基于水膜厚度的抛光砖粉混凝土和易性及抗压强度研究

郑孙博,陈嘉健,李秋亨

(佛山科学技术学院 交通与土木建筑学院,佛山 528000)

保护环境与可持续发展已成为不可阻挡的时代潮流,同时掺加矿物掺和料是目前改善混凝土性能的有效方法之一,为此合理的将工业废料作为掺和料使用具有十分深远的意义[1-6]。工业废料抛光砖粉是抛光砖在生产过程中经过研磨抛光后产生的废粉[7]。近年来随抛光砖的需求量不断上升,工业废料抛光砖粉也随之增多,因此将其作为矿物掺和料加入到混凝土中,能有效地保护环境同时减少能源的损耗[8-12]。研究表明掺入的陶瓷抛光粉掺量占混凝土总量10%时,混凝土各个龄期抗压强度都会明显提高;但继续增加抛光砖粉,混凝土抗压强度反而会下降,尤其是抛光粉掺量占混凝土总量的20%以上,抛光砖粉掺量增加会使混凝土抗压强度大幅度下降[13]。也有相关研究表明C30混凝土的抛光砖粉掺量应该控制在20%以内,因为抛光砖粉掺量大于20%后,将会导致混凝土耐久性能降低[14]。王功勋等研究表明与等掺量的粉煤灰混凝土相比,掺抛光砖粉混凝土的强度较高,且早期表现尤为明显[15]。

虽然此前已有很多学者对内掺抛光砖粉混凝土的各项性能展开了研究,并取得了不错的研究成果[16-19],但在不同水胶比下,使用工业废料抛光砖粉部分置换水泥后对混凝土性能的影响研究具有十分重要的意义。本文利用微观测试方法,分析抛光砖粉的物理及化学性质;研究3组水胶比下,不同抛光砖粉掺量对混凝土和易性和抗压强度的影响,并引入填充密度和水膜厚度概念[20-23],线性回归分析水膜厚度与混凝土流动性、黏聚性和抗压强度之间的关系。

1 试验材料及方法

1.1 试验原材料

1) 水泥:石井牌P.O42.5R级普通硅酸盐水泥,其物理性能见表1。

表1 水泥的物理性能

2) 抛光砖粉:佛山本地瓷砖厂废瓷渣,经烘干以及球磨处理后得到抛光砖粉,对应物理及化学性能见表2。

表2 抛光砖粉的化学组成 %

3) 骨料:粗骨料为佛山地区石灰岩碎石;细骨料为佛山地区河沙,其细度模数为2.7,粗细骨料满足规范的标准[24]。

4) 外加剂:使用聚羧酸高效减水剂,符合国家规范的要求[25]。

5) 水:自来水。

1.2 配比设计

正交配制了水胶比由0.4至0.6变化,以0.1为级差;抛光砖粉掺量由0至12%混凝土体积比变化,以4%为级差;水泥浆量统一为38%;细骨料和粗骨料比值统一为2∶3;减水剂量统一为粉体材料的2.6×10-5kg/m2,这是因为过往研究表明,聚羧酸减水剂是附着在粉体表面,通过静电排斥、空间位阻发挥作用,剂量应该根据整体表面积来决定,这个剂量是减水剂效果达到饱和时候的量[26]。混凝土试样的配比见表3。

表3 抛光砖粉混凝土试验配合比

1.3 试验方法

1.3.1 黏聚性测试

混凝土黏聚性用过筛率的大小表示[20]。试验使用5 mm的方孔筛,取250 g搅拌后的混凝土浆体从300 mm的高度倒入方孔筛中,让其静置2 min,通过方孔筛的浆体质量与倒入的总浆体质量的比值即为混凝土过筛率。混凝土过筛率越低说明黏聚性越好,反之则较差。

1.3.2 混凝土的坍落度与扩展度

坍落度试验的主要步骤:将搅拌完成的混凝土试样分三层装入坍落度筒内,插捣后刮去多余混凝土并沿筒口抹平,接着垂直提起坍落度筒,30 s后用钢尺量出筒高与坍落后混凝土试样最高点之间的高度差,即为坍落度值。扩展度的试验步骤与坍落度试验相似,提起坍落度筒50 s后,量取混凝土试样扩展面的最大直径及其垂直方向的直径,二者的平均值即为扩展度值。

1.3.3 混凝土抗压强度

抗压强度试验使用150 mm的正方体模具,经振捣抹平后静置24 h拆模,混凝土试块放置在温度(20±2) ℃、相对湿度为90%以上的养护室中养护28和70 d。

1.3.4 填充密度测量及水膜厚度计算

研究表明使用水测紧密值法可以准确地测量出填充密度[27],该方法是在不同水量下,用相应的固体颗粒组合能达到的最大填充率数值来表示填充密度的大小[20],具体计算公式如下:

式中:M为试样的总质量,g;V为钢桶的体积,mL;mc,mp,mq和ms分别为水泥、抛光砖粉、骨料和水的质量,g;ρc,ρp,ρe,ρf和ρs分别为水泥、抛光砖粉、砂、碎石和水的密度,g/mm3;Us为水与固体材料体积的百分比;Rc,Rp,Re和Rf分别为水泥、抛光砖粉、砂和碎石占总固体材料的体积分数。

