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        不同石粉摻量對水泥基材料性能的影響

        2021-07-29 07:43:10馮玉強(qiáng)
        商品混凝土 2021年7期
        關(guān)鍵詞:膠砂凈漿石粉

        馮玉強(qiáng)

        (重慶建研科之杰新材料有限公司,重慶 璧山 402760)

        0 前言

        天然砂的日益短缺使得機(jī)制砂成為混凝土生產(chǎn)的替代資源。機(jī)制砂由母巖經(jīng)清洗、破碎、篩分等工藝制得,可根據(jù)需要生產(chǎn)不同細(xì)度模數(shù)和石粉含量的成品。機(jī)制砂多棱角、表面粗糙,通過含粉量的調(diào)節(jié)可生產(chǎn)出和易性良好、強(qiáng)度和耐久性滿足工程要求的混凝土[1,2]。作為機(jī)制砂的重要組成部分,適量的石粉可以增加漿體體積,提高混凝土的和易性[3,4],但受供應(yīng)影響,機(jī)制砂品質(zhì)良莠不齊,機(jī)制砂石粉含量普遍較高,且 MB 值波動(dòng)較大,對混凝土生產(chǎn)造成一定波動(dòng)。

        外摻石粉是通過外摻引入,通過粉磨至一定細(xì)度,作為礦物摻合料使用。由于制備過程和用途的不同,外摻石粉與同源石粉(指機(jī)制砂自身所帶石粉)在細(xì)度、MB 值等方面存在差異,因此有必要對外摻與同源石粉進(jìn)行區(qū)分,研究二者在水泥基材料中的應(yīng)用性能,以更好地指導(dǎo)機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用。

        1 原材料及試驗(yàn)方法

        1.1 原材料

        (1)水泥采用 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥;粉煤灰為Ⅱ級灰,需水比為 96%;礦粉為 S95,比表面積為 415m2/kg。水泥的性能指標(biāo)結(jié)果見表 1。

        表1 水泥的主要性能指標(biāo)

        (2)外摻石粉為石灰石經(jīng)水洗、烘干、破碎、粉磨等系列工藝制得,75μm 方孔篩篩余不超過 10%;同源石粉為機(jī)制砂石粉經(jīng)過 75μm 方孔篩,篩余不超過 10%。表 2 為不同石粉主要性能指標(biāo)對比。

        表2 外摻和同源石粉主要性能指標(biāo)對比結(jié)果

        表2 指標(biāo)看,外摻石粉和同源石粉在細(xì)度相近的情況下,有著不同的 MB 值。

        (3)外加劑為聚羧酸外加劑,含固量為 15%,推薦摻量為 1.0%~3.0%。

        1.2 試驗(yàn)方法

        (1)摻加石粉的水泥凈漿流動(dòng)度:取不同石粉摻量的水泥,按照 GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》,取 300g 水泥、87g 水,外加劑摻量為純水泥凈漿初始流動(dòng)度 (240±5)mm 的用量,測試兩種石粉加入后水泥凈漿流動(dòng)度和經(jīng)時(shí)損失。

        (2)水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)參照 GB/T 17671—2019《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》,采用水膠比 0.4,外加劑采用砂漿擴(kuò)展度 (140±5)mm 時(shí)的摻量,覆膜養(yǎng)護(hù) 24h 后拆模,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),測試摻入石粉后的水泥抗折和抗壓強(qiáng)度。

        (3)混凝土坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)按 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行?;炷亮W(xué)性能參照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行成型和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),測試混凝土 7d 和 28d 抗壓強(qiáng)度。

        (4)混凝土碳化試驗(yàn)參照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,測試摻入一種石粉后的混凝土 28d 碳化深度。

        (5)混凝土 SEM 樣品制備:取兩種石粉摻量 10%,按照 C30 配比進(jìn)行拌和成型,拆模后標(biāo)養(yǎng) 28d 后破碎,用無水乙醇進(jìn)行浸泡,終止水化待測。

