粉煤灰及矿粉掺合料对水工混凝土性能的影响研究

徐国杰

(锦州市水利事务服务中心,辽宁 锦州 121000)

近年来,水利事业的快速发展使得水工混凝土生产量不断增大,天然资源和工业废渣等优质材料被广泛应用于水泥、砂石骨料及掺合料的生产。随着环保力度的加大以及自然资源的日趋枯竭,工业废渣的供应越来越紧张,开发利用天然资源的限制条件也明显增多[1]。另外,用户要求的提升、生产技术的发展以及上游工业生产方式的转变,使得水泥和工业废渣品质发生明显变化,这在一定程度上也改变了水工混凝土性能[2]。研究表明,将适量矿粉与粉煤灰等掺入水工混凝土中,有利于改善其土工作性、耐久性及强度等指标,工业废弃物的掺入已广泛应用于实际工程[3-5]。然而,受资源环境的影响矿粉与粉煤灰品质发生了明显改变,为准确掌握其品质性能,有必要试验研究不同掺量、规格、品质的矿物掺合料及浆体体积对水工混凝土的影响。

1 原材料性能

水泥:渤海水泥(葫芦岛)有限公司生产的P·O42.5级普通硅酸盐水泥,标稠用水量30.0%,初、终凝时间160min和230min,3d抗折、抗压强度6.8MPa和27.6MPa,28d抗折、抗压强度8.5MPa和48.1MPa,比表面积388m2/kg,密度3.06g/cm3,7d水化热269J/g。

粗细骨料:大连产山砂和石灰岩碎石,砂细度模数2.8,MB值1.2,石粉含量5.6%,表观密度2650kg/m3;碎石级配5～30mm,表观密度2680kg/m3,压碎指标6.6%,含泥量0.3%。

外加剂:选用聚羧酸高效减水剂,固含量15%,推荐掺量0.5%～2.0%,减水率25%;拌合水用自来水。

矿粉:瓦房店诚远矿粉制造有限公司生产的S95矿粉,需水量比105%,密度2.50g/m3,比表面积438m2/kg,流动度比100%,烧失量1.2%,7d、28d活性指数85%和120%。

粉煤灰:试验选用比较常见的浮黑灰和F类Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、C类Ⅰ级粉煤灰,主要性能指标如表1所示。

表1 试验用粉煤灰性能指标

2 试验方法

参照现行规范测定各组混凝土的强度级工作性能,试验配合比如表2所示。其中,水胶比0.32、0.48试组的不计空气净浆体积为(330±10)L/m3和(290±10)L/m3。

表2 试验配合比

研究表明,骨料与胶凝材料用量之间存在密切联系,而骨料的细粉含量、形状、级配等特征参数变化较大,全面分析最佳胶材用量与各种骨料间的关系比较复杂,故本研究仅使用机制砂探讨其对工作性和胶材体积的影响作用,可以为工程实际应用提供数据支持[6]。

采用等量替代的方式掺入矿物掺合料,重点分析混凝土强度及性能受各种掺合料特征的影响,并改善外加剂与混凝土的适应性。从砂浆和净浆体积的角度上,系统分析水工混凝土工作性受浆体体积的影响,其中砂浆体积等于砂子与净浆体积之和,该数据不考虑粒径<0.08mm的微石;净浆体积等于空气、水、粒径<0.08mm砂石粉体材料和胶凝材料体系之和,该数据不考虑减水剂中的水体积。

3 结果与分析

不同规格、品种矿物掺合料及浆体体积对水工混凝土性能的影响试验数据如表3和表4所示。

表3 不同规格、品种矿物掺合料和浆体体积的混凝土性能(水胶比0.50)

表4 不同规格、品种矿物掺合料和浆体体积的混凝土性能(水胶比0.32)

1)Ⅱ级中砂(细度模数2.8)净浆体积达到300L/m3条件下,增大砂率也无法保证拌合物的黏聚性能;持续增加净浆体积至330L/m3条件下,砂浆体积超过610L/m3时拌合物依然具有较好的状态。

2)外加剂用量随浮黑灰掺量的增加表现出上升趋势,混凝土强度下降,拌合物经时损失增加,仍需进一步研究该变化原因和机理。新拌混凝土出机流动度随着粉煤灰细度的减少而增加,或在相同流动性情况下减水剂用量有所减少;低水胶比时,优质粉煤灰的“滚珠”效应能够更加明显地影响拌合物工作性,对于高等级混凝土只有Ⅰ级粉煤灰发挥一定的辅助减水作用[7-8]。

3)F类粉煤灰对中强度等级混凝土的减水效应低于C类Ⅰ级粉煤灰,掺20%～30%C类Ⅰ级粉煤灰能够可以明显提高28d抗压强度,但相较于F类Ⅰ级粉煤灰对90d抗压强度的增强作用不明显,这是由于C类粉煤灰具有显著的自硬水活性,随着水化时间的延长与F类粉煤灰的差距逐渐减少。

4)水工混凝土28d抗压强度受粉煤灰细度的影响较低,优质明显高于劣质粉煤灰对后期强度增长的促进作用;结合试验数据,除浮黑灰外掺量不超过25%时,中强度等级的28d抗压强度降幅一般处于5MPa以内,高强度等级的28d抗压强度降幅处于5～12MPa范围,总体变化较大,不同细度粉煤灰的影响差异不明显;中强度等级的90d抗压强度随粉煤灰(Ⅱ级及以下等级)掺量的增加呈现出一定下降趋势,增加Ⅰ级粉煤灰掺量至35%时90d抗压强度才有所下降,降幅处于6MPa以内。究其原因,在碱性环境中这种玻璃体结构致密的粉煤灰需要较长时间才能充分发挥效应,弥补因水泥被等量替代使得水化产物减少的不足[9]。28d龄期时常规Ⅰ级粉煤灰也很难充分水化,但优质粉煤灰的比表面积更大,颗粒细小,能够更早地生成水化产物发挥活性填充效应,从而改善水泥石结构和混凝土强度。

5)对于高强度等级混凝土,优质粉煤灰对改善拌合物流动性的作用优于普通S95级矿粉,这主要与矿粉的形态密切相关,矿粉与粉煤灰相比具有更加不规则的粒型,其“滚珠”效应不明显或不具备,该试验结论与相关研究成果保持一致[10-12]。

6)复掺矿粉与粉煤灰具有互补作用,可以充分发挥两者的优势,粉煤灰能够弥补矿粉的不足,明显改善拌合物流动性;按照1∶1复掺各等级粉煤灰和矿粉,掺量增大到40%,则复掺矿物掺合相较于未掺混凝土28d抗压强度降幅处于5MPa以内。

4 结 论

1)大流动性水工混凝土一般选用Ⅱ级连续级配细骨料,砂浆和净浆体积一般≥600L/m3和310L/m3。浮黑粉的掺入可以在一定程度上降低水工混凝土强度,新拌混凝土扩展度出现明显变化。

2)一般地,C类Ⅰ级粉煤灰掺量≤30%,掺入优质粉煤灰能够更加显著的改善水工混凝土工作性,其改善作用优于矿粉。