復摻礦粉、粉煤灰與石粉水工混凝土耐久性研究

計興旺

(喀左縣水利事務服務中心,遼寧 朝陽 122300)

在水泥基材料中石粉作為一種惰性材料所發揮的功能協同效應逐漸引起研究學者們的重點關注,科學利用石粉替代部分或全部礦物摻合料能夠緩解材料供應緊張的局面,有利于降低混凝土成本[1]。實際工程中的石粉應用主要分為替代水泥和替代砂兩個方面,如王旭昊等[2]研究發現石粉替代5%～8%機制砂時的試塊抗壓強度最優;劉強等[3]認為摻入石粉會減少拌和物擴展度,但隨著石粉摻量的增大其抗滲性能和抗壓強度顯著上升;肖斐等[4]研究表明石粉含量和比表面積過大會減少試塊強度和工作性能,摻10%比表面積12000cm2/g石粉時的綜合性能最優;Zhu等研究發現石粉摻量過高會減少C-S-H凝膠含量,對強度發展造成不利影響;彭艷周等[5]認為摻入適量石粉有利于改善水化放熱和混凝土收縮性能,隨著石粉摻量的增大其收縮和水化性能表現出先上升后下降的變化趨勢。

增效劑是一種能夠提高水泥水化程度和分散效果的新型外加劑,在保證綜合性能的條件下該外加劑有利于減少水泥用量,符合低碳化節能環保和可持續發展理念[6]。目前,CTF是研究應用較多的增效劑,可以提升密實性、分散性、可泵性以及強度,實際應用時可以節約10%～15%水泥用量,增大表觀漿體,減少裂縫的形成,由于其優異的增強效能已被廣泛應用于實踐工程[7-8]。

目前,研究應用礦粉、粉煤灰已較為成熟,而探討礦粉、粉煤灰與石粉多元復摻方式的還鮮有報道。鑒于此,文章在雙摻礦粉與粉煤灰的情況下,按照不同比例等量替代石粉,并摻入CTF增效劑進行對比分析,系統探討水工混凝土抗滲性、工作性以及力學強度受CTF增效劑與摻合料多元復摻的影響。

1 材料與方法

1.1 原材料

1)水泥:海螺P·O42.5級水泥,安定性合格,初、終凝時間140min和245min,標稠用水量27.2%,水泥的主要性能指標,見表1。

表1 水泥的主要性能指標

2)摻合料:誠遠S95級礦渣粉和石灰石粉,恒翔F類Ⅱ級粉煤灰,三者的比表面積分別為480、402和446m2/kg。

3)骨料:連續級配花崗巖碎石和河砂,石的粒徑5～31.5mm之間。

4)外加劑:聚羧酸高效減水劑,固含量24.1%,減水率28%;試驗選用CTF液體增效劑,推薦摻量0.5%～0.8%(膠材用量),pH值10.6。拌和水為當地自來水。

1.2 測試方法

試驗固定砂率和水膠比不變,礦粉與粉煤灰摻量為20%,采用等量替代的方式以25%、50%、100%的石粉替代礦粉與粉煤灰,并摻入CTF增效劑為試驗對比組,配合比設計如表2所示。其中J-1～J-7表示基準組,S-1～S-7表示在基準組中摻入0.8%的CTF增效劑。試驗配合比設計,見表2。

表2 試驗配合比設計

根據《水工混凝土試驗規程》測定拌和物擴展度、坍落度以及不同齡期的抗壓強度,按照ASTMC1202標準測定各組試塊標養28d齡期的6h電通量。

2 結果與分析

2.1 拌和物工作性能

混凝土擴展度、坍落度和強度,見表3。由表3可知,在不改變砂率和水膠比的條件下,按照等量替代的方式摻入石粉,摻石粉組整體優于不摻組的工作性能,并以摻25%石粉組的拌和物性能最優,拌和物工作性能隨石粉替代量的增加呈先增大后減小的變化特征。這是因為石粉相較于粉煤灰的細度更小,表面光滑的石粉顆粒及其填充效應具有解絮作用,通過釋放一定的自由水使得拌和物流動性明顯改善,而替代量的進一步增大使得具有較大比表面積的石粉要有更多的水分濕潤,大大降低了拌和物流動性,為達到一定流動性就要增大減水劑摻量[9]。另外,等量摻入較小密度的石粉會增加表觀漿體,明顯降低新拌混凝土黏度,而摻量達到50%以上時其包裹性與黏聚性下降,試配過程中發現一定的跑漿現象。

