掺合料复配和激发剂改性对水泥基材料性能的影响

曾春明，曾智科，修 杨，章 晨

(1.江西省盛三和防水工程有限公司,南昌 330001；2.萍乡金宜混凝土有限公司,萍乡 337000；3.南昌市市政工程管理处,南昌 330001)

1 前言

矿物掺合料作为水泥基材料必不可少的组分之一,已经越来越受到重视,但由于其不可再生性,而优质资源能源消耗与日俱增,不利于混凝土行业的可持续发展。目前解决这一问题的办法是开发新型矿物掺合料,而不是局限于粉煤灰、矿渣粉等传统掺合料。尽管粉煤灰和矿粉对提高混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能都有利,但粉煤灰和矿粉也是不可再生资源,加上部分地区资源分布极不均匀、原材料短缺严重、产品质量参差不齐等问题,不得不使用新型矿物掺合料,如石灰石粉、钢渣粉和天然火山灰粉等[1]。

将石灰石粉、钢渣粉和天然火山灰粉等取代一定量的水泥不仅对胶凝材料体系的性质产生影响,还可以改变胶凝材料体系的孔结构及密实度。由于矿物之间的物理性能及化学活性的差异,相应对胶凝材料体系的影响也不同。不同成分、不同含量的矿物掺合料如果以合适的比例复掺时,不仅能发挥各自的优势,还能够产生性质上的互补,具有一定程度的超叠加效应,获得较单掺情况下更好的性能[2-3]。

因此,本文研究石灰石粉、钢渣粉和天然火山灰粉复掺时的合适比例及性能,改变矿物掺合料在胶凝体系中的比例；通过复掺技术和化学激发改性,对复合胶凝材料体系的工作性能和力学性能等方面的影响进行探讨研究,为制备高性能水泥基材料提供理论依据。

2 试验材料及试验方法

2.1 试验原材料

(1)水泥

采用万年青P·O42.5普通硅酸盐水泥,主要性能指标见表1。

表1 水泥主要性能指标

(2)化学激发剂

化学激发剂主要矿物相是硫铝酸盐,其化学分析见表2。

表2 化学激发剂化学成分

(3)粉煤灰

粉煤灰的化学分析见表3。

表3 粉煤灰的化学成分(wt%)

(4)矿渣粉

矿渣粉的化学分析见表4。

表4 矿渣的化学成分(wt%)

(5)火山灰

火山灰的化学分析见表5。

表5 火山灰粉的化学成分(wt%)

(6)钢渣粉

钢渣粉的化学分析见表6。

表6 磨细钢渣粉的化学成分(wt%)

(7)石灰石粉

石灰石粉的化学分析见表7。

表7 石灰石粉的化学成分(wt%)

(8)其他原材料性能指标：

粗骨料：5～25mm连续级配碎石；河砂：中砂,细度模数2.6,堆积密度1560kg/m3,表观密度1600kg/m3；外加剂：聚羧酸系缓凝高效减水剂,含固量为6.3%,减水率22%。

2.2 试验方法

(1)混凝土工作性试验

按照(GB/T 50080-2016)《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中规定的方法进行。测试新拌混凝土工作性能。

(2)混凝土力学性能试验

按照(GB/T 50081-2002)《普通混凝土力学性能试验方法标准》中规定的方法进行。试验采用尺寸为150mm×150mm×150mm的试件,测试其28d抗压强度。

3 试验结果及分析

3.1 石灰石粉与钢渣粉复配试验研究

采用磨细石灰石粉和磨细钢渣粉进行复配试验,矿物掺合料总掺量(37%)保持不变,试验配合比及结果见表8和表9。

表8 双掺石灰石粉和钢渣粉试验配合比

表9 双掺石灰石粉和钢渣粉试验结果

从表9的试验结果来看,不同品种水泥与石灰石粉、钢渣粉复合矿物掺合料组成的胶凝材料体系工作性和强度相差不大,砂浆1h扩展度损失在90mm～135mm范围内,胶砂试件28d抗压强度在32MPa～37MPa范围内,但就石灰石粉与钢渣粉复配比例对强度影响而言,石灰石粉与钢渣粉以8∶5比例复合时强度较高。但石灰石粉、钢渣粉复合矿物掺合料对强度的贡献还达不到粉煤灰、矿粉复合矿物掺合料对强度的贡献,需要采取一定的技术手段对其进行改性。

