玻璃粉和石灰石粉双掺对混凝土性能的影响研究

乐美玉

(武汉工程大学 邮电与信息工程学院，湖北 武汉 430073)

0 前 言

我国是玻璃生产大国，玻璃生产中形成的玻璃粉一般采用回填或者露天堆放的方式，不利于生态环境。玻璃粉颗粒较小，比表面积不大，该结构与粉煤灰化学组成一致的，具有一定的火山灰活性，能够用于混凝土制造中。研究者发现，在混凝土中一般掺加量达到10%～30%。石灰石粉是碎石生产中机器生产砂和碎石生产形成的原料，在混凝土中添加一定量的石灰石粉，能够提升其强度，改善耐久性能，具有良好的环境和经济效益，能够实现混凝土的绿色化生产，但由于石灰石粉是惰性材料，因而无法完全取代水泥，混凝土中石灰石粉的最佳掺量一般为10%。过去的研究仅针对石灰石粉和玻璃粉对于混凝土性能产生的影响进行分析，为能够在施工建设中找到合适的替代矿物掺合料替代物，以实现新型矿物的合理使用。本文提出以10%的石灰石粉掺量以改变玻璃粉的掺量，分析两种替代矿物掺入量对于混凝土在强度、抗冻性能以及抗氯离子渗透扩散等相关因素的影响，进一步获得混凝土中石灰石粉以及玻璃粉的双掺入量，确定在混凝土中玻璃粉的最佳掺入量，进而能够使玻璃粉和石灰石粉混凝土在公路建设中实现广泛应用。

1 试验材料

首先在本次研究中所使用的材料是由河北水泥制造厂生产的，其等级为P·O42.5，石灰石粉是由北京碎石制造厂生产的，石灰石粉中含有80%的碳酸钙，比表面积高达400 m2/kg。砂的细度模数达到2.5，堆积密度为1 360 kg/m3，表观密度达到2 600 kg/m3。碎石粒径为5～20 mm，比表观密度达到2 610 kg/m3，所使用的添加剂为聚羧酸系高效减水剂，并且减水率可达到25%。

在混凝土的配合比分析中，石灰石粉是一种惰性较高的材料，会从一定程度上影响水泥掺量的替代，因此，在本研究中要想使石灰石粉取代混凝土中的水泥，应当选择10%作为最佳掺量，之后在该基础上掺入不同含量的玻璃粉，提高其水泥量的替代，分别加入10%、20%、30%的玻璃粉，在获得两种掺合料双掺时，明确玻璃粉的掺量。混凝土的配合比如表1所示。

表1 混凝土的配合比 单位：kg

表1中，编号C是指水泥编号，P是指玻璃粉，编号L是指石灰石粉，字母后的数据表示石灰石粉以及玻璃粉代替水泥的质量分数。

2 试验方法

根据普通混凝土的性能检测标准中对混凝土进行工作性实验检测，根据混凝土力学性能实验标准完成力学性能检测，检测龄期分别为3，28，90 d，根据混凝土的性能和耐久性检测标准，开展考虑抗氯离子扩散性的检测。混凝土的耐久性指标是质量损失率和相对动弹性模量下降率。当动能达到300次循环，相对动弹性模量低于60%，或者达到5%以上的质量损失时即完成抗冻实验检测。

3 试验结果及分析

从玻璃粉和石灰石粉生产对于混凝土工作性能产生的影响来看，加入10%的石灰石粉相比普通的混凝土来说，混凝土的塌落度有显著提高，能够由75 mm增加到原有的2倍左右。由于石灰石粉密度较低，其颗粒系数处于水泥颗粒间，能够起到水泥分散的效果，明显改善了混凝土的颗粒级配，进一步改善其流动性能，增加塌落度参数，将含有石灰石粉的混凝土加入不同质量分数的玻璃粉，能够找到混凝土工作性能最佳值，当玻璃粉掺入量低于10%，能够显著提升混凝土工作性能，单掺入量为40%，坍落度会由原先140 mm的增加到155 mm，当玻璃粉的掺入量高于10%时，则会发现即便加入再多的玻璃粉，也无法提高混凝土的坍落度(如图1所示)。

图1 掺量与坍落度的关系

之所以会出现这种现象，主要是由于玻璃粉密度低于水泥，加入等质量的玻璃粉取代水泥之后会增加混凝土的浆体含量，同时玻璃粉会分散在水泥间并起到一定的分散作用，进而改善其流动性。除此之外，相对整体来说，玻璃粉的比表面积大，需要更多的水分来浸润，浸润表面的吸附作用会高于细粉物理填充潜水的效果，进而表现出即便加入再多的玻璃粉掺入量也无法增加混凝土的塌落度，甚至还会降低混凝土的塌落度。

从石灰石粉和玻璃粉两种物质掺量对于混凝土抗压强度产生的影响来看，加入10%石灰石粉之后，对于龄期为3 d的混凝土抗压强度相对同龄期混凝土来说要显著提高，而相对同龄混凝土来说，龄期分别为28 d和90 d的混凝土，其抗压强度要低，说明石灰石粉能够增加混凝土早期抗压强度，但对于混凝土的后期强度来说是极为不利的，主要是由于在混凝土早期的时候，石灰石粉能够起到微晶核和微集料的效应，进而能够提高混凝土的早期抗压强度。但由于石灰石粉与水之间的化学反应有限，因此，对于混凝土后期强度来说是不利的。除此之外，根据实验发现加入10%石灰石粉对于龄期为3 d的混凝土连续塌落度会随着玻璃粉的掺入量增加而逐渐减小，分别增加10%和20%的玻璃粉，相对应龄期为28 d和90 d混凝土其抗压强度要高于未加入玻璃粉的混凝土抗压强度，将掺入10%玻璃粉的混凝土相对应的龄期为28 d和90 d的混凝土抗压强度是比较大的，但加入30%的玻璃粉的混凝土抗压强度最低。除此之外，加入10%的石灰石粉以及10%的玻璃粉两种掺入量之后，对于龄期为3、28、90 d的混凝土的抗压强度要高于普通混凝土。

