錳渣和礦渣復(fù)摻對(duì)水泥混凝土性能的影響研究

宋松松,孫檳鍇

(湖北交通工程檢測(cè)中心有限公司 武漢市 430200)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),綠色與低碳成為推動(dòng)建筑行業(yè)發(fā)展的重要力量。研究發(fā)現(xiàn),1t水泥熟料的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排放約850kg的CO2,因生產(chǎn)水泥排放的CO2占全球排放總量的7%[1],所以減少混凝土中的水泥熟料是減少CO2排放的有效途徑。傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥混凝土已經(jīng)滿足不了環(huán)保節(jié)能的發(fā)展需要,越來(lái)越多的工業(yè)廢渣作為摻合料,能夠減少硅酸鹽水泥的用量,提升水泥基膠凝材料的性能,因此輔助性膠凝材料已被廣泛應(yīng)用。電解錳渣和高爐粒化礦渣都是金屬冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣,都含有大量的硅酸鹽、玻璃體和結(jié)晶化合物[2],所以錳渣和礦渣都具有相似的水化反應(yīng)活性,可作為火山灰質(zhì)礦物摻合料代替硅酸鹽水泥。

利用電解錳渣、高爐粒化礦渣的水化活性,制備錳渣-礦渣輔助性膠凝材料,研究其水化反應(yīng)進(jìn)程,為其在工程實(shí)際中的應(yīng)用提供試驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)原材料包括:錳渣采用重慶某電解錳合金冶煉廠的電解錳渣(EMR),錳渣預(yù)處理之后的比表面積達(dá)到236m2/kg;礦渣為重慶某公司生產(chǎn)的S95級(jí)高爐粒化礦渣粉,密度2.88g/cm3,比表面積478m2/kg;水泥采用重慶華新水泥廠生產(chǎn)的(P·O 42.5)普通硅酸鹽水泥,其基本物理指標(biāo)見表1;外加劑為重慶科之杰公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑,各參數(shù)滿足規(guī)范要求;粗細(xì)集料均來(lái)源于重慶重交再生資源有限公司,細(xì)集料為機(jī)制砂,級(jí)配為Ⅱ區(qū)中砂,粗集料粒徑5～20mm,滿足規(guī)范要求;拌和用水為試驗(yàn)室自來(lái)水。膠凝材料的主要化學(xué)成分見表2。

表1 水泥的基本物理指標(biāo)

表2 原材料的主要化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

現(xiàn)有研究表明[3],錳渣的摻量為10%,水泥基材料的反應(yīng)活性效應(yīng)處于較好的水平,水泥砂漿、混凝土的物理化學(xué)性能都有一定的改善,現(xiàn)考慮保證水泥基材料活性的前提下,設(shè)計(jì)錳渣-礦渣復(fù)摻以增大錳渣的摻量,提高經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)組砂漿的水膠比為0.5;膠砂比為1∶3。按照水泥摻量的10%、20%、30%替代,錳渣與礦渣的比例分別為1∶1、1∶2和2∶1;同理,錳渣-礦渣水泥混凝土采用水膠比0.37,礦物摻合料摻量為10%、20%、30%,錳渣與礦渣的比例為1∶1、1∶2、2∶1,試驗(yàn)配合比見表3、表4。

表3 錳渣-礦渣水泥砂漿配合比及流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果

砂漿的流動(dòng)度和力學(xué)性能試驗(yàn)分別參照《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T 2419—2005)《水泥砂漿強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)進(jìn)行。混凝土的流動(dòng)度和力學(xué)性能參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)進(jìn)行。

2 性能影響分析

2.1 錳渣-礦渣復(fù)摻對(duì)水泥砂漿流動(dòng)性的影響

按照錳渣-礦渣的比例分別為1∶1、1∶2和2∶1替代摻量10%～30%的水泥,研究錳渣-礦渣復(fù)摻對(duì)水泥砂漿流動(dòng)性的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 錳渣-礦渣復(fù)摻對(duì)水泥砂漿流動(dòng)度的影響

由圖1可知,隨著錳渣-礦渣復(fù)合摻合料摻量的增加,砂漿流動(dòng)度總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),但只有MS3下降得比較快。試驗(yàn)組別MS1、MS2中,砂漿流動(dòng)度波動(dòng)較小,隨著礦渣摻量的增加砂漿流動(dòng)度有所提高。可以得出,礦渣的摻入有利于提高錳渣水泥砂漿的流動(dòng)性。這是由于磨細(xì)錳渣顆粒的不均勻和排序狀態(tài)不穩(wěn)定,相比之下礦渣的比表面積比錳渣更小,能很好改善顆粒體系的密實(shí)性并填充錳渣水泥砂漿微孔隙,說(shuō)明錳渣-礦渣復(fù)摻可以改善水泥基混合材料體系的物理密實(shí)填充作用[4]。

2.2 錳渣-礦渣復(fù)摻對(duì)水泥混凝土流動(dòng)性的影響

采用水膠比0.37,摻合料摻量為10%、20%、30%,錳渣與礦渣的比例為1∶1、1∶2、2∶1,研究錳渣-礦渣復(fù)摻對(duì)水泥混凝土坍落度的影響,試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 錳渣-礦渣摻量對(duì)水泥混凝土坍落度的影響

