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        石粉/粉煤灰/水泥漿體體系的相互影響規(guī)律及作用機(jī)理研究

        2022-11-18 11:44:10張廣興
        關(guān)鍵詞:石粉漿體膠凝

        張廣興, 高 江

        (1.中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 300222; 2.中鐵十八局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院,天津 300222)

        粉煤灰能夠顯著改善結(jié)構(gòu)混凝土的綜合性能,而被廣泛應(yīng)用;但隨著建筑業(yè)對(duì)粉煤灰需求量的增加以及粉煤灰品位的下降,嚴(yán)重影響了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)混凝土的施工水平及其長(zhǎng)期安全服役性能;同時(shí)各種石粉尾礦的大量堆積,不僅污染環(huán)境,甚至存在潰壩的危險(xiǎn);因此在混凝土中有效利用石粉等工業(yè)廢棄物,將降低對(duì)粉煤灰的需求,符合綠色可持續(xù)發(fā)展理念。

        針對(duì)石粉的最初研究初衷為節(jié)約水泥、降低成本。1980年代初,研究人員[1]開始了石粉屑對(duì)混凝土綜合性能的影響研究,石粉屑中含有少量近似水泥細(xì)度的粉料,因而改善了混凝土拌合物的粘聚性和泌水性,隨后一種超細(xì)硅石粉[2]加入混凝土中改善了混凝土的抗?jié)B性。 Akira Hatakeyama[3]通過現(xiàn)場(chǎng)泵送試驗(yàn)表明,摻加石粉或粉煤灰可改善劣質(zhì)混凝土的泵送性能。羅偉等[4]通過試驗(yàn)得出結(jié)論,認(rèn)為石粉完全可以替代粉煤灰作為碾壓混凝土的摻合料,配制出C9020P12F200的碾壓混凝土。聶法智[5]通過研究認(rèn)為,石粉在自密實(shí)混凝土中具有優(yōu)異的填充、潤(rùn)滑作用,混凝土拌合料具有優(yōu)良的和易性和泵送性能,降低了混凝土的單位立方米成本,有利于節(jié)約能源、促進(jìn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。張新等[6]的研究表明,石粉和粉煤灰復(fù)摻時(shí),會(huì)產(chǎn)生一定的協(xié)同效應(yīng)。Trilok Gupta等[7]發(fā)現(xiàn)摻入30%的石材處理粉塵可以改善混凝土的力學(xué)性能和耐久性,可降低成本。

        縱觀目前的研究,石粉/粉煤灰/水泥新拌體系的相互作用狀況及機(jī)理尚不夠清楚,本文從水化熱、流動(dòng)性及粘度等方面展開系統(tǒng)研究。

        1 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

        1.1 試驗(yàn)原材料

        試驗(yàn)所用石粉為河南省焦作千業(yè)新材料有限公司生產(chǎn)的石粉,其基本物理性能見表1,采用X射線熒光光譜(XRF)分析其化學(xué)組成(見表2),粒徑分布如圖1所示。

        表1 石粉的物理性能

        水泥膠砂試驗(yàn)及微觀試驗(yàn)選用撫順澳賽爾科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的基準(zhǔn)水泥(P.O 42.5),該水泥經(jīng)檢驗(yàn)符合(GB 8076-2008)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),粒徑分布如圖1所示。

        試驗(yàn)所用粉煤灰為II級(jí),需水比為105%,其化學(xué)組成見表2,粒徑分布如圖1所示。

        圖1 不同原材料粒徑分布

        表2 石粉和粉煤灰的化學(xué)組成 %

        1.2 試驗(yàn)方法

        本研究中,水灰比為0.4,石粉和粉煤灰采用內(nèi)摻方式,即取代水泥。符號(hào)說明:F代表粉煤灰,S代表石粉,F(xiàn)和S后邊的數(shù)字代表?yè)搅浚热鏔10S20即代表粉煤灰和石粉的總摻量為水泥的30%,其中粉煤灰和石粉分別為10%和20%;采用減水劑來調(diào)節(jié)不同工況下流動(dòng)性的差異,取純水泥凈漿在0.4水膠比配比下的流動(dòng)度為基準(zhǔn),擴(kuò)展度為120 mm×120 mm,向其他不同配比的水泥凈漿中摻入外加劑,當(dāng)其達(dá)到相當(dāng)于基準(zhǔn)組的擴(kuò)展度時(shí),記錄相應(yīng)的減水劑的摻加量[8]。

