高分散性硅灰對(duì)混凝土性能影響的研究

雷 英 強(qiáng), 吳 偉

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

對(duì)于細(xì)小的硅灰顆粒,理論上可以發(fā)揮填充、火山灰以及晶種效應(yīng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)混凝土高性能化與綠色化,因此,近年來將硅灰作為綠色摻合料應(yīng)用于現(xiàn)代混凝土成為研究的熱點(diǎn)。有學(xué)者[1]的研究結(jié)果表明,硅灰替代水泥可以降低混凝土中的水泥用量并可提高其耐久性,證明了硅灰是實(shí)現(xiàn)混凝土高性能化、綠色化的理想材料。

Ye[2]和Belkowitz[3]對(duì)不同粒徑的硅灰對(duì)水泥體系的影響進(jìn)行了研究,其微觀測(cè)試結(jié)果表明硅灰降低空隙率及提高火山灰活性與其粒徑相關(guān)。Thomas[4]研究了硅灰對(duì)硅酸三鈣和水泥水化的影響,發(fā)現(xiàn)只有納米級(jí)硅灰才存在晶核效應(yīng);而不同形態(tài)的硅灰[5](加密、半加密以及原灰)對(duì)混凝土的影響差異明顯,硅灰加密后對(duì)其強(qiáng)度的促進(jìn)效果明顯降低。硅灰具有的極高比表面積和表面能會(huì)導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚,其實(shí)際尺寸會(huì)發(fā)生明顯增加,有研究[6]表明:亞微米級(jí)硅灰團(tuán)聚后其粒徑會(huì)增加至100 μm。以上研究結(jié)果均說明硅灰作為為粉體顆粒,其粒徑對(duì)其在水泥體系或混凝土中的應(yīng)用效果具有重要影響。

筆者在文中提出了利用HB-2D分散劑以實(shí)現(xiàn)快速、簡(jiǎn)易的硅灰預(yù)分散方法,利用有機(jī)總碳測(cè)試儀(TOC)和凝結(jié)時(shí)間評(píng)價(jià)了分散劑對(duì)早期水化的影響,通過偏光顯微鏡、沉降高度評(píng)價(jià)了其分散效果。采用孔隙率、抗?jié)B性表征了預(yù)分散硅灰的填充性,利用強(qiáng)度發(fā)展表征了預(yù)分散硅灰的火山灰效應(yīng)。

2 研究采用的原材料

水泥:拉法基P.O42.5普通硅酸鹽水泥,其渤氏法比表面積為355 m2/kg,密度為3.08 g/cm3,按照《通用硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)》GB175-2007得到的水泥物理性能檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 水泥物理性能檢測(cè)數(shù)據(jù)表

硅灰:成都東藍(lán)星科技公司未加密硅灰,其平均粒徑(激光粒度儀-濕法)為8 μm,按《砂漿和混凝土用硅灰》GB27690-2011得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 硅灰檢測(cè)數(shù)據(jù)表

表3 混凝土配合比表 /kg·m-3

細(xì)骨料為人工破碎骨料,細(xì)度模數(shù)為2.66,表觀密度為2 710 kg/m3,堆積密度為1 610 kg/m3,吸水率為1.1%。粗骨料亦為人工破碎骨料,粒徑為5～16 mm,骨料表觀密度為2 720 kg/m3,堆積密度為1 580 kg/m3,吸水率為0.5%,針片狀含量為5%;減水劑為石家莊市長(zhǎng)安育才建材有限公司出品的GK-3000聚羧酸減水劑,其固含量為40%。消泡劑為日本東邦Sorpol 5053出品的白色粉狀消泡劑,推薦摻量為膠材質(zhì)量的0.02%～0.2%,硅灰分散劑為中國(guó)水利水電第七工程局試驗(yàn)檢測(cè)研究院基于磷酸基聚乙二醇開發(fā)的HB-2D硅灰專用分散劑,其固含量為60%。

