不同颗粒细度的复合掺合料对混凝土性能的影响①

□□ 岳光亮，谢瑞兴，郭文倩，彭立刚，唐樱燕，莫立武

(1.山东众森新材料有限公司，山东 济南 250000； 2.山东众森科技股份有限公司，山东 济南 250000； 3.南京工业大学 材料科学与工程学院 材料化学工程重点实验室，江苏 南京 210009)

引言

我国每年排出的钢渣、锰渣、镍渣、脱硫石膏等各种废渣达数亿吨，且逐年快速增长，工业废渣作为排放量最大的固体废弃物，对自然环境、人类生活和社会发展都造成了巨大的影响[1]。长期以来，将工业废渣进行建材化利用一直是国内外科研人员共同研究的重点和热点课题[2]。水淬矿渣粉、粉煤灰在商品混凝土行业中已经成熟应用，但受限于上游原料市场紧张，质量越来越不稳定，混凝土的性能也受到影响。本文依据JG/T 486—2015《普通混凝土用复合掺合料》标准，采用工业固废材料钢渣、煅烧煤矸石、锰渣等材料按照一定比例混合粉磨，制备不同细度的复合掺合料，检测不同细度的复合掺合料对水泥净浆流动度D影响和对混凝土工作性能及强度的影响，同时对微观结构进行了分析，为复合掺合料的粉磨制备及应用提供基础[3-4]。

1 原材料及试验方法

1.1 试验原材料

水泥：采用山东水泥厂生产的散装P·O 42.5，其化学、物理指标分别见表1和表2。

表1 胶凝材料化学成分 %

表2 水泥的物理性能指标

复合掺合料：采用钢渣、煅烧煤矸石、锰渣按照一定比例制备的不同细度的Ⅱ级掺合料，成分见表1。

细骨料：采用当地石灰岩破碎机制砂，细度模数为2.9，含粉量为10%，亚甲蓝值为1.7%。

粗骨料：采用当地5～25 mm连续级配的石灰岩碎石，含泥量为0.6%，泥块含量为0.2%，压碎指标为9.5%。

外加剂：采用众森公司生产的聚羧酸系高效减水剂，减水率为25%。

不同强度等级的混凝土配比见表3。

表3 不同强度等级混凝土的配比

1.2 试验方法

复合掺合料是混合粉磨至不同细度的钢渣、煅烧煤矸石、锰渣混合料，控制细度在45 μm方孔筛筛余分别为22.3%、16.7%、10.9%、5.6%、1.1%，满足JG/T 486—2015《普通混凝土用复合掺合料》各项指标。复合掺合料细度采用45 μm方孔筛及FSY150-A型负压筛析仪检测，按照GB/T 1345—2005《水泥细度检验方法》测定；复合掺合料净浆流动度的检测按照GB/T 8077—2016《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行测定[5]；胶凝材料颗粒粒径检测采用BT-9300Z激光粒度分析仪测定；按照商品混凝土C30强度等级的配比进行试配，每组混凝土配合比均按30 L的体积称量物料，由强制式搅拌机搅拌120 s后卸料，人工拌合均匀，按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测量坍落度、扩展度及流速，记录数据后倒掉，剩余混凝土拌合均匀后留置试块，按照GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》检测混凝土试块7 d、28 d、60 d的龄期强度。

2 结果与讨论

2.1 不同细度复合掺合料对水泥净浆流动度的影响

固定水泥细度为45 μm方孔筛筛余10.5%，水胶比为0.29，减水剂掺量为0.5%，采用不同细度的复合掺合料，按照水泥∶复合掺合料=7∶3的质量配合比制得水泥净浆，检测净浆流动度，结果如图1所示。

图1 复合掺合料对水泥净浆流动度的影响

由图1可以看出，随着复合掺合料颗粒粒度的降低，初始净浆流动度降低，但掺合料细度为5.6%时，初始净浆流动度略微增加，分析主要原因是细度为5.6%的掺合料与水泥颗粒组成的胶凝材料，颗粒具备连续级配，不同大小颗粒之间相互填充，空隙中多余的水增加了浆体的流动性；1 h后浆体的净浆流动性同样先增大后降低，分析主要原因是随着颗粒细度降低，浆体的保水性增加，流动度保持性增强，但细度为1.1%时，流动性损失明显增强，原因是颗粒太细水化加快，大量的水被消耗。

2.2 不同细度的复合掺合料对混凝土工作性能的影响

固定水泥细度为45 μm方孔筛筛余10.5%，采用不同细度的复合掺合料制成C30混凝土，测定其工作性能，结果如图2所示。

图2 不同细度复合掺合料对混凝土工作性能的影响

由图2可以看出，随着复合掺合料细度的降低，混凝土的坍落度和扩展度先增加后降低，分析原因主要是随着复合掺合料细度的降低，胶凝材料中细颗粒的水化作用提高了浆体的粘度，拉动着粗细骨料流动，从外观上表现为浆体的匀质性变好、流动性增加；当掺合料细度为5.6%时，混凝土胶凝材料颗粒级配良好，流动度达到最大值，再降低掺合料的细度，细颗粒的水化作用大于级配作用，表现为混凝土的流动度明显降低。

