废弃石粉与减水剂的适应性研究

龚明子,蔡俊凯,袁忠标

(中交一公局厦门工程有限公司,福建 厦门 361021)

近些年来,随着建设行业的蓬勃发展,我国每年的混凝土生产方量巨大。与此同时,随着粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料的短缺,越来越多新型的材料作为替代品应用到混凝土当中[1]。由于减水剂与胶材体系的适应性不仅与水泥有关还受所加入的掺和料的影响,所以掺和料与减水剂的适应性好坏是新型掺和料能否在混凝土中应用的关键。目前,将石材加工后所产生的废弃石粉作为新型掺和料应用到混凝土当中引起了大家关注和重视,众多的科研机构和高校学者也进行了相关内容的研究。但是,当前的主要研究重点主要是针对石粉对混凝土力学和耐久性能的影响,缺少对于废弃石粉与减水剂的适应性的研究相关的研究成果也较少。因此,本文通过不同种类四种减水剂与废弃石粉之间的适应性展开研究,并通过浆体的流动性、经时损失等指标比较分析废弃石粉在不同的掺量和不同的细度的情况下对浆体与减水剂适应性的影响。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

(1)石粉：取自福建泉州某石材厂,废弃石粉的基本性能指标见表1-1。

(2)水泥：福建闽福水泥P·O42.5。

(3)粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰。

表1-1 石粉的性能指标

(石粉的细度可以依据后续试验要求进行调整,这里不列出。)

(4)减水剂：减水剂选用了聚羧酸系高性能减水剂和聚羧酸高效减水剂,萘系高效减水剂,以及脂肪族减水剂,减水率分别为31%、23%、24%和30%。

1.2 试验方法

混凝土的流动性主要来自于砂浆,因此减水剂对砂浆流变性的影响就可反映其对混凝土工作性能的影响。石粉与减水剂的适应性参照规范GB 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》附录A“混凝土外加剂相容性快速试验方法”。本文的试验研究内容主要包括三部分：①改变各减水剂的掺量,通过测定每次的浆体初始水平扩展度和静置30min、60min后的浆体的水平扩展度来评价各种减水剂与废弃石粉的适应性。②考查石粉掺量对胶材与减水剂适应性影响时,选取其中与石粉适应性最好的减水剂,将废弃石粉以5%、10%、15%、20%、25%、30%取代水泥进行试验。③考查石粉细度对胶材与减水剂适应性影响时,将取废弃石粉进行细度处理获取比表面积为450m2/kg、650m2/kg、850m2/kg、1000m2/kg和1200m2/kg的石粉,按掺入量为15%进行试验。

2 试验结果及分析

2.1 废弃石粉同不同类型减水剂的适应性表现

本次研究将聚羧酸系高性能减水剂、聚羧酸系高效减水剂、萘系减水剂和脂肪族减水剂分别加到水泥砂浆中,石粉掺量固定为15%,比表面积为700m2/kg,四种减水剂与胶材体系的适应性如图2-1所示。

图2-1 不同种类减水剂与废弃石粉胶材体系的适应性表现

从图2-1中可见,废弃石粉与4种减水剂适应性变化规律基本一致,适应性良好。浆体都具有较高的初始流动度,减水剂饱和点掺量在减水剂厂家推荐值范围内。浆体静置30min-60min后仍然保持较大的水平扩展度值,经时损失较小。其中,石粉与聚羧酸系减水剂的浆体最大流动扩展度值达360mm,60min经时损失25mm左右,浆体有光泽、无离析泌水等现象；石粉与萘系和脂肪族减水剂的适应性较聚羧酸系减水剂略差,但都在合理范围内：与脂肪族减水剂的初始水平扩展度最大值为340mm,经时损失在30min之后开始加大,并且随着脂肪族减水剂的掺量增加而增加,损失最大值为50mm,减水剂掺量超过1.0%之后,浆体会出现轻微泌水现象；与萘系高效减水剂的最大初始扩展度为335mm,前30min中的经时损失相对较大为30mm左右,60min经时损失最大值为40mm,浆体光泽、无离析泌水现象。石粉与聚羧酸系和萘系减水剂的适应性存在差异主要是因为减水剂的减水作用机理不同。脂肪族和萘系减水剂的颗粒分散作用主要是靠静电斥力,这种力保持时间短,随着水化反应的推进,分子间的电位下降较快,最后水泥颗粒分子之间又是范德华力占主导,所以分散效果不持久,浆体经时损失加大。而聚羧酸系减水剂是通过空间位阻作用,使水泥颗粒的絮状结果能很大程度分散开来释放出大量的被包裹的游离水,使得整个体系的流动性加强,并且这种位阻作用稳定,所以经时损失也较小[2-3]。

