摻合料復配和激發劑改性對水泥基材料性能的影響

曾春明，曾智科，修 楊，章 晨

(1.江西省盛三和防水工程有限公司,南昌 330001；2.萍鄉金宜混凝土有限公司,萍鄉 337000；3.南昌市市政工程管理處,南昌 330001)

1 前言

礦物摻合料作為水泥基材料必不可少的組分之一,已經越來越受到重視,但由于其不可再生性,而優質資源能源消耗與日俱增,不利于混凝土行業的可持續發展。目前解決這一問題的辦法是開發新型礦物摻合料,而不是局限于粉煤灰、礦渣粉等傳統摻合料。盡管粉煤灰和礦粉對提高混凝土的工作性能、力學性能和耐久性能都有利,但粉煤灰和礦粉也是不可再生資源,加上部分地區資源分布極不均勻、原材料短缺嚴重、產品質量參差不齊等問題,不得不使用新型礦物摻合料,如石灰石粉、鋼渣粉和天然火山灰粉等[1]。

將石灰石粉、鋼渣粉和天然火山灰粉等取代一定量的水泥不僅對膠凝材料體系的性質產生影響,還可以改變膠凝材料體系的孔結構及密實度。由于礦物之間的物理性能及化學活性的差異,相應對膠凝材料體系的影響也不同。不同成分、不同含量的礦物摻合料如果以合適的比例復摻時,不僅能發揮各自的優勢,還能夠產生性質上的互補,具有一定程度的超疊加效應,獲得較單摻情況下更好的性能[2-3]。

因此,本文研究石灰石粉、鋼渣粉和天然火山灰粉復摻時的合適比例及性能,改變礦物摻合料在膠凝體系中的比例；通過復摻技術和化學激發改性,對復合膠凝材料體系的工作性能和力學性能等方面的影響進行探討研究,為制備高性能水泥基材料提供理論依據。

2 試驗材料及試驗方法

2.1 試驗原材料

(1)水泥

采用萬年青P·O42.5普通硅酸鹽水泥,主要性能指標見表1。

表1 水泥主要性能指標

(2)化學激發劑

化學激發劑主要礦物相是硫鋁酸鹽,其化學分析見表2。

表2 化學激發劑化學成分

(3)粉煤灰

粉煤灰的化學分析見表3。

表3 粉煤灰的化學成分(wt%)

(4)礦渣粉

礦渣粉的化學分析見表4。

表4 礦渣的化學成分(wt%)

(5)火山灰

火山灰的化學分析見表5。

表5 火山灰粉的化學成分(wt%)

(6)鋼渣粉

鋼渣粉的化學分析見表6。

表6 磨細鋼渣粉的化學成分(wt%)

(7)石灰石粉

石灰石粉的化學分析見表7。

表7 石灰石粉的化學成分(wt%)

(8)其他原材料性能指標：

粗骨料：5～25mm連續級配碎石；河砂：中砂,細度模數2.6,堆積密度1560kg/m3,表觀密度1600kg/m3；外加劑：聚羧酸系緩凝高效減水劑,含固量為6.3%,減水率22%。

2.2 試驗方法

(1)混凝土工作性試驗

按照(GB/T 50080-2016)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》中規定的方法進行。測試新拌混凝土工作性能。

(2)混凝土力學性能試驗

按照(GB/T 50081-2002)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》中規定的方法進行。試驗采用尺寸為150mm×150mm×150mm的試件,測試其28d抗壓強度。

3 試驗結果及分析

3.1 石灰石粉與鋼渣粉復配試驗研究

采用磨細石灰石粉和磨細鋼渣粉進行復配試驗,礦物摻合料總摻量(37%)保持不變,試驗配合比及結果見表8和表9。

表8 雙摻石灰石粉和鋼渣粉試驗配合比

表9 雙摻石灰石粉和鋼渣粉試驗結果

從表9的試驗結果來看,不同品種水泥與石灰石粉、鋼渣粉復合礦物摻合料組成的膠凝材料體系工作性和強度相差不大,砂漿1h擴展度損失在90mm～135mm范圍內,膠砂試件28d抗壓強度在32MPa～37MPa范圍內,但就石灰石粉與鋼渣粉復配比例對強度影響而言,石灰石粉與鋼渣粉以8∶5比例復合時強度較高。但石灰石粉、鋼渣粉復合礦物摻合料對強度的貢獻還達不到粉煤灰、礦粉復合礦物摻合料對強度的貢獻,需要采取一定的技術手段對其進行改性。

