陶瓷抛光粉和石灰石粉双掺对混凝土性能的影响研究.pdf

2 0 1 3年第 8 期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C ONC RET E AND C EME NT P R0 DUC T S 2 01 3 No 8 Au g u s t 陶瓷抛光粉和石灰石粉双掺对混凝土 性能的影响研究 段 明磊 ， 肖 强 ， 程智清 ， 杨金铨 ， 刘 聪 ， 王立军 ( 云南省交通科学研究院， 昆明 6 5 0 0 1 1 ) 摘要 ： 研 究 了不 同掺 量的陶瓷抛光粉和石灰石粉 对混凝土工作性、 力学性 能以及抗氯 离子扩散和抗冻 融性 能 的影响 。 结果表明 ， 双掺 1 0 石灰石粉和不超过 2 0 的 陶瓷抛光粉可 以提 高混凝土坍落度 ， 改善粘聚性 同时可细化 混凝土孔结构并改善其界面结构 ， 从 而提 高混凝 土强度 、 抗氯 离子扩散 和抗冻融性能。 双掺 时 陶瓷抛光粉 最佳掺量 为 1 0 ； 继续增加 陶瓷抛光粉掺 量对于改善 混凝土 内部 结构无益 反而劣化 了混凝土性能 关键词 ： 陶瓷抛光粉 ； 石灰石粉 ； 混凝土 ； 抗压强度 ： 工作性 ； 耐久性 Ab s t r a c t ： Ef f e c t s o f d i f f e r e n t c o n t e n t s o f c e r a mi c p o l i s h i n g p o w d e r a n d l i me s t o n e p o w d e r o n t h e w o r k a b i l i t y ，me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，r e s i s t a n c e c h l o r i n e d i f f u s i o n a n d f r e e z i n g t h a wi n g c i r c l e o f c o n c r e t e a r e s t u d i e d i n t h i s p a p e r e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t the wo r k a b i l i t y ， mi c r o s t r u c t u r e ， c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ，r e s i s t a n c e c h l o r i n e d i f f u s i o n a n d f r e e z i n g t h a wi n g c i r c l e p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e mi x e d wi t h 1 0 l i me s t o n e p o wd e r a n d n o t mo r e t h a n 2 0 c e r a mi c p o l i s h i n g p o wd e r a r e i m p r o v e d r h e o p t i ma l r e p l a c e d c o n t e n t of c e r a mi c p o l i s h i n g p o w d e r i s 1 0 w h e n mi x e d wi t h l i me s t o n e a n d c e r a mi c p o l i s h i n g p o wd e r Ho we v e r ， t h e p e rfo rm a n c e o f c o n c r e t e c o u l d n o t b e i mp r o v e d w h e n the d o s a g e o f c e r a mi c p o l i s h i n g p o wd e r i s mo r e t h a n 1 0 Ke y wo r d s ：C e r a mi c p o l i s h i n g p o wd e r ； L i me s t o n e p o wd e r ； Co n c r e t e ； C o mp r e s s i v e s t r e n g t h ； W o r k a b i l i t y ； Du r a b i l i t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 。 