锰渣和矿渣复掺对水泥混凝土性能的影响研究

宋松松,孙槟锴

(湖北交通工程检测中心有限公司 武汉市 430200)

0 引言

随着我国经济的快速增长,绿色与低碳成为推动建筑行业发展的重要力量。研究发现,1t水泥熟料的生产过程中会排放约850kg的CO2,因生产水泥排放的CO2占全球排放总量的7%[1],所以减少混凝土中的水泥熟料是减少CO2排放的有效途径。传统的硅酸盐水泥混凝土已经满足不了环保节能的发展需要,越来越多的工业废渣作为掺合料,能够减少硅酸盐水泥的用量,提升水泥基胶凝材料的性能,因此辅助性胶凝材料已被广泛应用。电解锰渣和高炉粒化矿渣都是金属冶炼过程中产生的工业废渣,都含有大量的硅酸盐、玻璃体和结晶化合物[2],所以锰渣和矿渣都具有相似的水化反应活性,可作为火山灰质矿物掺合料代替硅酸盐水泥。

利用电解锰渣、高炉粒化矿渣的水化活性,制备锰渣-矿渣辅助性胶凝材料,研究其水化反应进程,为其在工程实际中的应用提供试验和理论基础。

1 原材料与试验方法

1.1 试验原材料

试验原材料包括:锰渣采用重庆某电解锰合金冶炼厂的电解锰渣(EMR),锰渣预处理之后的比表面积达到236m2/kg;矿渣为重庆某公司生产的S95级高炉粒化矿渣粉,密度2.88g/cm3,比表面积478m2/kg;水泥采用重庆华新水泥厂生产的(P·O 42.5)普通硅酸盐水泥,其基本物理指标见表1;外加剂为重庆科之杰公司生产的聚羧酸高效减水剂,各参数满足规范要求;粗细集料均来源于重庆重交再生资源有限公司,细集料为机制砂,级配为Ⅱ区中砂,粗集料粒径5～20mm,满足规范要求;拌和用水为试验室自来水。胶凝材料的主要化学成分见表2。

表1 水泥的基本物理指标

表2 原材料的主要化学成分

1.2 试验设计及方法

现有研究表明[3],锰渣的掺量为10%,水泥基材料的反应活性效应处于较好的水平,水泥砂浆、混凝土的物理化学性能都有一定的改善,现考虑保证水泥基材料活性的前提下,设计锰渣-矿渣复掺以增大锰渣的掺量,提高经济效益。设计基准组砂浆的水胶比为0.5;胶砂比为1∶3。按照水泥掺量的10%、20%、30%替代,锰渣与矿渣的比例分别为1∶1、1∶2和2∶1;同理,锰渣-矿渣水泥混凝土采用水胶比0.37,矿物掺合料掺量为10%、20%、30%,锰渣与矿渣的比例为1∶1、1∶2、2∶1,试验配合比见表3、表4。

表3 锰渣-矿渣水泥砂浆配合比及流动度试验结果

砂浆的流动度和力学性能试验分别参照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)《水泥砂浆强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)进行。混凝土的流动度和力学性能参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行。

2 性能影响分析

2.1 锰渣-矿渣复掺对水泥砂浆流动性的影响

按照锰渣-矿渣的比例分别为1∶1、1∶2和2∶1替代掺量10%～30%的水泥,研究锰渣-矿渣复掺对水泥砂浆流动性的影响,试验结果如图1所示。

图1 锰渣-矿渣复掺对水泥砂浆流动度的影响

由图1可知,随着锰渣-矿渣复合掺合料掺量的增加,砂浆流动度总体呈现下降的趋势,但只有MS3下降得比较快。试验组别MS1、MS2中,砂浆流动度波动较小,随着矿渣掺量的增加砂浆流动度有所提高。可以得出,矿渣的掺入有利于提高锰渣水泥砂浆的流动性。这是由于磨细锰渣颗粒的不均匀和排序状态不稳定,相比之下矿渣的比表面积比锰渣更小,能很好改善颗粒体系的密实性并填充锰渣水泥砂浆微孔隙,说明锰渣-矿渣复掺可以改善水泥基混合材料体系的物理密实填充作用[4]。