2.2 废弃石粉掺量对石粉与减水剂适应性的影响

通过在3种减水剂的饱和点掺量下(聚羧酸高性能减水剂剂饱和点掺量为0.9%,脂肪族减水剂为0.9%,奈系减水剂为2.0%),研究石粉掺量变化时,浆体的流动情况和经时损失等的变化规律。试验结果见图2-2。

图2-2 石粉掺量变化对浆体流动性的影响

从图2-2可得出,在聚羧酸系减水剂中,掺入废弃石粉后,浆体的初始流动扩展度一定程度上有所提高,并且随着石粉掺量的增加浆体的扩展度逐渐升高,浆体的30min、60min的扩展度则呈现先增加后减小的变化趋势,石粉的最佳掺量在15%-20%之间。对于掺萘系高效减水剂的浆体,初始流动度变化幅值在30mm内,总体上变化率不大。30min时的扩展度损失随着石粉掺量的增加而加大,60min的经时损失最大为55mm。萘系高效减水剂对于石粉掺量变化较聚羧酸减水剂更为敏感,故在掺入萘系减水剂应该将废弃石粉的掺量控制在15%以内。掺脂肪族减水剂的浆体,随着石粉含量的增加,初始流动度短暂增加后即开始下降,浆体在30min、60min后其浆体扩展度都处于下降趋势,扩展度的经时损失逐渐增大,60min经时损失在石粉掺量为30%时达到90mm,所以在废弃石粉与脂肪族减水剂共用时,更应该控制好石粉的掺量,避免因为石粉过多导致胶材体系的经时损失过大影响混凝土的工作性能。

2.3 废弃石粉细度变化对石粉与减水剂适应性的影响

选取聚羧酸高性能减水剂,掺量为0.9%,石粉掺量15%,分别研究废弃石粉在比表面积在450m2/kg、650m2/kg、850m2/kg、1000m2/kg和1200m2/kg时,浆体的流动度变化情况和经时损失,试验结果见2-3。

图2-3 废弃石粉细度对浆体流动性的影响

从图2-3可见,浆体的水平扩展度随着石粉细度的变化呈现先增大后减小的趋势,掺入石粉的浆体在石粉细度为850m2/kg时,浆体的流动性最好,60min的经时损失为25mm；掺入石粉的浆体在石粉细度为800m2/kg-1000m2/kg时,浆体的流动性最佳,60min经时损失在30mm-35mm之间。从整体的变化规律上可以看出石粉的细度不是越大越好。石粉细度在合理范围时,水泥颗粒与石粉颗粒的级配变得更加合理,石粉的填充效应和微集料效应得以充分发挥,故而体系的流动度增加,稳定性好。但是,随着细度的进一步增加,石粉颗粒过大的比表面积会使石粉颗粒对体系中的减水剂分子吸附量加大,消耗大量的减水剂,使得浆体容易变成絮状结构,没有足够的减水剂分子去释放被包裹住的游离水,所以体系的流动性下降较快[4]。

3 结论

(1)废弃石粉作为掺和料掺入,能有效提高浆体的流动性,并且与聚羧酸系、萘系和脂肪族等减水剂适应性良好,与聚羧酸系减水剂的适应性最好。

(2)在石粉掺量变化时,废弃石粉与减水剂的适应性也呈现不同的变化规律,对于聚羧酸系减水剂,石粉的最佳掺量在15%-20%之间。对于脂肪族和萘系减水剂,由于它们对于石粉掺量的变化更为敏感,故应该严格控制石粉的掺量,最好控制在15%以内。

(3)废弃石粉与减水剂的适应性因石粉细度不同存在的差异,浆体的流动性随着石粉细度的变化呈现先增大后减小的趋势,在实际使用中应该严格控制所掺入石粉的细度,细度在850m2/kg-1000m2/kg时,此时能优化体系的颗粒级配,能充分发挥石粉颗粒的填充效应,石粉与减水剂适应性最佳。

[1]林可,胡红梅.度弃石粉及其复合扩物捧合料对混凝土性能的影响[J].福建建材,2005(3)：4-7．

[2]COLLEPARDI S, COPPOLA L, TROLI R, et al. Mechanisms of Actions of Different Superplasticizers For High Performance Concrete[C]//Second International Conference on High Performance Concrete and Performance and Quality of Concrete Structures, Gramado, RS, Brazil,1999．

[3]彭家惠,张建新,陈明凤,等.石膏减水剂作用机理研究[J].硅酸盐学报,2003,31(11):1031-1036．

[4]刘数华.石灰石粉对复合胶凝材料水化特性的影响[J].建筑材料学报,2010,13(2):218-221．