0 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 1 0 8 0 5 0 4 0前 言 随着我 国高速公路 、 高等级公路建设的飞速发 展以及 国家“ 村村通” 路面工程 的实施 ， 混凝土在公 路桥梁和路面等方面 的发展速度将会更快 、更迅 速。与此同时 ， 公路用水泥混凝土所需的粉煤灰 、 矿 渣和硅灰等传统矿物掺合料由于使 用量过大 ， 其储 量和质量 已难 以满足 日益增长的工程建设需要 ， 为 有效缓解这一现状 科研工作者和技术人员纷纷 寻 求可部分替代传统矿物掺合料的新型掺合料。陶瓷 抛光粉是陶瓷抛光砖在生产过程 中研磨 、 抛光产生 的废 料 ， 同 时我 国又是 陶瓷 砖生 产大 国I 1 。目前 这些 废料大部分采用露天堆放或回填的方式进行处理 ， 严重污染环境 。陶瓷抛光粉 由于其颗粒细小 ， 比表 面积高 ， 化学组成与粉煤灰相似 ， 具有一定 的火 山 灰 活 性 。 而被 应 用 于水 泥 、 混 凝 土领 域p - 5 1 ， 并 取 得 了 一 系列成果 其最佳掺量为 l 0 3 0 嘲 。石灰石粉 一 般是碎石厂生产碎石 和机制砂 时产生 的石屑磨 细而成 ， 将其掺用到混凝土 中可 以提高混凝土的早 期 强 度 ， 改 善其 工 作 性 和部 分 耐 久性 能 ， 产 生 良好 的社会和环保效益 提高混凝土生产 的“ 绿色化” ， 由于石灰石粉主要是一种惰性掺合料 ， 限制 了其 取 代水泥的掺量 ， 其最佳掺量为 1 O f 8 。 针对 目前 只是 研 究 单 掺 陶瓷 抛 光 粉 和 石 灰 石 粉 对混 凝 土性 能 的影 响 现状 同时 为 缓解 公路 工 程 建设 中合格矿物掺合料 日益短缺的现状 ， 进一步推 广新型矿物掺合料的应用 ， 本文以石灰石粉最佳掺 量 1 0 为基础 ， 变化 陶瓷抛光粉掺量 ， 研究 了双掺 陶瓷抛光粉和石灰石粉对混凝土工作性 、强度 、 抗 氯离子渗透和抗冻融性能的影响规律 ， 以期获得 双 掺石灰石粉和陶瓷抛光砖粉时 ， 陶瓷抛光砖粉在混 凝土中的最佳用量 ， 为推广双掺石灰石粉和陶瓷抛 光砖粉混凝土在公路工程上的应 用提供相关技术 支 持 。 1 试 验 原材料 与试 验 方法 1 1 原材 料 水泥 ：河北某公司生产的 P 0 4 2 5级水泥 ， 化 学成分及性能指标见表 1 、 表 2 。 石灰石粉 ： 采用河北产的石灰石粉 ， C a C O ， 含量 在 8 0 以上， 其 比表面积为 4 0 0 m Z k g 。 陶瓷抛 光砖 粉 ： 化 学成 分见 表 1 。 砂 ： 河北正定河砂 ， 细度模数为 2 5 ， 堆积密 度 为 1 3 6 0 k g m ， 表观 密度 2 6 1 0 k g m 。 一 5 一 2 0 1 3年第 8期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 8期 石子 ： 碎石 ， 粒径为 5 - 2 0 m m， 表观密度为 2 6 7 0 k g m 。 外加剂 ： 河北产的聚羧酸系高效减水剂 ， 减水 率为 2 5 1 。 1 2 混凝土配合比 由于石灰石粉是一种惰性材料 ， 限制 了其取代 水泥的掺量 ， 因此 以石灰石粉取代水泥的最佳掺 量 1 0 为基础 。 再掺入陶瓷抛光砖粉 ， 不断提高其 取代水泥掺量 ， 分别为 1 0 、 2 0 和 3 0 ， 以期获得 双掺时， 陶瓷抛光砖粉的最佳掺量。混凝土配合 比 见表 3 。其 中 C代表水泥 ， P代表陶瓷抛光粉 ， L代 表石灰石粉 。另外 ， 编号字母后面 的数字分别代表 陶瓷抛光粉和石灰石粉取代水泥的质量分数。 