掺矿粉、硅灰和粉煤灰水工混凝土性能研究

倪倩文

(大连大水规划设计有限公司,辽宁 大连 116001)

随着工业化的快速发展,工业生产形成的废渣所带来的材料浪费、环境污染等问题日趋突出,研究发现混凝土掺工业废渣能够提高其强度,更好地保护环境[1-2]。目前,针对工业废渣国内外学者开展了广泛研究,如胡延燕等全面探究了混凝土性能受矿粉、粉煤灰和石英粉掺合料的影响,并提出掺10%～30%石英粉具有较好的力学性能改善效果;何良玉等以钢渣砂和粒化高炉矿渣粉(钢渣粉)为细集料及胶凝材料,通过试验计算提出设计与制备微膨胀密实碱激发钢管混凝土的方法;邓侃等认为不同龄期的胶砂强度均随钢渣掺量的增加而降低;李晓峰等利用测算模型探究了不同掺合料及其掺量对碳化深度的影响规律;田万溪等以钢渣和矿渣为原材料,通过正交试验明确了各矿物组成的最优配比;王飞虎等通过试验确定粉煤灰、矿渣粉和钢渣粉的最佳掺量依次为10%、30%及20%;安邦国等研究发现水胶比0.26、骨胶比5.3、钢渣粗细集料体积掺量1∶1时混凝土透水性能最优,28d抗折、抗压强度达到5.0MPa和31.4MPa;康海鑫等在钢渣混凝土中掺入25%、15%、10%、0%的钢渣,通过对比试验发现混凝土掺25%钢渣时力学性能最优[3-10]。

早龄期是指混凝土自浇筑成型7d内的时段,该时段混凝土性能变化显著,随着龄期的改变早龄期力学性能也明显变化,在一定程度上决定着混凝土的施工和整体质量,尤其是早龄期弹性模量及强度与工程施工能否顺利进行密切相关[11-12]。因此,本研究选取矿粉、粉煤灰和硅灰掺合料,通过试验探讨不同掺合料对水工混凝土工作性能以及早期强度的影响,可以为高性能混凝土在水利工程建设中的推广应用提供技术支持。

1 试验方案

1.1 原材料

1)水泥:大连小野田P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,表观密度3.12g/cm3,初、终凝时间165min和240min,28d强度51.6MPa。矿粉:大连金桥S95级矿粉,比表面积480m2/kg,密度2.89g/cm3。粉煤灰:鞍山诚达F类Ⅰ级粉煤灰,需水量94%,含水量0.21%,细度8.6%,烧失量2.7%。

2)砂:细度模数2.7级配良好的中砂,含水率0.2%,空隙率36.1%,堆积密度1.55g/cm3,表观密度2.67g/cm3。碎石:粒径5～20mm级配良好的石灰岩碎石,表观密度2.80g/cm3,针片状含量5.4%。外加剂:科之杰聚羧酸高效减水剂,推荐掺量1.0%～2.5%,减水率31%,拌合水用当地自来水。

1.2 配合比

依据《水工混凝土配合比设计规程》初步设计3种水胶比0.40、0.45、0.50,固定砂率40%,采用硅灰、粉煤灰和矿粉等量替代0%、15%、30%的水泥,通过控制拌合物坍落度处于合理范围调整减水剂用量,试验配合比如表1所示。

1.3 试验方法

根据《水工混凝土试验规程》中的相关操作流程进行原材料混合、搅拌振捣、成型养护、工作性能和早龄期(7d)抗压强度测试,试验配制边长100mm立方体试件,每组3个,标养环境温度(20±2)℃、相对湿度95%以上,测定标养7d龄期的抗压强度。

2 结果与分析

2.1 新拌混凝土工作性能

单掺0%、15%、30%硅灰、粉煤灰和矿粉混凝土的工作性能,如图1所示。由于基准对照组减水剂用量为1.5%时出现较为明显的离析,拌合物坍落度也很大达到300mm,故无法与掺硅灰、粉煤灰、矿粉组相比较,从侧面也说明掺合料可以在一定程度上降低拌合物流动性和坍落度。

