矿粉掺量及细度对水工混凝土性能的影响研究

丛亚丽

(昌图县水利事务服务中心,辽宁 铁岭 112519)

水工混凝土掺粉煤灰、矿粉等矿物掺合料现已成为延缓水化放热和减少水泥用量的重要手段,这不仅有利于改善混凝土的搅拌、硬化和耐久性能,还具有显著的经济性,并且矿物掺合料的使用符合废物利用标准和可持续发展要求,其社会和经济效益显著[1]。然而,矿粉作为最常用的一种掺合料,掺量高且种类多,对早龄期混凝土性能影响较大[2-3]。

美国ACI协会将浇筑成型7d内的龄期定义成混凝土早龄期,该时段性能变化较快,随着龄期的增长早龄期力学性能也快速变化,对混凝土施工和结构质量影响较大,特别是早龄期弹性模量及强度直接控制着整个施工过程。由于早龄期强度低,在外荷载、干燥收缩、自收缩及自身热应力作用下混凝土结构极易形成裂缝,早龄期力学性能变化严重影响着混凝土结构的使用年限和耐久性能,故试验分析矿粉混凝土早期力学性能具有重要意义。李军等[4]试验探讨了不同龄期掺矿粉和粉煤灰混凝土的性能,结果显示复掺粉煤灰与矿粉时,混凝土强度随矿粉比例的增加逐渐增大,总掺量为20%时的力学性能最优;刘建忠等[5]试验研究了混凝土单掺和复掺矿粉、粉煤灰时的抗压强度,结果表明矿粉或粉煤灰的掺入使得早期强度降低,后期强度快速增长且复掺条件下更加显著;Mesbah等利用数值模拟建立了混凝土动、静弹模量之间的关系,通过超声波法探究早龄期动弹模量变化特征。虽然许多学者试验探究了早龄期力学性能,但考虑矿粉对水泥净浆和水工混凝土性能的影响研究还较少。因此,文章通过试验测试探讨了矿粉掺量及细度对水泥基材料流动度、凝结时间、力学性能和标准稠度的影响,并结合试验数据提出不同矿粉类型的最优掺量,以期为矿粉混凝土在水利工程中的广泛应用提供一定技术支持。

1 试验方法

1.1 原材料

1)水泥。朝阳市振东水泥厂生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥,标稠用水量25.6%,比表面积3340cm2/g,密度3.15g/cm3,水泥化学成分与性能指标,见表1。

表1 水泥化学成分与性能指标

2)矿粉。鞍山大石桥鑫宇矿粉厂生产的S95级普通矿粉和济南鲁新生产的超细矿粉,矿粉主要特征参数,见表2。

表2 矿粉主要特征参数

3)集料。粗集料用铁岭市鹏程石料厂提供的粒级5～25mm花岗岩碎石,压碎指标4.6%,含泥量0.8%;细集料用四寨子砂场提供的天然中砂,细度模数2.62,表观密度2720kg/m3,含泥量1.0%。

4)外加剂。试验用苏博特PCA-Ⅶ聚羧酸高效减水剂,固含量为40%,液态,减水率≥28%,拌合水用当地自来水。

1.2 配合比设计

为探讨矿粉掺量及细度对凝结时间和标准稠度的影响作用,凝结时间、标准稠度试验配合比,见表3;为研究矿粉掺量及细度对抗压强度的影响作用,试验设计水泥和混凝土配合比,抗压强度试验配合比,见表4。

表3 凝结时间、标准稠度试验配合比

表4 抗压强度试验配合比 kg/m3

2 结果与分析

2.1 水泥标稠和凝结时间

掺超细矿粉和S95级矿粉水泥,水泥净浆凝结时间和标准稠度,见图1。由图1(a)可知,水泥净浆标稠需水量随S95矿粉掺量的增加而减小,掺20%S95矿粉的标稠需水量较少,继续增大矿粉掺量其需水量不再改变,虽然掺入S95矿粉能够在一定程度上降低水泥净浆标稠需水量,但降幅不明显;超细矿粉的掺入会增大浆体标稠需水量,且水泥净浆标稠需水量随超细矿粉掺量的增加明显提高。

(a)标准稠度

这是因为S95矿粉较水泥颗粒的细度更小,通过发挥微集料和填充效应降低水泥基体内部空隙,由此置换出的水分相当于增加了拌合物的表面水量,在一定程度上起到润滑作用,有利于改善浆体流动性,所以利用S95矿粉等量替代水泥能够降低标稠需水量[6]。采用比表面积较大的超细矿粉等量替代水泥,由于超细矿粉细度过小,颗粒间的摩擦较大,从而使得水泥浆体达到标准稠度时具有较高的用水量,即标稠需水量明显增大。

由图1(b)可知,掺入S95矿粉和超细矿粉均会在不同程度上延长浆体的凝结时间,并且凝结时间随着矿粉掺量的提高而增大;水泥浆体凝结时间受超细矿粉的影响作用要高于S95矿粉,但不同矿粉对凝结时间的影响差异性较小。

2.2 水泥净浆流动度

掺S95矿粉与超细矿粉水泥净浆流动度,水泥净浆流动度,见表5。由表5可知,水泥浆体流动度随S95矿粉掺量的增加不断增大。掺S95矿粉时,水泥浆体30min流动度有所减小,而60min时略有回升。这是因为S95矿粉颗粒较小、比表面积较大,有一定量的水分填充在水泥颗粒之间的空隙中,而掺入颗粒较小的矿粉可以填充这部分空隙,将内部包裹的自由水释放出来,这相当于增大了浆体自由水量,对水泥浆体具有一定润滑作用,从而提高了整个体系的流动度[7]。

