礦物摻和料對水泥物理化學性能的影響研究

趙 忠

（山西省公路局 陽泉分局舊關隧道管理站，山西 陽泉 045000）

0 引言

混凝土是使用最廣泛的建筑材料，全球年產量超過200億t，是建筑環境中不可替代的材料。然而，混凝土的制備需要消耗大量的能源和自然資源，如何更經濟地應用這些材料，并盡量節省資源，適應當前低碳環境的要求顯得尤為重要[1]。其中礦物摻合料通常用于混凝土中，作為水泥中一部分熟料的替代品或作為混凝土中一部分水泥的替代品被廣泛應用。由于礦物摻合料能夠使混凝土孔隙的細化和界面過渡區得到強化而提高了混凝土的強度，并在一定程度改善水泥漿體的流動度，降低水泥基材內部堿度；提高抗堿-骨料膨脹的耐久性并在一定程度上降低生產成本提高經濟性而被廣泛使用[2-5]。礦物摻合料對水泥具有重要的強化作用，這種作用主要來源于摻合料化學和物理兩方面的作用[6-7]：即活性礦物摻合料與水泥水化產物氫氧化鈣CH的火山灰效應，水泥水化產物基體的化學填充密實作用，以及礦物摻合料的微集料充填作用。礦物摻合料不僅具有上述強度效應，而且還能較好地改善水泥基復合材料的耐久性以及施工性能。另外，也加強了混凝土材料的廢物利用，增加了混凝土材料的環境協調性。因此，合理充分地利用礦物摻合料具有十分重要的技術經濟價值和社會效應，粉煤灰和礦粉都可以改善混凝土和易性，其對混凝土各種強度的增長主要表現在不同時期，且不同的含量和等級都會影響混凝土強度[8-9]；硅粉能夠較好地改善混凝土的和易性，從而提高混凝土的力學性能[10]；偏高嶺土作為一種新型的礦物摻合料被廣泛關注，其對混凝土坍落度和抗壓強度的影響優于粉煤灰和礦渣，配制的混凝土抗腐蝕性和抗凍融性均有所提高[11]。但是目前對于礦物摻合料的使用僅考慮到其強度并未對其堿度進行研究，然而目前一些特殊混凝土需要保證強度的同時降低堿度[12-13]。

因此本文通過摻入粉煤灰（AF）、礦粉（KF）、偏高嶺土（MK）、石膏（SG）以及硅灰（GF）五種礦物摻合料對水泥漿體的3 d、7 d、28 d的強度和堿度進行試驗，探究了不同種類的礦物摻合料以及含量大小對水泥漿體強度的影響，分析不同礦物摻合料對水泥基材堿度的影響差異。

1 試驗與方法

1.1 原材料

該試驗使用的水泥為獅頭牌42.5普通硅酸鹽水泥；礦粉為S95礦粉；粉煤灰為太鋼二級粉煤灰。水泥、偏高嶺土、硅灰和粉煤灰的主要參數見表1，水為城市自來水。

表1 水泥和礦物摻合料化學成分表 %

1.2 試驗方法

該試驗對配合比中的水泥用粉煤灰、礦渣、偏高嶺土等礦物摻合料進行部分取代，針對不同的礦物摻合料其摻入比也不同，偏高嶺土、硅灰和礦粉按照5%、10%、15%進行摻入，石膏和粉煤灰按照10%、20%、30%進行摻入，具體見表2。水灰比按照0.3進行配比。將稱取好的礦物摻合料與水泥在凈漿攪拌機中攪拌30 s，加水再次攪拌90 s，并將新拌的水泥漿體分3次澆入試模，每次澆入后將試模輕微振動使其內部的氣泡完全消失后再進行下一次澆筑。試件澆筑24 h后脫模，在溫度20℃±2℃、相對濕度95%以上的標準養護室中進行養護，澆筑試模如圖1a，試件成型如圖1b所示。分別對3 d、7 d、28 d進行強度和堿度測試并記錄結果。

表2 礦物摻合料含量表

水泥基材強度測試參照GB T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》，其中模具使用50 mm×50 mm圓柱體，養護好的試件使用微機控制電子萬能試驗機對其進行強度測試，加載速度0.3 MPa/s，測試如圖1c所示；堿度測試為將壓碎后的水泥漿體研磨成粉，再將粉末過0.08 mm的方孔篩，將篩好的粉末按水固比10∶1浸泡在蒸餾水中，搖勻后扎緊瓶口靜置24 h，使用PHS-3C型精密pH測試儀進行堿度測試，并記錄數據，測試如圖1d所示。

圖1 試件澆筑

2 結果與分析

通過試驗測量了不同摻合料種類和替代量水泥基材的水泥漿體不同齡期強度和堿度，具體數據見表3。

表3 各摻合料強度、堿度結果表

2.1 礦物摻合料對水泥強度的影響

摻入5%、10%、15%偏高嶺土、硅灰和礦粉的水泥漿體的3 d、7 d和28 d的抗壓強度結果見圖2，摻入10%、20%、30%的粉煤灰和石膏的水泥漿體3 d、7 d和28 d抗壓強度結果見圖3。

