矿物掺合料对砂浆体积稳定性的影响研究

崔　鑫，郭　伟，王龙志，张海霞，刘家奇

(1.山东建泽混凝土有限公司技术中心，济南　250101;2.济南市工程质量与安全生产监督站, 济南　250001)



矿物掺合料对砂浆体积稳定性的影响研究

崔鑫1，郭伟2，王龙志1，张海霞1，刘家奇1

(1.山东建泽混凝土有限公司技术中心，济南250101;2.济南市工程质量与安全生产监督站, 济南250001)

济南轨道交通R1线拟建成为国内首条全线路清水混凝土轨道交通工程，且为100年工程。为此，开展了混凝土体积稳定性的前期研究，即矿物掺合料对砂浆体积稳定性的影响研究，为高性能清水混凝土提供技术支持。研究了单掺粉煤灰(30%、50%)、单掺矿粉(30%、50%)、双掺粉煤灰和矿粉(30%+20%、20%+30%)对水胶比为0.5的砂浆的体积稳定性能的影响规律，分析了单掺与双掺矿物掺合料对砂浆体积稳定性的影响机理。研究结果表明：矿物掺合料的掺入均可有效降低砂浆的收缩率；粉煤灰对砂浆的收缩率的降低优于矿粉对砂浆的收缩率的降低；双掺矿物掺合料对砂浆的收缩率的影响界于粉煤灰与矿粉对砂浆的收缩率的影响之间。

粉煤灰； 矿粉； 砂浆； 体积稳定性； 机理

1　引　言

济南市轨道交通R1线是济南市十三五重点工程，根据工程设计，建成国内首条全线路清水混凝土轨道交通工程，且为百年工程。

混凝土结构物一般都认为具有较好的耐久性，几乎具有无限的生命潜力。但混凝土裂纹的存在和发展，严重的影响混凝土的力学性能、耐久性能等。为了减少混凝土裂纹、提高混凝土的体积稳定性，研究人员已经做了一定的工作，并取得了一定的成果，但成果主要针对混凝土的收缩特点、单因素收缩机理、减缩剂或膨胀剂对混凝土体积稳定性的影响、某一特定收缩特征等进行研究[1-3]。为了减少影响因素、对混凝土体积稳定性进行基础研究，本文以济南轨道交通工程为依托，开展不同矿物掺合料、不同掺加比例、单掺矿物掺合料、双掺矿物掺合料等因素对砂浆的体积稳定性进行研究，探讨砂浆体积稳定性的变化规律，为高性能、高体积稳定性混凝土的科技进步提供技术支持。

2　实　验

2.1实验原材料

2.1.1水泥

选用的水泥为山东水泥厂生产的P·O42.5级水泥，其物理性能指标如表1所示。

表1　水泥物理性能指标

2.1.2矿粉

选用的矿粉为济南永通建材有限公司生产的S95级矿粉，其物理性能指标如表2所示。

表2　矿粉物理性能指标

2.1.3粉煤灰

选用的粉煤灰为聊城茌平电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，其物理性能指标如表3所示[4]。

表3　粉煤灰物理性能指标

2.1.4砂

ISO标准砂。

2.1.5水

济南地区饮用水。

2.2实验方法

2.2.1实验试件成型

分别成型7组带测长钉头的实验试件，具体如下：

实验组1：不掺加任何矿物掺合料，即225 g水，450 g水泥，1350 g标准砂；

实验组2：粉煤灰取代水泥质量的50%，即225 g水，225 g 水泥，225 g粉煤灰，1350 g标准砂；

实验组3：矿粉取代水泥质量的50%，即225 g水，225 g水泥，225 g粉煤灰，1350 g标准砂；

实验组4：粉煤灰与矿粉总共取代水泥质量的50%，且粉煤灰与矿粉的掺入量为4∶6，即225 g水，225 g水泥，90 g粉煤灰，135 g矿粉，1350 g标准砂；

实验组5：粉煤灰与矿粉总共取代水泥质量的50%，且粉煤灰与矿粉的掺入量为6∶4，即225 g水，225 g水泥，135 g粉煤灰，90 g矿粉，1350 g标准砂；

实验组6：粉煤灰取代水泥质量的30%，即225 g水，315 g水泥，135 g粉煤灰，1350 g标准砂；

实验组7：矿粉取代水泥质量的30%，即225 g水，315 g水泥，135 g矿粉，1350 g标准砂。

2.2.2实验条件

成型后的试件放入温度为(20±1) ℃ ，相对湿度为90%以上的养护箱内养护。试体自加水时算起，养护(24±2) h后脱模，脱模后的试件移入温度为(20±2) ℃，相对湿度为60%±5%的干养室中进行养护。达到相应龄期后，读取比长仪数据并记录。

