采用磨细石灰石粉生产混凝土的试验研究

2015-12-22赵世冉孟刚刘超邰炜张凯峰张磊

商品混凝土 2015年12期

关键词：石粉矿粉胶凝

赵世冉，孟刚，刘超，邰炜，张凯峰，张磊

（中建西部建设北方有限公司；陕西西安 710116）

采用磨细石灰石粉生产混凝土的试验研究

赵世冉，孟刚，刘超，邰炜，张凯峰，张磊

（中建西部建设北方有限公司；陕西西安 710116）

本文采用矿山开采后的废弃物石灰石粉替代部分混凝土原材料进行混凝土生产的试验研究，以考察磨细石粉应用于商品混凝土的可行性，并通过试验确定石粉的最佳替代区间。研究表明：当采用磨细石粉替代混凝土用粉煤灰时，在混凝土中的单方替代量可达 20～60kg，且磨细石粉的比表面积越大，对混凝土早期强度的提升越明显；当采用磨细石粉替代混凝土用矿粉时，可以改善混凝土的流动性，但对混凝土强度的影响较大；水泥-矿粉-石粉胶凝体系中的水化产物较水泥-粉煤灰-石粉胶凝体系中的水化产物多，对混凝土强度贡献也较大。

石粉；掺合料；混凝土；流动性；抗压强度

0 前言

近几年，随着混凝土应用技术的进步，粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等矿物掺合料被大量应用于商品混凝土之中，也取得了巨大的社会效益和经济效益[1,2]。然而，随着公众对环境保护的日益关注，国家对煤电行业、钢铁企业节能减排压力的进一步加大，导致传统矿物掺合料资源供应日趋紧张[3]。因此，寻找新型混凝土矿物掺合料是提升混凝土技术水平，和推进混凝土产业发展的关键之所在[4,5]。本文采用磨细石粉分别替代粉煤灰和矿粉，从不同比表面积不同掺量石粉对混凝土综合性能的影响入手，开展试验研究，以期为今后石粉作为掺合料在混凝土中的大规模应用提供技术支持。

1 试验

1.1 原材料

1.1.1 水泥

本试验采用声威 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，主要物理性能指标见表 1。

表1 水泥物理性能指标

1.1.2 矿粉

采用陕西德龙 S95 级矿粉，性能指标见表 2。

表2 矿粉性能指标

1.1.3 粉煤灰

采用大唐盛龙 Ⅱ 级粉煤灰，细度 15.2%。

1.1.4 集料

细集料：采用渭河河砂，细度模数 2.6；粗集料采用5～31.5mm 连续级配渭河卵石。

1.1.5 外加剂

采用瑞士西卡高效聚羧酸减水剂，减水率 23%。

1.1.6 拌合水

采用地下水。

1.1.7 石粉

采用湖北某采石场石灰石磨细制得，比表面积分别为400m2/kg、500m2/kg 和 600m2/kg，本试验分别以 A、B 和 C三个字母来作为此三种不同比表面积石粉的编号，石粉的化学成分见表 3。

表3 石粉化学成分 %

1.2 试验方案

根据行业标准 JGJ/T 318-2014《石灰石粉在混凝土中应用技术规程》规定，石粉掺量不应超过胶凝材料总量 20%，本试验采用三种不同比表面积的磨细石粉，分别以 20kg、40kg、60kg 的单方取代量取代 C35 混凝土中的粉煤灰和矿粉（石粉分别占胶材总量的 6%、12%、18%），通过对混凝土物理、力学性能的对比试验，分析不同比表面积不同掺量石粉对混凝土性能的影响。

2 试验结果

2.1 物理性能试验结果

为评价石粉对混凝土流动性的影响，本文依据GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》对不同比表面积石粉替代粉煤灰和矿粉对混凝土扩展度的影响进行了测试，结果见表 4、表 5 及图 1。

表4 石粉取代粉煤灰混凝土扩展度 mm

表5 石粉取代矿粉混凝土扩展度 mm

图1 不同比表面积石粉取代粉煤灰和矿粉对混凝土扩展度的影响

由上述试验结果可知，石粉替代粉煤灰后对混凝土扩展度的影响较小，而石粉替代矿粉后对混凝土扩展度的影响则呈现出随着石粉替代量增加，混凝土扩展度先增加后降低的趋势。这表明在适当的掺量范围内，石粉在水泥颗粒之间的“滚珠”作用效果明显，增加了混凝土拌合物的流动性，有利于调节商品混凝土的泵送性能。从石粉比表面积对混凝土流动性的影响来看，随着石粉比表面积的增大，混凝土扩展度呈降低的趋势。这主要是因为，混凝土中拌和水的作用除了满足水泥水化以提供强度外，还要在骨料与粉体的颗粒表面形成一层水膜，使颗粒之间容易产生相对滑动[6,7]。在混凝土拌合的过程中，石粉比表面积越大，包裹其表面需要的水就越多，此时石粉的表面吸附水作用大于其“滚珠”效应而成为影响混凝土性能的主导因素，宏观上则表现为混凝土拌合物的扩展度降低。