表3 混凝土擴展度、坍落度和強度

對于摻CTF增效劑(編號S-1～S-7)組,隨石粉替代量的增加新拌混凝土工作性能逐漸提升,并且試配時未發現跑漿或黏聚性變差的情況,表明礦粉、粉煤灰、石粉與CTF增效劑具有良好的相容性,可以在改善拌和物的和易性[10-11]。

2.2 力學性能

由表3可知,在不改變砂率和水膠比的條件下,按照等量替代的方式將不同比例的石粉代替粉煤灰,摻石粉組整體小于不摻組的28d強度,但替代量≤50%時石粉對各齡期強度的影響不大;石粉等量替代100%粉煤灰時不利于后期強度的發展,如J-4組試件90d強度相比于J-0組減小9.1MPa;石粉等量替代100%礦粉會在不同程度上降低各齡期強度,如J-4組試件90d強度相比于J-0組減小15.2MPa。

以J-1未摻石粉組試件28d強度為基準,計算分析各組試件不同齡期的強度增長率,抗壓強度測試值,見圖1。由圖1可知,早期強度增長率受石粉是否摻入的影響較小,從3d到28d各組試件強度增長率處于40.9%～47.1%之間變化范圍;混凝土后期強度增長率隨石粉對粉煤灰替代量的增加表現出先上升后下降的變化趨勢,石粉完全替代粉煤灰時J-4組的56d、90d齡期強度基本不變;混凝土28d后的強度增長率隨石粉對礦粉替代量的增加表現出逐漸下降趨勢,如J-5組的56d到90d強度增長率為21.0%,J-6組的56d到90d的強度增長率明顯下降到17.11%,該變化趨勢可能與石粉的低火山灰活性有關,礦粉或粉煤灰用量隨石粉替代量的增加而下降,自然在一定程度上影響后期強度的發展[12-13]。

圖1 抗壓強度測試值

此外,隨石粉替代量的增加摻CTF增效劑試件的強度變化規律與未摻增效劑組基本相同,但摻CTF增效劑試件的各齡期強度整體較高。

2.3 抗氯離子滲透性能

標養28d時各組試件的電通量測試結果如表4所示,結果顯示除石粉全部替代礦粉的J-7組和S-7組外,其它各組的電通量和氯離子滲透性均較小。

表4 標養28d電通量

電通量變化規律,見圖2。由圖2可知,石粉的摻入可以在一定程度上提高電通量,并且隨摻量的上升表現出逐漸增大的趨勢,說明石粉會降低試件的抗離子滲透性;對于石粉完全替代礦粉的J-7組和S-7組,其電通量明顯高于其它組,這表明礦粉具有顯著的抗氯離子滲透性改善作用。根據電通量測試結果,在不改變砂率、水膠比及其它條件的情況下,摻入CTF增效劑可以在一定程度上改善抗氯離子滲透性。

圖2 電通量變化規律

3 結 論

1)按照等量替代的方式將不同比例的石粉替代粉煤灰,能夠明顯提升拌和物工作性能,替代量≤50%時石粉對各齡期強度的影響不大,當粉煤灰被石粉完全替代時則不利于后期強度發展;石粉對礦粉的替代量>50%時會明顯降低拌和物流動性,礦粉被石粉完全替代時會在不同程度上降低各個齡期強度。

2)石粉替代礦粉或粉煤灰會在一定程度上增大電通量,并且替代量越大電通量越高,說明石粉的摻入不利于抗氯離子滲透性的改善。

3)綜合考慮抗氯離子滲透性、力學強度和工作性能,石粉替代粉煤灰要小于替代礦粉所產生的影響。礦粉、粉煤灰、石粉與CTF增效劑具有良好的相容性,可以在一定程度上改善混凝土和易性、抗氯離子滲透性及抗壓強度。