矿物掺合料对蒸养混凝土力学性能的影响

2014-09-26赵梦柯

粉煤灰综合利用 2014年3期

赵梦柯

(机械工业第四设计研究院，广东省珠海市519015)

蒸汽养护可提高早期强度，是水泥混凝土制品生产中的一个重要环节[1]。粉煤灰是煤粉燃烧的产物，在水泥基材料中的应用已十分普遍[2，3]。粒化高炉矿渣来自矿石冶炼金属的过程，作为水泥混合材和混凝土掺合料，可节约资源和改善混凝土的性能[4，5]。本文研究了粉煤灰和磨细矿渣掺量10% ～30%(质量比，下同)及其比表面积400 m2/kg～500 m2/kg的变化范围对蒸养混凝土力学性能的影响，从而为矿物掺合料在蒸养混凝土中的工业化生产提供参考依据。

1 试验材料

试验材料包括:(1)粉煤灰:Ⅱ级粉煤灰，密度为2.37 g/cm3，化学成分见表 1;(2)磨细矿渣:密度2.83 g/cm3，化学成分见表1。(3)水泥:42.5 级普通硅酸盐水泥，其主要化学成分见表1，其主要物理性能见表2。(4)集料:细集料为天然河砂，细度模数2.80，连续级配，表观密度2676 kg/m3，空隙率40%;粗集料为岩石碎石，粒径为5mm～25mm，表观密度2676 kg/m3，有机物含量检测合。(5)减水剂:聚羧酸高效减水剂，含气量为6.1%，固含量为22%，减水率为27%。

表1 原料主要化学成分

表2 水泥的物理性能

2 试验方法

表3 粉煤灰蒸养混凝土配合比

试验讨论了粉煤灰及磨细矿渣10%～30%掺量以及400～500 m2/kg不同比表面积对蒸养混凝土力学性能的影响。试样成型依据GB50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》。试样尺寸为100 mm×l00 mm×100 mm，每组3块，试样在温度为20℃、相对湿度为98%的环境中养护2h，随后蒸养温度4h内升至60℃，后恒温2h。试样蒸养后在标养条件下养护到龄期，分别检测8h抗压强度(即脱模强度)，3d、7d、28d、56d及90d抗压强度。矿物掺合料蒸养混凝土具体配比见表3和表4。

表4 矿渣蒸养混凝土配合比

3 试验结果及分析

3.1 粉煤灰蒸养混凝土力学试验结果及分析

图3 粉煤灰(400 m2/kg)对蒸养混凝土抗压强度的影响

图4 粉煤灰(450 m2/kg)对蒸养混凝土抗压强度的影响

图5 粉煤灰(500 m2/kg)对蒸养混凝土抗压强度的影响

图3 ～图5为3种细度的粉煤灰不同掺量对蒸养混凝土各龄期抗压强度的影响，由图可见:(1)掺加了粉煤灰的蒸养混凝土(FAC1-FAC9)的脱模强度(8h)、3d和7d抗压强度均低于基准混凝土的抗压强度(PC)，且随着粉煤灰掺量的增加，蒸养混凝土早期强度下降明显。粉煤灰(400 m2/kg、450 m2/kg及500 m2/kg)掺量为10%的蒸养混凝土 (FAC1组、FAC4组及FAC7组)3d、7d抗压强度分别为基准混凝土PC组的72.6% 和 90.4%、74.1% 和 96.3%、79.1% 和 94.3%;粉煤灰(400 m2/kg、450 m2/kg 及 500 m2/kg)掺量为30%的蒸养混凝土(FAC3组、FAC6组及FAC9组)3d、7d抗压强度分别达到了基准混凝土PC组的62.7%和 78.3%、60%和 73.2%、54.6%和 69.1%。

粉煤灰蒸养混凝土早期抗压强度明显低于基准混凝土，原因在于粉煤灰自身没有强度，且早期水化速率很低，除少量粉煤灰与Ca(OH)2及由熟料水化生成的高Ca/Si的水化硅酸钙(C－S－H)凝胶发生二次水化反应，生成低Ca/Si的C－S－H凝胶，与水泥浆体形成特殊界面外，其余大量仅充当填料存在于混凝土内部，并未对早期抗压强度有太大贡献[6－8]。

3.2 矿渣蒸养混凝土力学试验结果及分析

图6 矿渣(400 m2/kg)对蒸养混凝土抗压强度的影响

图7 矿渣(450 m2/kg)对蒸养混凝土抗压强度的影响

图8 矿渣(500m2/kg)对蒸养混凝土抗压强度的影响

图6 ～图8为3种细度的矿渣不同掺量对蒸养混凝土各龄期抗压强度的影响，由图可见:

(1)掺加了矿渣的蒸养混凝土(SLC1-SLC9)的脱模强度(8h)略低于基准混凝土PC组的抗压强度，矿渣(400m2/kg、450m2/kg及500m2/kg)掺量为10%的蒸养混凝土(SLC1组、SLC4组及SLC7组)8h脱模强度分别为基准混凝土 PC组的 98.2%、110.3%、106.2%。在低掺量(10%)条件下，蒸养混凝土随比表面积的增加抗压强度增加的原因在于矿渣自身具有一定的硬度，且自身早期水化速率虽达不到硅灰的水化速率迅速，但明显超出粉煤灰水化速率。在早期硬化混凝土浆体中，矿渣部分水化生成了C-S-H凝胶，增强了微观结构，未水化部分充当了填充料，增强了内部的硬度[9]。

