不同复合掺合料对胶砂脆性的影响

2021-04-20高金平蒋鹤李佳佳高超周永祥贺阳

新型建筑材料 2021年3期

高金平，蒋鹤，李佳佳，高超，周永祥，贺阳

（1.云南交投集团公路建设有限公司，云南昆明 650032；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；3.建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013）

0 引言

矿物掺合料具有改善水泥砂浆和混凝土的拌合物性能、力学性能和耐久性能而得到广泛应用[1-3]，各种矿物掺合料由于化学组成和物理形态的不同而表现出性能的不同[4]，复合后将会由于粒度和活性的差异而发生叠加效应，实现优势互补。复合掺合料在改善砂浆和混凝土抗压强度的同时也改善其抗折强度，进而影响其脆性和抗裂性能。已有学者进行了矿物掺合料对砂浆和混凝土脆性的影响研究[5-13]，但大部分集中在单掺和少数的几种复合情况。本研究采用6 种常用的矿物掺合料，根据矿物掺合料的种类、等级、掺量复合组合成24 组复合掺合料，研究复合掺合料水泥胶砂的7、28、56、90 d 抗压和抗折强度，分析比较不同复合掺合料与纯水泥对胶砂脆性的影响差异。试验结果为配制砂浆和混凝土选择矿物掺合料的种类、等级、掺量提供一定的参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：符合GB 8076—2008《混凝土外加剂》附录A《混凝土外加剂性能检验用基准水泥技术条件》要求的基准水泥，其性能见表1。

表1 基准水泥的物理力学性能

（2）砂：ISO 标准砂。

（3）矿物掺合料：粉煤灰分别为符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求的Ⅰ级（F1）和Ⅱ级（F2）；矿渣粉分别为符合GB/T 18046—2017《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》要求的S105 级（Sl1）和S95 级（Sl2）；硅灰（Si）符合GB/T 27690—2011《砂浆和混凝土用硅灰》的要求，二氧化硅含量92%；石灰石粉符合JGJ/T 318—2014《石灰石粉在混凝土中应用技术规程》的要求，45 μm 筛余分别为0（L1超细石灰石粉）和13%（L2 普通石灰石粉），MB 值分别为0.3、0.6；钢渣粉（St）符合GBT 20491—2017《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》要求的二级，天然火山灰（P）符合JG/T 315—2011《水泥砂浆和混凝土用天然火山灰质材料》的要求，28 d 活性指数67%。将上述不同种类和等级矿物掺合料配成复合掺合料，调整每一类复合掺合料的组分比例，复合掺合料掺量分别为0、30%和50%，水泥胶砂的胶凝材料组成见表2。

表2 复合掺合料水泥胶砂的胶凝材料组成 %

（4）水：自来水。

1.2 试验方法

本文研究了粉煤灰-矿渣粉-硅灰（FSlSi）类、石灰石粉-矿渣粉-硅灰（LSlSi）类、粉煤灰-石灰石粉（FL）类、粉煤灰-矿渣粉-石灰石粉（FSlL）类、矿渣粉-石灰石粉（SlL）类、石灰石粉-钢渣粉（LSt）类、石灰石粉-天然火山灰（LP）类复合掺合料对胶砂抗压强度与脆性系数的影响。胶砂的抗压和抗折强度按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》进行测试，脆性系数为水泥胶砂抗压强度与抗折强度的比值。

2 结果与讨论

2.1 FSlSi 和LSlSi 类复合掺合料对胶砂性能的影响（见表3）

表3 FSlSi 和LSlSi 类复合掺合料对胶砂性能的影响

由表3 可见：

（1）掺FSlSi 和LSlSi 类复合掺合料在56 d 时胶砂抗压强度均已超过纯水泥，在90 d 时胶砂抗压强度高出纯水泥的幅度进一步加大。

（2）FSlSi 和LSlSi 类复合掺合料胶砂及纯水泥的脆性系数均在7 d 时最低，28 d 时最高，纯水泥从28 d 至90 d 的脆性系数由6.4 逐渐降低至5.9；3FSlSi 复合掺合料从28 d 至90 d 胶砂的脆性系数由6.9 逐渐降低至5.8；FSlSi 类复合掺合料在50%掺量时从28～90 d 胶砂的脆性系数基本不变，为6.5～6.7；3Sl1SiL1 和5Sl1SiL1 复合掺合料胶砂脆性系数从28～90 d 均基本不变，分别为6.2～6.3 和6.5～6.7。随着复合掺合料掺量的增加，脆性系数有一定程度的增大；5F1Sl1Si、3Sl1SiL1 和5Sl1SiL1 复合掺合料胶砂抗压强度在56 d 和90 d 高于纯水泥，但脆性系数也高于纯水泥，而3F1Sl1Si复合掺合料胶砂抗压强度在56 d 和90 d 高于纯水泥，且脆性系数也低于纯水泥。