随着混凝土龄期延长，会促进的玻璃粉和水的化学反应，在混凝土层内部存在胶结物质，玻璃粉会填充混凝土的空隙，促进其强度提高，而加入石灰石粉和玻璃粉这两种掺入料之后，石灰石粉本身具有的微聚集效应，能够确保混凝土早期强度，而加入玻璃粉之后其具备了活性效应，能够提高混凝土的后期强度，两者掺量共同使用时能够起到双重效应，但如果加入过多的玻璃粉时会使矿物掺入量过大，进一步减少水泥用量，但同时也会弱化矿物材料的活性碱度，不利于混凝土强度的提高。

从两种掺入料对于混凝土抗氯离子渗透性来看，仅加入10%石灰石粉在早期相比普通混凝土来说，混凝土氯离子的扩散系数要低，与龄期分别为28 d和90 d的混凝土来说，相对同龄期混凝土的抗氯离子扩散系数要高，表明在早期石灰石粉能够充分发挥其微晶核和微集料的效应，能够提高混凝土的孔结构，加入10%的石灰石粉是对于龄期为3 d的混凝土其对应氯离子扩散系数会随着玻璃粉增加而逐渐增加，加入10%和20%的玻璃粉，对于龄期为28、90 d的混凝土氯离子扩散系数相比未加入玻璃粉的混凝土来说氯离子扩散系数要低，加入10%的玻璃粉混凝土，28、90 d龄期的混凝土相对应的氯离子扩散系数要比加入玻璃粉的混凝土低。当加入30%的玻璃粉之后，此时能够显著提高氯离子的扩散系数，且为最高值，分别加入10%的玻璃粉和石灰石粉，对于各龄期的混凝土相对应的抗氯离子扩散系数相比普通混凝土来说要显著降低，主要是由于随着混凝土龄期的增加，混凝土中石灰石粉、玻璃粉会形成双重效应，进一步改善混凝土结构，提高密实性。因此，对于混凝土早期或后期来说，同时加入10%的石灰石粉以及10%的玻璃粉，能够降低混凝土的抗氯离子扩散，具有良好的抗渗性能。

玻璃粉和石灰粉双掺料的添加剂，对于混凝土抗冻性能产生影响来看，通过研究发现加入水泥同时加入10%的石灰石粉和10%的玻璃粉混凝土样品可达到300次冻融循环检测，并且相比其他样品来说，在混凝土中加入10%的石灰石粉，相对弹性模量低而且存在较大的质量损失。这主要是由于石灰石粉在混凝土早期起着积极作用，而对于龄期为28 d的混凝土由于其活性受限，进而导致结构改善情况也同样受到限制，因此，在处于冻融循环条件下，混凝土很容易受到外部侵蚀，而产生内部结构破坏，表现为质量损失严重和动弹性模量增加。根据研究发现，在混凝土中加入10%的玻璃粉和10%的石灰石粉相比只增加加入10%的石灰石粉来说，能够显著增加混凝土的抗冻融性能，进而如果继续增加玻璃粉的掺入量，会降低混凝土的抗冻性能，如果在混凝土中加入10%的石灰石粉和30%的玻璃粉时会使混凝土的抗冻融性的无法达到300次冻融循环。

当混凝土中加入10%的石灰石粉，相比普通混凝土来说随着玻璃粉掺量的增加，会降低混凝土的抗冻融性能，同时与混普通混凝土进行比较，加入10%的石灰石粉和10%的玻璃粉能够与只加入水泥的混凝土抗冻融性能一致。主要是由于玻璃粉和石灰粉密度低于水泥，进而增加混凝土中的浆体量，导致出现沁水的问题，进一步形成与混凝土结构不同的多孔浆层，导致出现冻融破坏的现象，而如果加入10%的玻璃粉和石灰石粉之后，能够提高混凝土的密实性，弥补这种劣化现象，但如果加入过量玻璃粉，会使混凝土结构疏松并降低其抗冻融性能。

4 结 语

在混凝土中掺入一定量石灰石粉和玻璃粉能够使其具有减水效果，并增加混凝土的塌落度，当加入10%的石灰石粉以及10%的玻璃粉会显著增加混凝土的塌落度使其达到最高值，但如果在混凝土中加入高于10%的玻璃粉会降低混凝土塌落度，同时加入10%的石灰石粉和玻璃粉能够提高混凝土的早期抗压强度。相比普通混凝土来说，同时加入10%的石灰石粉和玻璃粉能够提高各龄期混凝土抗压强度，这两种物质对于混凝土早期强度增强可起到互补效应。同时加入10%的石灰石粉和玻璃粉相比普通混凝土能够提高混凝土的抗氯离子扩散性能，但其对应的抗冻融性能是与水泥混凝土一致的。总而言之，在本研究中阐述了石灰石粉和玻璃粉这两种掺入料对于混凝土系统产生的影响，研究发现，使用10%的石灰石粉以及10%的玻璃粉能够替代传统矿物掺料，且相比普通混凝土来说，在抗压强度、工作性能和抗氯离子扩散等方面要明显改善，但在混凝土抗冻融性能方面是与水泥混凝土一致的，利用这种配合比能够缓解目前在工程施工中混凝土矿物掺合料紧缺的问题。

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