矿物掺合料对双膨胀源膨胀剂限制膨胀率的影响研究

2021-09-03纪宪坤徐可赵娟周清松

新型建筑材料 2021年8期

纪宪坤，徐可，赵娟，周清松

（1.武汉三源特种建材有限责任公司，湖北武汉 430083；2.武汉源锦建材科技有限公司，湖北武汉 430083）

由于胶凝材料的水化反应，实体结构内、外部温度及湿度的变化等综合因素的影响，混凝土在硬化及使用过程中会产生体积收缩[1]，在混凝土中掺入适量的膨胀剂可补偿其体积收缩，对混凝土的抗开裂性能和耐久性均有较大程度的改善与提高[2-3]。膨胀剂包括氧化钙类、硫铝酸钙类、硫铝酸钙-氧化钙类、氧化镁类，不同膨胀剂的水化进程和膨胀效能的发挥有很大差异。由于工程应用过程中对膨胀剂的性能缺乏科学系统的认识，业界对膨胀剂的作用产生了质疑[4]。膨胀剂的工程应用需要重点关注以下几个方面：（1）实验室条件下所测试的限制膨胀率指标，该指标为产品的关键指标[5]，其大小直接影响膨胀剂的补偿收缩能力；（2）工程的具体施工条件，包括混凝土强度等级、结构尺寸、施工环境、混凝土原材料性能、混凝土配合比等；（3）混凝土的施工技术和养护方式等[6]。这些因素对膨胀剂的使用有着决定性的作用，需要结合工程实际情况选择合适的膨胀剂种类。

现代混凝土中，矿物掺合料已经成为混凝土不可或缺的组分，GB/T 51003—2014《矿物掺合料应用技术规范》中包括了8种矿物掺合料，不同掺合料都会影响膨胀剂在混凝土中的膨胀性能。基于此，本文选择了粉煤灰、矿渣粉、石灰石粉、钢渣粉和硅灰5种矿物掺合料，采用目前常用的硫铝酸钙-氧化钙类双膨胀源膨胀剂进行水泥胶砂限制膨胀率的对比试验，分析各种掺合料在不同掺量时对双膨胀源膨胀剂的影响，为工程实践中正确使用膨胀剂提供一定的参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：基准水泥，比表面积355 m2/kg，7、28 d胶砂抗压强度分别为46.9、66.4 MPa；粉煤灰：武汉阳逻电厂，Ⅱ级，45μm筛筛余17.0%，需水量比97%，烧失量6.5%；矿渣粉：武新，S95级，比表面积450 m2/kg；石灰石粉：45μm筛筛余13.5%；硅灰：比表面积18 200 m2/kg，7 d活性指数140%；钢渣粉：武新，比表面积420 m2/kg，7 d活性指数75%；膨胀剂：硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂，比表面积295 m2/kg，水中7 d胶砂限制膨胀率6.0×10-4，符合GB23439—2017《混凝土膨胀剂》中Ⅱ型要求，主要粒径区间集中在10～100μm（见图1）。胶凝材料的主要化学成分见表1。

图1 膨胀剂的粒径分布曲线

表1 胶凝材料的主要化学成分 %

标准砂：符合GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》规定的要求；水：自来水。

1.2 试验方法

依据GB/T 23439—2017附录A规定的试验材料及用量表进行限制膨胀率与强度试件成型及检测，基准组的材料配比如表2所示。

表2 基准组胶砂限制膨胀率及强度成型配比 g

在此基础上，分别单掺及双掺不同比例粉煤灰、矿粉、石灰石粉、硅灰和钢渣粉，矿物掺合料均为内掺，等质量替代水泥，矿物掺合料的上限值按照实际混凝土中可能的最大掺量设计。成型40mm×40 mm×160 mm内置钢筋限制杆的胶砂试块，标准养护至胶砂强度为8～12 MPa拆模，并测试初长，随后转入（20±2）℃自来水中养护7 d，然后转入温度（20±2）℃、相对湿度（60±5）%干养室养护28 d，期间分别测试其水中养护3、5、7 d，干空14、28 d的限制膨胀率。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰对胶砂试件限制膨胀率及强度的影响

