大掺量矿物掺合料对混凝土性能的影响.pdf
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1、文章编 号 :1 0 0 7 - 0 4 6 X ( 2 o i 5 ) 0 3 - 0 0 3 9 0 5 生态建材 大掺量矿物掺合料对混凝土性能的影响 E f f e c t o f Hi g h V o l u me Mi n e r a l Ad mi x t u r e o n Co n c r e t e P e r f o r ma n c e 王静静。 ,武斌z ,刘高凯 1 烟建集团有限公司混凝土分公司,山东 烟台2 6 4 0 0 0 ;2 济南大学 建筑材料制备与测试技术山东省重点实验室,山东 济南 2 5 0 0 2 2 摘 要: 采用不同掺 量的粉煤灰和矿粉配制混凝土
2、,并对配制的混凝土的工作性 能和力学性能进行分析 。结果 显示 ,掺加矿物掺合料可以提高混凝土的工作性能,但会 降低混凝土的早期强度,后期强度会继续发展 , 当双掺 2 0 粉 煤灰 和 3 0 矿粉 时效 果最好 。 关键词:掺合料;粉煤灰;矿粉 ;混凝土 中 图分 类 号 :T U5 2 8 0 4 1 文 献 标 志 码 :A 0 前 言 矿物掺合料是在混凝土搅拌过程中加入的、具有一 定细度和活性的用于改善新拌和硬化混凝土性能 ( 特别 是耐久性能)的某些矿物类产品,又称矿物外加剂。其 主要特征是磨细矿物材料,细度比水泥颗粒小,主要用 于改善混凝土的耐久性和工作性能,已成为混凝土继外 加
3、剂后的第 6 组分。粉煤灰和矿渣微粉是混凝土常用的 矿物掺合料,能有效改善普通水泥混凝土的工作性和耐 久性等 。 粉煤灰是燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟 道排出、被收尘器收集到的物质,以硅酸盐和铝硅酸盐 为主。颗粒粒径主要分布在 0 5 3 0 0 m的范围内,大部 分在 4 5 m以下,平均粒径在 1 O 3 O r l 。粉煤灰因其 物理化学性质具有以下三种效应,( 1 ) 火山灰效应:粉 煤灰中含 C a O很少但含有大量的活性 s i 0 , 和A 1 , 0 ,它们 既无独立的水硬性,也无潜在的水硬性能,它们的活性 能在常温下被水泥水化时析出的 C a ( O H ) , 激活
4、,和它产生 二次反应 ( 火山灰反应 1 ,生成具有胶凝性能的水化硅酸 钙和水化铝酸钙。( 2) 形态效应:粉煤灰在高温燃烧过 程中形成的粉煤灰颗粒,绝大多数为玻璃微珠。由于粉 煤灰的颗粒较小,能在水泥颗粒之间起到 “ 滚珠”作用, 使水泥浆体的流动性增加。( 3 ) 微集料效应:微细颗粒 均匀分布在水泥浆内,填充毛细孔,改善混凝土孑 L 结构 和增大密实度的效应。混凝土中掺人适量的矿物掺合料 混合均匀之后, 粉体的颗粒级配更为合理, 密实度提高 3 - 4 。 矿粉为矿渣,是由炼铁时排出的处于融溶状态的炉 渣经急速水淬而成。它含有大量的 C a O( 3 5 4 8 ) ,并 含有活性 s