試驗(yàn)用混凝土配合比見表 3。

3 試驗(yàn)方法

3.1 預(yù)分散方法

硅灰預(yù)分散的步驟為:(1)在德滿億JJ-1增力電動(dòng)攪拌機(jī)75 rpm轉(zhuǎn)速攪拌條件下稱取600 g自來水中分4次(每次100 g)加入400 g硅灰,每次加入的硅灰只有被充分潤(rùn)濕后方可加入下批次;(2)加入4 g HB-2D分散劑,持續(xù)攪拌約30 min直至硅灰分散均勻且pH值>9;(3)將預(yù)分散硅灰放入容器中密封儲(chǔ)存以便后續(xù)試驗(yàn)使用。

3.2 分散劑吸附量的測(cè)試

采用有機(jī)碳(TOC-L)殘留量法表征硅灰上的分散劑吸附量,其原理為:用加入的分散劑總碳量減去上清液殘留的分散劑總碳量從而得到被吸附的分散劑總碳量,再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出所吸附的分散劑質(zhì)量。

3.3 預(yù)分散硅灰的分散性

對(duì)分散劑吸附量進(jìn)行TOC測(cè)試,所取得的數(shù)據(jù)見表4。

表4 分散劑TOC測(cè)試結(jié)果表

從TOC測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出:隨著分散劑摻量的增加,其分散劑吸附量亦提高。在摻量為1.0%時(shí)進(jìn)入平臺(tái)期或達(dá)到飽和吸附點(diǎn),這樣的規(guī)律與Langmuir吸附和熱力學(xué)吸附平衡規(guī)律吻合,并與前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的分散劑摻量>1.0%時(shí)其分散效果達(dá)到最佳相匹配。但是,按表4吸附量進(jìn)行計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn):介質(zhì)中還有0.15 mg/g的分散劑殘留,說明分散劑即使達(dá)到平衡吸附狀態(tài)亦無法100%吸附。為了保證分散效果,我們?nèi)匀徊捎?.0%的分散劑摻加量進(jìn)行試驗(yàn),并對(duì)分散劑殘留造成的對(duì)早期水化影響導(dǎo)致凝結(jié)時(shí)間變化的程度進(jìn)行了評(píng)估。

將預(yù)分散硅灰和原硅灰加入酒精配制成固體含量為1.0%的溶液,然后用移液槍取10 μL配制懸浮液滴在載玻片上并用蓋玻片密封。使用YJ-2005透射偏光顯微鏡放大(目鏡16×,物鏡40×)640倍進(jìn)行分散性觀測(cè)并用ImageView記錄圖像。

將200 g水泥與200 g蒸餾水混合攪拌1 min,再放入凱特TD5A離心機(jī)內(nèi)以1 000 rpm離心1 min制備水泥上清液,采用上清液模擬實(shí)際水泥漿體中的離子濃度以及堿度對(duì)硅灰分散性的影響。直接對(duì)未處理的硅灰按照3.1中的步驟(1)進(jìn)行處理,但不加入HB-2D硅灰分散劑,配制成固體含量為40%的懸浮液,然后分別在預(yù)分散和未處理硅灰懸浮液中加入10%重量的水泥上清液,在20 ℃條件下靜置24 h,通過測(cè)試沉降度用以表征分散性。

3.4 孔隙率測(cè)試

空隙率測(cè)試采用烘干脫水法處理并采用甲醇法進(jìn)行。因其操作方便且精度介于汞壓法和氮吸附法之間,而且滿足對(duì)含有粗骨料的混凝土的測(cè)試要求(汞壓法及氮吸附法只能測(cè)試漿體孔隙),具體操作步驟如下:將混凝土試塊切割成10 cm×5 cm×10 cm的塊體,然后將其放入100～105 ℃的烘干箱(升溫速率<10 ℃/h)中恒溫干燥24 h,然后緩慢降溫至室溫。取出試塊,用放大鏡檢查其是否存在肉眼可見的裂縫,因?yàn)橹挥袩o裂縫試塊才能用于下一步的試驗(yàn)。

將干燥試塊稱重記為WD,將其放入真空干燥器中,保持真空壓力為5±0.5 Pa,持續(xù)5 h,然后保持真空負(fù)壓條件加入甲醇直至試塊被完全覆蓋。保持負(fù)壓24 h后分別測(cè)試試塊懸吊在甲醇中的重量(WSUS)和試塊表面的干燥重量(WSSD),最后按以下公式進(jìn)行孔隙率P的計(jì)算。

