蒸养混凝土中矿物掺合料的激发效应研究

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(1.四川华西绿舍建材有限公司，四川 成都 610081；2.西安建筑科技大学 材料与矿资学院，陕西 西安 710055)

引言

近年来，随着我国基础设施建设投资的不断加大，包括钢筋混凝土箱梁、铁路轨枕、隧道衬砌等预制构件的需求量激增，促使我国混凝土制品工业的发展达到了一个前所未有的新阶段。随着我国建筑工业化的不断推进，混凝土预制构件在未来建筑业发展中的重要性也逐渐显现。

但是，由于受到高能耗、环境污染等影响因素的制约，造成普通硅酸盐水泥的价格不稳定，在一定程度上制约了预制品行业的发展，这就需要寻求一些价格低廉、绿色环保并能保证有足够强度的材料，来尽可能大量地取代水泥，降低生产成本，促进预制品行业的发展。钢渣、粉煤灰、矿粉等材料由于具有潜在活性、绿色环保、价格低廉、能改善混凝土耐久性等特点，可以部分取代水泥[1]，但在目前预制品行业的实际生产中，矿物掺合料掺量一般仅为30%左右。矿粉等矿物掺合料能够与水泥的水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应，高温蒸养也能够促进矿物掺合料的水化反应[2]，所以矿物掺合料在蒸养混凝土中的掺量有较大的提升空间。

因此，如果能在混凝土预制品中提高矿物掺合料掺量，将具有深远的经济和环保意义。本文选取目前具有代表性的矿粉、钢渣、粉煤灰等3种掺合料，使用自配复合激发剂，在蒸养条件下，研究复合激发剂对不同矿物掺合料的激发效应，以提高混凝土蒸养强度，达到节约水泥、提高矿物掺合料掺量的目的。

1 试验

1.1 原材料

试验所用水泥为四川峨胜水泥有限公司生产的P·O 42.5R水泥，其性能见表1；砂为河砂，细度模数为2.2，含泥量为2.1%；石子为粒径5～25 mm连续级配碎石，压碎指标为7.4%；激发剂为自配三元复合激发剂，由CaSO4·0.5H2O、Na2SO4和CaO组成，其掺量按矿物掺合料质量百分数计算；矿粉为西安德龙粉体工程材料有限公司生产的S 95级矿粉；钢渣为乐山西南不锈钢厂水淬钢渣粉；粉煤灰为江油发电厂的Ⅰ级粉煤灰，3种矿物掺合料的化学成分见表2；减水剂为四川华西绿舍建材有限公司生产的固含量为26%的聚羧酸系高效减水剂，减水剂掺量按胶凝材料总量的质量百分数计算。

表1 所用P·O 42.5R水泥的物理力学性能指标

表2 掺合料化学成分 %

1.2 试验方法

混凝土基准配合比如表3所示。试模尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，蒸汽养护制度为：静停2 h+升温2 h+80 ℃恒温10 h+降温2 h。降温结束后，立即测试混凝土的蒸养强度。

表3 蒸养混凝土基准配合比

2 试验结果及讨论

2.1 复合激发剂对矿粉的激发效应

固定激发剂掺量，分别测试矿粉掺量为胶凝材料总量的0～70%时(内掺法)，复合激发剂对混凝土蒸养强度的影响，试验结果如图1所示。

图1 矿粉掺量对混凝土蒸养强度的影响

由图1可以看出，在有激发剂和无激发剂两种条件下，随着矿粉掺量的增加，混凝土蒸养强度均呈现先增大、后降低的趋势。有激发剂时的强度最大值点(矿粉掺量为50%、蒸养强度为74.6 MPa)均高于无激发剂的情况(矿粉掺量为20%、蒸养强度71.3 MPa)；在矿粉掺量<40%时，有激发剂的蒸养强度低于无激发剂的蒸养强度；矿粉掺量≥40%时，有激发剂的蒸养强度高于无激发剂的蒸养强度，这时，激发剂对矿粉的激发效应才较好地表现出来。

2.2 复合激发剂对钢渣粉的激发效应

固定激发剂掺量，分别测试钢渣粉掺量为胶凝材料总量的0～70%时(内掺法)，复合激发剂对混凝土蒸养强度的影响，试验结果如图2所示。

图2 钢渣粉掺量对混凝土蒸养强度的影响

由图2可以看出，在有激发剂和无激发剂两种条件下，随着钢渣粉掺量的增加，混凝土蒸养强度均呈现先增大、后降低的趋势。有激发剂时的强度最大值点(钢渣粉掺量40%、蒸养强度65.8 MPa)均高于无激发剂的情况(钢渣粉掺量10%、蒸养强度64.8 MPa)；在钢渣粉掺量<30%时，有激发剂的蒸养强度低于无激发剂的蒸养强度；钢渣粉掺量≥30%时，有激发剂的蒸养强度高于无激发剂的蒸养强度，激发剂的激发效应较为明显。

