凝土,用于替代部分粉煤灰和礦粉,從而達(dá)到節(jié)約能源、減少環(huán)境污染的作用。但磨細(xì)石灰石粉的摻量一直困擾著混凝土界的工程技術(shù)人員,因此,研究和探討石灰石粉在混凝土中的應(yīng)用有非常重要的意義。
1)水泥 P.O42.5,立窯、低C3A含量、燒失量小、低堿水泥,水泥物理性能如表1所示。
表1 水泥的物理及化學(xué)性能指標(biāo)
2)磨細(xì)石灰石粉 其化學(xué)成分和物理性能如表2所示。
表2 磨細(xì)石灰石粉物理及化學(xué)性能指標(biāo)
3)骨料 選用級(jí)配合理、吸水率低、粒形良好、質(zhì)地均勻堅(jiān)硬、線膨脹系數(shù)小的潔凈碎石,無(wú)堿骨料反應(yīng),深成火成巖。5~25mm連續(xù)級(jí)配的粗骨料,密度為2.75g/cm3,粒徑5~10∶10~25=4∶6;細(xì)骨料選用級(jí)配合理、質(zhì)地均勻堅(jiān)固、吸水率低、孔隙率小的潔凈天然中粗河砂,無(wú)堿骨料反應(yīng),密度為2.69g/cm3,細(xì)度模數(shù)為2.9、級(jí)配Ⅱ區(qū)的河砂。
4)減水劑 采用聚羧酸系高性能減水劑,配合比設(shè)計(jì)前,通過(guò)GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》中“水泥砂漿減水率”試驗(yàn)、JC/T 1083—2008《水泥與減水劑相容性試驗(yàn)方法》中的“凈漿流動(dòng)度法”或GB 50119—2003《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》“附錄A混凝土外加劑對(duì)水泥的適應(yīng)性檢測(cè)方法”試驗(yàn),先由廠商技術(shù)人員配合進(jìn)行減水劑與膠材、細(xì)骨料相容性試驗(yàn),以確保減水劑與其他材料的相容性能。
從磨細(xì)石灰石粉細(xì)度22%看,通過(guò)球磨磨細(xì)的石灰石粉顆粒大小與II級(jí)粉煤灰細(xì)度相當(dāng),其顆粒形態(tài)與天然石子相同,都是致密結(jié)構(gòu),不會(huì)吸附多余的水,反而有一定的物理減水作用,能一定程度提高混凝土流動(dòng)性能。這與傳統(tǒng)觀念認(rèn)為混凝土中摻加石粉會(huì)增加用水量、會(huì)吸附外加劑的觀點(diǎn)不一致,這在流動(dòng)度比103%得到驗(yàn)證。意大利的CZERNIN W認(rèn)為:100g粗石灰石粉和20g水混合時(shí),不產(chǎn)生強(qiáng)度;將石灰石粉磨細(xì)至與水泥細(xì)度相同時(shí),同樣配合比的試樣表現(xiàn)出某些強(qiáng)度;將石灰石粉磨細(xì)至比表面積為2 000cm3/g時(shí),擠壓成型的圓柱體能承受100N以上的荷載。從不同齡期的活性指數(shù)看,磨細(xì)石灰石粉隨著齡期的增加,其活性指數(shù)呈緩慢增長(zhǎng)的規(guī)律。因此,不能簡(jiǎn)單地將其當(dāng)作純粹的“惰性”細(xì)摻料。它在混凝土中的作用不但是粉細(xì)狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生“微粉效應(yīng)”,還可作為活性摻和料,提高混凝土一定的后期強(qiáng)度。
固定膠凝材料用量為395kg/m3,固定拌合用水量為155kg/m3,磨細(xì)石灰石粉替代水泥,高性能聚羧酸減水劑摻量1.0%,混凝土配合比如表3所示。
表3 混凝土配合比設(shè)計(jì)
1)為盡量減少原材料不均勻引起的誤差,按3m3混凝土量準(zhǔn)備各種原材料的數(shù)量。
2)為盡量減少操作時(shí)溫度不均引起的誤差,混凝土成型室溫控制在(20±5)℃。