单掺粉煤灰对胶砂试件限制膨胀率和抗压强度的影响分别见图2、表3。

图2 粉煤灰掺量对胶砂试件限制膨胀率的影响

表3 粉煤灰掺量对胶砂试件抗压强度的影响

由图2可知：当粉煤灰掺量低于30%时，限制膨胀率随着粉煤灰掺量的增加而增大，当掺量为30%时，7 d限制膨胀率达到最大值8×10-4，较未掺粉煤灰的基准组提高了35%。而粉煤灰掺量为50%时，限制膨胀率增加值有所降低，但仍高于基准组。说明粉煤灰对胶砂限制膨胀率的发展有促进作用，掺量为30%时膨胀率最大。粉煤灰掺量对膨胀率最大值与转至干空后的最小膨胀率落差值影响不大。其可能原因为：（1）适量掺入粉煤灰，降低了胶砂早期强度的发展速率（见表3），掺粉煤灰后的胶砂强度均有所降低，减少了由于强度较高而导致膨胀能发挥受到抑制的影响，从而使膨胀剂能在更长的时间范围内产生有效膨胀[7]；（2）粉煤灰中含有较多的活性Al2O3，其与双膨胀源膨胀剂中的CaO和CaSO4反应生成钙矾石[8]，从而适当提高了限制膨胀率；（3）用粉煤灰取代基准水泥后，提高了胶砂体系的密实性，有降低收缩的作用[9]。

2.2 矿渣粉对胶砂试件限制膨胀率及强度的影响

单掺矿渣粉对胶砂试件限制膨胀率和抗压强度的影响分别见图3、表4。

图3 矿渣粉掺量对胶砂试件限制膨胀率的影响

表4 矿渣粉掺量对胶砂试件抗压强度的影响

由图4可知：当矿渣粉掺量从20%增加到60%时，限制膨胀率明显降低，说明矿渣粉对膨胀能的发挥有抑制作用。当矿渣粉掺量为60%时，7 d限制膨胀率从基准组的6×10-4降至2.9×10-4，降幅达50%以上。其可能原因在于：（1）矿渣粉的活性较高，水化反应早期能与水泥和硫铝酸盐-氧化钙类膨胀剂中CaO的水化产物Ca（OH）2发生反应生成C-S-H凝胶，降低了胶凝体系的碱度，同时也消耗了一定的膨胀产物[10]，矿渣粉的掺量越高，其消耗的膨胀产物更多，从而导致胶砂限制膨胀率的降低越明显。（2）掺入一定比例的矿渣粉能够明显提高胶砂试件的早期抗压强度（见表4），在20%及30%掺量时，其7、28 d抗压强度均高于基准组，早期强度的快速发展缩短了膨胀剂的有效膨胀窗口，并提高了强度对膨胀的约束。因此，在单掺矿渣粉的胶凝材料组成情况下，为尽量较少对限制膨胀率的影响，矿渣粉掺量宜控制在2 0%以内。

2.3 石灰石粉对胶砂试件限制膨胀率的影响

单掺石灰石粉对胶砂试件限制膨胀率和抗压强度的影响分别见图4、表5。

图4 石灰石粉掺量对胶砂试件限制膨胀率的影响

表5 石灰石粉掺量对胶砂试件抗压强度的影响

由图4可知：石灰石粉掺量从10%增至20%时，均能促进胶砂早期限制膨胀率的增长，最大增长率为11.7%，但促进膨胀效果有限。其原因在于石灰石粉的适量掺入，降低了胶砂早期强度的发展速度（见表5），掺入石灰石粉后，胶砂试件的强度较基准组均降低，进而减少了强度对膨胀的限制作用，从而促进了限制膨胀率的增加。同时，若以28 d与7 d限制膨胀率差值作为后期干缩落差值，10%、15%、20%石粉掺量的干燥落差值分别为3.6×10-4、4.3×10-4、4.5×10-4，均高于基准组的3.4×10-4，且掺量越高干缩落差值越大。其主要由于干燥养护条件下，石灰石粉活性低，以物理填充作用为主，从而一定程度上提高了砂浆的孔隙率，水分蒸发速率较高，使得后期干燥收缩变大。因此，建议石灰石粉的掺量宜控制在10%以下。

2.4 钢渣粉对胶砂试件限制膨胀率及强度的影响

单掺钢渣粉对胶砂试件限制膨胀率和抗压强度的影响分别见图5、表6。

图5 钢渣粉掺量对胶砂试件限制膨胀率的影响

表6 钢渣粉掺量对胶砂试件抗压强度的影响

由图5可知：当钢渣粉的掺量从10%增加到20%时，限制膨胀率逐渐降低，在试验掺量范围内的最大降低率为22%，说明钢渣粉对胶砂限制膨胀率的发展有抑制作用，掺量增大，抑制作用增强，其原因与矿粉对限制膨胀率的影响原因较为类似，在于活性钢渣能与水泥及硫铝酸盐-氧化钙类膨胀剂中CaO的水化产物Ca（OH）2发生反应生成C-S-H凝胶，降低了胶凝体系的碱度，消耗了一定的膨胀产物，但由于早期活性要低于矿渣粉。由表6可知，钢渣粉的掺入并未提高胶砂的强度，其早期强度与基准组较为接近，因此，强度对膨胀的抑制作用要小于矿渣粉，为减小钢渣粉对膨胀率的影响，其最佳掺量宜小于10%。

