磨细沸石粉作为矿物掺合料对混凝土性能的影响

时间：2024-10-02

尚徐杰

（台州巨鑫混凝土有限公司，浙江台州 317200）

0 前言

现代混凝土以矿物掺和料和高性能减水剂的应用为主要特征，矿物掺和料应用技术的发展，使得煤灰、矿粉、石灰石粉、沸石粉等在混凝土生产中得以应用[1]，且由于矿物掺和料的使用，混凝土的性能得以优化，如降低混凝土早期水化热、降低体积收缩、提高混凝土耐久性等[2]，对企业成本的降低也大有裨益。随着工业化进程的推进，越来越多的材料和工业副产物被技术人员发掘，应用于绿色建材的生产，扩大了混凝土矿物掺和料的范畴。

沸石粉由天然沸石经过破碎、除杂、粉磨等系列工艺加工而成，含有氧化铝和氧化硅等火山灰组分，应用于混凝土中可以与水泥水化产生的 Ca(OH)2发生反应，对于混凝土耐久性，特别是抑制 AAR 反应有利[3]。杜文瀚、明阳等[4,5]人针对沸石矿物掺和料对混凝土性能的影响进行了研究，认为沸石粉掺入混凝土后对混凝土性能影响可控，且有利于混凝土致密性的提高，并指导了生产应用。

天然沸石自身多孔，具有较强的吸附特性[6]，磨细是提高沸石粉活性、降低其吸附性的重要方法。磨细后的沸石粉应用于水泥混凝土中对混凝土性能有何影响，本文将对此进行研究。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）水泥

水泥选自象山海螺 P·O42.5 水泥；矿粉为 S95 级，烧失量为 3.0%；沸石粉为缙云县宏牧沸石粉有限公司生产，白色粉体，根据需要进行粉磨至比表面积分别为450m2/kg、530m2/kg、605m2/kg、650m2/kg。水泥的性能指标结果见表 1，水泥和沸石粉的化学组成见表 2。

表1 水泥的性能指标结果

表2 水泥和沸石粉的化学组成 %

（2）骨料

细骨料采用机制砂，细度模数 2.5，含粉量 5.0%，MB 值 1.3。粗骨料为石灰石，大石粒径 10～25mm，小石为 5～10mm。

（3）外加剂

采用萘系和脂肪族复合高效减水剂，含固量为26%，推荐掺量为 2.0%。

1.2 试验方法

（1）沸石粉活性指数测试按照 JGT 566—2018《混凝土和砂浆用天然沸石粉》成型，标准养护至 7d和 28d，测试相应龄期的胶砂强度。

（2）混凝土坍落度和扩展度试验按 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。

（3）混凝土力学性能试验按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，成型100mm×100mm×100mm 混凝土试件，测定混凝土 7d和 28d 的抗压强度。

（4）试验配合比

采用 C30 混凝土配合比，试验中进行不同沸石粉掺量和不同沸石粉细度的混凝土性能试验，相应配合比见表 3。

表3 C30 配合比及原材料用量 kg/m3

2 试验结果与讨论

2.1 机械粉磨对沸石粉活性的影响

未经粉磨的沸石粉呈现多孔结构，具有较强的吸附特性，应用于混凝土中往往造成需水量过大、体积安定性不良等问题，因此采用机械粉磨增加沸石粉的比表面积，降低内部孔隙数量，也是激发沸石粉活性的重要手段。对粉磨后的沸石粉活性进行研究，测试结果见表4。胶砂抗压强度值见表 4 和图 1。

表4 磨细后的沸石粉活性结果

表4 和图 1 的结果表明，适当粉磨对沸石粉活性的发挥有积极作用，当沸石粉比表面积从 450m2/kg 提高至 650m2/kg 时，掺加沸石粉的砂浆 7d 和 28d 强度先增加后降低，当沸石粉比表面积在 530m2/kg 时，沸石粉的 7d 和 28d 强度发展最好，活性指数也最高，且沸石粉 28d 活性超过纯水泥。这是因为沸石粉含有大量的硅铝氧化物，随龄期增长发生火山灰反应，从而使得胶凝体系的强度得以增强。沸石粉较粗时内部孔隙过多，会吸附较多水分，过细时会影响水分在砂浆的分散，造成内部空隙增加。

图1 磨细沸石粉对水泥胶砂强度的影响

2.2 混凝土工作性能

混凝土的工作性能是保证混凝土顺利施工的重要前提，也是检验材料应用的关键指标。沸石粉作为矿物掺和料要满足良好的混凝土出机性能，同时也要足够的保坍能力。对磨细后的沸石粉应用于混凝土后的工作性能进行测试，结果见表 5。

表5 沸石粉对混凝土工作性能的影响

表5 结果所示，由于沸石粉具有吸附特性，所以加入沸石粉后的混凝土初始坍落度和扩展度都要降低，且工作性能损失较快，但不同掺量和不同细度的沸石粉具体又表现出一定的差异。

相同沸石粉掺量时，沸石粉比表面积增加，混凝土初始流动性减弱，尤其当沸石粉细度达到 650m2/kg时，混凝土出机流动性能大幅降低，经时坍落度损失加速。这是因为沸石粉变细后对水分和外加剂等分子的吸附能力增加，混凝土粘滞阻力增加，从而使得水分的润滑作用减弱，混凝土流动性下降，而保坍能力变差。

对于相同细度的沸石粉，掺量提高，混凝土的工作性能和保坍能力也随之下降。这是因为掺量增加，沸石粉对水泥颗粒形成包裹，使得水泥进一步参与水化反应的阻力增大，阻碍了浆体的流动。且细度越小，沸石粉掺量越高的混凝土工作性能损失越大。

2.3 抗压强度

杜文瀚等人[4]通过研究加入沸石粉的混凝土力学性能发现，沸石粉的加入降低了混凝土早期强度，但后期强度增长较快。明阳、王军等人[7]通过正交法确定了加入沸石粉的最佳配比，混凝土强度并无不利影响。不同研究者所选取的角度不同，另外沸石粉自身掺量、细度都会对混凝土强度结果造成影响。针对磨细后的沸石粉对混凝土 7d 和 28d 抗压强度进行测试，结果见表 6 和图 2。

图2 磨细沸石粉对混凝土抗压强度的影响

表6 抗压强度试验结果

试验结果显示，沸石粉在一定的细度范围内，即沸石粉细度在 530m2/kg 和 605m2/kg 时，混凝土 7d 抗压强度高于比表面积为 450m2/kg 和 650m2/kg 的沸石粉，且当沸石粉掺量为 10% 时，掺入比表面积 530m2/kg 沸石粉的混凝土 7d 抗压强度高于基准组。这是因为在一定掺量范围内适当细度的沸石粉可以增加混凝土的保水能力，起到有效填充作用，且能够提高水泥水化速率，对混凝土强度有利。

当沸石粉掺量为 10% 时，530m2/kg 的沸石粉 28d抗压强度最高，随后掺量增加反而强度下降。当沸石粉细度为 605m2/kg 和 450m2/kg 时，混凝土强度随沸石粉掺量增加而降低。沸石粉自身较高的氧化铝和氧化硅含量使其能够在后期与水泥水化产生的氢氧化钙发生二次水化反应[8]，从而激发其活性，适当磨细可以在提高自身活性的同时，改善混凝土的粘聚性，使得硬化后的混凝土密实度得以提高，强度增加。