基于水膜厚度的拋光磚粉混凝土和易性及抗壓強度研究

鄭孫博,陳嘉健,李秋亨

(佛山科學技術學院 交通與土木建筑學院,佛山 528000)

保護環境與可持續發展已成為不可阻擋的時代潮流,同時摻加礦物摻和料是目前改善混凝土性能的有效方法之一,為此合理的將工業廢料作為摻和料使用具有十分深遠的意義[1-6]。工業廢料拋光磚粉是拋光磚在生產過程中經過研磨拋光后產生的廢粉[7]。近年來隨拋光磚的需求量不斷上升,工業廢料拋光磚粉也隨之增多,因此將其作為礦物摻和料加入到混凝土中,能有效地保護環境同時減少能源的損耗[8-12]。研究表明摻入的陶瓷拋光粉摻量占混凝土總量10%時,混凝土各個齡期抗壓強度都會明顯提高;但繼續增加拋光磚粉,混凝土抗壓強度反而會下降,尤其是拋光粉摻量占混凝土總量的20%以上,拋光磚粉摻量增加會使混凝土抗壓強度大幅度下降[13]。也有相關研究表明C30混凝土的拋光磚粉摻量應該控制在20%以內,因為拋光磚粉摻量大于20%后,將會導致混凝土耐久性能降低[14]。王功勛等研究表明與等摻量的粉煤灰混凝土相比,摻拋光磚粉混凝土的強度較高,且早期表現尤為明顯[15]。

雖然此前已有很多學者對內摻拋光磚粉混凝土的各項性能展開了研究,并取得了不錯的研究成果[16-19],但在不同水膠比下,使用工業廢料拋光磚粉部分置換水泥后對混凝土性能的影響研究具有十分重要的意義。本文利用微觀測試方法,分析拋光磚粉的物理及化學性質;研究3組水膠比下,不同拋光磚粉摻量對混凝土和易性和抗壓強度的影響,并引入填充密度和水膜厚度概念[20-23],線性回歸分析水膜厚度與混凝土流動性、黏聚性和抗壓強度之間的關系。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗原材料

1) 水泥:石井牌P.O42.5R級普通硅酸鹽水泥,其物理性能見表1。

表1 水泥的物理性能

2) 拋光磚粉:佛山本地瓷磚廠廢瓷渣,經烘干以及球磨處理后得到拋光磚粉,對應物理及化學性能見表2。

表2 拋光磚粉的化學組成 %

3) 骨料:粗骨料為佛山地區石灰巖碎石;細骨料為佛山地區河沙,其細度模數為2.7,粗細骨料滿足規范的標準[24]。

4) 外加劑:使用聚羧酸高效減水劑,符合國家規范的要求[25]。

5) 水:自來水。

1.2 配比設計

正交配制了水膠比由0.4至0.6變化,以0.1為級差;拋光磚粉摻量由0至12%混凝土體積比變化,以4%為級差;水泥漿量統一為38%;細骨料和粗骨料比值統一為2∶3;減水劑量統一為粉體材料的2.6×10-5kg/m2,這是因為過往研究表明,聚羧酸減水劑是附著在粉體表面,通過靜電排斥、空間位阻發揮作用,劑量應該根據整體表面積來決定,這個劑量是減水劑效果達到飽和時候的量[26]。混凝土試樣的配比見表3。

表3 拋光磚粉混凝土試驗配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 黏聚性測試

混凝土黏聚性用過篩率的大小表示[20]。試驗使用5 mm的方孔篩,取250 g攪拌后的混凝土漿體從300 mm的高度倒入方孔篩中,讓其靜置2 min,通過方孔篩的漿體質量與倒入的總漿體質量的比值即為混凝土過篩率。混凝土過篩率越低說明黏聚性越好,反之則較差。

1.3.2 混凝土的坍落度與擴展度

坍落度試驗的主要步驟:將攪拌完成的混凝土試樣分三層裝入坍落度筒內,插搗后刮去多余混凝土并沿筒口抹平,接著垂直提起坍落度筒,30 s后用鋼尺量出筒高與坍落后混凝土試樣最高點之間的高度差,即為坍落度值。擴展度的試驗步驟與坍落度試驗相似,提起坍落度筒50 s后,量取混凝土試樣擴展面的最大直徑及其垂直方向的直徑,二者的平均值即為擴展度值。

1.3.3 混凝土抗壓強度

抗壓強度試驗使用150 mm的正方體模具,經振搗抹平后靜置24 h拆模,混凝土試塊放置在溫度(20±2) ℃、相對濕度為90%以上的養護室中養護28和70 d。

1.3.4 填充密度測量及水膜厚度計算

研究表明使用水測緊密值法可以準確地測量出填充密度[27],該方法是在不同水量下,用相應的固體顆粒組合能達到的最大填充率數值來表示填充密度的大小[20],具體計算公式如下:

式中:M為試樣的總質量,g;V為鋼桶的體積,mL;mc,mp,mq和ms分別為水泥、拋光磚粉、骨料和水的質量,g;ρc,ρp,ρe,ρf和ρs分別為水泥、拋光磚粉、砂、碎石和水的密度,g/mm3;Us為水與固體材料體積的百分比;Rc,Rp,Re和Rf分別為水泥、拋光磚粉、砂和碎石占總固體材料的體積分數。

