復合礦物摻合料對高性能混凝土強度的研究

肖力光,李正鵬

(吉林建筑大學 材料科學與工程學院,吉林 長春 130118)

為了滿足人們對混凝土強度和成本的需求,對礦物摻合料的摻量對混凝土影響的研究越來越細致,這也代表著廣大研究人員的研究不斷深入。礦物摻合料作為混凝土發展的一部分,因能有效地提高混凝土強度來滿足建筑物安全需求,且具有優良的工作性,便于工程施工等優點[1-3];粉煤灰、礦渣作為工業廢料,能將其添加到混凝土中,不僅減少環境污染,還能改善混凝土的耐久性[4-6],因此對粉煤灰、礦渣這兩種礦物摻合料對混凝土力學性能的影響研究具有重要意義,進一步探究兩種摻合料的最佳摻量、復摻比例、球磨時間,為相關實際應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

水泥,長春本地亞泰集團的P·O42.5普通硅酸鹽水泥;粉煤灰,滿足國家要求的Ⅱ級粉煤灰,詳細成分見表1;礦渣,長春本地通鋼集團生產的礦渣微粉,詳細成分見表2;粗集料,本地區人工碎石,粒徑在4.75～20 mm;細集料,天然河砂,粒徑在0～4.75 mm;水為自來水。

表1 粉煤灰化學成分Table 1 Chemical composition of fly ash

表2 礦渣化學成分Table 2 Chemical composition of slag

SID-60強制式單臥混凝土攪拌機;KE型行星式球磨機;DYE-2000型混凝土壓力實驗機;SHBY-90B型恒溫恒濕養護箱。

1.2 實驗方法

將粉煤灰、礦渣以4%,8%,12%,16%,20%等量取代水泥,分別測混凝土試塊7 d和28 d抗壓強度,研究礦物摻合料對混凝土性能的影響,得出活性摻合料的最佳摻入量。

在最佳摻量的基礎上,研究礦物摻合料經機械球磨的最佳球磨時間。粉煤灰球磨時間設為10,15,20,25 min;礦渣球磨時間設為15,30,45,60 min。

采用復摻的方法,雙摻兩種礦物摻合料,取代水泥總量為24%,確定最佳比例。二者實驗比例為2∶1,1.5∶1,1∶1,1∶1.5,1∶2。

1.3 性能測試

混凝土強度研究采用國家標準混凝土抗壓強度實驗方法。混凝土試塊大小為100 mm×100 mm×100 mm(強度值乘以對應尺寸換算系數0.95),分別進行7 d和28 d恒溫恒濕標養后,再用壓力實驗機進行壓力測試,1組3塊取其平均值。

2 結果與討論

2.1 粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度的影響規律

將水、砂子、水泥按照比例適配,設定為初始配合比。再將粉煤灰依次以4%,8%,12%,16%,20%等量取代水泥,配制混凝土試塊,圖1和圖2分別為粉煤灰摻入量對混凝土7 d和28 d抗壓強度影響曲線。

圖1 粉煤灰摻入量對混凝土7 d抗壓強度的影響Fig.1 Effect of fly ash incorporation amount on 7 d compressive strength of concrete

圖2 粉煤灰摻入量對混凝土28 d抗壓強度的影響Fig.2 Effect of fly ash incorporation amount on 28 d compressive strength of concrete

由圖1可知,粉煤灰的加入對混凝土早期強度起負作用,其強度隨粉煤灰的摻入量不增反降;由圖2可知,當加入12%的粉煤灰能提高混凝土后期抗壓強度,達到基準配合比強度的1.06倍,28 d以后,粉煤灰仍能提高混凝土抗壓強度。

當確定粉煤灰最佳摻量為12%時,使其分別球磨10,15,20,25 min后,再摻入到混凝土中,測混凝土7 d和28 d強度,結果見圖3。

圖3 粉煤灰球磨時間對混凝土7,28 d強度的影響Fig.3 Influence of fly ash ball milling time on the strength of concrete for 7 d and 28 d

由圖3可知,混凝土抗壓強度隨著粉煤灰球磨時間的增長而增加,但增長的趨勢愈發平緩,當球磨時間超過15 min時,混凝土抗壓強度的增加與粉煤灰球磨能耗不成正比,由此來確定粉煤灰最佳球磨時間為15 min,球磨粉煤灰使混凝土強度提高是因為增加了粉煤灰的比表面積,從而極大地提高其活性,便于生成更致密的水化產物來提高混凝土強度。

2.2 礦渣摻量對混凝土抗壓強度的影響規律

按照初始配合比。再將礦渣依次以4%,8%,12%,16%,20%的摻入量代替水泥,配制混凝土試塊,圖4和圖5分別為礦渣摻入量對混凝土7 d和28 d抗壓強度的影響曲線。

圖4 礦渣摻入量對混凝土7 d抗壓強度的影響Fig.4 Influence of slag addition amount on 7 d compressive strength of concrete

圖5 礦渣摻入量對混凝土28 d抗壓強度的影響Fig.5 Effect of slag addition amount on 28 d compressive strength of concrete

由圖4和圖5可知,礦渣的摻入對混凝土早期和后期的強度發展都能起到積極的作用,因礦渣自身粒徑小,從而起到微級配和填充孔隙的效果,從而提高混凝土強度,并且可以明顯得出礦渣的最佳摻量為16%。

固定礦渣摻量為16%后,使其分別球磨15,30,45,60 min后,再摻入到混凝土中,測混凝土7 d和28 d強度,結果見圖6。

圖6 礦渣球磨時間對混凝土7,28 d強度的影響Fig.6 Influence of slag ball milling time on the strength of concrete at 7 d and 28 d