        按照既定配比,將原材料依次加入到凈漿攪拌鍋中,先低速攪拌使其原材料混合均勻,然后逐漸加水。在攪拌過程中,采用手控程序,慢速攪拌120 s,停止15 s,同時(shí)將攪拌鍋壁的膠材用刮刀刮下,再高速轉(zhuǎn)動(dòng)120 s,直至攪拌結(jié)束。將攪拌均勻的凈漿按照規(guī)范,立即進(jìn)行凈漿流動(dòng)性、粘度及凝結(jié)時(shí)間等性能的測(cè)試。將其中一部分凈漿同步澆筑到20 mm×20 mm×20 mm的模具中,在標(biāo)準(zhǔn)條件下(在YH-40B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱,保持溫度20±1 ℃、濕度≥90%中養(yǎng)護(hù)),養(yǎng)護(hù)至指定齡期,進(jìn)行強(qiáng)度及微結(jié)構(gòu)分析[8]。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 水化熱試驗(yàn)

        2.1.1 石粉-水泥膠凝體系

        石粉-水泥膠凝體系3 d的水化放熱速率和累計(jì)放熱量曲線分別如圖2所示。由圖可知,石粉摻量在10%~50%范圍內(nèi),復(fù)合膠凝體系水化放熱峰隨著石粉摻量的增加逐漸降低,水化速率明顯減緩,水化放熱總量逐漸降低。摻量10%石粉與基準(zhǔn)相比,放熱總量顯著下降;石粉摻量50%與10%相比,體系的水化熱下降較多。石粉摻量從0%增加到10%、20%、30%、50%, 3 d放熱量分別降低了11%、15.4%、20.4%、41.6%,究其原因,在于石粉與水泥相比,幾乎不具有水化活性,采用石粉取代水泥,造成高活性水泥比重減少,最終造成水化放熱量減少。

        圖2 石粉-水泥膠凝體系水化特征

        2.1.2 石粉-粉煤灰-水泥膠凝體系水化放熱規(guī)律

        石粉-粉煤灰-水泥三元復(fù)合膠凝體系水化放熱速率和累計(jì)放熱量曲線如圖3所示。隨著石粉摻量的增加,復(fù)合膠凝體系放熱速率有所提升。石粉摻量為15%條件下,復(fù)合膠凝體系3 d放熱量達(dá)到最大值。

        從圖3(a)中可以看出,隨著粉煤灰和石粉比例的變化,其放熱峰出現(xiàn)的位置發(fā)生了變換。其中,隨著石粉比例的增加,粉體的放熱峰開始遷移,通過粉體的XRD分析,可以發(fā)現(xiàn),石粉中含有一定量的氧化鈣,氧化鈣的水化速率要快于水泥,所以隨著石粉比例的增加,而水泥比例不變的工況下,粉體的水化放熱峰會(huì)有一定程度的提高。

        如圖3(b)所示,隨著石粉和粉煤灰摻加比例的變化,其單位放熱總量有所差別。粉煤灰和石粉各占15%時(shí),體系的單位放熱量最大,而S10F20的單位放熱量要小于S15F15。這說明,體系的放熱量,與粉煤灰和石粉的比例有關(guān),粉煤灰的單位放熱量受石粉的影響,而且是促進(jìn)了粉煤灰的放熱量,這說明3 d內(nèi)粉煤灰可能發(fā)生了一定程度的二次水化,產(chǎn)生了一定的熱量,其二次水化熱受水化產(chǎn)物氫氧化鈣含量和粉煤灰含量影響。而S20F10中可能由于粉煤灰比例較小,粉煤灰的二次水化熱相對(duì)較小,導(dǎo)致其整體水化熱量較小。

