沸石粉部分替代粉煤灰對混凝土性能的影響研究

□□ 黃 瑤,唐偉桐,甘元初,侯慶振 (南華大學 土木工程學院,湖南 衡陽 421001)

引言

沸石廣泛分布于世界各地,礦床數量有1 000多個,種類豐富,現有統計已達40余種,在我國已發現近400處沸石礦床,主要分布在黑龍江、浙江、廣西和海南等21省,總儲量在30億t左右[5]。沸石粉由天然沸石研磨而成,呈白色或淡綠色,與傳統礦物摻合料相比,具有產量大、易開采和價格低廉的優勢,不少學者用沸石粉直接代替水泥制備混凝土。曹雄[6]研究發現,拌合初期沸石粉因其多孔結構會吸附環境中的游離水導致混凝土坍落度和流動性減小,杜文瀚等[7]、譚多枝等[8]和Mahadeb D等[9]研究表明,沸石粉與常見的硅灰、粉煤灰、礦渣等礦物摻合料一樣具有火山灰活性,可以與水泥水化產物Ca(OH)2產生二次火山灰效應,保證混凝土的后期強度。朱珊等[10]研究表明,摻入沸石粉后混凝土的抗壓強度與抗折強度隨著沸石粉摻量的增加呈現先增大后降低的趨勢,其中沸石粉含量為10%～20%時混凝土抗壓強度會有所提高。Zadeh P M等[11]的試驗表明,沸石摻入量為10%的混凝土試樣抗壓強度和抗彎強度分別提高了3.7%和17.85%。也有學者對沸石粉與其他礦物摻合料的復摻開展了研究,劉業金[12]試驗表明復摻沸石粉和玻璃粉會降低混凝土的早期抗壓強度,但可提高其后期抗壓強度。明陽等[13]在對沸石粉-石灰石粉復摻的試驗中,得出制備混凝土的適宜配合比。

學者們積極開展了尋找替代粉煤灰作輔助膠凝材料的研究,沸石粉具有良好的經濟性和適用性?，F將以沸石粉替代粉煤灰,研究不同替代率下摻沸石粉混凝土的施工性能和力學性能,并在適宜替代率基礎上,探究不同水膠比對其力學性能的影響,為沸石粉取代粉煤灰作為輔助膠凝材料提供理論依據和實踐參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥:選用南方牌P·O 42.5水泥(C)。

粉煤灰:F類Ⅱ級粉煤灰(FA)。

沸石粉(ZP):河南鞏義生產,白色粉末,比表面積為500～800 m2·kg-1,滿足I級標準。

水泥、粉煤灰及沸石粉的主要化學成分見表1。

粗骨料:粒徑為5～20 mm的連續級配碎石。

細骨料:Ⅱ區機制砂,細度模數為2.8。

減水劑:聚羧酸系高效減水劑,產地為湖南省,減水率25%左右。

水:標準自來水。

1.2 配合比

為研究沸石粉部分替代粉煤灰對混凝土的影響,以粉煤灰占總膠凝材料20%為基準組(質量分數,下同),砂率固定為40%,設計了3個沸石粉替代率和3組水膠比,配合比見表2。其中,沸石粉等質量取代粉煤灰的摻量分別為20%、40%和60%;水膠比依次為0.38、0.41和0.44。

表2 混凝土配合比設計

由于外加劑摻量對摻沸石粉混凝土影響較大,故水膠比為0.38時設置了A和B兩組外加劑摻量進行對比,A組外加劑摻量固定為膠凝材料的1.00%;B組隨沸石粉替代率逐漸升高,其摻量依次為1.10%、1.15%、1.20%和1.30%。

1.3 試驗方法

當沸石粉替代率變化時,通過調整外加劑摻量保證混凝土坍落度范圍為160～200 mm,以外加劑摻量為主要因素評估施工性能?；炷撂涠葴y試按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試?？箟簭姸群团芽估瓘姸纫罁礼B/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行測試。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體,自然養護1 d后,移至溫度為20 ℃、相對濕度為95%的標準養護室,立方體抗壓試驗和劈裂抗拉試驗齡期為3 d、7 d、28 d,每3個為一組,取其平均值,共計養護216個試件。

2 結果與分析

2.1 沸石粉替代率對工作性能的影響

沸石粉替代率對工作性能的影響如圖1所示。圖1(b)為不同沸石粉取代率的混凝土達到坍落度要求。由圖1(a)試驗結果可知,隨著沸石粉取代率的增加,混凝土的坍落度逐漸下降,這是由于沸石粉的多孔結構會在拌和過程中吸附拌和用水。在較低替代率下,混凝土坍落度損失不大,試驗中低摻量的沸石粉還提高了混凝土的粘聚性;但是當替代率達到60%時,混凝土的坍落度損失加劇,與初始坍落度相差約40 mm。為使混凝土的坍落度保持在同一水平,且粘聚性、流動性保持良好,在較低替代率下,隨著替代率每增加20%,外加劑摻量增幅為0.05%;替代率≥60%時,外加劑摻量增幅應適當增大但不宜>0.1%。這是因為隨著沸石粉替代率的增加,相應的粉煤灰摻量也會減少,粉煤灰對工作性能的改善效果隨之減弱,這也表明沸石粉對坍落度的負面影響大于粉煤灰的正面改善效果,為使混凝土保持良好的施工性能,工程中需對外加劑摻量加以控制。

