礦粉摻量及細度對水工混凝土性能的影響研究

叢亞麗

(昌圖縣水利事務服務中心,遼寧 鐵嶺 112519)

水工混凝土摻粉煤灰、礦粉等礦物摻合料現已成為延緩水化放熱和減少水泥用量的重要手段,這不僅有利于改善混凝土的攪拌、硬化和耐久性能,還具有顯著的經濟性,并且礦物摻合料的使用符合廢物利用標準和可持續發展要求,其社會和經濟效益顯著[1]。然而,礦粉作為最常用的一種摻合料,摻量高且種類多,對早齡期混凝土性能影響較大[2-3]。

美國ACI協會將澆筑成型7d內的齡期定義成混凝土早齡期,該時段性能變化較快,隨著齡期的增長早齡期力學性能也快速變化,對混凝土施工和結構質量影響較大,特別是早齡期彈性模量及強度直接控制著整個施工過程。由于早齡期強度低,在外荷載、干燥收縮、自收縮及自身熱應力作用下混凝土結構極易形成裂縫,早齡期力學性能變化嚴重影響著混凝土結構的使用年限和耐久性能,故試驗分析礦粉混凝土早期力學性能具有重要意義。李軍等[4]試驗探討了不同齡期摻礦粉和粉煤灰混凝土的性能,結果顯示復摻粉煤灰與礦粉時,混凝土強度隨礦粉比例的增加逐漸增大,總摻量為20%時的力學性能最優;劉建忠等[5]試驗研究了混凝土單摻和復摻礦粉、粉煤灰時的抗壓強度,結果表明礦粉或粉煤灰的摻入使得早期強度降低,后期強度快速增長且復摻條件下更加顯著;Mesbah等利用數值模擬建立了混凝土動、靜彈模量之間的關系,通過超聲波法探究早齡期動彈模量變化特征。雖然許多學者試驗探究了早齡期力學性能,但考慮礦粉對水泥凈漿和水工混凝土性能的影響研究還較少。因此,文章通過試驗測試探討了礦粉摻量及細度對水泥基材料流動度、凝結時間、力學性能和標準稠度的影響,并結合試驗數據提出不同礦粉類型的最優摻量,以期為礦粉混凝土在水利工程中的廣泛應用提供一定技術支持。

1 試驗方法

1.1 原材料

1)水泥。朝陽市振東水泥廠生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥,標稠用水量25.6%,比表面積3340cm2/g,密度3.15g/cm3,水泥化學成分與性能指標,見表1。

表1 水泥化學成分與性能指標

2)礦粉。鞍山大石橋鑫宇礦粉廠生產的S95級普通礦粉和濟南魯新生產的超細礦粉,礦粉主要特征參數,見表2。

表2 礦粉主要特征參數

3)集料。粗集料用鐵嶺市鵬程石料廠提供的粒級5～25mm花崗巖碎石,壓碎指標4.6%,含泥量0.8%;細集料用四寨子砂場提供的天然中砂,細度模數2.62,表觀密度2720kg/m3,含泥量1.0%。

4)外加劑。試驗用蘇博特PCA-Ⅶ聚羧酸高效減水劑,固含量為40%,液態,減水率≥28%,拌合水用當地自來水。

1.2 配合比設計

為探討礦粉摻量及細度對凝結時間和標準稠度的影響作用,凝結時間、標準稠度試驗配合比,見表3;為研究礦粉摻量及細度對抗壓強度的影響作用,試驗設計水泥和混凝土配合比,抗壓強度試驗配合比,見表4。

表3 凝結時間、標準稠度試驗配合比

表4 抗壓強度試驗配合比 kg/m3

2 結果與分析

2.1 水泥標稠和凝結時間

摻超細礦粉和S95級礦粉水泥,水泥凈漿凝結時間和標準稠度,見圖1。由圖1(a)可知,水泥凈漿標稠需水量隨S95礦粉摻量的增加而減小,摻20%S95礦粉的標稠需水量較少,繼續增大礦粉摻量其需水量不再改變,雖然摻入S95礦粉能夠在一定程度上降低水泥凈漿標稠需水量,但降幅不明顯;超細礦粉的摻入會增大漿體標稠需水量,且水泥凈漿標稠需水量隨超細礦粉摻量的增加明顯提高。

(a)標準稠度

這是因為S95礦粉較水泥顆粒的細度更小,通過發揮微集料和填充效應降低水泥基體內部空隙,由此置換出的水分相當于增加了拌合物的表面水量,在一定程度上起到潤滑作用,有利于改善漿體流動性,所以利用S95礦粉等量替代水泥能夠降低標稠需水量[6]。采用比表面積較大的超細礦粉等量替代水泥,由于超細礦粉細度過小,顆粒間的摩擦較大,從而使得水泥漿體達到標準稠度時具有較高的用水量,即標稠需水量明顯增大。

由圖1(b)可知,摻入S95礦粉和超細礦粉均會在不同程度上延長漿體的凝結時間,并且凝結時間隨著礦粉摻量的提高而增大;水泥漿體凝結時間受超細礦粉的影響作用要高于S95礦粉,但不同礦粉對凝結時間的影響差異性較小。

2.2 水泥凈漿流動度

摻S95礦粉與超細礦粉水泥凈漿流動度,水泥凈漿流動度,見表5。由表5可知,水泥漿體流動度隨S95礦粉摻量的增加不斷增大。摻S95礦粉時,水泥漿體30min流動度有所減小,而60min時略有回升。這是因為S95礦粉顆粒較小、比表面積較大,有一定量的水分填充在水泥顆粒之間的空隙中,而摻入顆粒較小的礦粉可以填充這部分空隙,將內部包裹的自由水釋放出來,這相當于增大了漿體自由水量,對水泥漿體具有一定潤滑作用,從而提高了整個體系的流動度[7]。