        2.2 復(fù)合體系物相分析

        石粉-水泥膠凝體系水化產(chǎn)物XRD圖譜如圖4所示。由圖可見,石粉-水泥膠凝體系水化產(chǎn)物以熟料水化生成的氫氧化鈣(CH)為主。隨著石粉摻量的增加,氫氧化鈣特征峰逐漸降低,石粉主要成分碳酸鈣(CC)峰逐漸升高,表明石粉的引入造成水化產(chǎn)物量減少,最終導(dǎo)致膠凝體系強(qiáng)度降低。

        從圖4中可以看出,隨著石粉和粉煤灰比例的變化,其粉體的水化產(chǎn)物的種類和含量發(fā)生了變化。其中石粉含量為零時(shí),其XRD顯示沒有碳酸鈣物相,隨著石粉含量的增加,碳酸鈣含量顯著提高。但氫氧化鈣的含量似乎沒有規(guī)律,其含量與石粉含量及粉煤灰二次水化有關(guān)。水化至7 d時(shí)S20F10試樣中的氫氧化鈣含量相對(duì)較少,是由于單位粉煤灰中氧化鈣的含量大于石粉中氧化鈣的含量所導(dǎo)致。

        注:CH=Ca(OH)2,CC=CaCO3,C2S=2CaO·SiO2

        2.3 漿體的流動(dòng)性能

        從表3中可以看出,隨著石粉含量的增加,達(dá)到相同擴(kuò)展度時(shí),需要的減水劑量逐漸增加。特別是石粉含量在30%以上時(shí),減水劑用量顯著增加,說明石粉含量的增加,增加了體系的稠度,使其不易流動(dòng),降低了體系的流動(dòng)性。從石粉的性質(zhì)來看,石粉的活性較弱,水化率較低,因此,能夠降低體系流動(dòng)性的因素是石粉的細(xì)度及形態(tài)。從石粉及水泥的粒徑分布上來看,較細(xì)石粉的比例要大于水泥,即比表面較大,這就在一定程度上,增加了單位體系的耗水量,相同用水量時(shí),石粉含量越大,體系越稠,流動(dòng)性就越差。

        表3 石粉摻量對(duì)減水劑摻量的影響(F=0)

        從表4來看,其整體單位減水劑用量要小于單摻石粉的試樣。而石粉和粉煤灰整體占比越大,需要的減水劑越多。粉煤灰具有三大效應(yīng),即形態(tài)效應(yīng),本身具有圓球特征,在體系流動(dòng)過程中,具有“滾珠”效應(yīng),可以改善體系的流動(dòng)性。相同含量的粉煤灰/石粉復(fù)合“摻合料”與單獨(dú)石粉相比,體系的流動(dòng)性較好。石粉可以降低水泥體系的流動(dòng)性,適量的粉煤灰,可以改善漿體的整體流動(dòng)性,如15%石粉和15%的粉煤灰復(fù)摻時(shí),其流動(dòng)性要好于單摻30%的石粉。

        表4 石粉摻量對(duì)減水劑摻量的影響

        如表5和表6所示,粉煤灰和石粉及兩者復(fù)摻對(duì)漿體體系的粘度具有不同程度的影響。其中,粉煤灰的加入顯著增加了體系的粘度,而石粉的加入則降低了體系的粘度。而隨著粉煤灰與石粉復(fù)摻量的增加,體系的粘度也逐漸增加。大致上可以看出,粉煤灰含量在30%以上時(shí),體系的粘度顯著增加。由粘度計(jì)的測(cè)量原理可知,其粘度的大小與漿體材料內(nèi)部的內(nèi)摩擦程度有關(guān),而內(nèi)摩擦力的大小取決于作用力與作用面,根據(jù)測(cè)量結(jié)果,其作用面性質(zhì)影響較大。粉煤灰由于可以顯著改善漿體的密實(shí)性,導(dǎo)致其作用面較為“密實(shí)”,導(dǎo)致其摩擦力增加。而石粉表面粗糙,且為不規(guī)則形狀,導(dǎo)致作用面“變差”,粘度變差,這一點(diǎn)和漿體的流動(dòng)性相一致。