由圖6可知,混凝土強度隨著礦渣球磨時間先增長后下降,由此來確定礦渣最佳球磨時間為30 min,球磨礦渣使強度提高是因為在一定的球磨時間,礦渣能更好地填充因級配不良產生的孔隙,但過度的球磨,使得礦渣錯過了最佳級配,出現了微級配斷層,強度不增反降。

2.3 粉煤灰、礦渣雙摻對混凝土抗壓強度的影響規律

將粉煤灰與礦渣雙摻總量控制在水泥用量的24%,以粉煤灰摻入量與礦渣摻入量之比為2∶1,1.5∶1,1∶1,1∶1.5,1 ∶2比例來配制混凝土試塊。圖7和圖8是粉煤灰與礦渣共同作用下反應混凝土7,28 d抗壓強度的影響曲線。

圖7 粉煤灰與礦渣雙摻比例對混凝土7 d抗壓強度的影響Fig.7 Influence of fly ash and slag mixture ratio on 7 d compressive strength of concrete

圖8 粉煤灰與礦渣雙摻比例對混凝土28 d抗壓強度的影響Fig.8 Influence of fly ash and slag mixture ratio on 28 d compressive strength of concrete

由圖7、圖8可知,隨著粉煤灰在兩者中所占比重持續減少,混凝土早期強度持續增加,與前面所論證的粉煤灰對混凝土早期強度削弱所呼應;到了后期,強度都有所提升,但由于所摻礦物摻合料過多,與對照組強度相比,只有略微提升;當粉煤灰與礦渣比值為1∶1時,混凝土抗壓強度達到最高點,故在后續實驗時,采用兩者比值為1∶1的數據來配制混凝土。

2.4 粉煤灰、礦渣球磨時間對混凝土抗壓強度的影響規律

將粉煤灰與礦渣雙摻總量控制在水泥用量的24%,且兩者比例為1∶1,研究二者球磨時間對混凝土強度的影響曲線,結果見圖9。其中,F代表粉煤灰,分別球磨10,15,20 min;S代表礦渣,分別球磨15,30,45 min。例如,圖9中橫坐標F10S15表示:球磨10 min的粉煤灰和球磨15 min的礦渣一起作為活性摻合料加到混凝土中,下同。

圖9 粉煤灰與礦渣球磨時間對混凝土7,28 d抗壓強度的影響Fig.9 Influence of fly ash and slag ball milling time on 7 d and 28 d compressive strength of concrete

由圖9可知,F15S15組的抗壓強度為最高組,即:摻12%球磨15 min粉煤灰和12%球磨15 min礦渣的混凝土,與基準配合比組相比混凝土抗壓強度提高了12%,由圖10和圖11可知,在膠凝材料與骨料界面過渡區,水化產物將骨料包裹緊密,并且生成了強度更高的針狀鈣礬石。

圖10 微觀結構下界面過渡區Fig.10 Interfacial transition zone under microstructure

圖11 水化產物鈣礬石Fig.11 The hydration product calurite

2.5 粉煤灰對混凝土膠凝材料影響分析

2.5.1 粉煤灰火山灰效應的影響 粉煤灰是煤粉在高溫條件下燃燒后的產物,富含大量活性物質,活性物質正好與混凝土內部堿性物質氫氧化鈣或石膏二次水化,生成致密的水硬性物質,提高混凝土強度。

2.5.2 粉煤灰形態效應的影響 粉煤灰絕大多數是光滑、細小的球型,具有獨特的“滾珠”效應,可以減少顆粒之間的摩擦,從而使混凝土具有很好的工作性,還能與水泥達到很好的級配效果。

2.5.3 粉煤灰微集料反應的影響 多余的粉煤灰均勻分布在水泥漿中,因其體積細小,可填充混凝土內部孔隙和毛細孔,達到改善孔結構的效果,減少有害物質的侵入,提高混凝土的耐久性。

2.5.4 粉煤灰界面效應的影響 摻入粉煤灰會導致混凝土早期強度降低,后期強度顯著增加,正因為粉煤灰的界面效應。粉煤灰與水泥第1次水化產物氫氧化鈣反應生成水化硅酸鈣,但兩者之間存在水解層,隨著反應不斷深入,水化產物逐漸增加,直至水解層被水化產物充滿,混凝土強度顯著增長。

2.6 礦渣對混凝土膠凝材料影響分析

礦渣是熔渣水冷后的產物,顆粒多為菱形,具有自身水化硬化特點,當與水泥激發時,具有高于粉煤灰的活性。未參與反應的礦渣可以改善膠凝材料內部孔結構。此外,因礦渣還具有“微骨架”作用,使得膠凝材料呈空間網狀結構,更加密實。

3 結論

粉煤灰、礦渣摻合料的摻量對混凝土強度有一定的影響作用。單摻時,早期粉煤灰對混凝土強度有所削弱,但后期顯著增強,粉煤灰最佳摻入量是12%,在此最佳摻入量的同時,粉煤灰的最佳球磨時間為15 min;早期礦渣對混凝土強度提高較為明顯,后期提升趨于平緩,礦渣的最佳摻入量是16%,在此最佳摻入量的同時,礦渣的最佳球磨時間為30 min。

礦物摻合料的球磨時間對強度影響較為顯著。其中,雙摻12%粉煤灰球磨15 min和12%礦渣球磨15 min的混凝土強度最高,與基準配合比相比,強度提高了12%。粉煤灰和礦渣雙摻不僅提高強度,還提高混凝土的工作性能便于施工,又取代水泥用量,具有極高的研究價值。