2.3 不同细度复合掺合料对混凝土强度的影响

固定水泥细度为45 μm筛余为10.5%，采用不同细度的复合掺合料，检测C30等级混凝土的强度，如图3所示。

图3 不同细度复合掺合料对混凝土强度的影响

由图3可以看出，随着复合掺合料细度的降低，混凝土的7 d强度提高明显，28 d和60 d强度增长缓慢，分析是对于早期强度，胶凝材料中颗粒级配作用大于浆体的水化作用，后期强度的增长主要依靠胶凝材料颗粒的水化作用；当颗粒细度为5.6%时，再降低掺合料颗粒细度，可以水化的颗粒较少，混凝土强度增长不明显。

2.4 不同细度的复合掺合料微观结构分析

按照C30混凝土配比，取三种细度复合掺合料，45 μm筛余分别为10.9%，5.6%，1.1%，在混凝土中试配验证，取混凝土胶凝材料进行颗粒分析，并对28 d龄期的混凝土进行扫描电镜分析。

2.4.1 颗粒分布分析

对混凝土中含有不同细度的复合掺合料的胶凝材料进行颗粒分析，结果如图4所示。

图4 混凝土胶凝材料颗粒分布

由图4可以看出，不同细度复合掺合料的混凝土胶凝材料颗粒分布曲线区别较大，图4(a)中的曲线出现一个小峰值，说明细度为10.9%的复合掺合料与水泥组成的胶凝材料颗粒级配不连续，造成混凝土不密实；图4(c)颗粒曲线出现两个明显的峰值，说明细度为1.1%的复合掺合料与水泥组成的胶凝材料颗粒级配明显断档，造成混凝土工作性能变差，强度降低；而图4(b)中胶凝材料的颗粒分布曲线是平滑的抛物线，胶凝材料颗粒级配良好，其工作性能和强度增长率均达到良好的效果。

2.4.2 SEM分析

不同细度的复合掺合料在C30混凝土中28 d的水化情况(SEM照片)如图5所示。

由图5可以看出，相比图5(a)和(c)，图5(b)的浆体水化致密，浆体中毛细孔隙率少，分析原因主要是掺合料细度为5.6%的混凝土在混凝土胶凝材料中颗粒级配良好，颗粒之间粘结牢固，胶凝材料颗粒间的相互填充和水化共同作用，表现为浆体密实，强度高。

图5 C30混凝土中28 d水化产物SEM照片

2.5 不同细度复合掺合料在不同等级混凝土中验证

以上试验及分析是在C30混凝土中进行的，为验证复合掺合料在不同强度等级的混凝土中的性能和强度，取三种细度复合掺合料，45 μm方孔筛筛余分别为10.9%、5.6%、1.1%，在C40、C50等级混凝土中试配验证数据如图6和图7所示。

由图6和图7可以看出，水泥细度为45 μm方孔筛筛余10.5%，复合掺合料的细度为5.6%时，两种混凝土均表现出良好的工作性能和力学性能，验证了良好的胶凝材料颗粒级配对混凝土各项性能的促进作用。

图6 不同细度复合掺合料在不同等级混凝土工作性能

2.6 复合掺合料大磨生产验证

按照小磨配比在Φ3.8 m×13 m的球磨机内生产复合掺合料，台时产量为50 t，粉磨细度控制在45 μm筛余(5.6±2)%，试配生产C30混凝土，配合比及产品性能见表4。

由表4可以看出，通过大磨试验生产的复合掺合料在混凝土中应用，证明混凝土的工作性能和力学性能满足要求，验证了胶凝材料颗粒级配对混凝土性能的促进作用。

表4 大磨复合掺合料在混凝土中试配验证

3 结论

3.1 随着复合掺合料细度的减小，净浆流动度曲线呈抛物线，在掺合料细度为5.6%时，净浆流动度略微增大，胶凝材料的颗粒级配对净浆流动度有促进作用。

3.2 随着混凝土中复合掺合料细度降低，混凝土的坍落度和扩展度先增大后降低，细度为5.6%时，胶凝材料达到最佳级配，工作性能最佳。

3.3 随着混凝土中复合掺合料细度降低，混凝土的强度增大，但掺合料细度达到5.6%时，强度增长明显，之后再降低掺合料细度，强度增长不明显，主要原因是早期水化颗粒多，后期水化的颗粒较少。

3.4 通过胶凝材料颗粒分布和扫描电镜微观图片分析，复合掺合料与水泥颗粒级配连续时，胶凝材料的颗粒分布曲线是平滑的抛物线，同时混凝土浆体的水化更加充分，表现为浆体更加致密。

3.5 固定水泥的细度，采用不同细度的复合掺合料在不同等级混凝土中试配验证，当混凝土中胶凝材料的颗粒达到连续级配时，混凝工作性能和混凝土强度增长良好。