3.5 力學(xué)性能及抗?jié)B性測(cè)試

文中所述的所有試件均采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),成型后在室內(nèi)20±5 ℃的環(huán)境中靜置24 h,然后拆模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室,待其達(dá)到3 d,7 d和28 d齡期時(shí)取出進(jìn)行混凝土性能測(cè)試。對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度以及抗?jié)B性能的測(cè)試按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5150-2017進(jìn)行。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 分散效果

分別對(duì)未處理的硅灰及預(yù)分散的硅灰進(jìn)行觀察。硅灰分散性效果見圖1。

未處理的硅灰

從圖1中可以看出:未處理的硅灰大部分呈現(xiàn)出不同的團(tuán)聚狀態(tài),最嚴(yán)重的團(tuán)聚硅灰直徑至少已經(jīng)達(dá)到單個(gè)硅灰直徑的100倍,其與Zhang觀察到的現(xiàn)象一致;而經(jīng)過預(yù)分散的硅灰均以原始粒徑獨(dú)立存在且在介質(zhì)中均勻分布。由此可以看出:采用HB-2D分散劑處理后的硅灰可以打破團(tuán)聚,從而實(shí)現(xiàn)其在介質(zhì)中的均勻分布。

對(duì)于加入水泥上清液、靜置24 h未處理及預(yù)分散的硅灰懸浮液進(jìn)行了沉降對(duì)比,未處理與預(yù)分散的硅灰懸浮液沉降對(duì)比情況見圖2。

未處理 預(yù)分散

由圖2可以看出:24 h后,未處理的硅灰上清液幾乎完全透明澄清,固體顆粒均沉淀于杯底;而預(yù)分散的硅灰仍然保持良好的懸浮狀態(tài),肉眼無法觀察到分層以及清液析出。由Stock公式可知:在懸浮介質(zhì)一定的情況下,顆粒沉降是因其質(zhì)量不同所致,從而說明未處理的硅灰懸浮液出現(xiàn)了顆粒團(tuán)聚而導(dǎo)致其質(zhì)量增加的現(xiàn)象,而預(yù)分散的硅灰并未出現(xiàn)團(tuán)聚導(dǎo)致顆粒質(zhì)量的增加,其保持了良好的分散性。

4.2 混凝土孔隙率

研究時(shí)分別考察了5%～10%摻量未處理及預(yù)分散硅灰3 d及28 d的孔隙率。不同摻量未處理和預(yù)分散的硅灰孔隙率數(shù)據(jù)見表5。

表5 不同摻量未處理和預(yù)分散的硅灰孔隙率數(shù)據(jù)表

從整體規(guī)律看:無論摻入哪種硅灰以及其位于哪個(gè)齡期,孔隙率均隨著硅灰摻量的增加而減少,說明硅灰分散與否均具有填充效應(yīng)。筆者在5%摻量條件下對(duì)比了兩種硅灰,其3 d孔隙率對(duì)比基準(zhǔn)未處理和預(yù)分散硅灰分別下降了0.40%和1.03%,28 d孔隙率分別下降了0.81%和1.71%。在10%摻量條件下,3 d孔隙率分別下降了0.96%和1.75%,28 d孔隙率分別下降了1.30%～2.27%。從中可以看出:隨著齡期的發(fā)展,混凝土的總體孔隙率呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這與長(zhǎng)時(shí)間水化反應(yīng)生成更多的凝膠導(dǎo)致水泥石致密度增加的規(guī)律吻合。對(duì)于混凝土孔隙率的優(yōu)化幅度,無論是3 d還是7 d,預(yù)分散效果均優(yōu)于未處理硅灰,說明打破團(tuán)聚可以增加硅灰填充效應(yīng)的假設(shè)成立。

4.3 混凝土抗?jié)B及力學(xué)性能

為了驗(yàn)證預(yù)分散是否能提高硅灰的填充效應(yīng),研究時(shí)采用抗?jié)B試驗(yàn)進(jìn)行表征。預(yù)處理硅灰對(duì)抗?jié)B性的影響情況見表6。