2.3 复合激发剂对粉煤灰的激发效应

固定激发剂掺量，分别测试粉煤灰掺量为胶凝材料总量的0～70%时(内掺法)，复合激发剂对混凝土蒸养强度的影响，试验结果如图3所示。

图3 粉煤灰掺量对混凝土蒸养强度的影响

由图3可以看出，在有激发剂和无激发剂两种条件下，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土蒸养强度均呈现先增大、后降低的趋势。有激发剂时的强度最大值点(粉煤灰掺量40%、蒸养强度68.5 MPa)均高于无激发剂的情况(粉煤灰掺量20%、蒸养强度67.4 MPa)；在粉煤灰掺量<30%时，有激发剂的蒸养强度低于无激发剂的蒸养强度；粉煤灰掺量≥30%时，有激发剂的蒸养强度高于无激发剂的蒸养强度。

综合以上数据可以得出，在矿粉、钢渣粉和粉煤灰的掺量均小于一定值时，复合激发剂的掺入不利于混凝土蒸养强度的发展。这是由于在胶凝体系中，矿物掺合料的掺量较小，水泥的浓度就相对较高，在复合激发剂中的强碱和硫酸盐作用下，水泥颗粒会迅速发生水化反应，产生急凝现象，导致早期水泥水化产物包裹大量的未水化颗粒，隔绝了与水的接触，使大量的水泥和掺合料颗粒仅起到填充作用，造成早期胶凝体系结构发育不完善[3]，导致有激发剂时的蒸养强度低于无激发剂的蒸养强度。

当矿粉、钢渣粉和粉煤灰的掺量均大于一定值时，胶凝体系中水泥的浓度相对较低，在静停期，复合激发剂可以使胶凝材料的水化进程平稳进行，有助于水泥石形成完善的内部结构，促进混凝土强度在蒸养阶段稳步提高，这时复合激发剂才有较好的激发效应。

在矿物掺合料掺量高于一定值时，随着掺量的进一步增加，混凝土蒸养强度均呈下降趋势。这是由于随着矿物掺合料掺量的继续增加，胶凝体系中水泥的浓度持续降低，使静停期水泥水化生成的凝胶体和Ca(OH)2减少，而浆体中OH-的浓度不足以激发矿物掺合料的活性，以致不能形成致密的硬化体结构[4]，造成蒸养阶段混凝土内部微裂缝的产生，影响强度发展。

2.4 复合激发剂对矿粉、钢渣粉和粉煤灰的激发效应比较

通过以上试验分析，可以得出在蒸养条件下复合激发剂激发矿粉、钢渣粉和粉煤灰的最佳掺量及强度(见表4)。

表4 矿粉、钢渣粉和粉煤灰的最佳掺量及最高强度

由表4可以看出，矿粉的最佳掺量和最高强度均最大，分别为50%和72.6 MPa，粉煤灰次之，钢渣粉的最佳掺量和最高强度最小，分别为40%和65.3 MPa，均可达到C60强度等级。

决定矿物掺合料潜在火山灰活性大小的因素是玻璃体含量和钙硅物质的量之比(摩尔比)，后者决定了玻璃体中硅氧四面体聚合度的高低。钙硅摩尔比小，玻璃体中硅氧四面体的聚合度高，形成了较连续的带有Al3+的三维网络结构，玻璃体结构就较难被破坏[5]。

钢渣自身的水硬强度低，水化较慢，一般条件下较难受碱的侵蚀，其钙硅比约为0.1～0.16，比矿渣相应的比值(0.9～1.2)小得多。所以，只有在蒸养和复合激发剂共同作用下，钢渣才有一定水硬活性[9]。

本试验选取的粉煤灰为高钙灰，在高温和强碱性环境下，粉煤灰的玻璃体结构发生解聚，分解成为聚合度较低的Al、Si单聚体和双聚体，这些基团之间发生碰撞而进行重构和重组，并发生缩聚反应，形成具有三维网络结构的聚合物，从而形成致密的硬化体结构[10]。

2.5 复合激发剂掺量对矿粉激发效应的影响

固定矿粉掺量为50%，分别测试复合激发剂掺量为0、2%、4%、6%、8%、10%时混凝土的蒸养强度和标养28 d强度，试验结果如图4所示。

图4 复合激发剂掺量对混凝土强度的影响

由图4可以看出，随着复合激发剂掺量的增加，混凝土的蒸养强度和标养强度均呈现先增大、后降低的趋势。激发剂掺量为6%时，混凝土蒸养强度达到最大值78.9 MPa；激发剂掺量为8%时，混凝土标养强度达到最大值69.1 MPa；在其他条件相同的情况下，混凝土蒸养强度均高于标养强度。

3 结论

3.1 对所选取的3种矿物掺合料进行比较，自配复合激发剂对矿粉的激发效应最好，粉煤灰次之，钢渣最差；矿粉的最佳掺量为50%，激发剂的最佳掺量为矿粉掺量的6%，强度可达78.9 MPa；钢渣粉和粉煤灰最佳掺量为40%，均可达到C60强度等级。

3.2 选取的矿物掺合料掺量较小时，自配激发剂会使水泥急凝，对水泥-矿物掺合料胶凝体系的水化进程有不利影响；掺量在40%～70%时，激发剂对其有较好的激发效果。

3.3 在其他条件相同的情况下，与标准养护相比，蒸汽养护更有利于激发剂对矿粉的激发效应。

参考文献：

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