表5 水泥凈漿流動度

摻入超細礦粉會明顯降低漿體流動度,摻量越高其流動度性差,且漿體流動度隨時間的延長不斷減小。超細礦粉與水泥顆粒相比小很多,其比表面積明顯較大,具有更強的水吸附能力,摻入超細礦粉后悔吸附較多減水劑和水。同時,超細礦粉是一種無定性的膠凝性顆粒,礦粉顆粒間存在較大的滑動阻力,這直接決定著漿體的流動度,超細礦粉間的摩擦力隨其摻量的增加不斷增大,相應的流動度也逐漸降低。因此,水泥漿體摻S95礦粉有利于改善其流動性,而超細礦粉的摻入會降低其流動度。

2.3 力學性能試驗

礦粉的摻入會改變水泥體系組成,并進一步使得整體強度發生改變,水泥漿體7d、28d抗壓強度隨著不同礦粉摻量的變化趨勢,水泥凈漿抗壓強度,見圖2。

(a)S95礦粉

由圖2(a)可知,摻礦粉水泥凈漿低于純水泥基體的早齡期(7d)抗壓強度,這是因為水泥熟料的礦物組成及含量是水泥凝結硬化的主要來源,S95礦粉的摻入相當于降低了凈漿中C3S含量,由于C3S具有較快的水化速率,其直接決定著水泥早期強度,所以C3S含量減少使早期強度偏低。隨著水化的持續,礦粉逐漸發揮填充效應和火山灰活性,摻入S95礦粉能夠優化漿體微觀結構,改善漿體密實性,有利于提高其后期強度,故摻S95礦粉高于純水泥基體的28d抗壓強度。由圖2(b)可知,摻超細礦粉相較于S95礦粉的水泥凈漿早齡期(7d)抗壓強度有所提高,但低于純水泥基體,其后期(28d)抗壓強度高于純水泥基體。摻20%超細礦粉的水泥凈漿28d抗壓強度最高,對于水泥水化超細礦粉發揮著微晶核作用,其活性被激發后可以降低Ca(OH)2濃度,從而加速水化反應,改善水泥基體的整體致密性。

水工混凝土7d、28d抗壓強度隨著不同礦粉摻量的變化趨勢,水工混凝土抗壓強度,見圖3。從圖3(a)可以看出,摻10%S95礦粉時試件的7d抗壓強度最高,摻20%S95礦粉時試件的28d抗壓強度最高;從圖3(b)可以看出,摻20%超細礦粉時試件的7d抗壓強度最高,摻10%超細礦粉時試件的28d抗壓強度最高。礦粉的摻入會明顯提高早齡期(7d)抗壓強度,對于后期強度的增強作用相對較緩,故摻礦粉水工混凝土強度早期增速較快,后期逐漸放緩。

(a)S95礦粉

礦粉對砂漿、凈漿強度的影響作用與水工混凝土相比存在一定差異,將礦粉摻入混凝土中具有微集料、火山灰效應和潛在水硬性,礦粉與水泥組成復合膠凝材料可以改善水泥漿體的孔結構,提高骨料界面與水泥石之間的黏結強度,在低水膠比情況下摻入高效減水劑可以配制出強度、密實度較高的混凝土。研究表明,水泥石與骨料之間的界面是整個體系中最薄弱的部位,摻入礦粉能夠改善界面過渡層結構,從而提高整體力學性能[8-10]。水化產物Ca(OH)2與界面過渡層中的集料一側相近,而界面附近的Ca(OH)2對強度是不利的,礦粉的加入可以減少過渡層厚度,原片狀結構的Ca(OH)2也會逐漸被網狀的水化物替代,這有利于增大界面強度,故礦粉的摻入能夠增強混凝土強度[11-12]。

3 結 論

1)水泥漿體摻S95級礦粉有利于減少標稠需水量,未摻礦粉組的標稠水灰比為0.255,摻20%S95礦粉的水泥漿體標稠水灰比0.250,水灰比減小代表達到標稠時的用水量降低,進一步提高摻量標稠水灰比不發生改變;水泥漿體摻超細礦粉會增大標稠需水量,摻30%超細礦粉時的標稠水灰比達到0.320,說明摻超細礦粉會使得達到標稠時的用水量提高;S95礦粉和超細礦粉均會在一定程度上延長漿體的凝結時間,并且凝結時間隨著摻量的提高而增大,但不同礦粉對凝結時間的影響差異性較小。

2)水泥漿體流動度隨S95礦粉摻量的增加不斷增大,摻40%S95礦粉時的流動度最高達到280mm;摻入超細礦粉會明顯降低漿體流動度,摻量越高其流動度性差,且漿體流動度隨時間的延長不斷減小,摻40%超細礦粉的流動度最小只有125mm。

3)未摻礦粉水工混凝土7d、28d抗壓強度分別為57.6MPa和62.8MPa。礦粉的摻入會在一定程度上提高混凝土強度,摻10%S95礦粉組7d強度最高達到64.6MPa,摻20%S95礦粉組的28d強度最高為73.2MPa,故S95礦粉的最優摻量為10%～20%;摻20%超細礦粉組7d強度最高達到72.8MPa,摻10%超細礦粉組的28d強度最高為80.1MPa,故超細礦粉的最優摻量為10%～20%。在摻量最優條件下,超細礦粉對強度的增強作用高于S95礦粉。