云南地区不同种类火山灰对聚羧酸减水剂及混凝土性能的影响研究

李嘉佳,彭 飞,王照能,邓 磊,鲁圣军

(1.科之杰新材料集团(云南)有限公司,云南 安宁 650399;2.贵州大学材料与冶金学院,贵州 贵阳 550025)

随着混凝土技术的不断发展,混凝土已成为现代建筑工程结构最重要的材料之一。相较其他建筑结构材料,混凝土材料耐久性及耐火性较好、可塑造性强、生产过程“排碳”少、施工方式简便,这些特点使得混凝土材料在中国今后实现“碳达峰、碳中和”过程中必将扮演重要的角色。近十年来,粉煤灰与矿渣粉已得到广泛应用,价格也持续上涨。火山岩是岩浆经火山喷发到地表快速冷凝而成的岩石。我国火山岩储量丰富且广泛,大量试验及研究表明,火山灰具有胶凝材料的特性,在常温状态下,可与水发生反应,生成具有水硬性胶凝能力的水化物[1,2],火山岩为富含SiO2和Al2O3的玻璃体结构,而且具有一定的火山灰活性,在掺入水泥和混凝土的情况下,其内部活性组分SiO2和Al2O3与水泥熟料水化产生氢氧化钙和高碱性水化硅酸钙,进行二次水化反应(火山灰效应),生成质量更优的低碱性水化硅酸钙和水化铝酸钙。因此,火山岩是一种可用在水泥基材料中,部分取代水泥的矿物掺合料火山渣。作为一种绿色环保的矿物质颗粒,其具有轻质、导热系数小等优点,常被用于混凝土轻骨料及墙体中;其主要成分为活性氧化物,因此,粉磨后同样可以作为水泥活性混合材料应用于工程建设中,具有一定的经济效益和社会效益。火山灰产量充足、价格低廉,作为矿物掺合料用于混凝土中,在保证工程质量的同时,可有效降低工程成本、缓解资源消耗、减少环境污染等[3]。

1 试验原材料及试验方案

1.1 试验原材料

本试验所用原材料的具体信息见表1,所用主要仪器的详细信息见表2。

表1 试验原材料

表2 试验设备

1.2 聚羧酸减水剂的制备

为保证实验结果的可靠性,复配均采用同一聚羧酸减水剂,母液为科之杰新材料集团(云南)有限公司生产,其复配配方见表3。

表3 聚羧酸减水剂配方 单位/kg

分别在相对应的反应釜中加入定量的水,然后加入配方定量的缓凝剂H1、H2,搅拌溶解,再分别加入所需用量的聚羧酸减水母液与保坍母液,并同时搅拌混合均匀,制得所需聚羧酸减水剂,入库待用。

1.3 不同品种火山灰性能指标

5种火山灰烧失量测试结果见图1。

图1 5种火山灰烧失量测试结果

火山灰烧失量测定方法按照GB/T 2847—2005《用于水泥中的火山灰混合材料》检测。由图1可知,5种火山灰烧失量均小于10.0%,符合国家标准。火山灰三氧化硫含量测试结果见图2。

图2 5种火山灰三氧化硫含量测试结果

火山灰SO3测定方法按照GB/T 2847—2005《用于水泥中的火山灰混合材料》检测。由图2可知,5种火山灰三氧化硫含量均小于3.0%,符合国家标准。

火山灰细度测定方法按照GB/T 1345—2005《水泥粒度检验方法》检测,火山磷矿粒度测试结果见图3。由图3可知,5种火山灰粒度为45 μm,筛余均小于30%,符合国家标准。2～4号火山灰的粒度为45 μm,筛余占比大致相同,1号和5号火山灰粒度为45 μm,筛余占比略少。总体来说,云南地区火山灰质量相对稳定。

图3 火山灰粒度测试结果

1.4 火山灰需水量比测试方法

火山灰需水量比性能测定方法按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验(ISO法)》检测,掺合料需水量比配比见表4。

表4 掺合料需水量比配比 单位/g

1.5 混凝土测试方法

混凝土性能测定方法按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法》、GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法》两个标准检测,混凝土强度测定根据GB 50107—2010《混凝土强度评定标准》判定。混凝土性能测定采用C30混凝土等级配合比,分别测试不同种类火山灰对混凝土和易性、坍落度损失、含气量、抗压强度的影响,试验配合比见表5。

表5 混凝土性能测定试验配合比 单位/(kg·m-3)

2 试验结果与分析

2.1 火山灰需水量比测定

掺合料需水量比试验数据见表6。由表6可知,以上掺合料都符合GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验(ISO法)》检测标准。按照基准配合比,选用云南地区5个常用厂家的火山灰,在用水量和外加剂掺量相同的情况下,进行了适应性试验。对掺加不同厂家掺合料的需水量进行对比试验,结果显示,2～4号掺合料需水量基本一致,1号和5号掺合料需水量较小。可得出粒度筛余越小,掺合料需水量越大的结论。

表6 掺合料需水量比试验数据

2.2 混凝土和易性、含气量、坍落度损失试验

为了研究火山灰与聚羧酸减水剂的适应性,采用C30强度等级配合比进行混凝土实验。实验时除了胶材发生变化外,其余配合比保持不变,分别测试同种聚羧酸减水剂对混凝土火山灰初始坍落度、倒筒排空时间、含气量、坍落度损失的影响(见表7)。由表7可得,C2、C3的坍落度较小,其中C2的倒筒时间最慢为9.61 s,含气量最小为2.8%,混凝土的和易性较差;C3的倒筒时间最慢为8.43 s,含气量最小为3.0%,混凝土的和易性较差。C4的含气量最多为3.2%,倒筒时间为7.24 s,混凝土的和易性比较好;C1、C5的混凝土和易性良好。可得出如下结论:火山灰需水量越高,混凝土坍落度越低,其和易性越差。

表7 混凝土倒筒时间、含气量、坍落度损失对比试验数据

2.3 混凝土强度实验

混凝土抗压强度在数控水泥砼标准养护箱20±2 ℃、湿度≥95%条件下,测定其3 d、7 d、28 d抗压强度,成型试模采用100 mm×100 mm×100 mm,具体实验数据见图4。

图4 混凝土抗压强度

由图4可知,使用控制变量法考察云南地区不同种类火山灰与聚羧酸减水剂的适应性,所得到的结果如下:C0的试块强度最高;C2～C4的试块早期强度较高,其3 d强度已达到70%以上,7d强度已达到83%以上,28 d已达到110%以上;C1和C5试块前期强度较低,其3 d强度已达到65%以上,后期强度增长快。可得出如下结论:火山灰对混凝土试块强度影响很大,火山灰粒度越小,混凝土试块前期强度越低,后期强度增长速度快。

3 结语

(1)云南地区同种火山灰的物理性能基本一致,不同种类火山灰物理性能略有差别,整体趋向稳定。

(2)不同厂家的火山灰在同种外加剂下对比,火山灰粒度主要影响减水剂的减水性能,火山灰粒度越小,火山灰需水量越大,减水剂掺量越高,早期强度越小。

(3)不同厂家的火山灰在同种外加剂下对比,火山灰烧失量主要影响减水剂的保坍性能,火山灰烧失量越大,混凝土损失越大,后期强度越低。