        表5 石粉和粉煤灰摻量對(duì)漿體粘度的影響 Pa·s

        表6 粉煤灰/石粉含量不同比例對(duì)體系粘度的影響

        2.4 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響

        表7為各配比的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。從圖中可以看出,無論是單摻石粉還是粉煤灰,還是兩者復(fù)摻,水泥凈漿的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量都有不同程度的增加。

        從表7中看出,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量隨著石粉的摻量增大而增大。從整體上看,當(dāng)摻加量不超過15%時(shí),標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增加的比較平緩;在20%時(shí),有較大幅度的增加。隨著粉煤灰的增加,漿體的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量也在逐漸增加。當(dāng)石粉替代粉煤灰時(shí),體系的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量有不同程度的變化,其中粉煤灰和石粉比例為3∶1時(shí)(F30∶S10),體系的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量最小,說明摻合料用量一定時(shí),適量的改變石粉和粉煤灰的比例,可以優(yōu)化體系的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。

        表7 粉煤灰/石粉復(fù)摻對(duì)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響 g

        分析其原因,粉煤灰可以增加體系的粘度,而漿體的粘度增加,勢(shì)必增加試桿或試錐進(jìn)入漿體的阻力,導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的增加。石粉雖然可以降低體系的粘度,但潤(rùn)滑效果相對(duì)較差,為無規(guī)則多邊形,且比表面積相對(duì)較大,易“耗水”,也會(huì)導(dǎo)致其用水量增加。而石粉和粉煤灰比例適中時(shí),粉煤灰的潤(rùn)滑效果和石粉的降粘作用相協(xié)調(diào),使得體系的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量降低。

        2.5 水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響

        如表8~表10所示為各配比的水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出,無論是單摻石粉還是粉煤灰,還是兩者復(fù)摻,水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間都有不同程度的變化。

        石粉和粉煤灰均為惰性摻合料,其中粉煤灰具有一定的活性,在水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣的激發(fā)下,可以進(jìn)行水化,生成低堿性凝膠,但粉煤灰的水化需要一定的時(shí)間,新拌漿體中,粉煤灰?guī)缀醪话l(fā)生水化,即粉煤灰加入漿體中,其漿體的凝結(jié)過程主要由水泥水化引起,而粉煤灰摻量越多,水泥越少,凝結(jié)越慢,如表8所示。而石粉相對(duì)于粉煤灰來說,其活性更小。但表9顯示,石粉加入后,漿體的初凝和終凝時(shí)間并沒有顯著改變,這一點(diǎn)與石粉的細(xì)度和形狀有關(guān),石粉較細(xì),需水量相對(duì)較大,其形狀多不規(guī)則多邊形,不具潤(rùn)滑作用,導(dǎo)致其凝結(jié)時(shí)間不會(huì)顯著變化。石粉的作用效果同樣可以在表10中發(fā)現(xiàn),石粉的比例越大,粉煤灰的比例越小,漿體的凝結(jié)時(shí)間短。石粉與粉煤灰摻量為1∶1時(shí),即F10∶S10體系的終凝時(shí)間相對(duì)較短。

        表8 粉煤灰對(duì)體系初凝/終凝時(shí)間的影響

        表9 石粉對(duì)體系初凝/終凝時(shí)間的影響

        表10 粉煤灰/石粉復(fù)摻對(duì)體系初凝/終凝時(shí)間的影響

        3 結(jié)論

        (1)通過水化熱研究表明,隨著石粉摻量的增加,體系的放熱速率和總的放熱量隨著降低;其中,摻量10%石粉與基準(zhǔn)相比,放熱總量顯著下降,10%~30%下降速率較為均勻,石粉摻量50%與10%相比,體系的水化熱下降較多。

        (2)石粉的摻入增加了體系的稠度,粉煤灰與石粉的比例優(yōu)化,可以改善體系的流動(dòng)性;石粉具有降低粘度的作用,但粉煤灰的加入?yún)s增加了體系的粘度。

        (3)增加石粉的摻量和降低粉煤灰的摻量可以降低體系的凝結(jié)時(shí)間。

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