多種礦物摻合料復(fù)合在商品混凝土的應(yīng)用研究

李金君

（哈爾濱長(zhǎng)城宏業(yè)建筑材料有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

近些年，隨著商品混凝土的日益發(fā)展，混凝土的施工性能和耐久性能越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注。因而礦物摻合料的應(yīng)用就成為必然之趨，由于受限于礦物摻合料品質(zhì)的優(yōu)劣和本身性能，單一摻加可能無(wú)法滿足混凝土的性能要求，于是就出現(xiàn)了兩種或多種摻合料的復(fù)合使用，復(fù)合摻加在一定條件下不但提高了混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)，還對(duì)工業(yè)廢料的綜合應(yīng)用、節(jié)能減排起到了很好的作用。

本研究通過(guò)不同水泥、多種礦物摻合料的比對(duì)試驗(yàn)，探討多種礦物摻合料復(fù)合所帶來(lái)的效果。試驗(yàn)環(huán)境溫度：20%，相對(duì)濕度：32%。

1 原材料

1.1 水泥

（1）黑龍江冀東水泥有限公司 P·O42.5水泥，比表面積 370m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量 25%，初凝時(shí)間198min，終凝時(shí)間 258min，3d 抗壓強(qiáng)度 25.0MPa，28d抗壓強(qiáng)度 51.2MPa，脫硫石膏摻量 5%，混合材品種有礦渣、石灰石和砂巖。

（2）遼源金剛水泥有限公司 P·O42.5 水泥，比表面積 410m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量 30%，初凝時(shí)間150min，終凝時(shí)間 258min，3d 抗壓強(qiáng)度 26.5MPa，28d抗壓強(qiáng)度 46.1MPa，氟石膏摻量 3.5%，混合材品種有礦粉、石灰石、爐渣和粉煤灰。

1.2 摻合料

（1）粉煤灰，產(chǎn)地浩良河，細(xì)度 18%，需水量比97%，燒失量 2.0%。

（2）礦粉，產(chǎn)地吉林東晟，比表面積 426m2/kg，流動(dòng)度比 113%，28d 活性指數(shù) 97%。

（3）稻殼灰，產(chǎn)地佳木斯，密度 2200kg/m3，28d活性指數(shù) 115%。

（4）沸石粉，產(chǎn)地阿城區(qū)蜚克圖鎮(zhèn)，細(xì)度 6%，需水量比 117%，28d 活性指數(shù) 98%。

1.3 砂

（1）產(chǎn)地浩良河，Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù) 2.8，含泥量 0.8%。

（2）產(chǎn)地阿城區(qū)阿什河，Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.3，含泥量 2.8%。

1.4 碎石

產(chǎn)地國(guó)強(qiáng)采石場(chǎng)，5～31.5mm 連續(xù)粒級(jí)（5～16mm 60%，16～31.5mm 40%），針片狀顆粒含量 8%，壓碎值指標(biāo) 5.7%。

1.5 減水劑

生產(chǎn)廠家哈爾濱中交土木工程材料有限公司，TCJO1 聚羧酸減水劑，減水率 30%。

2 材料之間的相容性

對(duì)于“相容性”，GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中是這樣定義的：即含減水組分的混凝土外加劑與膠凝材料、骨料、其他外加劑相匹配時(shí)，拌合物的流動(dòng)性及其經(jīng)時(shí)變化程度。

這里的相容性，可以從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮：（1）減水劑與水泥的相容性；（2）減水劑與膠凝材料的相容性；（3）減水劑與骨料之間的相容性。

2.1 減水劑與水泥的相容性

作為最主要的膠凝材料，水泥在整個(gè)混凝土體系內(nèi)永遠(yuǎn)承擔(dān)著最主導(dǎo)的作用，無(wú)論是礦物成分還是其物理指標(biāo)。眾所周知，硅酸鹽水泥熟料的四種礦物成分有硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鋁酸三鈣（C3A）、鐵鋁酸四鈣（C4AF），它們對(duì)外加劑吸附性能依次為 C3A＞C4AF＞C3S＞C2S ，可以看出，鋁酸三鈣的水化反應(yīng)速度最快，吸附性也最強(qiáng)，對(duì)于相容性影響最為明顯，因此商品混凝土中應(yīng)盡量選用鋁酸三鈣含量較低的水泥。一般，水泥熟料中鋁酸三鈣的范圍 8% 以內(nèi)。經(jīng)檢測(cè)，金剛水泥鋁酸三鈣含量為 9.69%，冀東水泥為 7.0%。