1 3试验 方法 按 G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 ( 普通混凝土拌合物性能 试验方法标准 进行混凝土工作性试验 ； 抗压强度 按 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能试验方 法标准 进行测试 ， 测试龄期分别为 3 d 、 2 8 d和 9 0 d 。 抗氯离子性能按 G B F F 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 普通混凝土长 期性能和耐久性能试验方法标准 进行 。混凝土抗 冻耐久性评价指标为相对动弹性模量下 降率 和质 量损失率 ， 当冻融试验达到 3 0 0次循环 、 相 对动弹 性模量下降 6 0 或质量损失达 5 时 ，混凝土抗冻 融试验结束。 表 3混凝 土配合 比 k g m 2试 验 结果 与分 析 2 1 双掺对新拌混凝土工作性的影响 图 1为陶瓷抛 光粉和石灰石 粉双掺对 混凝 土 工作性的影响。从 图 1 可知 ， 单掺 1 0 石灰石粉的 混凝土坍落度相 比普通混凝土坍落度高， 由初始的 7 5 m m增大至 1 4 0 mm，这是 由于石灰石粉密度小于 水泥 ，同时石灰石粉颗粒分散在水泥颗粒之间 。 起 到了分散剂的作用 ，可以改善混凝土颗粒级配 从 而改善混凝土拌合物的流动性 ， 增加坍落度。然而 。 当向含有石灰石粉的混凝土中添加 不同质量分数 的陶瓷抛光粉后 ， 发现其对混凝土工作性 的影响存 在一个最佳值 。当陶瓷抛光粉掺量低于 1 0 时， 可 有效提高混凝土工作性 。当其掺量为 1 0 时 ， 混凝 土坍落度 由原先( 未掺 陶瓷抛光粉的混凝 土坍落 度 ) 1 4 0 m m增大至 1 5 5 m m。 而当掺量高于 1 0 时 ， 则 发现混凝土坍落度随着掺量的提高而不断降低 。产 一 6 一 生上述现象的原 因在于 ， 陶瓷抛光粉的密度小于水 泥 ， 等质量 陶瓷抛光砖粉取代水泥后 ， 混凝 土拌 合 物中浆体含量增大 ， 同时陶瓷抛光砖粉分散在水泥 颗粒之 间 。 起到分散 剂作用 ， 从而改善混凝土拌 合 物流动性。另外 ， 陶瓷抛光粉 比表面积大于水泥 ， 需 要更多 的水来润湿其表面 ， 从而使得其表面吸附作 用将大于细粉的物理填充减水作用而成为主导 因 素 ，从而表现出随着陶瓷抛光粉掺量的不断增加 混凝土坍落度反而降低的现象 。 2 2 双掺对混凝土抗压强度 的影响 图 2为陶瓷抛光粉和石灰石粉双掺对混凝土 抗 压 强度 的影 响 。 由图 2可 看 出 ， 掺入 1 0 石 灰石 粉的混凝土 3 d抗压强度高于同龄期普通混凝土强 度 ， 而 2 8 d和 9 0 d抗 压强 度 低 于 同龄 期普 通 混 凝 土 强度 。这表 明， 石灰石粉主要增加 了混凝土早期抗 压强度 ， 对混凝土后期强度增长不利 。这是 因为在 段 明磊 ， 肖 强， 程智清 ， 等陶瓷抛光粉和石灰石粉双掺对混凝土性能的影响研究 暑 挺 密 C 上 J U LO PI O -L1 0 P2 0 - Ll O P3 0- LI O 试件编号 图 1 陶瓷抛光粉和石灰石粉双掺对混凝土工作性的影响 早期 ，石灰石粉主要起着微集料效应和微 晶核效 应 ， 从而使得早期抗压强度较高。但石灰石粉参与 水化反应程度有 限，进而对后期强度造成不利影 响。由图 2还可看出， 当石灰石粉掺量为 1 0 时 混 凝 土 3 d抗 压 强 度 随 陶 瓷 抛 光 粉 掺 量 的 增 大 而 减 小 ； 掺加 1 0 、 2 0 陶瓷抛光粉的混凝土 2 8 d 、 9 0 d抗 压强度均高于未掺陶瓷抛光粉的混凝土 P 0 一 L l 0 掺 加 l 0 陶瓷 抛 光 粉 的 混 凝 土 2 8 d 、 9 0 d抗 压 强 度 最 大 ； 掺入 3 0 陶瓷抛光粉 的试件 ， 其抗压强度始终 保持最低水平 。此外 ， 图 2还表明双掺 1 0 陶瓷抛 光 粉 和 1 O 石 灰 石 粉 的 试 件 P I O L I O各 龄 期 抗 压 强度 均 高于普 通 混凝 土 C 随 着龄 期 的延 长 ， 陶瓷抛 光 粉 ( 与粉 煤 灰 相似 ) 的二 次 水 化反 应 不 断进 行 ， 在 混凝 土 内部 结构 中形 成 更 多 的 胶 结 物 质 ， 从 而 不 断填 充 孑 L 隙 ， 促 进 混 凝 土强度持续增长。