2.2 力学性能试验结果

石粉取代粉煤灰和矿粉对混凝土力学性能的影响见表6、表 7 和图 2 所示。

表6 石粉取代粉煤灰混凝土抗压强度 MPa

表7 石粉取代矿粉混凝土抗压强度 MPa

由图 2(a) 可知，采用不同比表面积石粉分别替代20～60kg 粉煤灰，28d 后混凝土的强度均大于 43MPa，满足C35 混凝土强度要求。对比早期强度可知，当采用比表面积为 600m2/kg 的 C 号石粉，单方取代粉煤灰量低于 40kg 时，混凝土的 3d 抗压强度接近甚至高于基准混凝土。这是因为相对于 A 号、B 号石粉，C 号石粉的比表面积较大，微集料填充效应较好；另外，随着石粉比表面积的增加，其微集料效应和微晶核效应对混凝土的增强作用也越明显。从水泥水化的角度分析，一方面，石粉等量取代粉煤灰后，在胶凝体系中起到了分散水泥的作用，从一定程度上促进了水泥的水化；另一方面，石粉的物理填充作用改善了混凝土的孔结构，从而增大了水分从内向外迁移的难度，延缓了水分的散失，从而保证了水泥水化所需的水分，提高了水泥的水化程度。随着胶凝体系水化的进一步发展，掺石粉混凝土的 7d、28d 抗压强度均低于基准混凝土，这是因为与粉煤灰相比，石粉的活性较低，随着龄期及替代粉煤灰量的增加，粉煤灰二次水化反应对强度的补充作用降低，从而降低了混凝土强度。

由图 2(b) 可知，与基准混凝土抗压强度相比，石粉替代矿粉后，混凝土各龄期的强度均随着石粉掺量的增加而降低，且掺量越大降低越明显，这是因为活性较高的矿粉对混凝土各龄期的活性均有贡献，随着低活性石粉替代矿粉量的增加，胶凝材料活性组分降低，混凝土强度降低。有研究指出，石粉对混凝土后期强度（180d）的影响逐渐减少[8-10]，因此在应用石粉作掺合料生产混凝土时，应考虑取代粉煤灰，且在保证结构安全的同时，充分考虑养护龄期对强度的影响。

图2 不同比表面积石粉取代粉煤灰和矿粉对混凝土抗压强度的影响

2.3 扫描电镜分析试验

混凝土的强度与微结构的密实程度有密切的联系[11-13]，为了解石粉对混凝土中胶凝材料水化产物的影响，试验制备了水泥胶砂试块、水泥-粉煤灰-石粉胶砂试块以及水泥-矿粉-石粉胶砂试块，在温度 (20±2)℃、湿度 95% 以上的标准养护室养护 28d 后，经切、磨、洗、烘、渗胶、抛光、喷金等过程制成微小立方体试样，进行扫描电子显微镜（SEM）检测，见图 3(a)、(b)、(c)。

从图 3(a) 水泥胶砂的 SEM 图可以看到少量分散分布的立方片状氢氧化钙晶体和 C3S、C2S、C3A 和 C4AF 的水化产物，内部结构相对密实。图 3(fb) 是石粉取代 60% 粉煤灰后胶砂的 SEM 图，图中除了水泥水化产物之外，还可以看到球形的粉煤灰和六方片状的碳铝酸钙晶体以及片状紧密堆积近似立方体的碳酸钙晶体。在水泥-粉煤灰-石粉体系中，既有水泥的水化反应，也有粉煤灰的火山灰效应（活性 SiO2和 Al2O3等成分与水泥产物在有水的情况下发生化学反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙），还有石粉的活性效应（石粉与水泥中的铝相反应生成具有一定凝胶能力的碳铝酸盐复合物），因石粉的活性低于水泥和粉煤灰，故石粉参与水化的产物碳铝酸钙晶体较少，从活性产物的角度对混凝土强度的贡献也较少，宏观上表现为，石粉替代粉煤灰后混凝土后期强度略低。图 3(c) 是石粉取代 60% 矿粉后胶砂的 SEM 图，图中可以看出，水化产物和图 3(b) 中的基本相同，这主要是因为在水泥-矿粉-石粉体系中，同样也是有水泥水化反应和石粉的活性效应以及矿粉的火山灰效应，不同的是图 3(c)有大量的氢氧化钙晶体和碳酸钙晶体以及八面体的水化铁铝酸钙晶体集中分布，从活性的角度分析，矿粉的活性高于粉煤灰，所以相同龄期下的水化产物也较丰富，宏观上经相同比表面积的石粉替代后，水泥-矿粉-石粉胶凝体系制备的混凝土早期强度比水泥-粉煤灰-石粉胶凝体系制备混凝土的强度高。