倪倩文

(大連大水規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,遼寧 大連 116001)

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)形成的廢渣所帶來(lái)的材料浪費(fèi)、環(huán)境污染等問(wèn)題日趨突出,研究發(fā)現(xiàn)混凝土摻工業(yè)廢渣能夠提高其強(qiáng)度,更好地保護(hù)環(huán)境[1-2]。目前,針對(duì)工業(yè)廢渣國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛研究,如胡延燕等全面探究了混凝土性能受礦粉、粉煤灰和石英粉摻合料的影響,并提出摻10%～30%石英粉具有較好的力學(xué)性能改善效果;何良玉等以鋼渣砂和?；郀t礦渣粉(鋼渣粉)為細(xì)集料及膠凝材料,通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算提出設(shè)計(jì)與制備微膨脹密實(shí)堿激發(fā)鋼管混凝土的方法;鄧侃等認(rèn)為不同齡期的膠砂強(qiáng)度均隨鋼渣摻量的增加而降低;李曉峰等利用測(cè)算模型探究了不同摻合料及其摻量對(duì)碳化深度的影響規(guī)律;田萬(wàn)溪等以鋼渣和礦渣為原材料,通過(guò)正交試驗(yàn)明確了各礦物組成的最優(yōu)配比;王飛虎等通過(guò)試驗(yàn)確定粉煤灰、礦渣粉和鋼渣粉的最佳摻量依次為10%、30%及20%;安邦國(guó)等研究發(fā)現(xiàn)水膠比0.26、骨膠比5.3、鋼渣粗細(xì)集料體積摻量1∶1時(shí)混凝土透水性能最優(yōu),28d抗折、抗壓強(qiáng)度達(dá)到5.0MPa和31.4MPa;康海鑫等在鋼渣混凝土中摻入25%、15%、10%、0%的鋼渣,通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混凝土摻25%鋼渣時(shí)力學(xué)性能最優(yōu)[3-10]。

早齡期是指混凝土自澆筑成型7d內(nèi)的時(shí)段,該時(shí)段混凝土性能變化顯著,隨著齡期的改變?cè)琮g期力學(xué)性能也明顯變化,在一定程度上決定著混凝土的施工和整體質(zhì)量,尤其是早齡期彈性模量及強(qiáng)度與工程施工能否順利進(jìn)行密切相關(guān)[11-12]。因此,本研究選取礦粉、粉煤灰和硅灰摻合料,通過(guò)試驗(yàn)探討不同摻合料對(duì)水工混凝土工作性能以及早期強(qiáng)度的影響,可以為高性能混凝土在水利工程建設(shè)中的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1)水泥:大連小野田P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,表觀密度3.12g/cm3,初、終凝時(shí)間165min和240min,28d強(qiáng)度51.6MPa。礦粉:大連金橋S95級(jí)礦粉,比表面積480m2/kg,密度2.89g/cm3。粉煤灰:鞍山誠(chéng)達(dá)F類Ⅰ級(jí)粉煤灰,需水量94%,含水量0.21%,細(xì)度8.6%,燒失量2.7%。

2)砂:細(xì)度模數(shù)2.7級(jí)配良好的中砂,含水率0.2%,空隙率36.1%,堆積密度1.55g/cm3,表觀密度2.67g/cm3。碎石:粒徑5～20mm級(jí)配良好的石灰?guī)r碎石,表觀密度2.80g/cm3,針片狀含量5.4%。外加劑:科之杰聚羧酸高效減水劑,推薦摻量1.0%～2.5%,減水率31%,拌合水用當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。

1.2 配合比

依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》初步設(shè)計(jì)3種水膠比0.40、0.45、0.50,固定砂率40%,采用硅灰、粉煤灰和礦粉等量替代0%、15%、30%的水泥,通過(guò)控制拌合物坍落度處于合理范圍調(diào)整減水劑用量,試驗(yàn)配合比如表1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的相關(guān)操作流程進(jìn)行原材料混合、攪拌振搗、成型養(yǎng)護(hù)、工作性能和早齡期(7d)抗壓強(qiáng)度測(cè)試,試驗(yàn)配制邊長(zhǎng)100mm立方體試件,每組3個(gè),標(biāo)養(yǎng)環(huán)境溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度95%以上,測(cè)定標(biāo)養(yǎng)7d齡期的抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 新拌混凝土工作性能

單摻0%、15%、30%硅灰、粉煤灰和礦粉混凝土的工作性能,如圖1所示。由于基準(zhǔn)對(duì)照組減水劑用量為1.5%時(shí)出現(xiàn)較為明顯的離析,拌合物坍落度也很大達(dá)到300mm,故無(wú)法與摻硅灰、粉煤灰、礦粉組相比較,從側(cè)面也說(shuō)明摻合料可以在一定程度上降低拌合物流動(dòng)性和坍落度。

(a)不同礦粉摻量

從圖1(a)可以看出,摻30%礦粉組與摻15%礦粉組相比其坍落度有所提高,該變化規(guī)律與摻粉煤灰組保持一致,這是因?yàn)榈V粉的“微珠”效應(yīng)發(fā)揮著一定的潤(rùn)滑作用,有利于改善拌合物流動(dòng)性。另外,混凝土流動(dòng)性和坍落度均隨著水膠比的增加逐漸增大。從圖1(b)可以看出,摻粉煤灰混凝土坍落度隨水膠比的增加逐漸增大,通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中拌合物具有較好的保水性與黏聚性。雖然摻粉煤灰組相較于基準(zhǔn)對(duì)照組的坍落度有所減小,但高摻量>低摻量拌合物坍落度,究其原因是粉煤灰的微集料和填充效應(yīng)也具有一定的潤(rùn)滑效應(yīng)。從圖1(c)可以看出,摻硅灰混凝土坍落度也隨著水膠比的增加逐漸增大,但相較于基準(zhǔn)對(duì)照組其坍落度明顯降低,究其原因是硅灰顆粒的潤(rùn)滑效應(yīng)小于對(duì)水的吸附作用,在兩者的共同作用下使得總坍落度明顯降低。