為了控制鋁酸三鈣的水化和凝結(jié)硬化速度，水泥中必須加入適量石膏，石膏的品種和摻量也是影響水泥與外加劑相容性的重要因素。石膏常分為天然類和工業(yè)類，二水石膏屬于天然類，氟石膏、瑩石膏、脫硫石膏屬于工業(yè)類。試驗(yàn)證明，摻加二水石膏的水泥樣品各項(xiàng)性能均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，效果最好，而工業(yè)石膏與二水石膏相比，對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度都會(huì)有不同程度的影響。而由于資源的過(guò)度開(kāi)采，天然石膏日趨減少，大多數(shù)水泥廠都通過(guò)試驗(yàn)，將天然石膏與工業(yè)石膏按一定比例復(fù)合使用，這樣既保證了水泥的各項(xiàng)性能，還可以改善與外加劑的相容性，不失為一個(gè)好的做法。表 1 是兩種水泥與減水劑相容性試驗(yàn)的比對(duì)試驗(yàn)。

表 1 兩種水泥與減水劑相容性試驗(yàn)的比對(duì)試驗(yàn)

試驗(yàn)中，冀東水泥所加的水量和減水劑量都較金剛水泥要少，但砂漿擴(kuò)展度值確明顯更好，可以看出兩種水泥與外加劑的相容性比對(duì)，冀東水泥更好。

2.2 減水劑與膠凝材料的相容性

混凝土中水泥和活性礦物摻合料總稱為膠凝材料，活性礦物摻合料是以硅、鋁、鈣等一種或多種氧化物為主要成分，能與水泥水化反應(yīng)生成的氫氧化鈣[Ca(OH)2] 進(jìn)行二次水化，生成具有膠凝能力的水化產(chǎn)物，如粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、沸石粉、硅灰、稻殼灰等都屬于活性礦物摻合料。粉煤灰是應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)廢棄物，它不但作為混凝土中的摻合料，還可以作為混合材加入水泥當(dāng)中。其主要成分為 SiO2、Al2O3和Fe2O3，還伴有未燃盡的碳和其他雜質(zhì)，是一種非均質(zhì)性物質(zhì)，如果煤種不好，燃燒不完全，雜質(zhì)含量就會(huì)偏高，不但增加混凝土的單位用水量，還對(duì)減水劑有一定的吸附，從而使其與減水劑之間的相容性變差，影響混凝土的流變性及耐久性能。和粉煤灰相比，礦粉的主要化學(xué)成分為 SiO2、Al2O3和 CaO，具有較高的活性，所以優(yōu)質(zhì)礦粉不僅可以等量取代水泥，而且使混凝土的各項(xiàng)性能獲得顯著改善，如表 2。

表 2 砂漿工作性能

由此可見(jiàn)，粉煤灰的摻入一定程度改善了砂漿的擴(kuò)展度，但隨著礦粉的加入，雙摻之后與外加劑的相容性更好，對(duì)于單獨(dú)使用水泥所帶來(lái)的不利影響已經(jīng)明顯弱化了。通過(guò)圖 1 可以更加直觀的反應(yīng)出來(lái)。

圖 1 雙摻粉煤灰和礦粉后水泥與外加劑的相容性

對(duì)于金剛水泥，單摻粉煤灰，砂漿初始擴(kuò)展度由原來(lái)的 351mm 增加到 355mm，而 1h 后 265mm 增加到308mm；而粉煤灰和礦粉雙摻，砂漿初始擴(kuò)展度達(dá)到368mm，1h 后為 353mm。砂漿的 1h 擴(kuò)展度損失由原來(lái)的 86mm 減小到最終的 15mm，可以看出雙摻粉煤灰和礦粉使得外加劑也發(fā)揮了最大的效果。