表6 預(yù)分散硅灰對(duì)抗?jié)B性影響表

當(dāng)硅灰摻量從4%增加到8%,無論預(yù)分散與否均增加了混凝土的抗?jié)B能力,抗?jié)B等級(jí)從6提高到10,平均滲水高度從100 mm降低至最小14 mm,說明硅灰本身具有填充性。當(dāng)未處理硅灰摻量從4%提高至8%,其滲水高度呈線性下降趨勢(shì),但在10%摻量時(shí)出現(xiàn)了拐點(diǎn),滲水高度反增。而摻入預(yù)分散硅灰后,其平均滲水高度呈良好的線性下降趨勢(shì)。以上結(jié)果說明:隨著未處理硅灰摻量的增加,顆粒相互距離變近,范德華力急劇增加導(dǎo)致出現(xiàn)了很明顯的大顆粒團(tuán)聚,從而造成填充效應(yīng)下降;而預(yù)分散后的硅灰很好地消除了范德華力造成的團(tuán)聚影響,保證了填充效應(yīng)。

摻量為4%、8%和10%時(shí),預(yù)分散硅灰的滲水高度較未處理硅灰分別下降了45%、32%和56%。由此可見:預(yù)分散硅灰對(duì)平均滲水高度的改善優(yōu)于未處理硅灰。由此可知:預(yù)分散可提升硅灰的填充效應(yīng),且在4%摻量下即可達(dá)到未處理硅灰8%摻量的抗?jié)B效果。

研究過程中,對(duì)于0%～10%摻量范圍內(nèi)的兩種硅灰混凝土的1 d、3 d和28 d強(qiáng)度發(fā)展進(jìn)行了對(duì)比,以評(píng)價(jià)預(yù)分散對(duì)硅灰火山灰活性的影響。兩種硅灰對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見表7。

表7 兩種硅灰對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響表

預(yù)分散硅灰在≤6%摻量條件下對(duì)混凝土的1 d強(qiáng)度有少許提升,最大增幅為10.8%,但在≥8%摻量時(shí)其強(qiáng)度與基準(zhǔn)基本持平。預(yù)分散硅灰因其殘留液相的分散劑會(huì)減弱硅灰自身對(duì)混凝土早期水化的促進(jìn)作用。摻兩種硅灰的混凝土3 d強(qiáng)度差異并不明顯,說明3 d齡期時(shí)的殘留分散劑對(duì)于混凝土水化的影響已經(jīng)消失。28 d強(qiáng)度差異明顯,10%摻量下的摻預(yù)分散硅灰混凝土強(qiáng)度較摻未處理硅灰混凝土強(qiáng)度提升了26.2%,摻量為4%時(shí)即達(dá)到未處理硅灰10%摻量的強(qiáng)度水平。

5 結(jié) 語

筆者在文中提出了采用HB-2D分散劑快速、簡(jiǎn)易分散硅灰的方法,研究了該預(yù)分散硅灰的分散性能及其對(duì)混凝土性能的影響,結(jié)論如下:

(1)HB-2D分散劑平衡吸附量為0.9 mg/g時(shí),液相有約0.15 mg/g硅灰的殘留,其會(huì)減弱硅灰早強(qiáng)促進(jìn)水化的作用,但并不會(huì)較基準(zhǔn)延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間和降低1 d強(qiáng)度;

(2)偏光顯微鏡觀察以及沉降試驗(yàn)結(jié)果充分說明硅灰經(jīng)HB-2D預(yù)分散后具有良好的分散性;

(3)硅灰經(jīng)過預(yù)分散后,對(duì)比未處理的硅灰混凝土達(dá)到目標(biāo)擴(kuò)展度所需的減水劑用量可降低19%,混凝土28 d孔隙率降低10%,平均滲水高度可降低原有硅灰水平的56%,說明HB-2D預(yù)分散處理可明顯提升硅灰的填充效應(yīng);

(4)摻預(yù)分散硅灰的混凝土28 d強(qiáng)度較摻未處理硅灰的混凝土強(qiáng)度提高26.2%,其摻量為4%時(shí)即可達(dá)到未處理硅灰10%摻量的強(qiáng)度水平,從而體現(xiàn)出HB2-D預(yù)分散硅灰對(duì)火山灰效應(yīng)的促進(jìn)作用。