双掺陶瓷抛光粉和石灰石粉的混 凝土 ， 石灰石粉的微集料填充效应保证了混凝土早 期抗 压 强 度 ， 同时 陶瓷 抛光 粉 的 活性 效 应 提 高 了混 凝土的后期强度 ， 两者起到 了叠加效应。然而 ， 当陶 瓷抛光粉掺量过高时 ， 使得总的矿物掺合料掺量过 大 水 泥用 量大大减少 ， 弱化 了激发矿物掺 合料活 性的碱度环境 ， 从而影 向了混凝土的强度发展 。 2 - 3 双掺对混凝土抗氯离子渗透性能的影响 图 3为陶瓷抛光粉 和石灰 石粉双掺对混凝土 氯离子扩散 系数 的影响 。从 图 3可 以看 出 ，单掺 1 0 的石灰 石 粉混凝 土 氯离 子扩 散 系数 在早 期 ( 3 d ) 要低于同龄期普通混凝土 ，而在 2 8 d和 9 0 d时 ， 混 凝土氯离子扩散 系数均高 于同龄期下 的普通混凝 土 。这同样充分说明了石灰石粉有利于在早期发挥 微集料填充和微 晶核效应 ， 有利于改善早期混凝 土 的孔结构。当石灰石粉掺量为 l 0 时 ， 混凝土 3 d时 的氯离子扩散 系数 随着 陶瓷抛光粉掺量 的增加 而 6 0 5 5 5 0 善 4 5 4 0 3 5 3 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 龄期， d 图 2陶瓷抛光粉和石灰石粉双掺对混凝土抗压强度的影响 一 呈 箍 褪 骣 U 2 0 4 0 6 0 8 0 l U U 龄期， d 图 3 陶瓷抛光粉和石灰石粉双掺对混凝土氯离子 扩 散 系 数 的 影 响 增 大 ； 掺 加 1 0 、 2 0 陶瓷抛 光 粉 的混 凝 土 2 8 d 、 9 0 d 氯 离子 扩散 系数 均低 于未 掺 陶瓷抛 光 粉 的 P O L I O ， 掺 加 1 0 陶 瓷 抛 光 粉 的混 凝 土 2 8 d 、 9 0 d氯 离 子 扩 散 系 数 最 低 ； 掺 人 3 0 抛 光 粉 的 试 件 ， 其 氯 离 子 扩 散系数始终保持最高。同时 ， 双掺 1 0 陶瓷抛光粉 和 1 0 石灰石粉 的试件 P I O L I O各龄期下 的扩散 系数均低于普通混凝土 C 。产生上述现象原 因同样 是 因为随着龄期 的延长 ， 陶瓷抛光粉二次水化反应 和石 灰 石 粉 的微 集 料 填 充 效 应 形 成 了两 者 之 间 的 叠 加 效应 ， 改善 了混凝 土 界 面结 构 ， 增 加 了密 实 性 ， 从 而导 致 双 掺 1 0 陶瓷 抛 光 粉 和 l 0 石 灰 石粉 的 混 凝 土无 论 是 在早 期 还是 后 期 ， 氯 离子 扩 散 系数 均 较低 ， 抗渗性能较好 。 2 4 双 掺对混 凝 土抗 冻性 能 的影 响 图 4显示 的是 陶瓷抛光粉和石灰石粉双掺对 混凝土抗冻性的影响。结果表明 ， 编号为 C、 P O L I O 和 P I O L I O的混 凝 土 试 件 均 能 达 到 3 0 0次 冻 融 循 环。同时发现单掺 1 0 石灰石粉的混凝土试件相对 动弹性模量 降低 ， 质量损失明显增大。产生这样 的 一一 7 一 加 0 m 9 8 7 6 5 2 0 1 3 年第 8期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 8期 咖 封 教 需 霞 靶 褂 瞧 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 冻融循环次数， 次 ( a ) 冻融循环次数， 次 ( b) 图 4 陶瓷抛光粉和石灰石粉双掺对混凝 土抗冻融性能的影响 原 因是 因为石灰石 粉主要在 早期起着 积极作用 ， 2 8 d后 由于其活性有 限， 导致结构改善有限 ， 因此 ， 在冻融循环条件下 ，混凝土结构容易遭到侵蚀破 坏， 从而表现为动弹性模量和质量损失增大。同时， 图 4表明 双掺 1 0 陶瓷抛光粉和 1 0 石灰石粉的 试件抗 冻融性 能明显高 于单掺 1 0 石灰石粉 的试 件。然而继续增加 陶瓷抛光粉掺量 ， 混凝土抗冻融 性能大幅降低 。另外 ， 陶瓷抛光粉掺量为 3 O 的双 掺试件抗冻融性能达不到 3 0 0次。 从图 4中还可看 出 当石灰石粉掺量为 1 0 时 ， 混 凝 土抗 冻 融性 能 随着 陶瓷抛 光 粉掺 量 的增加 而降低 ， 均低 于普通混凝土 C。