5、i 0 , 和 A I , 0 。它们本身无独立的水硬性,但在 C a O 、C a S O 的作用下, 其潜在的水硬性可以被激发出来, 产生缓慢的水化作用 5 - 6 1 。由于矿渣的化学成分比较稳定, 用作辅助胶凝材料或部分替代水泥用于建筑工程是矿渣 利用的主要方式。 1 试验材料与设备 1 1 试验材料 水泥:烟台山水 P 0 4 2 5 R水泥,物理化学性能见表 1 和表 2 。 表 1 水泥物理性能 物理 密度 标准稠度比表面积 抗折强度, MP a 抗压强度 MP a 性能 g - c m 。 ff J : mL m k g - 3 d 2 8 d 3 d 2 8 d 3 2 0
6、1 5 粉煤灰 3 9 表 2 水泥的化学成分 粉煤灰:I I 级粉煤灰,产地:龙口,化学成分见表 3 。 表 3 粉煤灰化学成分 整,其中粉煤灰对水泥的取代率按 1 : 2取代,矿粉对水 泥按 1 : 1取代,试验中通过调整水胶比来保证各组混凝 土的坍落度基本相同。试验对混凝土的工作性能以及力 学性能进行了分析和检测,以得到掺合料对混凝土性能 的影响。试验试样配合比见表 5 。 )-兰 O_ 2 矿物掺合料对混凝土工作性能的影响 含量4 9 1 1 3 0 6 5 5 4 2 1 2 0 6 2 1 0 9 O 3 5 4 4 6 。 。 矿渣粉:$ 9 5 级,产地烟台丛林,化学成分见表4
7、 。 表 4 矿粉化学成分 化学成分 S i O 2 AI 2 O3 F e 2 O3 Ca O Mg O K2 0 Na 2 O 含量 3 3 5 1 5 4 0 2 5 4 1 1 8 0 0 2 1 0 3 5 外加剂:聚羧酸减水剂,烟台某厂。 集料:河沙:中砂,产地烟台牟平;大石子:1 6 3 1 5 m m,产地烟台福山;小石子 :5 2 0 m m,产地烟台 福山。 1 2 试验设备 搅拌机:S J D 6 0 型单卧强制式混凝土搅拌机。 压力机:Y A W一 2 0 0 0 型压力试验机,精度 I 级。 快速养护箱:A C W一 8 5型水泥混凝土快速养护箱。 扫描电镜:F E
8、I Q U A N T A F E G 2 5 0二次电子成像扫 描电子显微镜 。 l - 3 试验方案 本试验设计以C 4 0 混凝土强度等级基础进行配比调 表 5 试验配合比 k g 4 0 CoAL AsH 3 20 1 5 2 1 粉煤灰对混凝土工作性能的影响 试验过程中保证混凝土的坍落度基本相同即工作状 态相同的情况下,调整用水量和外加剂用量。 由表 6可知,随粉煤灰掺量增加,用水量和外加剂 的用量增加,在保证坍落度基本相同的情况下,随粉煤 灰掺量增加扩展度增加,且掺量 2 0 时和易性最好。由 于试验中粉煤灰和水泥的取代率为 1 : 2 ,因此掺加粉煤 灰后总胶凝材料的量增加,掺量
9、越高胶凝材料的量越多, 需水量也就越大。高品质的粉煤灰取代水泥时,可有效 改善混凝土的和易性。因为粉煤灰是由大小不等的球状 颗粒的玻璃体组成,表面光滑致密,在混凝土拌合物中 能起到滚珠作用。新拌混凝土中的水泥颗粒易聚集成团, 粉煤灰的掺入可有效地分散水泥颗粒,使其释放出更多 的浆体来润滑集料。另外粉煤灰具有良好的保水性,能 减少混凝土的离析和泌水。 表 6 粉煤灰对混凝土工作性能的影响 序号 粉煤灰掺量 水胶比 外加剂 g坍落度A n n a扩展度A n n a 和易性 B e r r y 和 M a l h o t r a的研究 _ 7 _ 表明,粉煤灰对混凝土工 作度的影响,主要因素是 4