(2)掺矿渣蒸养混凝土的3d、7d、28d抗压强度均低于基准混凝土(PC)组的抗压强度。原因亦在于矿物掺合料的火山灰反应需要水泥水化产物Ca(OH)2作为反应产物，即便混凝土成型期间搅拌均匀，硬化混凝土浆体内部矿物掺合料的分布也未达到完全的均匀，故随养护龄期的延长，水泥组分中的 C3S、C2S、C3A、C4AF等水化程度加深，生成致密的水化产物，其对基体强度的贡献优于部分水化不完全或者未水化仅作填充料的矿渣，故在抗压强度上略低于纯水泥的基准混凝土抗压强度[10，11]。

(3)掺矿渣蒸养混凝土的56d、90d抗压强度接近或超过基准混凝土PC组的抗压强度。矿渣(400m2/kg、450m2/kg及500m2/kg)掺量为10%的蒸养混凝土(SLC1组、SLC4组及SLC7组)56d、90d抗压强度分别为基准混凝土PC组的98%和105.6%、100.4% 和 110.7%、105.8% 和 113.6%;矿渣(400m2/kg、450m2/kg及500m2/kg)掺量为20%的蒸养混凝土(SLC2组、SLC5组及SLC8组)56d、90d抗压强度分别为基准混凝土PC组的93.8%和96.6%、89.3% 和 96.9%、82.4% 和 86.1%;矿渣(400m2/kg、450m2/kg及500m2/kg)掺量为30%的蒸养混凝土(SLC3组、SLC6组及SLC9组)56d、90d抗压强度分别为基准混凝土 PC组的82.1%和89%、81.5%和88.7%、82.4%和 86.2%;

掺矿渣蒸养混凝土抗压强度随着养护龄期的增加而明显提高，且随着比表面积的增加，增长速率越快。这主要是由于在硬化混凝土后期阶段，基体内部水泥熟料水化程度较完全，基体内部孔溶液可提供充足的Ca(OH)2与矿渣进行火山灰反应，生成次生的C-S-H凝胶，增强基体抗压强度;且随着矿渣比表面积的增大，增加了矿渣与水泥水化产物的接触面积，使得单位时间内参与火山灰反应的矿渣数量增加，从而使硬化混凝土浆体内部致密化，对混凝土后期抗压强度增加起到了辅助的作用[12～14]。

4 结论

(1)粉煤灰作为矿物掺合料降低了蒸养混凝土的早期强度，且粉煤灰细度的变化对早期蒸养混凝土的早期强度没有显著影响，随着粉煤灰掺量的增加，粉煤灰蒸养混凝土的早期强度(8h、3d、7d)大幅下降，掺粉煤灰(400m2/kg、450m2/kg及500m2/kg)的蒸养混凝土脱模强度随掺量的增加(10% ～30%)分别下降了31%、35%、44.6%;掺入适量粉煤灰(不超过20%)的蒸养混凝土养护至28d龄期后，抗压强度可达到或超过基准混凝土抗压强度;后期粉煤灰混凝土抗压强度也具有类似的变化趋势。

(2)矿渣掺入基本未改变蒸养混凝土的早期强度(与基准混凝土抗压强度差值≤5MPa)，但随着矿渣掺量的增加，混凝土的早期(8h、3d、7d)强度逐渐降低;掺矿渣蒸养混凝土的中后期(28d、56d、90d)强度随掺量增加表现出类似趋势，且比表面积的增大加剧了下降趋势。除矿渣掺量30%的蒸养混凝土90d强度较低(84MPa～86MPa)，其余各配比矿渣蒸养混凝土均超过90MPa，最高达到108MPa。

[1]彭波，丁庆军，王红喜，等.水泥与混凝土制品的蒸汽养护生产关键技术进展[J].国外建材科技，2007，28(3):21-24.

[2]聂轶苗，刘淑贤，牛福生，等.粉煤灰研究进展及展望[J].混凝土，2010，4:62-65.

[3]武俊宇，曾荣树，倪文，等.高钙粉煤灰在建材行业的研究进展[J].硅酸盐通报，2007，26(4):753-759.

[4]张树青，黄士元.我国矿渣粉生产和应用情况[J].混凝土，2004，(4):6-8.

[5]张雄，鲁辉，张永娟，等.矿渣活性激发方式的研究进展[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2011，43(3):379-384.

[6]王培铭，陈志源，SCHOLZ H.粉煤灰与水泥浆体间界面的形貌特征[J].硅酸盐学报，1997，25(4):475-479.

[7]魏风艳，吕忆农，兰祥辉，等.粉煤灰水泥基材料的水化产物[J].硅酸盐学报，2005，33(1):52-56.

[8]贺智敏，谢友均，刘宝举.蒸养粉煤灰混凝土力学性能试验研究[J].混凝土，2003，8:25-27.

[9]丁铸，张德成，邵洪江，等.含超细矿渣水泥的水化研究[J].建筑材料学报，1998，1(3):201-205.

[10]赵旭光，李长成，文梓芸，等.高炉矿渣粉体的颗粒形貌研究[J].建筑材料学报，2005，8(5):558-561.

[11]阎培渝，王强.高温下矿渣复合胶凝材料早期的水化性能[J].建筑材料学报，2009，12(1):1-5.

[12]林震，陈益民，苏姣华，等.外掺磨细矿渣与粉煤灰的水泥基材料的亚微结构研究[J].硅酸盐学报，2000，28(SI):6-10.