平涼地區石灰石粉對外加劑吸附性能的影響

蘇維維,赫海平,劉林朋,劉文生,任龍芳,夏京亮

(1.平涼市新世紀建材有限責任公司,平涼 744024;2.中國建筑科學研究院有限公司,北京 100013)

混凝土作為使用量最大的土木工程材料,隨著我國基礎建設的不斷發展,用量逐漸增加。混凝土用礦物摻合料如粉煤灰、礦渣粉等供不應求,儲量和質量已難以滿足當前工程量需求,許多地區面臨優質礦物摻和料短缺的境況。近年來,國內外眾多學者[1-3]開展了利用地域性原材料開發優質礦物摻合料的研究,將天然巖石粉作為摻合料替代水泥或部分傳統礦物摻合料,配制出了性能優良的混凝土。

研究發現[4,5],石灰石粉用于混凝土中可以改善混凝土體系的微細顆粒體系級配組成,減少新拌混凝土的泌水和離析,改善和易性;而且石灰石粉需水量小,合理摻用可有效降低混凝土用水量。一般來說,水泥和礦物摻合料僅有一部分參與水化反應形成水化產物,其余實際上只起到填料作用。若顆粒粒度分布不合理,其填充效率低下,所形成的混凝土內部結構空隙率較大,則會降低混凝土強度和耐久性。若利用石灰石粉取代這部分只發揮填料的膠凝材料,且發揮更加有效的填充作用,則可以配制出性價比高的高性能混凝土。

雖然相關研究證明石灰石粉用于混凝土中可以發揮一定的微集料效應、微晶核效應和活性效應,但地域性不同,石灰石粉的性能差異較大,對混凝土性能的影響不同。目前關于石灰石粉的研究大多集中在石灰石粉不同摻量和細度等對于混凝土性能影響[6,7],石灰石粉本身對于外加劑吸附性能方面的研究成果還較少。經調研,甘肅平涼地區石灰石儲量豐富,機制砂生產廠家較多,石灰石機制砂已逐漸替代河砂用于混凝土制備,但石灰石機制砂生產過程中容易產生大量的石灰石粉副產品。這些得不到有效利用,多被廢棄填埋或堆積,不僅會造成資源浪費,而且容易污染環境。為更好的消納機制砂生產過程中產生的石灰石粉副產物、提升混凝土工程質量,論文結合平涼地區的石灰石粉特性,重點研究了石灰石粉對外加劑吸附性能的影響,進而更好地確定在使用石灰石粉作為礦物摻合料時外加劑的選擇和用量,對建設工程中同時摻加石灰石粉和減水劑的情況提供參考,以期推動機制砂石灰石粉在平涼地區的應用。

1 試 驗

1.1 原材料

1)石灰石粉:主要采用平涼地區生產的石灰石粉,主要技術指標如表1所示。

表1 石灰石粉性能指標

2)外加劑:市售聚羧酸減水劑、萘系減水劑和脂肪族減水劑。

3)水泥:PO42.5水泥,比表面積310 m2/kg,初凝時間110 min,終凝時間198 min,3 d抗壓強度20.5 MPa、28 d抗壓強度49.0 MPa。

4)其他試驗材料:試驗用水采用自來水、制作膠砂采用標準砂。

1.2 配合比設計

試驗分別采用石灰石粉以10%～40%比例取代水泥,在低水膠比、摻聚羧酸減水劑的情況下制備膠砂,研究石灰石粉摻量對膠砂流動性、凝結時間和力學性能的影響。試驗配合比如表2所示。

表2 石灰石粉吸附試驗配合比

選取3種具有代表性的減水劑(聚羧酸減水劑、萘系減水劑和脂肪族減水劑),調節減水劑用量,使膠砂流動度比在(220±10)mm,研究石灰石粉對不同減水劑的吸附性能。試驗配合比如表3所示。

表3 石灰石粉對不同減水劑吸附性能試驗配合比

1.3 試驗方法

石灰石粉的細度、活性指數、流動度比、含水量及MB值均參照標準GB/T 30190—2013《石灰石粉混凝土》的方法進行測量;比表面積參照 GB/T 8074—2008《水泥比表面積測定方法 勃氏法》進行測定。

試驗分為兩部分進行,首先研究不同石灰石粉摻量對聚羧酸減水劑的吸附性能;其次是研究石灰石粉對不同減水劑的吸附效果,主要分析不同石灰石粉摻量下,膠砂達到相同的流動度所需的不同減水劑的用量。

2 結果與分析

2.1 不同石灰石粉摻量對聚羧酸減水劑吸附性能影響

2.1.1 對膠砂工作性能的影響

不同摻量石灰石粉在低水膠比(0.38)高聚羧酸減水劑摻量(1.6%)情況下的流動度比如圖1所示。從圖1中可以看出,摻加石灰石粉會導致膠砂流動度下降,并且下降程度隨著摻量增加而增大。流動度與石灰石粉摻量之間的關系如圖2所示。

