大掺量矿物掺合料对混凝土性能的影响_王静静.doc

文章编号1007-046X201503-0039-05 生态建材 大掺量矿物掺合料对混凝土性能的影响 Effect of High Volume Mineral Admixture on Concrete Perance 王静静1,武 斌2,刘高凯1 1.烟建集团有限公司混凝土分公司,山东 烟台 264000; 2. 济南大学 建筑材料制备与测试技术山东省重点实验室,山东 济南 250022 摘 要 采用不同掺量的粉煤灰和矿粉配制混凝土,并对配制的混凝土的工作性能和力学性能进行分析。结果 显示,掺加矿物掺合料可以提高混凝土的工作性能,但会降低混凝土的早期强度,后期强度会继续发展, 当双掺 20 粉煤灰和 30 矿粉时效果最好。关键词 掺合料;粉煤灰;矿粉;混凝土中图分类号TU528.041 文献标志码A 39 3/2015 粉煤灰 表 1 水泥物理性能 0 前 言 矿物掺合料是在混凝土搅拌过程中加入的、具有一定细度和活性的用于改善新拌和硬化混凝土性能特别是耐久性能的某些矿物类产品,又称矿物外加剂。其主要特征是磨细矿物材料,细度比水泥颗粒小,主要用于改善混凝土的耐久性和工作性能,已成为混凝土继外加剂后的第6 组分。粉煤灰和矿渣微粉是混凝土常用的矿物掺合料,能有效改善普通水泥混凝土的工作性和耐久性等[1]。 粉煤灰是燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出、被收尘器收集到的物质,以硅酸盐和铝硅酸盐为主。颗粒粒径主要分布在0.5￣300 μm 的范围内,大部分在45 μm 以下,平均粒径在10￣30 μm [2]。粉煤灰因其物理化学性质具有以下三种效应,1火山灰效应粉煤灰中含CaO 很少但含有大量的活性Si02和A1203,它们既无独立的水硬性,也无潜在的水硬性能,它们的活性能在常温下被水泥水化时析出的CaOH2激活,和它产生二次反应火山灰反应,生成具有胶凝性能的水化硅酸钙和水化铝酸钙。2形态效应粉煤灰在高温燃烧过程中形成的粉煤灰颗粒,绝大多数为玻璃微珠。由于粉煤灰的颗粒较小,能在水泥颗粒之间起到“滚珠”作用, 使水泥浆体的流动性增加。3微集料效应微细颗粒均匀分布在水泥浆内,填充毛细孔,改善混凝土孔结构和增大密实度的效应。混凝土中掺入适量的矿物掺合料混合均匀之后,粉体的颗粒级配更为合理,密实度提高[3-4]。 矿粉为矿渣,是由炼铁时排出的处于融溶状态的炉渣经急速水淬而成。它含有大量的CaO35￣48,并含有活性Si02和A1203。它们本身无独立的水硬性,但在CaO、CaSO 4的作用下,其潜在的水硬性可以被激发出来,产生缓慢的水化作用[5-6]。由于矿渣的化学成分比较稳定,用作辅助胶凝材料或部分替代水泥用于建筑工程是矿渣利用的主要方式。 1 试验材料与设备 1.1 试验材料 水泥烟台山水P.O42.5R 水泥,物理化学性能见表1和表2。 物理 性能 密度 / g -3 标准稠度用水量/mL cm 比表面积抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 3 d /m 2.kg -1 28 d 3 d 28 d PO42.5R 3.08 136 360 5.8 8.5 31.3 51.0 外加剂聚羧酸减水剂,烟台某厂。 集料河沙中砂,产地烟台牟平;大石子16 31.5mm,产地烟台福山;小石子520mm,产地烟台福山。 1.2 试验设备 搅拌机SJD60型单卧强制式混凝土搅拌机。 压力机YAW-2000型压力试验机,精度I级。 快速养护箱ACW-85型水泥混凝土快速养护箱。 扫描电镜FEI QUANTA FEG 250二次电子成像扫描电子显微镜。 