混凝土超细掺合料的制备研究

2018-12-20李科蔡林虎徐达军

商品混凝土 2018年12期

李科，蔡林虎，徐达军

（1. 江阴市会德商品混凝土有限公司，江苏江阴 214400，2. 江苏恒大高性能材料有限公司，江苏常州 213000）

0 前言

基于这一理论发展起来的混凝土超细掺合料近年来在国内许多地区已得到初步的推广和应用。超细掺合料可以显著降低混凝土材料体系的初始孔隙率，有利于混凝土力学性能和耐久性能的提高。超细掺合料的原料多是价格低廉的工业废渣，其推广应用有着良好的经济效益和社会效益[4-9]。本文分别研究粉煤灰、矿渣、钢渣三种最常见的工业废渣粒度与性能之间的关系，并依据各自的特点复合出性能优异、制备成本较低的混凝土超细掺合料。

1 试验

1.1 试验原料

（1）水泥：鹤林 P·O42.5 水泥，标准稠度需水量比 28.7%，28d 抗压强度 52.7MPa。

（2）粉煤灰：镇江谏壁电厂原灰。

（3）矿渣：南钢水淬粒化高炉矿渣。

（4）钢渣：南钢热焖钢渣，已陈化粉化。

（5）三乙醇胺：工业级，纯度 85%。

（5）细集料：Ⅱ区中砂（河砂），细度模数 2.6，含泥量 0.6%。

（6）粗集料：碎石（石灰石质），5～25mm 连续级配。

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（7）外加剂：PCA-1 高性能减水剂（江苏博特），减水率 25%。

粉煤灰、矿渣和钢渣的化学组成见表 1。

表1 粉煤灰、矿渣和钢渣的化学组成 %

1.2 试验方法

采用 Φ500×500mm 试验磨机分别粉磨粉煤灰、矿渣和钢渣，调整粉磨时间，达到不同细度。参照 GB/T 8074—2008《水泥比表面积测定方法勃氏法》检测粉磨后粉体的比表面积，参照 GB∕T 51003—2014《矿物掺合料应用技术规范》检测粉体的活性指数。将超细掺合料应用于 C40 混凝土中，参照 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》、GB /T 50081—2002《普通混凝土力学试验方法》测试混凝土的坍落度及7d、28d 抗压强度。C40 混凝土配比见表 2。

表2 C40 混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果与讨论

2.1 粉煤灰超细掺合料的性能研究

将原灰在试验磨中粉磨，粉磨时加入原灰质量万分之一的三乙醇胺，降低颗粒团聚对粉磨效率的影响，调整原灰在试验磨中的粉磨时间，得到不同细度的粉煤灰，试验结果如表3和图1所示，参照 GB∕T 51003—2014《矿物掺合料应用技术规范》检测粉煤灰的活性指数，测试结果如表3和图2所示。

图1 粉磨时间与粉煤灰比表面积的关系

图2 粉磨时间与粉煤灰活性指数的关系

表3 粉磨时间与粉煤灰比表面积及活性指数的关系

结果表明：粉煤灰是一种易磨性良好的工业废渣，增加粉磨时间可以有效提升粉煤灰的比表面积，而粉煤灰活性指数随着比表面积的增加亦明显提高，已有研究表明，当粉煤灰的粒径降到 8µm 以下时，其 28d 活性可以达到 80% 以上[8]。对比试验结果，说明当粉煤灰比表面积提升至 700m2/kg 以上，其 8µm 以下颗粒已占据了较大比例。结果同时表明，粉磨时间超过 40min 时，延长粉磨时间对比表面积以及活性指数增加的速度明显放缓，粉磨时间超过 60min 后，粉煤灰的比表面积和活性指数变化更为微弱，就经济性而言，粉磨时间为40min 是较为理想的选择。

2.2 矿粉超细掺合料的性能研究

将矿渣在试验磨中粉磨，粉磨时同样加入三乙醇胺，调整矿渣在试验磨中的粉磨时间，得到不同细度的粉煤灰，试验结果如表4和图3所示，参照 GB∕T 51003—2014《矿物掺合料应用技术规范》检测矿粉的活性指数，测试结果如表4和图4所示。