3)各組分原材料的投料順序和攪拌程序 投入砂、水泥和石灰石粉后混合干拌30s,加約80%的水和減水劑(水和減水劑先混合),攪拌90s,加入碎石、剩余的水和減水劑后再攪拌90s。
4)測(cè)試混凝土出機(jī)性能、1h坍落度損失、1h含氣量損失,基本滿足要求后,立即成型試件,包括抗壓強(qiáng)度、電通量。每個(gè)齡期試件各成型2組后在混凝土養(yǎng)護(hù)室?guī)pB(yǎng)護(hù)24h,拆模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù),溫度(20±2)℃,濕度95%RH以上。
5)按照不同摻量,依據(jù)TB 10413—2018《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》制作成型膠材耐蝕系數(shù)試件,養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。
6)混凝土試件抗壓強(qiáng)度、電通量、抗?jié)B測(cè)試分別按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行。
不同石灰石粉摻量對(duì)新拌混凝土工作性能的影響如表4和圖1,2所示。
表4 不同石灰石粉摻量對(duì)混凝土工作性能的影響
圖1 不同石灰石粉摻量對(duì)混凝土出機(jī)工作性能的影響
由試驗(yàn)結(jié)果可看出,隨石灰石粉摻量的增加,在控制坍落度基本符合的條件下,出機(jī)性能逐漸增大,至摻量為20%時(shí),擴(kuò)展度基本無(wú)增長(zhǎng);隨石灰石粉摻量的增加,15%摻量的混凝土60min工作性能達(dá)到峰值,隨后呈下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)榛炷林惺沂鄣拿軐?shí)填充作用,當(dāng)石灰石粉顆粒填充于水泥粒子之間的空隙時(shí),置換出填充水,使粒子間的間隔水層加厚,同時(shí),石灰石粉珠形顆粒的“滾珠效應(yīng)”也可改善混凝土的流動(dòng)性,在摻量達(dá)到一定值時(shí),這種效應(yīng)逐漸降低。
圖2 不同石灰石粉摻量對(duì)混凝土60min工作性能的影響
不同石灰石粉摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如表5所示。
表5 不同石灰石粉摻量對(duì)不同齡期混凝土強(qiáng)度影響的變化規(guī)律
結(jié)果表明,不同齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增加而增加,同一齡期強(qiáng)度在10%摻量時(shí)到達(dá)峰值,且隨后均呈不同程度下降,28d強(qiáng)度降幅較大,56d和90d的降幅較小。摻量較小時(shí),有利于提高早期強(qiáng)度,它能與水泥中的C3A反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣(C3A-CaCO3-H2O)。
混凝土抗硫酸鹽化學(xué)侵蝕性能主要用膠材耐蝕系數(shù)表示,要求不得小于0.8。不同石灰石粉摻量對(duì)膠材耐蝕系數(shù)的影響如表6所示。
試驗(yàn)表明,同一摻量的膠材耐蝕系數(shù)隨齡期的增長(zhǎng)而提高;同一齡期的膠材耐蝕系數(shù)隨摻量的增加而提高,至15%時(shí)達(dá)到峰值,隨后膠材耐蝕系數(shù)隨摻量的增加呈下降趨勢(shì)。
表6 不同摻量石灰石粉對(duì)膠材耐蝕系數(shù)影響的變化規(guī)律
混凝土密實(shí)性能主要用混凝土電通量表示,不同石灰石粉摻量對(duì)不同齡期混凝土電通量的影響如表7所示。