1.3 试验方案 本试验设计以C40混凝土强度等级基础进行配比调整,其中粉煤灰对水泥的取代率按1 2取代,矿粉对水泥按1 1取代,试验中通过调整水胶比来保证各组混凝土的坍落度基本相同。试验对混凝土的工作性能以及力学性能进行了分析和检测,以得到掺合料对混凝土性能的影响。试验试样配合比见表5。 2 矿物掺合料对混凝土工作性能的影响 2.1 粉煤灰对混凝土工作性能的影响 试验过程中保证混凝土的坍落度基本相同即工作状态相同的情况下,调整用水量和外加剂用量。 由表6可知,随粉煤灰掺量增加,用水量和外加剂的用量增加,在保证坍落度基本相同的情况下,随粉煤灰掺量增加扩展度增加,且掺量20时和易性最好。由于试验中粉煤灰和水泥的取代率为1 2,因此掺加粉煤灰后总胶凝材料的量增加,掺量越高胶凝材料的量越多,需水量也就越大。高品质的粉煤灰取代水泥时,可有效改善混凝土的和易性。因为粉煤灰是由大小不等的球状颗粒的玻璃体组成,表面光滑致密,在混凝土拌合物中能起到滚珠作用。新拌混凝土中的水泥颗粒易聚集成团,粉煤灰的掺入可有效地分散水泥颗粒,使其释放出更多的浆体来润滑集料。另外粉煤灰具有良好的保水性,能减少混凝土的离析和泌水。 Berry和Malhotra的研究[7]表明,粉煤灰对混凝土工作度的影响,主要因素是 45μm颗粒的比例; 45μm 的球状粉煤灰,可以降低混凝土的需水量。粉煤灰的细度越大,烧失量越小,混凝土单方用水量降低越大。细集料的细度模数越大,混凝土单方用水量的降低也越大。 3.2 矿粉对混凝土工作性能的影响 由表7可得,掺加矿粉之后混凝土的和易性得到改善,扩展度增大,工作性能得到提高,矿粉掺量较低时,新拌混凝土出机坍落度增加,矿粉掺量较高时,新拌混凝土出机坍落度随掺量的增大变化不大。 表 2 水泥的化学成分 水泥SiO2Fe2O3Al2O3CaO MgO SO3 PO42.5R 19.95 2.90 4.71 60.58 1.41 2.81 表 3 粉煤灰化学成分 化学成分SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO K2O Na2O Loss 含量49.11 30.6 5.54 2.12 0.62 1.09 0.35 4.46 表 4 矿粉化学成分 化学成分SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO K2O Na2O 含量33.5 15.4 0.25 41.1 8.0 0.21 0.35 表 6 粉煤灰对混凝土工作性能的影响 表 5 试验配合比 kg 序号水泥矿粉粉煤灰砂大石子小石子水胶比外加剂 1 440 0 0 72 2 624 416 0.39 8.8 2 418 0 44 71 3 616 410 0.37 9.2 3 396 0 88 70 4 607 40 5 0.3 6 9.7 4 374 0 132 69 5 599 400 0.39 10.1 5 352 0 17 6 685 592 394 0.39 10.6 6 418 44 0 722 624 416 0.4 8.8 7 352 88 0 722 624 416 0.4 8.8 8 308 132 0 722 624 416 0.4 8.8 9 264 176 0 722 624 416 0.42 8.8 10 374 44 44 704 607 405 0.38 9.7 11 308 88 88704 607 405 0.38 9.7 12 264 132 88704 607 405 0.37 9.7 13 286 88 132695 599 400 0.39 10.1 14 242 132 132695 599 400 0.39 10.1 序号粉煤灰掺量 水胶比外加剂/kg坍落度/mm 扩展度/mm 和易性 1 0 0.39 8.8 210 440 良好 2 10 0.37 9.2 200 465 良好 3 20 0.36 9.7 210 490 优 4 30 0.39 10.1 19 5 500 良好 5 40 0.39 10. 