總體而言,粉煤灰、礦粉和硅灰的摻入會(huì)使得混凝土工作性能出現(xiàn)不同程度的下降,以摻硅灰混凝土降幅最高,其次是摻礦粉組,摻粉煤灰所產(chǎn)生的不利影響較低。試驗(yàn)設(shè)計(jì)水膠比較小,為配制出工作性能良好且相同的拌合物各組摻入的減水劑用量不同,其中減水劑摻量最高的是摻硅灰組達(dá)到2.5%,摻粉煤灰和礦粉組減水劑用量均為1.6%,而基準(zhǔn)對(duì)照組只有0.4%。試驗(yàn)表明,摻粉煤灰、礦粉和硅灰可以明顯改善保水性和黏聚性,隨著水膠比的增大水泥基體的流動(dòng)性逐漸提高[13-14]。

2.2 硬化混凝土早期強(qiáng)度

單摻0%、15%、30%硅灰、粉煤灰和礦粉混凝土的早齡期(7d)抗壓強(qiáng)度,如圖2所示。從圖2(a)可以看出,隨著水膠比的增加不摻礦粉組的7d抗壓強(qiáng)度快速下降,而摻礦粉組的早期強(qiáng)度逐漸增大,這是因?yàn)樗缙诘V粉發(fā)揮著一定的微集料、火山灰和填充效應(yīng),水化產(chǎn)物Ca(OH)2會(huì)與礦粉發(fā)生二次反應(yīng)生成C-S-H凝膠,通過(guò)消耗大量的Ca(OH)2加速水化進(jìn)程,該過(guò)程既有利于增強(qiáng)水泥漿與骨料界面過(guò)渡區(qū)的黏結(jié)力,還可以填充體系內(nèi)部空隙,進(jìn)一步優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu),提高界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度。另外,礦粉參與二次反應(yīng)需要更多的水分,其水化反應(yīng)程度隨內(nèi)部水量的增多而提高,因此增大水膠比會(huì)明顯提高摻礦粉混凝土的早齡期強(qiáng)度,而較低水膠比時(shí)摻礦粉組相較于基準(zhǔn)對(duì)照組的7d抗壓強(qiáng)度偏低。

(a)不同礦粉摻量

從圖2(b)可以看出,摻粉煤灰組與基準(zhǔn)對(duì)照組的早齡期強(qiáng)度變化規(guī)律相似,即7d抗壓強(qiáng)度均隨著水膠比的增加快速下降,水膠比相同時(shí)摻粉煤灰混凝土整體高于基準(zhǔn)對(duì)照組的7d抗壓強(qiáng)度,究其原因是粉煤灰發(fā)揮著一定火山灰效應(yīng),水化產(chǎn)物Ca(OH)2與粉煤灰顆粒反應(yīng)生成的凝膠物質(zhì)可以增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度。然而,該過(guò)程不會(huì)消耗大量水分,故隨著水膠比的增加早齡期抗壓強(qiáng)度逐漸降低,粉煤灰摻量過(guò)高相當(dāng)于水泥用量較低,Ca(OH)2不足反過(guò)來(lái)又會(huì)約束反應(yīng)的進(jìn)行,從而使得摻量較高時(shí)試件的7d強(qiáng)度反而有所降低。

從圖2(c)可以看出,將硅灰摻入混凝土中會(huì)使其早齡期強(qiáng)度明顯下降,降幅達(dá)到50%以上,究其原因是摻入的硅灰大大降低了水化反應(yīng)速率,這使得早期強(qiáng)度急劇降低。另外,摻硅灰混凝土早齡期強(qiáng)度隨水膠比的增加略有上升,這是由于硅灰的摻入使得水化需水量明顯增大,水化反應(yīng)程度隨著水膠比的增大逐漸提高。

3 結(jié) 論

1)摻入礦粉、粉煤灰、硅灰會(huì)在一定程度降低拌合物流動(dòng)度和坍落度,但有利于改善拌合物保水性及黏聚性,這是因?yàn)榈V粉的微集料填充效應(yīng)改善了水泥基體的孔隙結(jié)構(gòu),使其黏聚性及保水性提高。大摻量相較于低摻量時(shí)礦粉和粉煤灰混凝土坍落度有所提高,硅灰能夠大大降低拌合物坍落度,硅灰摻量越高其流動(dòng)性和坍落度越小。

2)較小水膠比情況下,礦粉的摻入使得早期強(qiáng)度有所降低,降幅處于20%～40%之間;水膠比超過(guò)0.45時(shí),礦粉的摻入有利于增強(qiáng)早期強(qiáng)度,增幅處于10%～70%之間,故摻礦粉混凝土的推薦水膠比為0.50。粉煤灰的摻入有利于增強(qiáng)早期強(qiáng)度,但摻量過(guò)高7d抗壓強(qiáng)度有所下降,且隨水膠比的增加摻粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度明顯下降,應(yīng)控制粉煤灰摻量≤30%。硅灰的摻入會(huì)明顯減小早期強(qiáng)度,不同摻量時(shí)降幅達(dá)到30%～50%。因此,為提高水工混凝土早期強(qiáng)度應(yīng)適當(dāng)增大水膠比或采取摻入適量早強(qiáng)劑等措施。