10、 5 m颗粒的比例; 4 5 m 的球状粉煤灰,可以降低混凝土的需水量。粉煤灰的细度 越大,烧失量越小,混凝土单方用水量降低越大。细集料 的细度模数越大,混凝土单方用水量的降低也越大。 3 2 矿粉对混凝土工作性能的影响 由表 7可得,掺加矿粉之后混凝土的和易性得到改 善,扩展度增大,工作性能得到提高,矿粉掺量较低时, 新拌混凝土出机坍落度增加,矿粉掺量较高时,新拌混 凝土出机坍落度随掺量的增大变化不大。 表 7 矿粉对混凝土工作性能的影响 序号矿粉掺量 水胶 比 外加剂 k g坍落度 mm 扩展度 m m 和易性 矿粉与减水剂复合作用下表现出的辅助减水作用, 主要原因矿粉可显著降低水泥浆屈服
11、应力,因此可改善 混凝土的和易性。矿粉颗粒直径显著小于水泥且圆度较 大,它在新拌水泥浆中具有轴承效果,可增大水泥浆的 流动性 。 2 - 3 双掺对混凝土工作性能的影响 由表 2 8 可得,当粉煤灰和矿粉双掺时混凝土的坍落 度及扩展度增大,且和易性提高。在掺加 2 0 粉煤灰和 3 0 矿粉时和易性最好。这与单掺粉煤灰和矿粉的影响 相同。矿物掺合料的微集料效应,起到填充水泥与集料 空隙的作用, 释放出更多的自有水, 增加混凝土的流动性, 同时起到滚珠作用和保水作用,使混凝土的和易性得到 提高。 表 8 双掺对混凝土工作性的影响 序号粉煤灰掺量 o g ;粉掺量 水胶比外加剂 k g 坍落度 I
12、 T Im扩展r fi m和易性 1 0 l 0 1 0 1 1 2 0 1 2 2 0 1 3 3 O l 4 2 O 0 0 3 9 8 8 2 1 O 4 4 O 1 0 0 3 9 9 7 2 2 0 4 5 0 2 0 O 3 8 9 7 2 2 0 4 7 0 3 0 0 3 7 9 7 2 2 5 5 1 0 2 O 0 - 3 9 l O 1 2 2 5 5 1 0 2 0 0 3 9 1 0 1 2 2 0 4 9 0 3 矿物掺合料对混凝土力学性能的影响 3 1 粉煤灰对混凝土力学性能的影响 由图 1可得,掺加粉煤灰后,7 d混凝土强度低于基 准混凝土,但在 7 d后掺加粉
13、煤灰的混凝强度增长速度比 基准混凝土大,当龄期达到 6 0 d掺加 2 0 粉煤灰的混凝 土强度高于基准混凝土。这是由于粉煤灰的活性比水泥 低,水化 比纯水泥要慢,因此,在早龄期,随着粉煤灰 含量的增加而逐渐减小,在早龄期尤其明显。由于粉煤 灰具有火山灰活性效应,其中的 S i O , 和 A 1 , 0 ,能够与水 泥水化产物 C a ( O H ) , 之间发生化学反应,使水化产物不断 增多,而水化产物能有效地填充水泥颗粒间的孔隙,使 混凝土中的无害孔增多,有害孑 L 减小;同时粉煤灰中富 含大量的玻璃微珠,能使水泥颗粒解絮扩散,从而产生 减水、润滑、改善混凝土的密实性 l 8 l 。在这
14、两个因素的共 同作用下,使粉煤灰混凝土后期强度发展的速度大于基 准混凝土。 一 无掺合料 粉煤灰 粉煤灰 粉煤灰 粉煤灰 试 块龄 期 d 图 1 粉煤灰对混凝土力学性能 通过快速养护 1 d 强度得到,当掺加少量粉煤灰或者 不掺时快养 1 d强度低于标养 2 8 d强度;当粉煤灰掺量 2 0 以上时快养 1 d的强度高于标养 2 8 d强度, 分析认 为当粉煤灰较少时,快养条件下粉煤灰水化提供的强度 贡献低于标养条件水泥的水化;当粉煤灰掺量较多时, 标养条件下粉煤灰的水化量较少,而在快养时活性激活 水化速率增大,使强度高于 2 8 d强度。掺粉煤灰混凝土 的扫描电镜图见图 2 。 图 2 掺
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