6 200 505 良好 粉煤灰II级粉煤灰,产地龙口,化学成分见表3。 矿渣粉S95级,产地烟台丛林,化学成分见表4。 40COAL ASH 3/2015 41 3/2015 粉煤灰 矿粉与减水剂复合作用下表现出的辅助减水作用,主要原因矿粉可显著降低水泥浆屈服应力,因此可改善混凝土的和易性。矿粉颗粒直径显著小于水泥且圆度较 大,它在新拌水泥浆中具有轴承效果,可增大水泥浆的流动性。 2.3 双掺对混凝土工作性能的影响 由表2.8可得,当粉煤灰和矿粉双掺时混凝土的坍落度及扩展度增大,且和易性提高。在掺加20粉煤灰和30矿粉时和易性最好。这与单掺粉煤灰和矿粉的影响相同。矿物掺合料的微集料效应,起到填充水泥与集料空隙的作用,释放出更多的自有水,增加混凝土的流动性,同时起到滚珠作用和保水作用,使混凝土的和易性得到提高。 3 矿物掺合料对混凝土力学性能的影响 3.1 粉煤灰对混凝土力学性能的影响 由图1可得,掺加粉煤灰后,7 d 混凝土强度低于基准混凝土,但在7 d 后掺加粉煤灰的混凝强度增长速度比基准混凝土大,当龄期达到60 d 掺加20粉煤灰的混凝土强度高于基准混凝土。这是由于粉煤灰的活性比水泥低,水化比纯水泥要慢,因此,在早龄期,随着粉煤灰含量的增加而逐渐减小,在早龄期尤其明显。由于粉煤灰具有火山灰活性效应,其中的SiO 2和Al 203,能够与水 泥水化产物CaOH2之间发生化学反应,使水化产物不断增多,而水化产物能有效地填充水泥颗粒间的孔隙,使混凝土中的无害孔增多,有害孔减小;同时粉煤灰中富含大量的玻璃微珠,能使水泥颗粒解絮扩散,从而产生减水、润滑、改善混凝土的密实性[8]。在这两个因素的共同作用下,使粉煤灰混凝土后期强度发展的速度大于基准混凝土。 通过快速养护1 d 强度得到,当掺加少量粉煤灰或者不掺时快养1 d 强度低于标养28 d 强度;当粉煤灰掺量20以上时快养1 d 的强度高于标养28 d 强度,分析认为当粉煤灰较少时,快养条件下粉煤灰水化提供的强度贡献低于标养条件水泥的水化;当粉煤灰掺量较多时,标养条件下粉煤灰的水化量较少,而在快养时活性激活水化速率增大,使强度高于28 d 强度。掺粉煤灰混凝土的扫描电镜图见图2。 由图2可以看到在混凝土中的球状颗粒即为粉煤灰玻璃微珠。过去认为这种颗粒小、需水性大的掺料,似乎不会增大而只会减小流动性,但事实上在高效减水剂的协同作用下,小的圆球形颗粒的表面覆盖一层表面活性物,使颗粒之间产生静电斥力,由于粉煤灰的颗粒较小,能在水泥颗粒之间起到“滚珠”作用,使水泥浆体的 表 7 矿粉对混凝土工作性能的影响 图 1 粉煤灰对混凝土力学性能 图 2 掺粉煤灰混凝土的扫描电镜图 序号 矿粉掺量 水胶比 外加剂/kg 坍落度/mm 扩展度/mm 和易性 1 0 0.39 8.8 210 440 良 6 10 0.38 8.8 210 450 良 7 20 0.40 8.8 200 465 优 8 30 0.40 8.8 210 480 优 9 40 0.42 8.8 220 480 良 表 8 双掺对混凝土工作性的影响 序号 粉煤灰掺量/ 矿粉掺量/ 水胶比 外加剂/kg 坍落度/mm 扩展度/m m 和易性1 0 0 0.39 8.8 210 440 良 10 10 10 0.39 9.7 220 450 良 11 20 20 0.38 9.7 220 470 良 12 20 30 0.37 9.7 225 510 优 13 30 20 0.39 10.1 