諸如沸石粉、稻殼灰，由于本身的化學(xué)成分和具有更大的比表面積，復(fù)合使用可與外加劑更好的融合，所以在混凝土中作用不言而喻。

3 混凝土試驗(yàn)

3.1 膠凝材料抗壓強(qiáng)度

對(duì)于配合比設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)，水膠比決定著混凝土的一系列相關(guān)性能，如膠凝材料總量、拌合物性能、力學(xué)性能以及長(zhǎng)期和耐久性能等。而在確定水膠比之前，膠凝材料的抗壓強(qiáng)度是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。表 3 是摻合料在不同摻量情況下 28d 抗壓強(qiáng)度。

表 3 混凝土抗壓強(qiáng)度

由表 3 可知，加入 20% 的粉煤灰 28d 活性指數(shù)為90%，粉煤灰和礦粉各摻 10% 達(dá)到 103%，可見(jiàn)礦粉更有利于后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)；而當(dāng)粉煤灰 20%、礦粉 10%比例時(shí)，活性指數(shù)也可達(dá)到 90%，對(duì)比粉煤灰 20% 的摻量可以得出，礦粉在一定條件下是可以等量取代水泥的。而隨著稻殼灰和沸石粉的再次摻入，四種礦物摻合料同時(shí)使用，雖然水泥用量再減少，但 28d 的活性指數(shù)反而略有提高，可見(jiàn)，活性礦物摻合料相互之間的匹配性良好，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同作用。

3.2 配合比試驗(yàn)

通過(guò)上述一系列試驗(yàn)，確定了 6 個(gè)配合比，其中C30 為 3 組，C50 為 3 組。在水膠比和減水劑摻量相同的條件下，找出不同品種水泥、不同種類礦物摻合料對(duì)于混凝土的各種性能的影響。表 4 為實(shí)驗(yàn)室配合比。

表 4 混凝土實(shí)驗(yàn)室配合比 k g/m3

配合比中 3 組 C30 水膠比為 0.42，減水劑摻量均為1.5%；3 組 C50 水膠比為 0.32，減水劑摻量均為1.7%，分別按 20L 進(jìn)行試配，測(cè)得混凝土拌合物各項(xiàng)性能詳見(jiàn)表 5。試驗(yàn)室條件：環(huán)境溫度 20%，相對(duì)濕度32%。由表 5 可知，在相同條件下，四種礦物摻合料同時(shí)摻加，混凝土拌合物在坍落度、擴(kuò)展度、粘聚性以及保水性上都有了很好的改觀，含氣量明顯減小，而密實(shí)度也相對(duì)增加，凝結(jié)時(shí)間也無(wú)異常。混凝土的力學(xué)性能和長(zhǎng)期耐久性見(jiàn)表 6。

表 6 混凝土力學(xué)與耐久性能

混凝土拌合物好，密實(shí)度高、體積穩(wěn)定性越好，力學(xué)性能以及長(zhǎng)期和耐久性能就越好，尤其四種礦物摻合料復(fù)合摻加，無(wú)論是抗壓強(qiáng)度，還是抗?jié)B、抗凍和抗氯離子滲透性能都有了很大的提高。

4 結(jié)論

多種礦物摻合料復(fù)合摻加：

（1）改進(jìn)了膠凝材料與外加劑之間的相容性；（2）使混凝土拌合物性能得以改善；

（3）混凝土力學(xué)性、長(zhǎng)期和耐久性能有了明顯的提高。

綜上所述，活性礦物摻合料以其化學(xué)成分、本身的活性及相互之間的互補(bǔ)性，通過(guò)一定的比例加入混凝土中，最大程度的發(fā)揮了彼此的效應(yīng)，不僅提高了混凝土的品質(zhì)，另外對(duì)節(jié)約成本、節(jié)能減排也起到了很大的調(diào)節(jié)作用，未嘗不是一個(gè)好的出路。

表 5 混凝土拌合物性能