图1　比长仪Fig.1　Length comparator

2.2.3实验结果处理

水泥胶砂试体的各龄期干缩率St(%)，按下式计算：

St=(Lt-L0)/160

式中：Lt-某龄期的测量读数，毫米；L0-初始测量读数，毫米；160-试体有效长度，毫米。

2.3实验设备

PL602-L型电子天平、比长仪(见图1所示)、三联模(40 mm×40 mm×160 mm)、砂浆搅拌机、养护箱等。

3　矿物掺合料对砂浆体积稳定性的影响研究

试件拆模后，将试件安放于比长仪规定测量位置并记录初始值，当达到相应测量龄期后直接读取长度数据即可。各实验组所得数据经过分析和整理如表4、表5所示。

表4　各实验组收缩数据

表5　各实验组收缩率

3.1单掺矿物掺合料对砂浆体积稳定性的影响

根据实验组1、2、3的收缩率数据可知(见图2所示)，未掺矿物掺合料的实验组1收缩率最大，掺50%矿粉的实验3收缩率次之，而掺50%粉煤灰的实验2收缩率最小。说明掺加矿物掺合料可有效降低砂浆的收缩率，且掺50%粉煤灰比掺50%矿粉更有利于降低砂浆的收缩率。

根据实验组1、2、6的收缩率数据可知(见图3所示)，未掺矿物掺合料的实验组1收缩率最大，掺30%粉煤灰的实验6收缩率次之，而掺50%粉煤灰的实验2收缩率最小。说明掺加矿物掺合料可有效降低砂浆的收缩率，且掺50%粉煤灰比掺30%粉煤灰更有利于减小砂浆的收缩率。

图2　50%矿物掺合料对砂浆体积稳定性的影响Fig.2　Effect of 50% mineral admixture onthe volume stability of mortar

图3　单掺粉煤灰对砂浆体积稳定性的影响Fig.3　Effect of single mixed fly ashon volume stability of mortar

根据实验组1、3、7的收缩率数据可知(见图4所示)，未掺矿物掺合料的实验组1收缩率最大，掺30%矿粉的实验7收缩率次之，而掺50%矿粉的实验3收缩率最小。说明掺加矿物掺合料可有效降低砂浆的收缩率，且掺50%矿粉比掺30%矿粉更有利于降低砂浆的收缩率。

根据实验组1、2、3、6、7的收缩率数据可知(见图5所示)，未掺矿物掺合料的实验组1收缩率最大，掺30%矿粉的实验组7收缩率次之，掺30%粉煤灰的实验组6与掺50%矿粉的实验组3收缩率较小，而掺50%粉煤灰的实验2收缩率最小。说明掺加矿物掺合料可有效降低砂浆的收缩率，且掺50%矿粉与掺30%粉煤灰对砂浆收缩率的降低效果接近，这也进一步说明了粉煤灰对砂浆的减缩效果优于矿粉对砂浆的减缩效果。

图4　单掺矿粉对砂浆体积稳定性的影响Fig.4　Effect of single mixed slag powder on volume stability of mortar

图5　单掺矿物掺合料对砂浆体积稳定性的影响Fig.5　Effect of single mixed mineral admixture on volume stability of mortar

3.2双掺矿物掺合料对砂浆体积稳定性的影响

根据实验组1、4、5的收缩率数据可知(见图6所示)，未掺矿物掺合料的实验组1收缩率最大，掺20%粉煤灰加30%矿粉的实验4收缩率次之，而掺30%粉煤灰加20%矿粉的实验5收缩率最小。说明掺加矿物掺合料可有效降低砂浆的收缩率，且粉煤灰对于降低砂浆收缩率的效果优于矿粉降低砂浆收缩率的效果。

根据实验组1、4、5、6、7的收缩率数据可知(见图7所示)，未掺矿物掺合料的实验组1收缩率最大，单掺30%粉煤灰或30%矿粉的实验6、7收缩率次之，而双掺粉煤灰和矿粉的实验4、5收缩率最小。说明掺加矿物掺合料可有效降低砂浆的收缩率，且在一定范围内，掺加的矿物掺合料多有利于降低砂浆的收缩率。

根据实验组1、2、3、4、5的收缩率数据可知(见图8所示)，未掺矿物掺合料的实验组1收缩率最大，掺50%矿粉的实验组3次之，掺50%粉煤类的实验组2收缩率最小，而双掺粉煤灰和矿粉的实验组4、5收缩率介于实验组2与实验组3之间。说明掺加矿物掺合料可有效降低砂浆的收缩率，且进一步说明了粉煤灰对砂浆的减缩效果优于矿粉对砂浆的减缩效果。

图6　双掺矿物掺合料对砂浆体积稳定性的影响Fig.6　Effect of double mixed mineral admixtureon volume stability of mortar

图7　矿物掺合料对砂浆体积稳定性的影响Fig.7　Effect of mineral admixture onvolume stability of mortar

3.3矿物掺合料对砂浆体积稳定性的影响机理

图8　矿物掺合料对砂浆体积稳定性的影响Fig.8　Effect of mineral admixture on volume stability of mortar