        2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

        2.1 水泥凈漿流動(dòng)度

        設(shè)定石粉摻量為 0%、10%、20%、30%、40%、50%,測試兩種石粉替代水泥后對凈漿流動(dòng)度的影響,測試結(jié)果見表 3。

        表3 結(jié)果顯示,隨著外摻石粉的加入,水泥凈漿流動(dòng)度先增加后降低,這是因?yàn)檫m量的石粉可以優(yōu)化膠凝材料的顆粒級配,發(fā)揮自身的形體效應(yīng)[5],對水泥漿體的流動(dòng)性有促進(jìn)作用,但隨著石粉量的增多,參與反應(yīng)的水泥量下降,生成的水化產(chǎn)物數(shù)量減少,石粉產(chǎn)生的粘滯阻力增大,水泥凈漿流動(dòng)度下降,到石粉摻量 50% 時(shí),水泥凈漿流動(dòng)度出現(xiàn)較大損失。同時(shí),摻入 20% 以內(nèi)的外摻石粉的水泥凈漿經(jīng)時(shí)損失也小于純水泥組,石粉加入后降低水泥水化熱,延緩了水泥的水化速率,間接使得水泥凈漿經(jīng)時(shí)損失降低。

        表3 不同石粉對水泥凈漿流動(dòng)度的影響 mm

        而同源石粉由于 MB 值高于外摻石粉,盡管與外摻石粉平均粒徑相近,但仍然表現(xiàn)出對水分和外加劑較強(qiáng)的吸附性,在加入同源石粉后水泥凈漿初始流動(dòng)度和經(jīng)時(shí)損失均劣于同比例外摻石粉。

        2.2 膠砂強(qiáng)度

        有研究者發(fā)現(xiàn)石粉可以促進(jìn) Ca(OH)2的溶出,促進(jìn)水泥水化,并伴隨有碳硅酸鈣和碳鋁酸鈣生成[6],從而對水泥強(qiáng)度增長有利,但研究者確定的最佳石粉摻量因各自選材不同而有所差異。對摻入外摻和同源石粉后的水泥膠砂強(qiáng)度進(jìn)行研究,結(jié)果見表 4 和圖 1。

        表4 膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

        圖1 a) 結(jié)果顯示,外摻石粉和同源石粉加入后水泥膠砂 7d 和 28d 抗折強(qiáng)度均低于純水泥,且隨石粉摻量越高,水泥膠砂抗壓強(qiáng)度降低越多。但摻外摻石粉的水泥膠砂抗折強(qiáng)度損失低于同源石粉。

        圖1 外摻石粉和同源石粉對水泥膠砂強(qiáng)度的影響

        圖2 b) 反映出水泥抗壓強(qiáng)度受石粉摻量影響較大,外摻石粉從 0% 至 50%,水泥 7d 和 28d 抗壓強(qiáng)度先增加后降低,在石粉摻量 20% 時(shí)最高,之后摻量增加,水泥強(qiáng)度下降。摻同源石粉的水泥 7d 抗壓強(qiáng)度隨摻量增加而持續(xù)降低,28d 抗壓強(qiáng)度在其摻量 10% 時(shí)最高,之后開始下降。這說明適量的石粉可以發(fā)揮填充效應(yīng),促進(jìn)水泥水化[7],從而使得水泥抗壓強(qiáng)度提高。同源石粉由于 MB 值高于外摻石粉,對水分和外加劑的吸附較強(qiáng)[8],使得硬化后的水泥石內(nèi)部出現(xiàn)較多微裂紋,使得水泥強(qiáng)度下降。

        2.3 混凝土性能

        為研究摻入不同來源石粉對混凝土工作性能、力學(xué)強(qiáng)度以及耐久性的影響,選取 C30 混凝土,固定外加劑和用水量,測試結(jié)果見表 5 和表 6。

