蘇維維,赫海平,劉林朋,劉文生,任龍芳,夏京亮

(1.平?jīng)鍪行率兰o(jì)建材有限責(zé)任公司,平?jīng)?744024;2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司,北京 100013)

混凝土作為使用量最大的土木工程材料,隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展,用量逐漸增加?；炷劣玫V物摻合料如粉煤灰、礦渣粉等供不應(yīng)求,儲(chǔ)量和質(zhì)量已難以滿足當(dāng)前工程量需求,許多地區(qū)面臨優(yōu)質(zhì)礦物摻和料短缺的境況。近年來,國內(nèi)外眾多學(xué)者[1-3]開展了利用地域性原材料開發(fā)優(yōu)質(zhì)礦物摻合料的研究,將天然巖石粉作為摻合料替代水泥或部分傳統(tǒng)礦物摻合料,配制出了性能優(yōu)良的混凝土。

研究發(fā)現(xiàn)[4,5],石灰石粉用于混凝土中可以改善混凝土體系的微細(xì)顆粒體系級(jí)配組成,減少新拌混凝土的泌水和離析,改善和易性;而且石灰石粉需水量小,合理摻用可有效降低混凝土用水量。一般來說,水泥和礦物摻合料僅有一部分參與水化反應(yīng)形成水化產(chǎn)物,其余實(shí)際上只起到填料作用。若顆粒粒度分布不合理,其填充效率低下,所形成的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙率較大,則會(huì)降低混凝土強(qiáng)度和耐久性。若利用石灰石粉取代這部分只發(fā)揮填料的膠凝材料,且發(fā)揮更加有效的填充作用,則可以配制出性價(jià)比高的高性能混凝土。

雖然相關(guān)研究證明石灰石粉用于混凝土中可以發(fā)揮一定的微集料效應(yīng)、微晶核效應(yīng)和活性效應(yīng),但地域性不同,石灰石粉的性能差異較大,對(duì)混凝土性能的影響不同。目前關(guān)于石灰石粉的研究大多集中在石灰石粉不同摻量和細(xì)度等對(duì)于混凝土性能影響[6,7],石灰石粉本身對(duì)于外加劑吸附性能方面的研究成果還較少。經(jīng)調(diào)研,甘肅平?jīng)龅貐^(qū)石灰石儲(chǔ)量豐富,機(jī)制砂生產(chǎn)廠家較多,石灰石機(jī)制砂已逐漸替代河砂用于混凝土制備,但石灰石機(jī)制砂生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生大量的石灰石粉副產(chǎn)品。這些得不到有效利用,多被廢棄填埋或堆積,不僅會(huì)造成資源浪費(fèi),而且容易污染環(huán)境。為更好的消納機(jī)制砂生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的石灰石粉副產(chǎn)物、提升混凝土工程質(zhì)量,論文結(jié)合平?jīng)龅貐^(qū)的石灰石粉特性,重點(diǎn)研究了石灰石粉對(duì)外加劑吸附性能的影響,進(jìn)而更好地確定在使用石灰石粉作為礦物摻合料時(shí)外加劑的選擇和用量,對(duì)建設(shè)工程中同時(shí)摻加石灰石粉和減水劑的情況提供參考,以期推動(dòng)機(jī)制砂石灰石粉在平?jīng)龅貐^(qū)的應(yīng)用。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1)石灰石粉:主要采用平?jīng)龅貐^(qū)生產(chǎn)的石灰石粉,主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 石灰石粉性能指標(biāo)

2)外加劑:市售聚羧酸減水劑、萘系減水劑和脂肪族減水劑。

3)水泥:PO42.5水泥,比表面積310 m2/kg,初凝時(shí)間110 min,終凝時(shí)間198 min,3 d抗壓強(qiáng)度20.5 MPa、28 d抗壓強(qiáng)度49.0 MPa。

4)其他試驗(yàn)材料:試驗(yàn)用水采用自來水、制作膠砂采用標(biāo)準(zhǔn)砂。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分別采用石灰石粉以10%～40%比例取代水泥,在低水膠比、摻聚羧酸減水劑的情況下制備膠砂,研究石灰石粉摻量對(duì)膠砂流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)配合比如表2所示。