從圖2可以看出,隨著錳渣-礦渣摻量的增加,混凝土的坍落度雖然有所下降,但下降的幅度并不大。錳渣-礦渣摻量增大到30%時(shí),MSC3相比于MSC1分別下降了8.5%、8.1%、5.8%。說(shuō)明錳渣-礦渣摻量不宜過(guò)大,錳渣-礦渣復(fù)摻在保證混凝土具有良好粘聚性的同時(shí)對(duì)于混凝土的和易性有很大改善,這是由于錳渣-礦渣復(fù)摻可以填充水泥顆粒之間的空隙,改善膠凝材料的微級(jí)配[5],所以錳渣-礦渣復(fù)合雙摻的復(fù)合疊加作用使得顆粒級(jí)配更加合理。

2.3 錳渣-礦渣復(fù)摻對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響

采用錳渣-礦渣的比例分別為1∶1、1∶2和2∶1替代摻量10%～30%的水泥,研究錳渣-礦渣復(fù)摻對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響,結(jié)果如圖3所示。

圖3 錳渣-礦渣水泥砂漿力學(xué)性能

由圖3可知,隨著錳渣-礦渣摻合料的遞增,砂漿強(qiáng)度有一定程度的下降,但是隨著錳渣摻量的減少,砂漿在各個(gè)齡期的強(qiáng)度下降趨勢(shì)減緩,比如MS3(1∶1)7d的抗折強(qiáng)度相對(duì)于MS2(2∶1)變化不大。從28d的抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)也能看出,當(dāng)錳渣-礦渣摻量在10%～20%摻量下,砂漿的強(qiáng)度變化不大;當(dāng)錳渣-礦渣摻量大于20%,強(qiáng)度下降較快。這是由于錳渣-礦渣在水化初期其化學(xué)活性并沒(méi)有起作用,僅起微集料作用填充砂漿的空隙,且隨著錳渣摻量的增加,超過(guò)錳渣的最佳摻量會(huì)導(dǎo)致砂漿流動(dòng)性、強(qiáng)度的降低[6]。隨著水化過(guò)程的進(jìn)行,錳渣的化學(xué)活性得到激發(fā),且礦渣比表面積比錳渣更大,礦渣更能促進(jìn)水化的界面反應(yīng),二次水化反應(yīng)的產(chǎn)物提高水泥砂漿的致密程度,彌補(bǔ)由于錳渣摻量過(guò)大引起的強(qiáng)度損失,提高砂漿的后期強(qiáng)度[7]。

2.4 錳渣-礦渣復(fù)摻對(duì)水泥混凝力學(xué)性能的影響

采用水膠比0.37,摻合料摻量為10%、20%、30%,錳渣與礦渣的比例為1∶1、1∶2、2∶1,研究錳渣-礦渣復(fù)摻對(duì)水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響,試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 錳渣-礦渣復(fù)摻對(duì)水泥混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4可以看出,隨著MS復(fù)合摻合料的增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)。從MSC1可以看出,當(dāng)錳渣-礦渣的比例為1∶2,水泥混凝土28d的強(qiáng)度能達(dá)到52.6MPa,說(shuō)明隨著礦渣摻量的增加混凝后期強(qiáng)度有所提高。同理,當(dāng)MS摻量增大到20%,隨著礦渣摻量的增加,混凝土各齡期強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì),且錳渣單摻30%的水泥混凝土28d強(qiáng)度達(dá)到48.6MPa[3],但相比于MSC1的28d強(qiáng)度下降了7.6%。從MSC3組看出,由于MS摻量已經(jīng)超過(guò)最佳摻量,混凝土強(qiáng)度損失較大,盡管隨著礦渣摻量的增加,混凝土強(qiáng)度有一定的提升,但是由于錳渣、礦渣不能完全水化,礦渣-錳渣復(fù)摻給混凝土帶來(lái)的負(fù)效應(yīng)較大,所以錳渣-礦渣復(fù)摻摻量最好控制在10%～20%。

3 結(jié)論

(1)隨著錳渣-礦渣復(fù)合摻合料摻量的增加,砂漿流動(dòng)度總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

(2)錳渣-礦渣復(fù)合摻量的增加,混凝土的坍落度雖然有所下降,但下降幅度不大。復(fù)合摻合料能有效改善混凝土的微級(jí)配,保證混凝土具有良好粘聚性的同時(shí)對(duì)于混凝土的和易性有很大改善。

(3)錳渣-礦渣復(fù)摻在一定程度上能改善錳渣單摻對(duì)強(qiáng)度的影響,當(dāng)錳渣-礦渣摻量20%,可以提高錳渣摻量且對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度影響不大。隨著水化過(guò)程的進(jìn)行,礦渣更能促進(jìn)水化的界面反應(yīng),提高砂漿的后期強(qiáng)度。

(4)錳渣-礦渣復(fù)摻摻量不宜大于20%,摻量達(dá)到30%,混凝土強(qiáng)度損失較大,盡管隨著礦渣摻量的增加,混凝土強(qiáng)度有一定的提升,但是由于錳渣-礦渣不能完全水化,礦渣-錳渣復(fù)摻給混凝土帶來(lái)的負(fù)效應(yīng)較大,所以錳渣-礦渣復(fù)摻摻量最好控制在10%～20%。