225 510 良 14 20 20 0.39 10.1 220 490 良 36 373839404142434445464748495051525354 72860 快养1 试块龄期/d 强度/M P a 粉煤灰粉煤灰粉煤灰粉煤灰 图 3 矿粉对混凝土力学性能的影响图 4 双掺对混凝土力学性能的影响 流动性增加;当粉煤灰的微细粒子填充于水泥粒子之间的空隙之中时,将原来填充于空隙之中的水置换出来,成为自由水,粒子之间的隔水层加厚,因此混合料的流动性增大,提高混凝土的工作性能和力学性能。 3.2 矿粉对混凝土力学性能的影响 由图3可得,矿渣粉的掺入使混凝土的早期抗压强度下降,7 d龄期强度随着矿渣掺量的增加,混凝土的抗压强度随之下降,这主要是因为水泥含量少,矿渣水化速度比水泥慢,一次水化产物少。但后期掺矿粉的混凝土强度明显超过了不掺矿粉的混凝土;矿渣含量20的混凝土60 d龄期的抗压强度值最高,达到56.2 MPa。其原因在于矿粉的火山灰活性小于水泥,所以掺加矿粉的混凝土的初始反应速率小于基准混凝土,但矿渣微粉中 含有大量的活性SiO 2和Al 2 3 ,有较高的潜在活性,能与 水泥熟料水化产物CaOH 2 发生二次水化反应,生成水化硅酸钙和水化铝酸钙,就增加了水化产物的总量,提高了混凝土的填充密度,从而使混凝土后期的强度增大。 3.3 双掺对混凝土力学性能的影响 由图4可得,粉煤灰和矿粉双掺时,强度等性能优于两者单独掺加。随粉煤灰增加早期强度下降,矿粉增加后期强度增长较大,且当掺加20粉煤灰和30矿粉时60 d强度达到最大58.9 MPa。分析其原因可得,矿物掺合料中矿粉的活性高于粉煤灰,在早期强度发展的过 程中水泥水化提供足够的CaOH 2 以激发矿粉的活性,保证混凝土的早期强度,28 d以后水泥对强度的贡献下降,持续的粉煤灰火山灰活性反应对强度的增长仍起着重要的作用,进而保证混凝土的后期强度继续增长。 粉煤灰和矿粉等矿物掺合料的主要化学成分为SiO 2 、 Al 2 O 3 和CaO,具有超高活性,将其掺入水泥中后,水化 时活化SiO 2 、Al 2 O 3 与水泥中C 3 S、C 2 S水化产生的Ca OH 2 反应,进一步形成水化硅酸钙产物并填充于空隙中,较细的矿物掺合料增加了与水泥的接触面积,即影响其 与CaOH 2 发生反应的有效面积,因而也就影响其与Ca OH 2 的反应程度以及水化产物的数量和质量。同时,矿物掺合料包裹在水泥颗粒及集料的周围,由于其超细化,增加了界面处的硅质材料的质量,水泥颗粒密集于界面处产生较多的水化物,致使界面连接牢固;而水化产物水化硅酸钙凝胶填充于空隙中,增加了密实度,大小颗粒的堆积和填充,降低了空隙尺寸,所形成的微细结构与孔结构均比普通水泥石要细得多,就能够减小离子的扩散率,获得好的抗侵蚀性、耐久性和高强度[9]。 这种反应能将对强度不利的CaOH 2 反转化为C-S-H凝胶,并填充在水泥水化产物之间,有力地促进 强度的增长。矿物掺合料与CaOH 2 反应,使CaOH 2 不断地被消耗会加快水泥的水化速率,提高早期强度[10]。 矿物掺合料在消耗CaOH 2 的同时生成C-S-H凝胶,改善界面过渡区的结构,使浆体-界面的粘接力增强,使得与集料粘结更加紧密。如图5,在集料与凝胶间的过 渡区中六方片状的CaOH 2 明显减少,集料与浆体的粘结更加紧密[11]。 10矿粉 72860快养1 试块龄期/d 强 度 / M P a 20矿粉 30矿粉 20矿粉 30 矿粉 粉煤灰 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 72860快养1 试块龄期/d 强 度 / M P a 粉煤灰 粉煤灰 粉煤灰 下转第46页 42COAL ASH 3/2015 [2] 杨南如.