粉煤灰及礦粉摻合料對水工混凝土性能的影響研究

徐國杰

(錦州市水利事務服務中心,遼寧 錦州 121000)

近年來,水利事業的快速發展使得水工混凝土生產量不斷增大,天然資源和工業廢渣等優質材料被廣泛應用于水泥、砂石骨料及摻合料的生產。隨著環保力度的加大以及自然資源的日趨枯竭,工業廢渣的供應越來越緊張,開發利用天然資源的限制條件也明顯增多[1]。另外,用戶要求的提升、生產技術的發展以及上游工業生產方式的轉變,使得水泥和工業廢渣品質發生明顯變化,這在一定程度上也改變了水工混凝土性能[2]。研究表明,將適量礦粉與粉煤灰等摻入水工混凝土中,有利于改善其土工作性、耐久性及強度等指標,工業廢棄物的摻入已廣泛應用于實際工程[3-5]。然而,受資源環境的影響礦粉與粉煤灰品質發生了明顯改變,為準確掌握其品質性能,有必要試驗研究不同摻量、規格、品質的礦物摻合料及漿體體積對水工混凝土的影響。

1 原材料性能

水泥:渤海水泥(葫蘆島)有限公司生產的P·O42.5級普通硅酸鹽水泥,標稠用水量30.0%,初、終凝時間160min和230min,3d抗折、抗壓強度6.8MPa和27.6MPa,28d抗折、抗壓強度8.5MPa和48.1MPa,比表面積388m2/kg,密度3.06g/cm3,7d水化熱269J/g。

粗細骨料:大連產山砂和石灰巖碎石,砂細度模數2.8,MB值1.2,石粉含量5.6%,表觀密度2650kg/m3;碎石級配5～30mm,表觀密度2680kg/m3,壓碎指標6.6%,含泥量0.3%。

外加劑:選用聚羧酸高效減水劑,固含量15%,推薦摻量0.5%～2.0%,減水率25%;拌合水用自來水。

礦粉:瓦房店誠遠礦粉制造有限公司生產的S95礦粉,需水量比105%,密度2.50g/m3,比表面積438m2/kg,流動度比100%,燒失量1.2%,7d、28d活性指數85%和120%。

粉煤灰:試驗選用比較常見的浮黑灰和F類Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、C類Ⅰ級粉煤灰,主要性能指標如表1所示。

表1 試驗用粉煤灰性能指標

2 試驗方法

參照現行規范測定各組混凝土的強度級工作性能,試驗配合比如表2所示。其中,水膠比0.32、0.48試組的不計空氣凈漿體積為(330±10)L/m3和(290±10)L/m3。

表2 試驗配合比

研究表明,骨料與膠凝材料用量之間存在密切聯系,而骨料的細粉含量、形狀、級配等特征參數變化較大,全面分析最佳膠材用量與各種骨料間的關系比較復雜,故本研究僅使用機制砂探討其對工作性和膠材體積的影響作用,可以為工程實際應用提供數據支持[6]。

采用等量替代的方式摻入礦物摻合料,重點分析混凝土強度及性能受各種摻合料特征的影響,并改善外加劑與混凝土的適應性。從砂漿和凈漿體積的角度上,系統分析水工混凝土工作性受漿體體積的影響,其中砂漿體積等于砂子與凈漿體積之和,該數據不考慮粒徑<0.08mm的微石;凈漿體積等于空氣、水、粒徑<0.08mm砂石粉體材料和膠凝材料體系之和,該數據不考慮減水劑中的水體積。

3 結果與分析

不同規格、品種礦物摻合料及漿體體積對水工混凝土性能的影響試驗數據如表3和表4所示。

表3 不同規格、品種礦物摻合料和漿體體積的混凝土性能(水膠比0.50)

表4 不同規格、品種礦物摻合料和漿體體積的混凝土性能(水膠比0.32)

1)Ⅱ級中砂(細度模數2.8)凈漿體積達到300L/m3條件下,增大砂率也無法保證拌合物的黏聚性能;持續增加凈漿體積至330L/m3條件下,砂漿體積超過610L/m3時拌合物依然具有較好的狀態。

2)外加劑用量隨浮黑灰摻量的增加表現出上升趨勢,混凝土強度下降,拌合物經時損失增加,仍需進一步研究該變化原因和機理。新拌混凝土出機流動度隨著粉煤灰細度的減少而增加,或在相同流動性情況下減水劑用量有所減少;低水膠比時,優質粉煤灰的“滾珠”效應能夠更加明顯地影響拌合物工作性,對于高等級混凝土只有Ⅰ級粉煤灰發揮一定的輔助減水作用[7-8]。

3)F類粉煤灰對中強度等級混凝土的減水效應低于C類Ⅰ級粉煤灰,摻20%～30%C類Ⅰ級粉煤灰能夠可以明顯提高28d抗壓強度,但相較于F類Ⅰ級粉煤灰對90d抗壓強度的增強作用不明顯,這是由于C類粉煤灰具有顯著的自硬水活性,隨著水化時間的延長與F類粉煤灰的差距逐漸減少。

4)水工混凝土28d抗壓強度受粉煤灰細度的影響較低,優質明顯高于劣質粉煤灰對后期強度增長的促進作用;結合試驗數據,除浮黑灰外摻量不超過25%時,中強度等級的28d抗壓強度降幅一般處于5MPa以內,高強度等級的28d抗壓強度降幅處于5～12MPa范圍,總體變化較大,不同細度粉煤灰的影響差異不明顯;中強度等級的90d抗壓強度隨粉煤灰(Ⅱ級及以下等級)摻量的增加呈現出一定下降趨勢,增加Ⅰ級粉煤灰摻量至35%時90d抗壓強度才有所下降,降幅處于6MPa以內。究其原因,在堿性環境中這種玻璃體結構致密的粉煤灰需要較長時間才能充分發揮效應,彌補因水泥被等量替代使得水化產物減少的不足[9]。28d齡期時常規Ⅰ級粉煤灰也很難充分水化,但優質粉煤灰的比表面積更大,顆粒細小,能夠更早地生成水化產物發揮活性填充效應,從而改善水泥石結構和混凝土強度。

5)對于高強度等級混凝土,優質粉煤灰對改善拌合物流動性的作用優于普通S95級礦粉,這主要與礦粉的形態密切相關,礦粉與粉煤灰相比具有更加不規則的粒型,其“滾珠”效應不明顯或不具備,該試驗結論與相關研究成果保持一致[10-12]。

6)復摻礦粉與粉煤灰具有互補作用,可以充分發揮兩者的優勢,粉煤灰能夠彌補礦粉的不足,明顯改善拌合物流動性;按照1∶1復摻各等級粉煤灰和礦粉,摻量增大到40%,則復摻礦物摻合相較于未摻混凝土28d抗壓強度降幅處于5MPa以內。

4 結 論

1)大流動性水工混凝土一般選用Ⅱ級連續級配細骨料,砂漿和凈漿體積一般≥600L/m3和310L/m3。浮黑粉的摻入可以在一定程度上降低水工混凝土強度,新拌混凝土擴展度出現明顯變化。

2)一般地,C類Ⅰ級粉煤灰摻量≤30%,摻入優質粉煤灰能夠更加顯著的改善水工混凝土工作性,其改善作用優于礦粉。