圖1 沸石粉替代率對工作性能的影響

2.2 沸石粉替代率對抗壓強度的影響

沸石粉替代率對混凝土抗壓強度的影響如圖2所示。從圖2中可以看出,在不同的水膠比組別中,隨著替代率的增加,抗壓強度總體呈下降趨勢。與ZP0相比,ZP20、ZP40及ZP60的3 d和7 d抗壓強度損失顯著,下降幅度均在10%～15%。這說明沸石粉替代粉煤灰會導致混凝土早期強度下降,可能是因為沸石粉的活性未能充分發揮,不能抵消其帶來的負面影響。但當達到標準齡期后,ZP20抗壓強度與ZP0比較基本持平或稍有下降,降幅<3%;ZP40強度相比ZP0大體相當甚至有所提高;呈現這種現象是因為隨著水化反應的進行,一方面是得益于沸石粉獨特的多孔格架狀構造帶來的大內比表面積,使其內部的活性成分SiO2和Al2O3易于與膠凝體系充分接觸,且沸石粉在前期拌合過程中吸收的水分會緩慢釋放出來,可促進膠凝體系的持續水化,混凝土內部的自養護可充分發揮材料的活性[14],提高強度;另一方面是沸石粉與水泥水化產物Ca(OH)2產生火山灰反應,生成可提高混凝土強度的水化硅酸鈣膠凝體[15],增益水化過程并增加水化產物數量,進而提高了后期強度。

圖2 沸石粉替代率對抗壓強度的影響

替代率>40%時,ZP60強度降低幅度陡增,較ZP0強度損失>10%。這可能是因為沸石粉過量取代了粉煤灰,其占總膠凝材料的比例>10%,相應的膠凝體系中活性更高的熟料礦物占比減少,沸石粉的火山灰效應此時已不能彌補這部分損失。另外,沸石粉含量偏多,可能會導致混凝土的孔隙率增長,對混凝土抗壓強度產生不利影響[16]。

2.3 沸石粉替代率對劈裂抗拉強度的影響

沸石粉替代率對混凝土劈裂抗拉強度的影響如圖3所示。由圖3可以看到,隨著沸石粉替代率的增加,劈裂抗拉強度的變化規律亦大致呈下降趨勢,不同水膠比強度變化規律情況略微有些不同,這可能是由于配合比的變化。其中ZP40的劈裂抗拉性能較好,其28 d強度普遍高于ZP0基準組或略微下降。而當替代率升至60%時,強度顯著下降,與其在抗壓強度上的表現相同,機理與抗壓強度在替代率較大時一致。從圖3中還可以看到,混凝土的3 d與7 d強度沒有同齡期的抗壓強度差距大,說明在養護前期混凝土的劈裂抗拉強度發展緩慢。這可能是因為沸石粉參與水化過程較慢,在早齡期混凝土中骨料與膠凝材料、砂漿的粘結程度較低。

圖3 沸石粉替代率對劈裂抗拉強度的影響

2.4 沸石粉替代率對拉壓比的影響

拉壓比是表征混凝土脆性的重要指標,拉壓比越大,其延性與韌性更好[17]。各組試塊的7 d與28 d拉壓比試驗結果見表3。由表3可以看出,隨著沸石粉替代率的增加,早齡期拉壓比均有所提升,而隨著齡期增長,不同替代率的混凝土拉壓比與ZP0基準組差別不大,但ZP60拉壓比較ZP0出現小幅降低。這說明沸石粉替代粉煤灰可以增大早齡期拉壓比,提高混凝土的早期韌性;在后期沸石粉摻量過大出現拉壓比下降的現象。這可能是由于硬化后混凝土孔隙率增大,對混凝土的劈裂抗拉強度造成負面影響。

表3 混凝土拉壓比試驗結果

2.5 水膠比對沸石粉混凝土力學性能的影響

不同水膠比對沸石粉取代40%粉煤灰的混凝土力學性能影響如圖4所示。從圖4中可知,沸石粉取代粉煤灰混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度均隨水膠比的增加而不斷下降。3 d和7 d強度變化規律為:水膠比每增大0.03,抗壓強度下降約15%,劈裂抗拉強度下降10%左右;養護到標準齡期28 d時,水膠比為0.38、0.41和0.44的抗壓強度分別是49.4 MPa、43.8 MPa和38.6 MPa,劈裂抗拉強度分別為2.85 MPa、2.91 MPa和2.61 MPa,其中ZP40-0.41的劈裂抗拉強度過高,應為試驗操作失誤所致。不難看出,達標準齡期后由水膠比增大造成的強度損失減小,原因可能是沸石粉隨齡期增長充分參與了二次水化過程。一般情況下,水膠比較小時混凝土中含水量較少,而沸石粉吸附的拌合用水會緩慢釋放出來彌補水分的喪失,調節內部環境,促進水化反應,保證強度的發展;當水膠比較大時,游離水會相應增多,此時強度損失減小,這與沸石粉可作為自動調節濕度的調濕材料有關[18]。

圖4 水膠比對混凝土力學性能的影響

3 結論

3.1 隨著沸石粉替代率的增加,混凝土的坍落度逐漸下降,粘聚性有所上升。為使混凝土的坍落度保持在同一水平,在較低替代率下,隨著替代率每增加20%,外加劑摻量可進行0.05%的增幅;替代率≥60%時,外加劑摻量增幅應適當增大但不宜>0.1%。

3.2 沸石粉替代率≤40%時,混凝土早期抗壓強度與劈裂抗拉強度下降,但標準養護28 d后,強度與基準組差異不大,可滿足使用要求;當沸石粉代率達60%,混凝土的28 d力學性能顯著下降,下降幅度>10%。

3.3 沸石粉替代粉煤灰可以增大混凝土早齡期拉壓比,提高混凝土的早期韌性,但在標準齡期,替代率超60%會導致拉壓比小幅下降,對劈裂抗拉強度產生不利影響。

3.4 沸石粉取代粉煤灰混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度,隨水膠比的增加而不斷下降,其影響程度隨齡期增長逐漸減弱。