表4 粉磨时间与矿粉比表面积及活性指数的关系

结果表明，矿粉的易磨性远低于粉煤灰，粉磨120min 的细度仅与粉磨 30min 的粉煤灰相当。由于矿渣是高度玻璃态化的工业废渣，几乎没有结晶态物质，材料的反应活性较高，粉体粒度的降低对其反应活性的提升起着非常明显的促进作用。试验结果表明，矿粉的 7d 活性指数随着粉磨时间的延长几乎呈线性关系增加，当粉磨时间超过 100min 时，矿粉的 28d 活性增加非常缓慢，这是由于随着矿粉中细颗粒占据的比例增加，矿粉后期的水化产物量减少，28d 活性指数增量较低。试验结果表明，对于矿渣而言，粉磨时间为100min 是较为经济的选择。

图3 粉磨时间与矿粉比表面积的关系

图4 粉磨时间与矿粉活性指数的关系

2.3 钢渣粉超细掺合料的性能研究

将钢渣在试验磨中粉磨，粉磨时加入三乙醇胺，调整钢渣在试验磨中的粉磨时间，得到不同细度的钢渣，试验结果如表5和图5所示，参照 GB/T 51003—2014《矿物掺合料应用技术规范》检测钢渣的活性指数，测试结果如表5和图6所示。

表5 粉磨时间与钢渣粉比表面积及活性指数的关系

图5 粉磨时间与钢渣粉比表面积的关系

图6 粉磨时间与钢渣粉活性指数的关系

结果表明：相对于粉煤灰和矿渣而言，钢渣的易磨程度最差，由于钢渣经高温熔融形成“死烧”，其结晶程度最高，颗粒本征强度最高，反应活性最低，尽管钢渣中含有 C3S 和 C2S，但钢渣中的 C3S 和 C2S 中所含的晶体缺陷远低于水泥熟料，水化活性需要较长时间才能发挥出来，所以钢渣粉的 28d 活性指数随着比表面积的增加较为明显，而 7d 活性指数增加较为缓慢。试验数据显示，钢渣粉磨时间 120min 较为经济。

2.4 粉煤灰、矿渣、钢渣三种超细掺合料的优化匹配

在粉煤灰、矿渣和钢渣三种工业废渣中，矿渣由于其较高的水化活性，综合利用率已达 100%，价格亦与水泥相当，粉煤灰和钢渣价格较为低廉，而钢渣的易磨性较差，粉磨成本较高，因此，在三种超细掺合料中，矿粉的性能最优，而粉煤灰的价格最为低廉，尽管钢渣应用的性价比最低，但其碱度最高，适量的钢渣掺入有利于提升超细掺合料的钙含量，促进火山灰反应的进行。结合三种超细掺合料单独粉磨的试验结果，选用粉磨时间为 40min 的粉煤灰、粉磨时间为 100min 的矿粉、粉磨时间为 120min 的钢渣粉为复合掺合料的原料，基于钢渣粉的性能价格比最低，在制备复合掺合料时，设定钢渣粉的用量为 20%（用于补充掺合料的钙源），调整粉煤灰和矿粉的比例（如表6所示），测试复合掺合料的活性指数，如图7所示。

试验结果表明，三种超细掺合料复合后，其活性指数均高于三者的加权平均值，说明超细掺合料在水化时，三者的化学成分具有相互促进的作用，当钢渣、粉煤灰和矿粉三者的比例为 1∶1∶3 时，复合掺合料的活性指数较纯超细矿渣粉略有下降，而制备成本却明显降低，因此使用钢渣、粉煤灰和矿粉三者的比例为 1∶1∶3制备复合超细掺合料的性价比较高。将此掺合料取代50% 的水泥应用于 C40 混凝土中，混凝土的坍落度和坍落度经时损失都略优于基准，7d 和 28d 强度均较基准提高了约 3MPa，详见表 7。