3.2 石灰石粉與天然火山灰粉復配試驗研究

采用磨細石灰石粉和磨細天然火山灰粉進行復配試驗,礦物摻合料總摻量(37%)保持不變,試驗配合比及結果見表10和表11。

表10 雙摻石灰石粉和天然火山灰粉試驗配合比

表11 雙摻石灰石粉和天然火山灰粉試驗結果

由表11的試驗結果可以看出,不同品種水泥與石灰石粉、天然火山灰粉復合礦物摻合料組成的膠凝材料體系工作性和強度相差不大,砂漿1h擴展度損失在35mm～70mm范圍內,該復合膠凝材料體系擴展度損失要小于石灰石粉、鋼渣粉復合膠凝材料體系；另外,石灰石粉、天然火山灰粉復合膠凝材料體系28d抗壓強度在30MPa～35MPa范圍內,低于石灰石粉、鋼渣粉復合膠凝材料體系。石灰石粉和天然火山灰粉復配比例為6∶7時,強度相對較高,但也達不到粉煤灰、礦粉復合時對強度的貢獻,需要采取一定的技術手段對其進行改性。

3.3 硫鋁酸鹽激發劑對大摻量礦物摻合料膠凝材料體系的改性激發

研究硫鋁酸鹽激發劑對大摻量礦物摻合料復合膠凝材料體系的激發效果,保持膠凝材料總量不變,提高礦物摻合料摻量(50%以上),相應地降低水泥用量,適當提高激發劑摻量,測試膠砂試件的7d、28d和56d強度,試驗配合比和試驗結果見表12。

表12 激發劑對普通硅酸鹽水泥、礦粉和石灰石粉體系的改性激發

從表12可知,當石灰石粉和礦粉分別等質量替代20%和31%的普通硅酸鹽水泥時,隨著硫鋁酸鹽激發劑摻量的提高,其7d和28d強度均呈現先增大后減小的趨勢,28d的強度增長幅度比7d的大,但56d的強度呈現一直遞增的規律,且隨著硫鋁酸鹽激發劑摻量的提高,不同齡期的膠砂強度均高于基準組。

另外,持續提高礦粉的摻量,當礦粉的摻量達到42%甚至50%時,摻入8%或10%的激發劑,其早期7d強度與基準組相當,但后期28d強度則顯著的高于基準組,這可能是因為,礦粉的活性較大,激發劑對其起到一定的激發效果。

同時,對比配合比4與配合比6,以及配合比5與配合比7,可知,在硫鋁酸鹽激發劑和石灰石粉摻量固定的情況下,用礦粉等質量的替代水泥,提高礦粉的摻量,降低水泥的用量,水泥膠砂強度有一定程度的下降,由此可知,礦粉存在合適的摻量,過多的礦粉會導致水泥膠砂強度的降低。此外,當礦粉摻量為38%時,石灰石粉摻量超過20%,提高到25%甚至30%左右時,摻入10%的硫鋁酸鹽激發劑效果不明顯,水泥膠砂強度低于基準組。

綜上可見,硫鋁酸鹽激發劑對石灰石粉與礦粉復合礦物摻合料存在一定激發的效果,盡管石灰石粉的水化活性較小,當石灰石粉摻量超過20%時,則硫鋁酸鹽激發劑對整個體系的激發效果不好,水泥膠砂強度將低于基準組。但摻適量石灰石粉對提高膠砂試件早期強度較為明顯,而適當提高礦粉摻量則有利于膠砂試件后期強度發展。

4 結論

(1)石灰石粉和天然火山灰粉比表面積對工作性和強度的影響規律有所不同。石灰石粉與攪拌站生產用外加劑適應性良好,提高石灰石粉粉磨太細會增大砂漿1h擴展度損失,但對早期強度有利,這種早強作用隨著石灰石粉比表面積的提高而越來越顯著。而天然火山灰粉粉磨太細,砂漿擴展度下降的趨勢越顯著,但有利于強度增長。

(2)與粉煤灰和礦粉復合礦物摻合料相比,石灰石粉與鋼渣粉按61.5%:38.5%比例復合時,強度與基準組相當；石灰石粉與天然火山灰粉按一定比例復摻等量替代粉煤灰和礦粉時,強度有所下降,需要采取一定的技術手段對其進行改性。

(3)激發劑對石灰石粉與礦粉復配的復合微粉(石灰石粉與礦粉比例為9∶14,即石灰石粉占39%,鋼渣粉占61%)存在一定激發的效果,可大幅降低水泥用量(復合微粉比例達51%),具有一定的早強效果,且不影響后期強度的發展。盡管石灰石粉的水化活性較小,但摻適量石灰石粉對提高膠砂試件早期強度較為明顯,而適當提高礦粉摻量則有利于膠砂試件后期強度發展。

[1]徐輝,李克亮,黃國泓.多種礦物摻合料復合膠凝材料的密實性及性能研究[J].山東建材,2005(3):49-52．

[2]勾成福.水泥-石灰石粉-礦粉復合膠凝體系收縮性能研究[D].中南大學碩士論文,2011．

[3]周永祥,王永海,王思婭,等.石灰石粉的特性及對混凝土性能的影響[J].施工技術,2014(9):23-27．