2.2 锰渣-矿渣复掺对水泥混凝土流动性的影响

采用水胶比0.37,掺合料掺量为10%、20%、30%,锰渣与矿渣的比例为1∶1、1∶2、2∶1,研究锰渣-矿渣复掺对水泥混凝土坍落度的影响,试验结果见图2。

图2 锰渣-矿渣掺量对水泥混凝土坍落度的影响

从图2可以看出,随着锰渣-矿渣掺量的增加,混凝土的坍落度虽然有所下降,但下降的幅度并不大。锰渣-矿渣掺量增大到30%时,MSC3相比于MSC1分别下降了8.5%、8.1%、5.8%。说明锰渣-矿渣掺量不宜过大,锰渣-矿渣复掺在保证混凝土具有良好粘聚性的同时对于混凝土的和易性有很大改善,这是由于锰渣-矿渣复掺可以填充水泥颗粒之间的空隙,改善胶凝材料的微级配[5],所以锰渣-矿渣复合双掺的复合叠加作用使得颗粒级配更加合理。

2.3 锰渣-矿渣复掺对水泥砂浆力学性能的影响

采用锰渣-矿渣的比例分别为1∶1、1∶2和2∶1替代掺量10%～30%的水泥,研究锰渣-矿渣复掺对水泥砂浆力学性能的影响,结果如图3所示。

图3 锰渣-矿渣水泥砂浆力学性能

由图3可知,随着锰渣-矿渣掺合料的递增,砂浆强度有一定程度的下降,但是随着锰渣掺量的减少,砂浆在各个龄期的强度下降趋势减缓,比如MS3(1∶1)7d的抗折强度相对于MS2(2∶1)变化不大。从28d的抗压强度趋势也能看出,当锰渣-矿渣掺量在10%～20%掺量下,砂浆的强度变化不大;当锰渣-矿渣掺量大于20%,强度下降较快。这是由于锰渣-矿渣在水化初期其化学活性并没有起作用,仅起微集料作用填充砂浆的空隙,且随着锰渣掺量的增加,超过锰渣的最佳掺量会导致砂浆流动性、强度的降低[6]。随着水化过程的进行,锰渣的化学活性得到激发,且矿渣比表面积比锰渣更大,矿渣更能促进水化的界面反应,二次水化反应的产物提高水泥砂浆的致密程度,弥补由于锰渣掺量过大引起的强度损失,提高砂浆的后期强度[7]。

2.4 锰渣-矿渣复掺对水泥混凝力学性能的影响

采用水胶比0.37,掺合料掺量为10%、20%、30%,锰渣与矿渣的比例为1∶1、1∶2、2∶1,研究锰渣-矿渣复掺对水泥混凝土的抗压强度的影响,试验结果见图4。

图4 锰渣-矿渣复掺对水泥混凝土抗压强度的影响

由图4可以看出,随着MS复合掺合料的增加,混凝土的抗压强度整体呈下降趋势。从MSC1可以看出,当锰渣-矿渣的比例为1∶2,水泥混凝土28d的强度能达到52.6MPa,说明随着矿渣掺量的增加混凝后期强度有所提高。同理,当MS掺量增大到20%,随着矿渣掺量的增加,混凝土各龄期强度呈递增趋势,且锰渣单掺30%的水泥混凝土28d强度达到48.6MPa[3],但相比于MSC1的28d强度下降了7.6%。从MSC3组看出,由于MS掺量已经超过最佳掺量,混凝土强度损失较大,尽管随着矿渣掺量的增加,混凝土强度有一定的提升,但是由于锰渣、矿渣不能完全水化,矿渣-锰渣复掺给混凝土带来的负效应较大,所以锰渣-矿渣复掺掺量最好控制在10%～20%。

3 结论

(1)随着锰渣-矿渣复合掺合料掺量的增加,砂浆流动度总体呈现下降的趋势。

(2)锰渣-矿渣复合掺量的增加,混凝土的坍落度虽然有所下降,但下降幅度不大。复合掺合料能有效改善混凝土的微级配,保证混凝土具有良好粘聚性的同时对于混凝土的和易性有很大改善。

(3)锰渣-矿渣复掺在一定程度上能改善锰渣单掺对强度的影响,当锰渣-矿渣掺量20%,可以提高锰渣掺量且对水泥砂浆强度影响不大。随着水化过程的进行,矿渣更能促进水化的界面反应,提高砂浆的后期强度。

(4)锰渣-矿渣复掺掺量不宜大于20%,掺量达到30%,混凝土强度损失较大,尽管随着矿渣掺量的增加,混凝土强度有一定的提升,但是由于锰渣-矿渣不能完全水化,矿渣-锰渣复掺给混凝土带来的负效应较大,所以锰渣-矿渣复掺掺量最好控制在10%～20%。