一类新的胶凝材料[J].水泥技术,2004311-17.[3] 周明杰,王娜娜,赵晓艳,等.泡沫混凝土的研究和应用最新进展[J]. 混凝土,20094104-107. [4] 丁曼.防水性泡沫混凝土研究[D].长沙湖南大学土木工程学院, 2011. [5] 周志敏.高强度泡沫混凝土研究[D].长沙湖南大学,2011.[6] 刘警.不同胶凝体系制备泡沫混凝土的研究[D].上海同济大学 材料科学与工程学院,2013. [7] MASTAIR W S .Water Repellent Treatments for Brickwork[J]. Chemistry 泡沫混凝土也将从单一的保温隔热向多功能化方向发展,即未来的泡沫混凝土将集保温、节能、防火、除湿等多功能于一体;泡沫混凝土将与结构材料合体,组成结构自保温材料体系。 泡沫混凝土的众多优质的性能品质在节能环保的事业工作中已逐渐的彰显出来,随着这一事业的稳步前进,泡沫混凝土行业的市场前景可谓一片光明,其产品泡沫混凝土墙板、泡沫混凝土砌块、泡沫混凝土装饰材料、泡沫混凝土园林制品、泡沫混凝土耐火保温制品以及泡沫混凝土现浇市场的发展必将越来越广阔。 4 结 论 通过矿物掺合料对混凝土工作性能和力学性能的影响研究,得到以下几点。 1粉煤灰和矿粉等矿物掺合料的掺加可以改善混凝土的和易性,特别是在复合使用时效果更加明显。 2掺加矿物掺合料混凝土的早期强度会下降,但后期强度要高于基准混凝土;当掺加20粉煤灰和30矿粉时60 d 强度最高,达到58.9 MPa。矿物掺合料的对混凝土的作用主要来自于物理填充效应和火山灰效应。 3掺加矿物掺合料能降低混凝土早期水化热,特别适用于大体积混凝土工程中,矿物掺合料的使用既降低成本,有保护环境,且对混凝土的性能起到优化作用。参考文献 [1] 冯乃谦.高性能混凝土[M].北京中国建筑工业出版社,1996.[2] 罗季英,冷发光,冯乃谦,等.粉煤灰掺量对高性能混凝土强度和耐久 性的影响[J].中国建材科技,2001315-18.[3] 盛黎.矿物掺合料对混凝土力学性能和耐久性的影响[D].杭州浙江 大学,2001. [4] 壬伟奇,徐丽萍,魏学文.粉煤灰掺合料对混凝土力学性能的影响[J]. 黑龙江水利科技,2006,30324-25.[5] 翁友法,张东.超细矿渣掺量对高强混凝土力学性能的影响[J],港口 工程,19881223-26.[6] 冯乃谦,杨晓明,祖黎虹.矿粉水泥混凝土中的强度效应[M].北京 科学技术文献出版社,1998. [7] BERRY EE, MALTHOTRA V M.Fly Ash in Concerte in Supple mentary Cementing Materials for Concrete[J].CANMET,Ottawa, 1990,31325-330. [8] 王新杰,马星.矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响[J].粉煤灰综合利 用,2009636-37. [9] 兰明章,王晓芳.磨细矿渣的加工和应用[C].北海中国首届商品粉煤 灰及磨细矿渣加工与应用技术交流大会,200358-76.[10] 冷发光,冯乃谦.矿粉掺量对高强高性能混凝土强度和耐久性影响的 试验研究[J],中国建材科技,2000114-17. [11] 朱陪荣,吴学礼,杨全兵.超细矿渣掺合料对普通硅酸盐水泥性能的影 响及其作用机理[J],混凝土与水泥制品,1998620-25. 收稿日期 2014 年 12 月 4 日 王静静1982,女,本科,从事预拌混凝土技术质量工作。通信地址山东省烟台市莱山区飞龙路11号264680。E- 。图 5 双掺混凝土扫描电镜图片 上接第42页