云南地區不同種類火山灰對聚羧酸減水劑及混凝土性能的影響研究

李嘉佳,彭 飛,王照能,鄧 磊,魯圣軍

(1.科之杰新材料集團(云南)有限公司,云南 安寧 650399;2.貴州大學材料與冶金學院,貴州 貴陽 550025)

隨著混凝土技術的不斷發展,混凝土已成為現代建筑工程結構最重要的材料之一。相較其他建筑結構材料,混凝土材料耐久性及耐火性較好、可塑造性強、生產過程“排碳”少、施工方式簡便,這些特點使得混凝土材料在中國今后實現“碳達峰、碳中和”過程中必將扮演重要的角色。近十年來,粉煤灰與礦渣粉已得到廣泛應用,價格也持續上漲。火山巖是巖漿經火山噴發到地表快速冷凝而成的巖石。我國火山巖儲量豐富且廣泛,大量試驗及研究表明,火山灰具有膠凝材料的特性,在常溫狀態下,可與水發生反應,生成具有水硬性膠凝能力的水化物[1,2],火山巖為富含SiO2和Al2O3的玻璃體結構,而且具有一定的火山灰活性,在摻入水泥和混凝土的情況下,其內部活性組分SiO2和Al2O3與水泥熟料水化產生氫氧化鈣和高堿性水化硅酸鈣,進行二次水化反應(火山灰效應),生成質量更優的低堿性水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。因此,火山巖是一種可用在水泥基材料中,部分取代水泥的礦物摻合料火山渣。作為一種綠色環保的礦物質顆粒,其具有輕質、導熱系數小等優點,常被用于混凝土輕骨料及墻體中;其主要成分為活性氧化物,因此,粉磨后同樣可以作為水泥活性混合材料應用于工程建設中,具有一定的經濟效益和社會效益?；鹕交耶a量充足、價格低廉,作為礦物摻合料用于混凝土中,在保證工程質量的同時,可有效降低工程成本、緩解資源消耗、減少環境污染等[3]。

1 試驗原材料及試驗方案

1.1 試驗原材料

本試驗所用原材料的具體信息見表1,所用主要儀器的詳細信息見表2。

表1 試驗原材料

表2 試驗設備

1.2 聚羧酸減水劑的制備

為保證實驗結果的可靠性,復配均采用同一聚羧酸減水劑,母液為科之杰新材料集團(云南)有限公司生產,其復配配方見表3。

表3 聚羧酸減水劑配方 單位/kg

分別在相對應的反應釜中加入定量的水,然后加入配方定量的緩凝劑H1、H2,攪拌溶解,再分別加入所需用量的聚羧酸減水母液與保坍母液,并同時攪拌混合均勻,制得所需聚羧酸減水劑,入庫待用。

1.3 不同品種火山灰性能指標

5種火山灰燒失量測試結果見圖1。

圖1 5種火山灰燒失量測試結果

火山灰燒失量測定方法按照GB/T 2847—2005《用于水泥中的火山灰混合材料》檢測。由圖1可知,5種火山灰燒失量均小于10.0%,符合國家標準?；鹕交胰趸蚝繙y試結果見圖2。

圖2 5種火山灰三氧化硫含量測試結果

火山灰SO3測定方法按照GB/T 2847—2005《用于水泥中的火山灰混合材料》檢測。由圖2可知,5種火山灰三氧化硫含量均小于3.0%,符合國家標準。

火山灰細度測定方法按照GB/T 1345—2005《水泥粒度檢驗方法》檢測,火山磷礦粒度測試結果見圖3。由圖3可知,5種火山灰粒度為45 μm,篩余均小于30%,符合國家標準。2～4號火山灰的粒度為45 μm,篩余占比大致相同,1號和5號火山灰粒度為45 μm,篩余占比略少?？傮w來說,云南地區火山灰質量相對穩定。

圖3 火山灰粒度測試結果

1.4 火山灰需水量比測試方法

火山灰需水量比性能測定方法按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗(ISO法)》檢測,摻合料需水量比配比見表4。

表4 摻合料需水量比配比 單位/g

1.5 混凝土測試方法

混凝土性能測定方法按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法》、GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法》兩個標準檢測,混凝土強度測定根據GB 50107—2010《混凝土強度評定標準》判定。混凝土性能測定采用C30混凝土等級配合比,分別測試不同種類火山灰對混凝土和易性、坍落度損失、含氣量、抗壓強度的影響,試驗配合比見表5。

表5 混凝土性能測定試驗配合比 單位/(kg·m-3)

2 試驗結果與分析

2.1 火山灰需水量比測定

摻合料需水量比試驗數據見表6。由表6可知,以上摻合料都符合GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗(ISO法)》檢測標準。按照基準配合比,選用云南地區5個常用廠家的火山灰,在用水量和外加劑摻量相同的情況下,進行了適應性試驗。對摻加不同廠家摻合料的需水量進行對比試驗,結果顯示,2～4號摻合料需水量基本一致,1號和5號摻合料需水量較小。可得出粒度篩余越小,摻合料需水量越大的結論。

表6 摻合料需水量比試驗數據

2.2 混凝土和易性、含氣量、坍落度損失試驗

為了研究火山灰與聚羧酸減水劑的適應性,采用C30強度等級配合比進行混凝土實驗。實驗時除了膠材發生變化外,其余配合比保持不變,分別測試同種聚羧酸減水劑對混凝土火山灰初始坍落度、倒筒排空時間、含氣量、坍落度損失的影響(見表7)。由表7可得,C2、C3的坍落度較小,其中C2的倒筒時間最慢為9.61 s,含氣量最小為2.8%,混凝土的和易性較差;C3的倒筒時間最慢為8.43 s,含氣量最小為3.0%,混凝土的和易性較差。C4的含氣量最多為3.2%,倒筒時間為7.24 s,混凝土的和易性比較好;C1、C5的混凝土和易性良好。可得出如下結論:火山灰需水量越高,混凝土坍落度越低,其和易性越差。

表7 混凝土倒筒時間、含氣量、坍落度損失對比試驗數據

2.3 混凝土強度實驗

混凝土抗壓強度在數控水泥砼標準養護箱20±2 ℃、濕度≥95%條件下,測定其3 d、7 d、28 d抗壓強度,成型試模采用100 mm×100 mm×100 mm,具體實驗數據見圖4。

圖4 混凝土抗壓強度

由圖4可知,使用控制變量法考察云南地區不同種類火山灰與聚羧酸減水劑的適應性,所得到的結果如下:C0的試塊強度最高;C2～C4的試塊早期強度較高,其3 d強度已達到70%以上,7d強度已達到83%以上,28 d已達到110%以上;C1和C5試塊前期強度較低,其3 d強度已達到65%以上,后期強度增長快。可得出如下結論:火山灰對混凝土試塊強度影響很大,火山灰粒度越小,混凝土試塊前期強度越低,后期強度增長速度快。

3 結語

(1)云南地區同種火山灰的物理性能基本一致,不同種類火山灰物理性能略有差別,整體趨向穩定。

(2)不同廠家的火山灰在同種外加劑下對比,火山灰粒度主要影響減水劑的減水性能,火山灰粒度越小,火山灰需水量越大,減水劑摻量越高,早期強度越小。

(3)不同廠家的火山灰在同種外加劑下對比,火山灰燒失量主要影響減水劑的保坍性能,火山灰燒失量越大,混凝土損失越大,后期強度越低。