水膜厚度是固体掺和料的单位表面积上所覆盖包裹的平均液体层厚度,计算方法为用搅拌混凝土所需的总水量减固体颗粒间的空隙体积比上固体掺和料的总表面积的比值[21]。在度量出胶凝材料的填充密度后,水膜厚度可由下列公式进行计算:

We=V1-V2

式中:TS为水膜厚度,μm;We为剩余水体积,mL;A为固体材料的总表面积,m2;V1为实际液体体积,mL;V2为固体材料间空隙所占体积,mL;γ为空隙比率;Pmax为填充密度;Mc,Mp,Me,Mf,Ms和Mj分别为水泥、抛光砖粉、砂、碎石、水和减水剂的质量,g;ρc,ρp,ρe,ρf,ρs和ρj分别为水泥、抛光砖粉、砂、碎石、水和减水剂的密度,kg/m3;Ac,Ap,Ae和Af分别为水泥、抛光砖粉、砂和碎石的比表面积,m2/m3。

2 试验结果与分析

2.1 抛光砖粉掺量对混凝土5 mm过筛率的影响

黏聚性测试结果如图1所示。由图1可知,相同水胶比下抛光砖粉的掺量增加会导致混凝土5 mm过筛率变小,说明混凝土流动性逐渐下降,黏聚性变好。抛光砖粉较细,有效地填充了混凝土浆体间的空隙使得黏结力增强,这是黏聚性变好的主要原因。

2.2 抛光砖粉掺量对混凝土流动性的影响

坍落度测试结果如图2所示。由图2可知,当水胶比相同时,混凝土试块的坍落度产生随抛光砖粉掺量的增加而减小的现象;当水胶比不同时,相同抛光砖粉掺量的混凝土试块坍落度随水胶比的降低而减小。扩展度测试结果如图3所示。由图3可知,相同水胶比时,抛光砖粉掺量的增加致使混凝土扩展度随之减少;而抛光砖粉的掺量不变时,混凝土扩展度值会随水胶比的减小而减小。造成上述随着抛光砖粉掺量的增加,坍落度和扩展度均减小的原因是因混凝土浆体中自由水被抛光砖粉所吸附,自由水的减少让混凝土流动性降低。

2.3 抛光砖粉掺量对混凝土抗压强度的影响

混凝土抗压强度测试结果如图4、图5所示。28 d龄期时,在相同水胶比下,随着抛光砖粉掺量的增加,混凝土的抗压强度有十分明显的提升,如水胶比为0.5时,抗压强度最大可提高126%;在相同抛光砖粉掺量下,水胶比越小抗压强度越大。颗粒较细的抛光砖粉提高了混凝土的密实度,进而改善混凝土内部孔隙结构,使得混凝土抗压强度有所提高。

当养护龄期达到70 d时,在水胶比一定的条件下,随着抛光砖粉掺量由0%增加到12%,混凝土抗压强度继续增大,且最大可提高80%,这是因为抛光砖粉与氢氧化钙的二次水化反应比水泥水化反应慢,从而使70 d混凝土抗压强度提高幅度更大。

2.4 填充密度及水膜厚度对混凝土和易性和抗压强度的影响

填充密度及水膜厚度测量计算结果见表4,结果表明填充密度随着抛光砖粉掺量的增加而增大。当抛光砖粉掺量相同时,随着水胶比的减小,固体比表面积增大而水膜厚度逐渐减小,这主要是因为抛光砖粉的掺入大幅度提高了固体材料比表面积,此时单位面积上吸附的水量减少,从而水膜厚度减小;当水胶比一定时,随着抛光砖粉掺量的增加,对应的水膜厚度也呈降低趋势,因此水膜厚度的变化是受填充密度和固体材料比表面积的共同影响。

表4 水膜厚度测量计算结果

通过计算和分析水膜厚度的变化,可以结合混凝土的工作性、黏聚性、抗压强度来进行进一步的相关分析,探究水膜厚度对混凝土各项性能的影响。水膜厚度对混凝土坍落度、扩展度的线性分析结果如图6、图7所示,从中可以看出水膜厚度增大,会使得混凝土坍落度、扩展度提高,其相关系数R2分别为0.9208和0.8392。图8表明水膜厚度与混凝土5 mm过筛率呈正相关的关系,其相关系数R2为0.845。 如图9所示,水膜厚度单一参量对混凝土28和70 d抗压强度均有较高的相关性,其相关系数R2分别达到了0.888和0.811。抛光砖粉会增加混凝土浆体的填充密度,此时混凝土内部结构更加密实,抗压强度提高且随着混凝土龄期的增加抗压强度继续增加。相反,随着水膜厚度的增大,28和70 d的混凝土抗压强度都呈现下降的趋势。

3 结论

1) 相同水胶比,掺入抛光砖粉会使混凝土黏聚性增强,而混凝土流动性会相对降低。

2) 掺入抛光砖粉能改善混凝土孔隙结构,进而提高混凝土的抗压强度,且28和70 d混凝土抗压强度均有较明显的提升。

3) 填充密度随着抛光砖粉掺量的增加而增大,通过水膜厚度单一参量的回归分析可以得出:抛光砖粉的掺入,改变了水膜厚度的大小,其变化影响着混凝土的和易性。