        表6 同源石粉對混凝土性能的影響

        表5 結(jié)果顯示,當(dāng)外摻石粉在一定摻量范圍(20% 以內(nèi)),混凝土初始坍落度和擴(kuò)展度提高,且 1h 坍落度和擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失也有所改善,這是因?yàn)橥鈸绞圯^細(xì),在膠凝體系中發(fā)揮了填充效應(yīng),使得漿體泌水通道減少,保水能力增強(qiáng),混凝土相應(yīng)的和易性也得到提高。當(dāng)石粉摻量超過 20%,由于石粉的低活性[8],使得漿體對骨料的粘聚作用下降,內(nèi)部泌水通道增多,混凝土保水性和保坍能力也隨之下降。

        表5 摻入外摻石粉的混凝土性能結(jié)果

        與工作性能相對應(yīng)的,混凝土 7d 強(qiáng)度和 28d 強(qiáng)度隨外摻石粉摻量增加先增加后降低,當(dāng)石粉比例 20% 時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度最高,這是因?yàn)檫m量的外摻石粉能夠提供填充效應(yīng)以及促進(jìn)混凝土早期水化,使得硬化后的混凝土密實(shí)度提高,從而有利于強(qiáng)度增長。過量的石粉會(huì)降低水泥水化產(chǎn)物的生成量,使得混凝土界面過渡區(qū)弱化,漿體膠結(jié)能力下降。

        外摻石粉能夠促進(jìn)氫氧化鈣的溶出及參與水化使得體系堿度下降[9],從而使得混凝土水化產(chǎn)物穩(wěn)定性下降,從而使得外界的 CO2、SO2等酸性氣體更容易侵入,混凝土碳化深度下降。但同時(shí)可以看到,外摻石粉 20% 替代比例內(nèi),混凝土碳化深度下降較少,過量后混凝土碳化深度提高。

        表6 為同源石粉對混凝土性能的影響,同源石粉摻比增加都會(huì)降低混凝土初始工作性能,且混凝土經(jīng)時(shí)損失加大,但適量同源石粉所含的泥粉可以提高混凝土保水性[10],使得混凝土和易性有所改善。同源石粉增加后混凝土強(qiáng)度都有所下降,但摻量在 20% 以內(nèi)時(shí)降低較少,之后由于同源石粉帶來的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化,使得混凝土下降幅度高于同摻量外摻石粉的混凝土。同時(shí)同源石粉含量的增加帶來了混凝土抗碳化性能的下降,且劣于外摻石粉的抗碳化能力。

        3 結(jié)論

        (1)相同摻量的外摻石粉和同源石粉對水泥凈漿流動(dòng)度影響不同,外摻石粉在 20% 摻量以內(nèi)有助于提高凈漿流動(dòng)性,經(jīng)時(shí)損失也較小,但超量后水泥凈漿流動(dòng)度下降,經(jīng)時(shí)損失加大。摻同源石粉的水泥凈漿流動(dòng)度小于同摻量外摻石粉,且隨同源石粉摻量增加,水泥凈漿流動(dòng)度降低,經(jīng)時(shí)損失增大。

        (2)無論是外摻石粉還是同源石粉,摻量增加水泥膠砂抗折強(qiáng)度都出現(xiàn)下降,且同源石粉的負(fù)面影響更大。隨著外摻石粉摻量增加,水泥 7d 和 28d 抗壓強(qiáng)度先增加后降低,在石粉摻量 20% 時(shí)最高,同源石粉對摻量更為敏感,摻量超過 10% 時(shí),水泥抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降。

        (3)一定量的外摻和同源石粉可以提高混凝土的初始工作性能,同時(shí)有助于混凝土保坍性能提升;20% 以內(nèi)的外摻石粉可以提高混凝土抗壓強(qiáng)度,使得減緩混凝土碳化發(fā)展;對于同源石粉,一定摻量范圍內(nèi)石粉的填充作用可以部分抑制強(qiáng)度下降,與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng),但其摻量對混凝土的負(fù)面作用需要更多關(guān)注。

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