2.5 硅灰对胶砂试件限制膨胀率及强度的影响

单掺硅灰对胶砂试件限制膨胀率和抗压强度的影响分别见图6、表7。

图6 硅灰掺量对胶砂试件限制膨胀率的影响

表7 硅灰掺量对胶砂试件抗压强度的影响

由图6可见，硅灰掺量从5%增加到10%时，硅灰对胶砂限制膨胀率的发展有明显抑制作用，其对胶砂限制膨胀率的最大降低率为35%，且其抑制作用与掺量关系不明显，5%～8%掺量内其各龄期的限制膨胀率较为接近。因硅灰是一种高活性掺合料，能显著提高胶砂的早期强度（见表7），7 d抗压强度最大提高了55.2%，进而使得膨胀剂的膨胀受到胶凝材料的水化产物的限制作用更大，从而降低了膨胀剂的膨胀性能[11]。同时，由于硅灰对胶凝体存在微集料填充效应，使浆体的密实度提高，微孔隙减少，膨胀水化产物的生长空间受到限制，在此两方面影响下使胶砂的限制膨胀率要明显低于基准组。因此，建议硅灰的最优掺量不宜大于5%。

2.6 粉煤灰和矿渣粉双掺对胶砂试件限制膨胀率的影响

图7为固定粉煤灰和矿渣粉总掺量为40%，粉煤灰与矿渣粉按照不同比例复掺的胶砂试件限制膨胀率曲线。

图7 粉煤灰和矿渣粉复掺对胶砂试件限制膨胀率的影响

由图7可知：当粉煤灰和矿渣粉总掺量固定为40%时，随着粉煤灰掺量的增加，矿渣粉掺量的减少，限制膨胀率逐渐增大，其影响规律与单掺矿粉及单掺粉煤灰基本一致。另外，矿渣粉对限制膨胀率的抑制作用要明显大于粉煤灰对限制膨胀率的促进作用，粉煤灰掺量30%，矿渣粉掺量低至10%时，其7 d限制膨胀率仍低于基准组。其主要原因为在水泥、膨胀剂、粉煤灰及矿渣粉组成的胶凝体系中，矿渣粉的掺入优先结合膨胀剂水化产物中的Ca（OH）2促进C-S-H凝胶形成，减少了Ca（OH）2的溶解-析晶过程，降低了胶凝体系的碱度，同时也消耗了一定的膨胀产物[11]，从而使胶砂限制膨胀率明显低于基准值。因此，在粉煤灰与矿渣复掺的情况下，欲更好地发挥双膨胀源膨胀剂的膨胀作用，宜将矿渣粉掺量控制在10%以内，并适当的增加粉煤灰的掺量。

2.7 石灰石粉和矿渣粉复掺对胶砂试件限制膨胀率的影响

图8为固定石灰石粉和矿渣粉总掺量为40%，石灰石粉与矿渣粉按照不同比例复掺的胶砂试件限制膨胀率曲线。

图8 石灰石粉和矿渣粉复掺对胶砂试件限制膨胀率的影响

由图8可知：当石灰石粉和矿渣粉总掺量固定为40%时，其胶砂限制膨胀率较基准组降低约40%，但稍微高于单掺矿渣粉组。随着石灰石掺量从0增加到20%，矿渣粉掺量从40%降低到20%，胶砂限制膨胀率有少量的增长。说明在矿渣粉与石灰石粉复掺的体系中，矿渣粉对于限制膨胀率的抑制起主导作用，其原因在于石灰石掺量在20%以内对早期强度的降低可以保证膨胀剂的膨胀效能发挥。

按照相同比例组成对比矿渣粉分别与粉煤灰及石灰石粉复掺时胶砂试件的限制膨胀率，结果见图9。

图9 相同复掺组成比例时胶砂试件的限制膨胀率曲线

由图9可见，矿渣粉与粉煤灰复掺比矿渣粉与石灰石粉复掺时的限制膨胀率高，进一步体现无论是单掺还是复掺，粉煤灰比石灰石粉对于膨胀性能的促进作用更大。原因在于粉煤灰对膨胀性能的促进作用除适当降低早期强度以有利于膨胀发挥外，粉煤灰中含有数量较多的活性Al2O3还参与双膨胀源膨胀剂中的CaO和CaSO4反应生成钙矾石[8]。因此，在复合掺合料体系中，要使膨胀剂膨胀性能更好发挥，宜采用矿渣粉与粉煤灰复掺的方式。