2.2 FL 类复合掺合料对胶砂性能的影响（见表4）

由表4 可知：

（1）从7 d 至56 d，F1L1、F2L2、F1L2、F2L1 复合掺合料在30%和50%掺量下胶砂抗压强度均低于纯水泥。90 d 时，3F1L1和3F1L2 胶砂抗压强度已达到或超过纯水泥；5F1L1 和3F2L2胶砂抗压强度分别达到纯水泥的93%、96%；其他4 组胶砂的抗压强度显著低于纯水泥。

表4 FL 类复合掺合料对胶砂性能的影响

（2）FL 与FSlSi 和LSlSi 类复合掺合料相似，胶砂的脆性系数均在7 d 时最低，28 d 时较高；F1L1、F2L2、F1L2、F2L1 复合掺合料掺量从30%增加至50%时，胶砂各龄期脆性系数均有所降低；3F1L1 复合掺合料从28 d 至90 d 时胶砂的脆性系数整体呈下降趋势，由6.0 降至5.7；5F1L1 复合掺合料从28 d至90 d 时胶砂的脆性系数有所增大，由4.9 增大至5.3；3F2L2 复合掺合料从28 d 至90 d 时胶砂的脆性系数基本不变，为5.4～5.5；5F2L2 复合掺合料从28 d 至90 d 时的胶砂脆性系数逐渐下降，由5.4 下降至4.5；3F1L2 复合掺合料从28 d 至90 d 时胶砂的脆性系数整体呈下降趋势，由5.8 下降至5.6；5F1L2 复合掺合料从28 d 至90 d 时胶砂的脆性系数整体呈下降趋势，由5.2 下降至4.9；3F2L1 复合掺合料从28 d至90 d 时胶砂的脆性系数基本不变，为5.4；5F2L1 复合掺合料从28 d 至90 d 时胶砂的脆性系数逐渐下降，由5.3 下降至4.7。3F1L1 与3F2L2、5F1L1 与5F2L2、3F1L2 与3F2L1、5F1L2与5F2L1 复合掺合料在各龄期胶砂的脆性系数相近，可见复合掺合料原材料的性能差别对抗压性能影响较大，对脆性系数影响较小；随着复合掺合料掺量的增加，胶砂的脆性系数均有所降低。FL 类复合掺合料胶砂的脆性系数均低于纯水泥，但3F1L1 和3F1L2 的90 d 胶砂抗压强度达到或超过纯水泥，5F1L1 和3F2L2 的90 d 胶砂抗压强度接近纯水泥。

2.3 FSlL 类复合掺合料对砂胶性能的影响（见表5）

表5 FSlL 类复合掺合料对胶砂性能的影响

由表5 可知：

（1）从7 d 至28 d，F1Sl1L1 与F2Sl2L2 复合掺合料在30%和50%掺量下胶砂抗压强度均低于纯水泥，随着龄期的延长，F1Sl1L1 与F2Sl2L2 复合掺合料的胶砂抗压强度增长较快，90 d 时3F1Sl1L1、5F1Sl1L1 和3F2Sl2L2 复合掺合料的胶砂抗压强度已明显超过纯水泥。

（2）FSllL 与FL 类复合掺合料相似，胶砂的脆性系数均在7 d 时最低，28 d 时较高；F1Sl1L1 复合掺合料掺量从30%增加至50%时，胶砂7 d、90 d 的脆性系数有所减小，28 d、56 d 的脆性系数有所增大；F2Sl2L2 复合掺合料掺量从30%增加至50%时，胶砂各龄期的脆性系数均有所减小。3F1Sl1L1 复合掺合料从28～90 d 时胶砂脆性系数基本不变，为5.9～6.0；5F1Sl1L1复合掺合料从28 d 至56 d 时，胶砂的脆性系数由6.2 增加至6.7，至90 d 时又降低至5.8；3F2Sl2L2 复合掺合料从28 d 至90 d 时胶砂的脆性系数逐渐增大，由5.8 增大至6.6；5F2Sl2L2复合掺合料从28 d 至90 d 时胶砂脆性系数逐渐减小，由5.6 减小至5.4。与FL 类复合掺合料规律相同，3F1Sl1L1 与3F2Sl2L2、5F1Sl1L1 与5F2L2 复合掺合料在各龄期时胶砂的脆性系数相近，同样可见复合掺合料原材料的性能差别对抗压性能影响较大，对脆性系数影响较小；随着复合掺合料掺量的增加，胶砂的脆性系数均有所减小。90 d 胶砂抗压强度高于纯水泥，同时脆性系数低于纯水泥的为3F1Sl1L1 和5F1Sl1L1。