3.2 石灰石粉与天然火山灰粉复配试验研究

采用磨细石灰石粉和磨细天然火山灰粉进行复配试验,矿物掺合料总掺量(37%)保持不变,试验配合比及结果见表10和表11。

表10 双掺石灰石粉和天然火山灰粉试验配合比

表11 双掺石灰石粉和天然火山灰粉试验结果

由表11的试验结果可以看出,不同品种水泥与石灰石粉、天然火山灰粉复合矿物掺合料组成的胶凝材料体系工作性和强度相差不大,砂浆1h扩展度损失在35mm～70mm范围内,该复合胶凝材料体系扩展度损失要小于石灰石粉、钢渣粉复合胶凝材料体系；另外,石灰石粉、天然火山灰粉复合胶凝材料体系28d抗压强度在30MPa～35MPa范围内,低于石灰石粉、钢渣粉复合胶凝材料体系。石灰石粉和天然火山灰粉复配比例为6∶7时,强度相对较高,但也达不到粉煤灰、矿粉复合时对强度的贡献,需要采取一定的技术手段对其进行改性。

3.3 硫铝酸盐激发剂对大掺量矿物掺合料胶凝材料体系的改性激发

研究硫铝酸盐激发剂对大掺量矿物掺合料复合胶凝材料体系的激发效果,保持胶凝材料总量不变,提高矿物掺合料掺量(50%以上),相应地降低水泥用量,适当提高激发剂掺量,测试胶砂试件的7d、28d和56d强度,试验配合比和试验结果见表12。

表12 激发剂对普通硅酸盐水泥、矿粉和石灰石粉体系的改性激发

从表12可知,当石灰石粉和矿粉分别等质量替代20%和31%的普通硅酸盐水泥时,随着硫铝酸盐激发剂掺量的提高,其7d和28d强度均呈现先增大后减小的趋势,28d的强度增长幅度比7d的大,但56d的强度呈现一直递增的规律,且随着硫铝酸盐激发剂掺量的提高,不同龄期的胶砂强度均高于基准组。

另外,持续提高矿粉的掺量,当矿粉的掺量达到42%甚至50%时,掺入8%或10%的激发剂,其早期7d强度与基准组相当,但后期28d强度则显著的高于基准组,这可能是因为,矿粉的活性较大,激发剂对其起到一定的激发效果。

同时,对比配合比4与配合比6,以及配合比5与配合比7,可知,在硫铝酸盐激发剂和石灰石粉掺量固定的情况下,用矿粉等质量的替代水泥,提高矿粉的掺量,降低水泥的用量,水泥胶砂强度有一定程度的下降,由此可知,矿粉存在合适的掺量,过多的矿粉会导致水泥胶砂强度的降低。此外,当矿粉掺量为38%时,石灰石粉掺量超过20%,提高到25%甚至30%左右时,掺入10%的硫铝酸盐激发剂效果不明显,水泥胶砂强度低于基准组。

综上可见,硫铝酸盐激发剂对石灰石粉与矿粉复合矿物掺合料存在一定激发的效果,尽管石灰石粉的水化活性较小,当石灰石粉掺量超过20%时,则硫铝酸盐激发剂对整个体系的激发效果不好,水泥胶砂强度将低于基准组。但掺适量石灰石粉对提高胶砂试件早期强度较为明显,而适当提高矿粉掺量则有利于胶砂试件后期强度发展。

4 结论

(1)石灰石粉和天然火山灰粉比表面积对工作性和强度的影响规律有所不同。石灰石粉与搅拌站生产用外加剂适应性良好,提高石灰石粉粉磨太细会增大砂浆1h扩展度损失,但对早期强度有利,这种早强作用随着石灰石粉比表面积的提高而越来越显著。而天然火山灰粉粉磨太细,砂浆扩展度下降的趋势越显著,但有利于强度增长。

(2)与粉煤灰和矿粉复合矿物掺合料相比,石灰石粉与钢渣粉按61.5%:38.5%比例复合时,强度与基准组相当；石灰石粉与天然火山灰粉按一定比例复掺等量替代粉煤灰和矿粉时,强度有所下降,需要采取一定的技术手段对其进行改性。

(3)激发剂对石灰石粉与矿粉复配的复合微粉(石灰石粉与矿粉比例为9∶14,即石灰石粉占39%,钢渣粉占61%)存在一定激发的效果,可大幅降低水泥用量(复合微粉比例达51%),具有一定的早强效果,且不影响后期强度的发展。尽管石灰石粉的水化活性较小,但掺适量石灰石粉对提高胶砂试件早期强度较为明显,而适当提高矿粉掺量则有利于胶砂试件后期强度发展。

[1]徐辉,李克亮,黄国泓.多种矿物掺合料复合胶凝材料的密实性及性能研究[J].山东建材,2005(3):49-52．

[2]勾成福.水泥-石灰石粉-矿粉复合胶凝体系收缩性能研究[D].中南大学硕士论文,2011．

[3]周永祥,王永海,王思娅,等.石灰石粉的特性及对混凝土性能的影响[J].施工技术,2014(9):23-27．