表5 水泥净浆流动度

掺入超细矿粉会明显降低浆体流动度,掺量越高其流动度性差,且浆体流动度随时间的延长不断减小。超细矿粉与水泥颗粒相比小很多,其比表面积明显较大,具有更强的水吸附能力,掺入超细矿粉后悔吸附较多减水剂和水。同时,超细矿粉是一种无定性的胶凝性颗粒,矿粉颗粒间存在较大的滑动阻力,这直接决定着浆体的流动度,超细矿粉间的摩擦力随其掺量的增加不断增大,相应的流动度也逐渐降低。因此,水泥浆体掺S95矿粉有利于改善其流动性,而超细矿粉的掺入会降低其流动度。

2.3 力学性能试验

矿粉的掺入会改变水泥体系组成,并进一步使得整体强度发生改变,水泥浆体7d、28d抗压强度随着不同矿粉掺量的变化趋势,水泥净浆抗压强度,见图2。

(a)S95矿粉

由图2(a)可知,掺矿粉水泥净浆低于纯水泥基体的早龄期(7d)抗压强度,这是因为水泥熟料的矿物组成及含量是水泥凝结硬化的主要来源,S95矿粉的掺入相当于降低了净浆中C3S含量,由于C3S具有较快的水化速率,其直接决定着水泥早期强度,所以C3S含量减少使早期强度偏低。随着水化的持续,矿粉逐渐发挥填充效应和火山灰活性,掺入S95矿粉能够优化浆体微观结构,改善浆体密实性,有利于提高其后期强度,故掺S95矿粉高于纯水泥基体的28d抗压强度。由图2(b)可知,掺超细矿粉相较于S95矿粉的水泥净浆早龄期(7d)抗压强度有所提高,但低于纯水泥基体,其后期(28d)抗压强度高于纯水泥基体。掺20%超细矿粉的水泥净浆28d抗压强度最高,对于水泥水化超细矿粉发挥着微晶核作用,其活性被激发后可以降低Ca(OH)2浓度,从而加速水化反应,改善水泥基体的整体致密性。

水工混凝土7d、28d抗压强度随着不同矿粉掺量的变化趋势,水工混凝土抗压强度,见图3。从图3(a)可以看出,掺10%S95矿粉时试件的7d抗压强度最高,掺20%S95矿粉时试件的28d抗压强度最高;从图3(b)可以看出,掺20%超细矿粉时试件的7d抗压强度最高,掺10%超细矿粉时试件的28d抗压强度最高。矿粉的掺入会明显提高早龄期(7d)抗压强度,对于后期强度的增强作用相对较缓,故掺矿粉水工混凝土强度早期增速较快,后期逐渐放缓。

(a)S95矿粉

矿粉对砂浆、净浆强度的影响作用与水工混凝土相比存在一定差异,将矿粉掺入混凝土中具有微集料、火山灰效应和潜在水硬性,矿粉与水泥组成复合胶凝材料可以改善水泥浆体的孔结构,提高骨料界面与水泥石之间的黏结强度,在低水胶比情况下掺入高效减水剂可以配制出强度、密实度较高的混凝土。研究表明,水泥石与骨料之间的界面是整个体系中最薄弱的部位,掺入矿粉能够改善界面过渡层结构,从而提高整体力学性能[8-10]。水化产物Ca(OH)2与界面过渡层中的集料一侧相近,而界面附近的Ca(OH)2对强度是不利的,矿粉的加入可以减少过渡层厚度,原片状结构的Ca(OH)2也会逐渐被网状的水化物替代,这有利于增大界面强度,故矿粉的掺入能够增强混凝土强度[11-12]。

3 结 论

1)水泥浆体掺S95级矿粉有利于减少标稠需水量,未掺矿粉组的标稠水灰比为0.255,掺20%S95矿粉的水泥浆体标稠水灰比0.250,水灰比减小代表达到标稠时的用水量降低,进一步提高掺量标稠水灰比不发生改变;水泥浆体掺超细矿粉会增大标稠需水量,掺30%超细矿粉时的标稠水灰比达到0.320,说明掺超细矿粉会使得达到标稠时的用水量提高;S95矿粉和超细矿粉均会在一定程度上延长浆体的凝结时间,并且凝结时间随着掺量的提高而增大,但不同矿粉对凝结时间的影响差异性较小。

2)水泥浆体流动度随S95矿粉掺量的增加不断增大,掺40%S95矿粉时的流动度最高达到280mm;掺入超细矿粉会明显降低浆体流动度,掺量越高其流动度性差,且浆体流动度随时间的延长不断减小,掺40%超细矿粉的流动度最小只有125mm。

3)未掺矿粉水工混凝土7d、28d抗压强度分别为57.6MPa和62.8MPa。矿粉的掺入会在一定程度上提高混凝土强度,掺10%S95矿粉组7d强度最高达到64.6MPa,掺20%S95矿粉组的28d强度最高为73.2MPa,故S95矿粉的最优掺量为10%～20%;掺20%超细矿粉组7d强度最高达到72.8MPa,掺10%超细矿粉组的28d强度最高为80.1MPa,故超细矿粉的最优掺量为10%～20%。在掺量最优条件下,超细矿粉对强度的增强作用高于S95矿粉。