表7 不同石灰石粉摻量對(duì)混凝土電通量影響的變化規(guī)律
結(jié)果表明,同一齡期的混凝土電通量隨石灰石粉摻量的增加而降低,180d齡期的電通量最?。徊煌g期的混凝土電通量隨石灰石粉摻量的增加而降低,15%摻量時(shí)有明顯轉(zhuǎn)折,15%~25%摻量的電通量變化趨于平緩;說(shuō)明隨著摻量的增加,其填充效應(yīng)和微活性效應(yīng)逐漸降低。
混凝土抗?jié)B性能主要用抗?jié)B等級(jí)表示,要求不得小于P12,為便于統(tǒng)計(jì)分析,用最大水壓力值表示。不同摻量石灰石粉混凝土承受的最大水壓力如表8所示。
試驗(yàn)表明,同一摻量混凝土承受的最大水壓力隨齡期增長(zhǎng)而提高;同一齡期混凝土承受的最大水壓力隨摻量的提高而增長(zhǎng),至15%時(shí)達(dá)到峰值,隨后混凝土承受的最大水壓力隨摻量提高呈下降趨勢(shì);摻量至20%時(shí),隨著齡期增長(zhǎng)至56d時(shí),混凝土承受的最大水壓力已不再提高;摻量至25%時(shí),混凝土承受的最大水壓力已下降至最低。
1)混凝土出機(jī)工作性能隨摻量的增加而提高,60min工作性能在15%摻量時(shí)達(dá)到峰值,隨后呈下降趨勢(shì)。
表8 不同石灰石粉摻量對(duì)混凝土承受最大水壓力影響變化規(guī)律
2)不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加而增加,同一齡期強(qiáng)度在10%摻量時(shí)達(dá)到峰值,且隨后均呈不同程度下降,28d強(qiáng)度降幅較大,56d和90d的降幅較小。說(shuō)明其摻量過(guò)大,其填充效應(yīng)愈發(fā)下降,且不利于強(qiáng)度增長(zhǎng)。
3)不同齡期的膠材耐蝕系數(shù)隨著摻量的增加而增加,5%摻量的增幅較小,5%~25%摻量的增幅較大;同一齡期強(qiáng)度在15%摻量時(shí)達(dá)到峰值,且隨后均呈不同程度的下降,28d的降幅較大。說(shuō)明摻量過(guò)大,其微活性效應(yīng)對(duì)抵抗硫酸鹽侵蝕的作用反而受到約束。
4)同一齡期混凝土電通量隨石灰石粉摻量的增加而降低,不同齡期的混凝土電通量隨石灰石粉摻量的增加而降低,15%摻量時(shí)有明顯轉(zhuǎn)折,說(shuō)明隨著摻量的增加,其填充效應(yīng)和微活性效應(yīng)逐漸降低。
5)同一摻量混凝土承受的最大水壓力隨齡期的增長(zhǎng)而提高;同一齡期混凝土承受的最大水壓力隨摻量的提高而增長(zhǎng),至15%時(shí)達(dá)到峰值,隨后隨摻量提高呈下降趨勢(shì);摻量至20%時(shí),隨著齡期增長(zhǎng)至56d時(shí),混凝土承受的最大水壓力已不再提高;摻量至25%時(shí),混凝土承受的最大水壓力降至最低。
6)磨細(xì)石灰石粉是低活性的細(xì)摻料,主要作用是在粉細(xì)狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生“微粉效應(yīng)”,用于改善混凝土的工作性和降低溫升,可有效提高強(qiáng)度、抗?jié)B性和抗硫酸鹽化學(xué)侵蝕性,并有長(zhǎng)期作用效果。
7)可有效降低工程成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。因水泥價(jià)格遠(yuǎn)高于石灰石粉,可合理替代部分水泥。
綜上所述,磨細(xì)石灰石粉的最佳摻量是15%,出機(jī)工作性能和60min工作性能均較好,強(qiáng)度、抗?jié)B性能和抗硫酸鹽化學(xué)侵蝕性能有顯著改善,均表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)性能。