2.4 SlL 类复合掺合料对砂胶性能的影响（见表6）

表6 SlL 类复合掺合料对胶砂对胶砂性能的影响

由表6 可知：

（1）与Sl2L2 相比，Sl1L1 早期活性较高，3S11L1、5S11L1在7 d 时胶砂抗压强度已分别达到纯水泥的97%、103%，Sl1L1 从28～90 d 胶砂抗压强度均已超过纯水泥，3S11L1 和5S11L1 从7～90 d 胶砂抗压强度均低于纯水泥。

（2）SlL 与FL 类复合掺合料相似，胶砂的脆性系数均在7 d 时最低，28 d 时较高；Sl1L1 与Sl2L2 复合掺合料掺量从30%增加至50%时，胶砂各龄期的脆性系数均有所增大。3S11L1 和5S11L1 从28～90 d 胶砂的脆性系数均有所减小，但仍然略高于纯水泥；3Sl2L2 从28～90 d 胶砂的脆性系数有所增大，90 d 时高于纯水泥；5Sl2L2 从28～90 d 的脆性系数基本不变，为6.5～6.7，均远高于纯水泥。与FL 类复合掺合料规律相同，3Sl1L1 与3Sl2L2、5Sl1L1 与5Sl2L2 复合掺合料在各龄期胶砂的脆性系数相近，同样可见复合掺合料原材料的性能差别对抗压性能影响较大，对脆性系数影响较小；随着复合掺合料掺量的增加，脆性系数均有所增大。SlL 类复合掺合料均不能符合90 d 胶砂抗压强度高于纯水泥，同时脆性系数低于纯水泥的条件。

2.5 LP 和LSt 类复合掺合料对砂胶性能的影响（见表7）

表7 LP 和LSt 类复合掺合料对胶砂性能的影响

由表7 可知：

（1）L2P 与L2St 复合掺合料在30%和50%掺量下各个龄期的胶砂抗压强度均明显低于纯水泥，随着复合掺合料掺量的增加，胶砂抗压强度明显降低。

（2）3L2P 脆性系数在各龄期基本保持不变，为5.5～5.7；5L2P 从7 d 至90 d 时脆性系数由5.2 逐渐减小至4.2；3L2St从7 d 至90 d 时脆性系数由5.6 逐渐减小至4.9；5L2St 从7 d至90 d 时脆性系由4.7 逐渐减小至4.2。随着复合掺合料掺量的增加，胶砂脆性系数均有所减小。L2P 和L2St 类复合掺合料胶砂的脆性系数在7 d 时略高于纯水泥，28～90 d 时均低于纯水泥。

2.6 机理分析

矿物掺合料都具有“微集料效应”，起到填充水泥颗粒孔隙作用，能改善水化环境，促进水泥水化进程，提高水泥水化程度[14]；活性掺合料还具有“火山灰效应”，能与水泥水化产物发生二次反应，改善界面过渡区的微结构，细化硬化浆体内部孔隙，降低孔隙率[15-18]。矿物掺合料复合后的水化进程更为复杂：复合后胶凝材料粉体颗粒级配更优化；不同矿物掺合料的火山灰效应发挥时效不同，复合后增强了火山灰效应；不同矿物掺合料的水化产物之间互相诱导激发。随着龄期的延长，复合矿物掺合料的胶砂抗压和抗折强度均稳定提高，不同复合掺合料对胶砂抗压强度的提高幅度与抗折强度的提高幅度不同，导致对脆性系数的影响也不同，已有研究表明[10，12]，硅灰、超细矿渣粉对抗压强度的提高作用大于对抗折强度的提高作用，而粉煤灰对抗压强度的提高作用小于对抗折强度的提高作用。本文对不同种类、不同等级、不同掺量的矿物掺合料复合后胶砂脆性的研究结果也表明，硅灰、矿粉等早期火山灰活性较高的掺合料对抗压强度的提高作用大于对抗折强度的提高作用，粉煤灰、钢渣粉、火山灰等早期几乎没有火山灰活性，后期才发生火山灰反应的掺合料对抗压强度的提高作用小于对抗折强度的提高作用。