從圖2中可以看到,石灰石粉摻量和流動度基本呈線性關系,隨著石灰石粉摻量增加,膠砂流動度下降,石灰石粉摻量與水泥砂漿流動度之間的線性關系可以表示為

D=-0.568c+182.625

R2=0.956 5

0≤c≤40

式中,D為水泥砂漿流動度;c為石灰石粉摻量;R2為線性相關系數。

在不摻加減水劑的條件下,摻加30%石灰石粉的水泥膠砂流動度比為103%,說明石灰石粉具有一定的減水作用。但是加入減水劑后測量得到的石灰石粉流動度降低,這是因為減水劑要發揮作用,首先需要吸附在水泥表面,而水泥顆粒和減水劑之間存在吸附競爭關系,減水劑吸附在石灰石粉表面導致能夠發揮減水效果的有效減水劑含量減少,降低了減水劑的減水作用。

2.1.2 對膠砂活性指數的影響

聚羧酸減水劑對石灰石粉膠砂活性指數的影響如圖3所示。從圖3中可以看出,隨著石灰石粉的摻量增加,膠砂7 d、28 d的活性指數均有所下降。當石灰石粉摻量30%時,膠砂7 d活性指數為68%,28 d活性指數為74%。隨著石灰石粉摻量增加,膠砂7 d、28 d活性指數逐漸低于60%。當石灰石粉摻量35%時,膠砂7 d活性指數為59%;當石灰石粉摻量為40%時,膠砂7 d活性指數為56%,28 d活性指數為58%。因此,摻加聚羧酸減水劑情況下,石灰石粉摻量不宜高于30%。

石灰石粉加入后膠砂強度下降主要原因是其取代了一部分原材料中的水泥,而石灰石粉在膠凝材料中水化活性很弱,很多研究中主要作為惰性材料考慮,導致最終的水化產物減少,強度下降明顯。

2.1.3 對膠砂凝結時間的影響

不同石灰石粉摻量的膠砂的初凝時間和終凝時間如圖4所示。從圖4中可以看到,在膠凝材料中摻加石灰石粉會導致膠砂的初凝時間和終凝時間均縮短,并且隨著摻量的增大,凝結時間也不斷縮短。但是初凝時間的縮短程度相較于終凝時間的縮短程度更大。

這種凝結時間的縮短主要是因為石灰石粉在膠凝材料中具有稀釋作用與成核作用。稀釋作用使得在石灰石粉加入后,水泥顆粒之間的距離增大,與水的接觸相對增大,這加快了水泥的水化速度,進而縮短膠砂的凝結時間。成核效應使得摻加的石灰石粉在水泥水化過程中提供了成核位點,幫助C-S-H凝膠從亞穩態凝結,凝結后的固相凝膠繼續吸附在顆粒表面,加速了水泥的水化。但是這種稀釋效應和成核效應在水化前期較為明顯,對水化后期的影響不大。

2.2 石灰石粉對不同減水劑的吸附性能影響

不同摻量石灰石粉在低水膠比下制備的膠砂達到相同流動度所需要的減水劑摻量如圖5所示。從圖5中可以看出,隨石灰石粉摻量的增加,3種減水劑用量都有所增加,說明石灰石粉對減水劑有一定吸附性。通常,達到相同的流動度摻加的減水劑越多,石灰石粉對減水劑的吸附性能越強,當石灰石粉摻量為10%時,膠砂流動度達到200 mm所需的減水劑用量萘系減水劑是聚羧酸減水劑的150%,脂肪族減水劑是聚羧酸減水劑的162%;當石灰石粉摻量為20%時,膠砂流動度達到200 mm所需的減水劑用量萘系減水劑是聚羧酸減水劑的150%,脂肪族減水劑是聚羧酸減水劑的150%;當石灰石粉摻量為30%時,膠砂流動度達到200 mm所需的減水劑用量萘系減水劑是聚羧酸減水劑的175%,脂肪族減水劑是聚羧酸減水劑的192%。可見,聚羧酸減水劑與石灰石粉的相容性要優于萘系減水劑和脂肪族減水劑。且隨著石灰石粉摻量的增加,影響越顯著。通常石灰石粉對減水劑的吸附為單分子吸附,和減水劑的化學組成相關,吸附作用強于水泥對減水劑的吸附。3種減水劑的化學成分不同,吸附作用力也不同。

不同減水劑對30%摻量石灰石粉的膠砂的活性指數影響如圖6所示。從圖6中可以看出,3種減水劑對石灰石粉膠砂的強度影響規律一致,隨著齡期的延長,膠砂的活性指數增加,且3種減水劑制備的膠砂的7 d和28 d活性指數均高于60%。聚羧酸減水劑對膠砂活性指數的影響小于萘系減水劑小于脂肪族減水劑,因此,在摻加減水劑的情況下,優選考慮使用聚羧酸減水劑。

3 結 論

a.在低水膠比且摻加聚羧酸減水劑時,膠砂的流動度隨著石灰石粉摻量的增加而降低,二者呈負線性相關。石灰石粉與水泥之間對減水劑存在吸附競爭關系,導致吸附在水泥表面的發揮作用的有效減水劑含量降低。

b.在摻加聚羧酸減水劑時,石灰石粉的加入會降低膠砂的活性指數,導致凝結時間縮短,主要考慮石灰石粉的稀釋效應與成核效應。石灰石粉摻量不宜高于30%。

c.石灰石粉對不同減水劑的吸附性不同,聚羧酸減水劑與石灰石粉的相容性要優于萘系減水劑和脂肪族減水劑。在摻加減水劑的情況下,優選考慮使用聚羧酸減水劑。