表2 石灰石粉吸附試驗(yàn)配合比

選取3種具有代表性的減水劑(聚羧酸減水劑、萘系減水劑和脂肪族減水劑),調(diào)節(jié)減水劑用量,使膠砂流動(dòng)度比在(220±10)mm,研究石灰石粉對(duì)不同減水劑的吸附性能。試驗(yàn)配合比如表3所示。

表3 石灰石粉對(duì)不同減水劑吸附性能試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

石灰石粉的細(xì)度、活性指數(shù)、流動(dòng)度比、含水量及MB值均參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30190—2013《石灰石粉混凝土》的方法進(jìn)行測(cè)量;比表面積參照 GB/T 8074—2008《水泥比表面積測(cè)定方法 勃氏法》進(jìn)行測(cè)定。

試驗(yàn)分為兩部分進(jìn)行,首先研究不同石灰石粉摻量對(duì)聚羧酸減水劑的吸附性能;其次是研究石灰石粉對(duì)不同減水劑的吸附效果,主要分析不同石灰石粉摻量下,膠砂達(dá)到相同的流動(dòng)度所需的不同減水劑的用量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同石灰石粉摻量對(duì)聚羧酸減水劑吸附性能影響

2.1.1 對(duì)膠砂工作性能的影響

不同摻量石灰石粉在低水膠比(0.38)高聚羧酸減水劑摻量(1.6%)情況下的流動(dòng)度比如圖1所示。從圖1中可以看出,摻加石灰石粉會(huì)導(dǎo)致膠砂流動(dòng)度下降,并且下降程度隨著摻量增加而增大。流動(dòng)度與石灰石粉摻量之間的關(guān)系如圖2所示。

從圖2中可以看到,石灰石粉摻量和流動(dòng)度基本呈線性關(guān)系,隨著石灰石粉摻量增加,膠砂流動(dòng)度下降,石灰石粉摻量與水泥砂漿流動(dòng)度之間的線性關(guān)系可以表示為

D=-0.568c+182.625

R2=0.956 5

0≤c≤40

式中,D為水泥砂漿流動(dòng)度;c為石灰石粉摻量;R2為線性相關(guān)系數(shù)。

在不摻加減水劑的條件下,摻加30%石灰石粉的水泥膠砂流動(dòng)度比為103%,說明石灰石粉具有一定的減水作用。但是加入減水劑后測(cè)量得到的石灰石粉流動(dòng)度降低,這是因?yàn)闇p水劑要發(fā)揮作用,首先需要吸附在水泥表面,而水泥顆粒和減水劑之間存在吸附競爭關(guān)系,減水劑吸附在石灰石粉表面導(dǎo)致能夠發(fā)揮減水效果的有效減水劑含量減少,降低了減水劑的減水作用。

2.1.2 對(duì)膠砂活性指數(shù)的影響

聚羧酸減水劑對(duì)石灰石粉膠砂活性指數(shù)的影響如圖3所示。從圖3中可以看出,隨著石灰石粉的摻量增加,膠砂7 d、28 d的活性指數(shù)均有所下降。當(dāng)石灰石粉摻量30%時(shí),膠砂7 d活性指數(shù)為68%,28 d活性指數(shù)為74%。隨著石灰石粉摻量增加,膠砂7 d、28 d活性指數(shù)逐漸低于60%。當(dāng)石灰石粉摻量35%時(shí),膠砂7 d活性指數(shù)為59%;當(dāng)石灰石粉摻量為40%時(shí),膠砂7 d活性指數(shù)為56%,28 d活性指數(shù)為58%。因此,摻加聚羧酸減水劑情況下,石灰石粉摻量不宜高于30%。

石灰石粉加入后膠砂強(qiáng)度下降主要原因是其取代了一部分原材料中的水泥,而石灰石粉在膠凝材料中水化活性很弱,很多研究中主要作為惰性材料考慮,導(dǎo)致最終的水化產(chǎn)物減少,強(qiáng)度下降明顯。

2.1.3 對(duì)膠砂凝結(jié)時(shí)間的影響

不同石灰石粉摻量的膠砂的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間如圖4所示。從圖4中可以看到,在膠凝材料中摻加石灰石粉會(huì)導(dǎo)致膠砂的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均縮短,并且隨著摻量的增大,凝結(jié)時(shí)間也不斷縮短。但是初凝時(shí)間的縮短程度相較于終凝時(shí)間的縮短程度更大。