粉煤灰的火山灰反应必须依靠水泥水化析出的氢氧化钙激发，所以其反应的活性与速度较低，并且粉煤灰掺加比例越高，反应活性越低。粉煤灰取代水泥以后，降低了砂浆体系中的水泥用量，在总水胶比一定的情况下，相当于增大了水灰比，导致水泥水化速度相对较慢，水化产物总量减少，由于水化而导致的砂浆自收缩就弱，从而降低了砂浆体系的收缩。同时，由于粉煤灰水化速度比水泥水化速度慢，未水化反应的粉煤灰颗粒起到稳定和抑制粉煤灰-水泥体系收缩的骨架作用，从而进一步降低了砂浆的收缩。基于水化动力学原理，掺加粉煤灰的水泥浆孔隙结构相对较粗，由于粉煤灰的掺加，浆体水化反应消耗水分的速度减慢，且水分的消耗趋于在较大孔隙进行，因此水化动力学临界半径达到的速度就慢，具体表现为毛细管负压增加的速度和程度减小，粉煤灰水泥砂浆体系的体积收缩速度和程度降低。

矿粉的活性较高，且矿粉细度较细，其对水泥浆体的孔结构细化作用强，使得胶材体系凝胶孔比率高，毛细孔比率相对较低，毛细孔负压较大，而引起了砂浆一定程度的收缩，但由于矿粉同样具有的微集料效应，其与纯水泥体系相比，具有减小砂浆收缩的作用；同时，由于矿粉的掺入，细化了矿粉-水泥体系的孔结构，降低了孔隙的连通性，增加了水分的迁移难度，可有效降低砂浆体系的收缩。所以综合而言，矿粉具有降低砂浆体系收缩的作用。

由于矿粉的火山灰活性和水化程度要大于粉煤灰，这大大加速了密封条件下水分的消耗速度，加速了砂浆内部干燥进程，加快了孔隙临界半径降低的速度，促使掺有矿粉的胶材体系中毛细管负压的增长和作用面积系数加大，从而相对于粉煤灰-水泥体系而言，加剧了砂浆体积的收缩，所以表现为矿粉的减缩作用弱于粉煤灰的减缩作用[2,5-8]。当粉煤灰与矿粉进行双掺时，其两者对砂浆体系的减缩效应进行了叠加，即整体表现为对砂浆体系的减缩效果在同掺量的情况 下弱于粉煤灰砂浆体系、强于矿粉砂浆体系。

4　结　论

济南市轨道交通R1线的顺利建设对济南市全面展开轨道交通的大开发及济南市地区经济的发展都具有极其重要的意义。通过对矿物掺合料对砂浆体积稳定性的影响研究得出如下结论：

(1)粉煤灰和矿粉的掺入都可有效降低砂浆的收缩率，增加砂浆的体积稳定性；

(2)同掺量情况下，单掺粉煤灰对砂浆的减缩效果优于单掺矿粉对砂浆的减缩效果；

(3)总掺量相同的情况下，双掺粉煤灰与矿粉对砂浆的减缩效果优于单掺矿粉对砂浆的减缩效果，但差于单掺粉煤灰对砂浆的减缩效果；

(4)矿物掺合料的加入，降低了砂浆体系中水泥的比例，降低了由于自收缩、干燥收缩、化学收缩等引起的砂浆体系收缩；

(5)虽然粉煤灰、矿粉都具有火山灰活性、微集料效应等，但由于粉煤灰、矿粉的细度、活性的差异，从而导致粉煤灰、矿粉对体系的减缩效果不同。

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Influence of Mineral Admixture on the Volume Stability of Mortar

CUIXin1，GUOWei2,WANGLong-zhi1，ZHANGHai-xia1，LIUJia-qi1

(1.Technology Center of Shandong Jianze Concrete Co.Ltd.，Jinan 250101,China;2.Jinan Project Quality and Production Safety Supervision Station，Jinan 250001,China)

Ji'nan rail transit R1 line will become the domestic first full fair-faced concrete rail transportation project, and for the 100-years project. In this reason, the early research on the volume stability of concrete is carried out. The effect of mineral admixture on the volume stability of mortar is studied, which provides technical support for high performance fair-faced concrete. Study on the single mixed fly ash (30%, 50%), the single mixed slag powder (30%, 50%), double mixed with fly ash and slag powder (30%+20%, 20%+30%) on the influence of volume stability of mortar of 0.5 water-binder ratio, analyzed the single and double mixed mineral admixture on the influence mechanism of volume stability of mortar. The results show that: Mineral admixtures can effectively reduce the shrinkage of mortar; Lower fly ash on the shrinkage of mortar is better than the lower slag powder on the shrinkage of mortar; the influence of double mixed mineral admixture on the shrinkage of mortar was between in the influence of fly ash and slag powder on the shrinkage of mortar.

fy ash；slag powder；mortar；volume stability；mechanism

崔鑫(1982-)，男，硕士，工程师.主要从事混凝土工程应用技术方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)06-1970-06