水膜厚度是固體摻和料的單位表面積上所覆蓋包裹的平均液體層厚度,計算方法為用攪拌混凝土所需的總水量減固體顆粒間的空隙體積比上固體摻和料的總表面積的比值[21]。在度量出膠凝材料的填充密度后,水膜厚度可由下列公式進行計算:

We=V1-V2

式中:TS為水膜厚度,μm;We為剩余水體積,mL;A為固體材料的總表面積,m2;V1為實際液體體積,mL;V2為固體材料間空隙所占體積,mL;γ為空隙比率;Pmax為填充密度;Mc,Mp,Me,Mf,Ms和Mj分別為水泥、拋光磚粉、砂、碎石、水和減水劑的質量,g;ρc,ρp,ρe,ρf,ρs和ρj分別為水泥、拋光磚粉、砂、碎石、水和減水劑的密度,kg/m3;Ac,Ap,Ae和Af分別為水泥、拋光磚粉、砂和碎石的比表面積,m2/m3。

2 試驗結果與分析

2.1 拋光磚粉摻量對混凝土5 mm過篩率的影響

黏聚性測試結果如圖1所示。由圖1可知,相同水膠比下拋光磚粉的摻量增加會導致混凝土5 mm過篩率變小,說明混凝土流動性逐漸下降,黏聚性變好。拋光磚粉較細,有效地填充了混凝土漿體間的空隙使得黏結力增強,這是黏聚性變好的主要原因。

2.2 拋光磚粉摻量對混凝土流動性的影響

坍落度測試結果如圖2所示。由圖2可知,當水膠比相同時,混凝土試塊的坍落度產生隨拋光磚粉摻量的增加而減小的現象;當水膠比不同時,相同拋光磚粉摻量的混凝土試塊坍落度隨水膠比的降低而減小。擴展度測試結果如圖3所示。由圖3可知,相同水膠比時,拋光磚粉摻量的增加致使混凝土擴展度隨之減少;而拋光磚粉的摻量不變時,混凝土擴展度值會隨水膠比的減小而減小。造成上述隨著拋光磚粉摻量的增加,坍落度和擴展度均減小的原因是因混凝土漿體中自由水被拋光磚粉所吸附,自由水的減少讓混凝土流動性降低。

2.3 拋光磚粉摻量對混凝土抗壓強度的影響

混凝土抗壓強度測試結果如圖4、圖5所示。28 d齡期時,在相同水膠比下,隨著拋光磚粉摻量的增加,混凝土的抗壓強度有十分明顯的提升,如水膠比為0.5時,抗壓強度最大可提高126%;在相同拋光磚粉摻量下,水膠比越小抗壓強度越大。顆粒較細的拋光磚粉提高了混凝土的密實度,進而改善混凝土內部孔隙結構,使得混凝土抗壓強度有所提高。

當養護齡期達到70 d時,在水膠比一定的條件下,隨著拋光磚粉摻量由0%增加到12%,混凝土抗壓強度繼續增大,且最大可提高80%,這是因為拋光磚粉與氫氧化鈣的二次水化反應比水泥水化反應慢,從而使70 d混凝土抗壓強度提高幅度更大。

2.4 填充密度及水膜厚度對混凝土和易性和抗壓強度的影響

填充密度及水膜厚度測量計算結果見表4,結果表明填充密度隨著拋光磚粉摻量的增加而增大。當拋光磚粉摻量相同時,隨著水膠比的減小,固體比表面積增大而水膜厚度逐漸減小,這主要是因為拋光磚粉的摻入大幅度提高了固體材料比表面積,此時單位面積上吸附的水量減少,從而水膜厚度減小;當水膠比一定時,隨著拋光磚粉摻量的增加,對應的水膜厚度也呈降低趨勢,因此水膜厚度的變化是受填充密度和固體材料比表面積的共同影響。

表4 水膜厚度測量計算結果

通過計算和分析水膜厚度的變化,可以結合混凝土的工作性、黏聚性、抗壓強度來進行進一步的相關分析,探究水膜厚度對混凝土各項性能的影響。水膜厚度對混凝土坍落度、擴展度的線性分析結果如圖6、圖7所示,從中可以看出水膜厚度增大,會使得混凝土坍落度、擴展度提高,其相關系數R2分別為0.9208和0.8392。圖8表明水膜厚度與混凝土5 mm過篩率呈正相關的關系,其相關系數R2為0.845。 如圖9所示,水膜厚度單一參量對混凝土28和70 d抗壓強度均有較高的相關性,其相關系數R2分別達到了0.888和0.811。拋光磚粉會增加混凝土漿體的填充密度,此時混凝土內部結構更加密實,抗壓強度提高且隨著混凝土齡期的增加抗壓強度繼續增加。相反,隨著水膜厚度的增大,28和70 d的混凝土抗壓強度都呈現下降的趨勢。

3 結論

1) 相同水膠比,摻入拋光磚粉會使混凝土黏聚性增強,而混凝土流動性會相對降低。

2) 摻入拋光磚粉能改善混凝土孔隙結構,進而提高混凝土的抗壓強度,且28和70 d混凝土抗壓強度均有較明顯的提升。

3) 填充密度隨著拋光磚粉摻量的增加而增大,通過水膜厚度單一參量的回歸分析可以得出:拋光磚粉的摻入,改變了水膜厚度的大小,其變化影響著混凝土的和易性。