這種凝結(jié)時(shí)間的縮短主要是因?yàn)槭沂墼谀z凝材料中具有稀釋作用與成核作用。稀釋作用使得在石灰石粉加入后,水泥顆粒之間的距離增大,與水的接觸相對(duì)增大,這加快了水泥的水化速度,進(jìn)而縮短膠砂的凝結(jié)時(shí)間。成核效應(yīng)使得摻加的石灰石粉在水泥水化過程中提供了成核位點(diǎn),幫助C-S-H凝膠從亞穩(wěn)態(tài)凝結(jié),凝結(jié)后的固相凝膠繼續(xù)吸附在顆粒表面,加速了水泥的水化。但是這種稀釋效應(yīng)和成核效應(yīng)在水化前期較為明顯,對(duì)水化后期的影響不大。

2.2 石灰石粉對(duì)不同減水劑的吸附性能影響

不同摻量石灰石粉在低水膠比下制備的膠砂達(dá)到相同流動(dòng)度所需要的減水劑摻量如圖5所示。從圖5中可以看出,隨石灰石粉摻量的增加,3種減水劑用量都有所增加,說明石灰石粉對(duì)減水劑有一定吸附性。通常,達(dá)到相同的流動(dòng)度摻加的減水劑越多,石灰石粉對(duì)減水劑的吸附性能越強(qiáng),當(dāng)石灰石粉摻量為10%時(shí),膠砂流動(dòng)度達(dá)到200 mm所需的減水劑用量萘系減水劑是聚羧酸減水劑的150%,脂肪族減水劑是聚羧酸減水劑的162%;當(dāng)石灰石粉摻量為20%時(shí),膠砂流動(dòng)度達(dá)到200 mm所需的減水劑用量萘系減水劑是聚羧酸減水劑的150%,脂肪族減水劑是聚羧酸減水劑的150%;當(dāng)石灰石粉摻量為30%時(shí),膠砂流動(dòng)度達(dá)到200 mm所需的減水劑用量萘系減水劑是聚羧酸減水劑的175%,脂肪族減水劑是聚羧酸減水劑的192%?？梢?聚羧酸減水劑與石灰石粉的相容性要優(yōu)于萘系減水劑和脂肪族減水劑。且隨著石灰石粉摻量的增加,影響越顯著。通常石灰石粉對(duì)減水劑的吸附為單分子吸附,和減水劑的化學(xué)組成相關(guān),吸附作用強(qiáng)于水泥對(duì)減水劑的吸附。3種減水劑的化學(xué)成分不同,吸附作用力也不同。

不同減水劑對(duì)30%摻量石灰石粉的膠砂的活性指數(shù)影響如圖6所示。從圖6中可以看出,3種減水劑對(duì)石灰石粉膠砂的強(qiáng)度影響規(guī)律一致,隨著齡期的延長,膠砂的活性指數(shù)增加,且3種減水劑制備的膠砂的7 d和28 d活性指數(shù)均高于60%。聚羧酸減水劑對(duì)膠砂活性指數(shù)的影響小于萘系減水劑小于脂肪族減水劑,因此,在摻加減水劑的情況下,優(yōu)選考慮使用聚羧酸減水劑。

3 結(jié) 論

a.在低水膠比且摻加聚羧酸減水劑時(shí),膠砂的流動(dòng)度隨著石灰石粉摻量的增加而降低,二者呈負(fù)線性相關(guān)。石灰石粉與水泥之間對(duì)減水劑存在吸附競爭關(guān)系,導(dǎo)致吸附在水泥表面的發(fā)揮作用的有效減水劑含量降低。

b.在摻加聚羧酸減水劑時(shí),石灰石粉的加入會(huì)降低膠砂的活性指數(shù),導(dǎo)致凝結(jié)時(shí)間縮短,主要考慮石灰石粉的稀釋效應(yīng)與成核效應(yīng)。石灰石粉摻量不宜高于30%。

c.石灰石粉對(duì)不同減水劑的吸附性不同,聚羧酸減水劑與石灰石粉的相容性要優(yōu)于萘系減水劑和脂肪族減水劑。在摻加減水劑的情況下,優(yōu)選考慮使用聚羧酸減水劑。