(a)不同矿粉掺量

从图1(a)可以看出,掺30%矿粉组与掺15%矿粉组相比其坍落度有所提高,该变化规律与掺粉煤灰组保持一致,这是因为矿粉的“微珠”效应发挥着一定的润滑作用,有利于改善拌合物流动性。另外,混凝土流动性和坍落度均随着水胶比的增加逐渐增大。从图1(b)可以看出,掺粉煤灰混凝土坍落度随水胶比的增加逐渐增大,通过观察发现试验过程中拌合物具有较好的保水性与黏聚性。虽然掺粉煤灰组相较于基准对照组的坍落度有所减小,但高掺量>低掺量拌合物坍落度,究其原因是粉煤灰的微集料和填充效应也具有一定的润滑效应。从图1(c)可以看出,掺硅灰混凝土坍落度也随着水胶比的增加逐渐增大,但相较于基准对照组其坍落度明显降低,究其原因是硅灰颗粒的润滑效应小于对水的吸附作用,在两者的共同作用下使得总坍落度明显降低。

总体而言,粉煤灰、矿粉和硅灰的掺入会使得混凝土工作性能出现不同程度的下降,以掺硅灰混凝土降幅最高,其次是掺矿粉组,掺粉煤灰所产生的不利影响较低。试验设计水胶比较小,为配制出工作性能良好且相同的拌合物各组掺入的减水剂用量不同,其中减水剂掺量最高的是掺硅灰组达到2.5%,掺粉煤灰和矿粉组减水剂用量均为1.6%,而基准对照组只有0.4%。试验表明,掺粉煤灰、矿粉和硅灰可以明显改善保水性和黏聚性,随着水胶比的增大水泥基体的流动性逐渐提高[13-14]。

2.2 硬化混凝土早期强度

单掺0%、15%、30%硅灰、粉煤灰和矿粉混凝土的早龄期(7d)抗压强度,如图2所示。从图2(a)可以看出,随着水胶比的增加不掺矿粉组的7d抗压强度快速下降,而掺矿粉组的早期强度逐渐增大,这是因为水化早期矿粉发挥着一定的微集料、火山灰和填充效应,水化产物Ca(OH)2会与矿粉发生二次反应生成C-S-H凝胶,通过消耗大量的Ca(OH)2加速水化进程,该过程既有利于增强水泥浆与骨料界面过渡区的黏结力,还可以填充体系内部空隙,进一步优化孔隙结构,提高界面过渡区强度。另外,矿粉参与二次反应需要更多的水分,其水化反应程度随内部水量的增多而提高,因此增大水胶比会明显提高掺矿粉混凝土的早龄期强度,而较低水胶比时掺矿粉组相较于基准对照组的7d抗压强度偏低。

(a)不同矿粉掺量

从图2(b)可以看出,掺粉煤灰组与基准对照组的早龄期强度变化规律相似,即7d抗压强度均随着水胶比的增加快速下降,水胶比相同时掺粉煤灰混凝土整体高于基准对照组的7d抗压强度,究其原因是粉煤灰发挥着一定火山灰效应,水化产物Ca(OH)2与粉煤灰颗粒反应生成的凝胶物质可以增强混凝土强度。然而,该过程不会消耗大量水分,故随着水胶比的增加早龄期抗压强度逐渐降低,粉煤灰掺量过高相当于水泥用量较低,Ca(OH)2不足反过来又会约束反应的进行,从而使得掺量较高时试件的7d强度反而有所降低。

从图2(c)可以看出,将硅灰掺入混凝土中会使其早龄期强度明显下降,降幅达到50%以上,究其原因是掺入的硅灰大大降低了水化反应速率,这使得早期强度急剧降低。另外,掺硅灰混凝土早龄期强度随水胶比的增加略有上升,这是由于硅灰的掺入使得水化需水量明显增大,水化反应程度随着水胶比的增大逐渐提高。

3 结 论

1)掺入矿粉、粉煤灰、硅灰会在一定程度降低拌合物流动度和坍落度,但有利于改善拌合物保水性及黏聚性,这是因为矿粉的微集料填充效应改善了水泥基体的孔隙结构,使其黏聚性及保水性提高。大掺量相较于低掺量时矿粉和粉煤灰混凝土坍落度有所提高,硅灰能够大大降低拌合物坍落度,硅灰掺量越高其流动性和坍落度越小。

2)较小水胶比情况下,矿粉的掺入使得早期强度有所降低,降幅处于20%～40%之间;水胶比超过0.45时,矿粉的掺入有利于增强早期强度,增幅处于10%～70%之间,故掺矿粉混凝土的推荐水胶比为0.50。粉煤灰的掺入有利于增强早期强度,但掺量过高7d抗压强度有所下降,且随水胶比的增加掺粉煤灰混凝土早期强度明显下降,应控制粉煤灰掺量≤30%。硅灰的掺入会明显减小早期强度,不同掺量时降幅达到30%～50%。因此,为提高水工混凝土早期强度应适当增大水胶比或采取掺入适量早强剂等措施。