相比而言 ， P I O L I O 试件的抗冻性能比较接近普通混凝土 C。 产生上述实验现象 的原 因是 由于陶瓷抛光粉 和石灰石粉的表观密度均小于水泥 ， 使混凝土中含 有的浆体含量增多 ， 易造成泌水 ， 形成与混凝土主 体微观结构不 同的多孔浆层 ， 从而容易遭到冻融破 坏。然而适量 ( 1 0 ) 石灰石粉和陶瓷抛光粉可以对 混凝土产生密实增强作用 ， 弥补上述劣化作用。而 当掺 人过 量 陶瓷 抛光 粉 时 ， 使得 混 凝 土结 构 变得 疏 松 ， 从而降低其抗冻融性能。 3结论 ( 1 ) 石灰石粉和陶瓷抛光粉在合适掺量范 围内， 均具有一定减水效果 ， 可以增大混凝土拌合物的坍 落度。双掺 1 0 石灰石粉和 1 0 陶瓷抛光粉的混凝 土拌合物坍落度最大 ： 当陶瓷抛光粉掺量超过 1 0 时 ， 反而会降低混凝土的坍落度。 ( 2 ) 双掺陶瓷抛光粉 和石灰石粉 的混凝土早期 抗压强度随着陶瓷抛光粉掺量的增加而降低 ， 掺入 不大于 2 0 陶瓷抛光粉 的双掺混凝土后期强度发 展 良好 。 双掺 l 0 陶瓷抛光粉和 1 0 石灰石粉的混 凝土各龄期强度均高于普通混凝土 ， 表现出陶瓷抛 光粉 后期 活性 和石 灰石粉 早期 增强 的互 补效应 一 8 一 ( 3 ) 陶瓷抛光粉和石灰石粉的互补效应使得双 掺 1 0 陶瓷抛光粉和 1 0 石灰石粉混凝土的抗 氯 离子扩散性能优于普通混凝土 ， 其抗冻融性能则与 普通混凝土相近。 由此可 见 采 用 1 0 陶瓷抛 光 粉 和 1 0 石灰 石 粉双掺的方法 ， 可以替代传统紧缺矿物掺合料用于 公路工程混凝土 中， 其 工作性能 、 抗压强度及抗 氯 离子扩散性能均优于普通混凝土 且抗冻融性能与 普通混凝土相近 ， 这为缓解公路工程矿物掺合料 紧 缺提供了新的、 有效 的方法。 参考 文献 ： 【 1 石正 国， 王 黎 陶瓷砖抛光粉在 C 3 0混凝土 中的应用 J 混 凝 土 ， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 1 3 8 1 4 0 2 苏达根 ， 王功勋 ， 钟小敏 陶瓷抛光砖粉的组成及火山灰活 性研究 J 】 水泥工程 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 2 2 2 4 【 3 于利 刚， 吴锦锋 ， 李云 国， 等 利用 陶瓷废料作水 泥混 合材 的试验研究 J 水泥 ， 2 0 0 4 ( 1 0 ) ： 1 0 1 1 【 4 钟 明峰 ， 张志杰 ， 王功勋 常温与蒸压条件下 陶瓷抛光粉的 反应活性 及其应用研究 J 1 _ 昆 凝 土与 水泥制品 ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 7 2 7 4 5 王功勋 ， 苏达根 石 灰一 抛光砖 粉结合料 的性 能研究 J 公 路 工 程 ， 2 0 0 8 ， 3 3 ( 5 ) ： 6 5 6 8 6 】 王功勋 ， 苏达根 ， 钟小敏 陶瓷抛光砖粉对混凝 土性能 的影 响【 J 混凝土 ， 2 0 o 8 ( 1 0 ) ： 6 4 6 5 【 7 杨华山 ， 方坤河 ， 涂胜金 ， 等 石灰 石粉在水泥基材料 中的 作用及机理 J 混凝 土 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 3 2 3 5 【 8 】肖斐 ， 崔洪涛 ， 陈剑雄 ， 等 超磨细石 灰石粉高强混凝 土的 研究 J 硅酸盐通报 ， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 6 ) ： 1 3 0 3 1 3 0 7 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 6 2 7 作者简介 ： 段 明磊 ( 1 9 7 1 一 ) ， 男 ， 硕 士在读 ， 高级工程师。 通讯地址 ： 云南省 昆明市拓东路石家巷 9号 联 系电话 ： 1 5 1 9 5 9 5 3 4 3 0 E ma i l ： mi n g le i d u a n 1 2 6 c o m 0 5 O 5 0 5 D 5 D 5 D 2 2 1 1 O O 舳 加