圖2 偏高嶺土、硅灰和礦粉抗壓強度結果

圖3 粉煤灰、石膏抗壓強度結果

從圖2中可以看出3種不同的礦物摻合料，相較于其他礦物摻合料和素水泥漿體相比抗壓強度增長量最大的是礦粉，其次為偏高嶺土，最后為硅灰。其中在替代摻量中15%的礦粉的28 d強度達到了78.63 MPa，相比于素水泥漿體的抗壓強度增加了18.9%.而且隨著礦粉摻入量的增加，其強度也隨之增加，這是因為礦粉在水泥漿體中為粒徑很小的微珠和碎屑，在水泥石中可以相當于未水化的水泥顆粒，這些極細小的微珠相當于活潑的納米材料，能明顯地改善和增強水泥漿體的結構強度，提高勻質性和致密性。又因為礦粉具有一定的活性會與水進行水化反應，但是水化速度相對于硅酸鹽水化較慢，因此從圖2中可以看出3種不同摻量的水泥漿體3 d的抗壓強度均小于素水泥漿體，但是28 d的強度均大于素水泥漿體。硅灰屬于一種高活性火山灰材料，其礦物成分主要是非晶態的純二氧化硅，但可以看出其強度值低于素水泥強度，這是由于硅灰對早期強度并沒有太大的影響，其對強度的貢獻大多發生在28～90 d。偏高嶺土是由高嶺土在650℃～800℃下煅燒形成的，具有一定的活性，其強度與素水泥漿體相差不大[14]。圖3為不同摻量的粉煤灰和石膏的強度結果，可以看出在粉煤灰28 d的強度相對素水泥漿體都有所提高，其中當摻量達到10%時其強度為71.77 MPa，相對于素水泥漿體提高了8.4%.這是由于粉煤灰具有填充效應和火山灰活性的作用。粉煤灰增加了水泥漿體密實性和黏聚性使得其初始結構致密化；在硬化階段，發揮了填充作用；在硬化后，又發揮了活性充填作用，改善了混凝土在水泥石中的孔結構。摻入石膏并沒有提高水泥漿體的強度，反而隨著摻量的增加，其強度隨之減小。這是因為大量摻入石膏會引起水泥漿體的膨脹從而降低水泥的強度。可以看出當礦物摻合料替換量處于較小的情況下，其抗壓強度隨著替換量的增加而增加；而當礦物摻合料替換量處于較大的情況下，其抗壓強度隨著替換量的增加到達某一最大值后開始減小。

2.2 礦物摻合料對水泥堿度的影響

分別摻入含量為5%、10%、15%偏高嶺土、硅灰和礦粉的水泥漿體的3 d、7 d和28 d堿度結果見圖4，摻入含量為10%、20%、30%的粉煤灰和石膏的水泥漿體測試3 d、7 d和28 d堿度結果見圖5。

圖4 偏高嶺土、硅灰和礦粉堿度結果

圖5 粉煤灰、石膏堿度結果

從圖4中可以看出隨著時間的增加素水泥漿體的堿度在下降，這是因為隨著時間的增加，水化產物被暴露在空氣中被空氣中的CO2緩慢碳化使得堿度較高的Ca(OH)2變成Ca2(CO)3，其具體化學式如式（1）：

而摻了礦物摻合料的水泥漿體其堿度隨著時間的增長先增加再減小，其原因是礦物摻合料具有一定的活性，但需要堿性物質激發。而水泥中的C3S、C2S在水化時會析出Ca(OH)2，而礦物摻合料處于堿性介質中會消耗大量的Ca(OH)2生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和鈣礬石，從而提高強度。其中28 d的堿度最小的是替代量為5%的礦粉，其堿度為12.18，相對于素水泥漿體堿度降低了4.1%.從圖5可以看出石膏的替換量使得水泥漿體的堿度減小，其中堿度最小替換量為30%的水泥漿體，堿度數值為12.24，這是由于石膏作為水泥的緩凝劑并不參與水泥的反應，而且石膏自身呈現弱酸性會中和一部分水泥水化后的Ca(OH)2。因此對于抑制堿-骨料反應還需摻入具有活性的礦物摻合料；而當粉煤灰替換量達到30%時堿度達到最低，從趨勢上看隨著替換量的增加其堿度逐級減小，但是對于強度而言則是當粉煤灰替換量達到10%時強度最高。這是由于不同礦物活性不同導致二次水化的量不同，隨著替換量的增加到達二次水化量的最大值后礦物摻合料只承擔填充作用。

3 結語

本文制備了不同摻合料種類和替代量水泥基材的水泥漿體共16組，測試了不同齡期的強度和堿度，得出以下結論：

a）在偏高嶺土、硅灰和礦粉摻合料對水泥漿體強度影響最大的為礦粉，其水泥替換量為5%，相比于素水泥漿體強度提高了18.9%，堿度下降了4.1%，能夠較好抑制堿-骨料反應。

b）在粉煤灰和石膏摻合料對水泥漿體強度影響最大的為粉煤灰，其水泥的替換量為10%，相比素水泥漿體提高了8.4%；而對水泥漿體堿度影響最大的是替換量為30%的粉煤灰，相比于素水泥漿體堿度下降3.6%.

c）礦物摻合料能夠在一定程度上替代水泥用量，并取得和水泥性能一樣的效果，可以通過使用礦物摻合料提高經濟性。