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第五期:不同巖石粉復合礦物摻合料對水泥膠砂性能的影響研究

  • 新型建筑材料
2021年03月26日

此文根據發表于《新型建筑材料》全國中文核心期刊

不同巖石粉復合礦物摻合料對水泥膠砂性能的影響研究

編輯整理

文章作者:夏京亮、周永祥、高超


01

研究背景

復合礦物摻合料是指將 2 種或 2 種以上的以硅、鋁、鈣等1 種或多種氧化物為主要成分,具有規定細度,按一定比例混合均勻且能改變混凝土性能的粉體材料。礦物摻合料是混凝土的重要組成部分。隨著我國基礎設施的發展,一方面對混凝土的需求量越來越大,對混凝土的質量要求越來越高;另一方面優質的粉煤灰、礦渣粉等傳統礦物摻合料逐漸匱乏,尋求合適的替代材料迫在眉睫。近些年,礦物摻合料從工業廢渣擴展到天然礦物材料的趨勢越來越明顯,巖石粉應用是一個重要的研究方向,這與我國機制砂的推廣使用緊密相關。機制砂在生產過程中會產生 15%~20%的石粉,受到機制砂標準對石粉含量的限制,多余石粉的處理方式多為堆置或者填埋,不僅浪費資源而且污染環境。天然巖石粉中以石灰石粉最有代表性。石灰石粉具有減水效應和微集料效應,作為摻合料取代水泥后能顯著改善混凝土的工作性和致密性,因此得到較為廣泛的應用。目前對天然巖石粉的研究,以石灰石粉較為充分,其它巖石粉的研究則較少。為最大限度地將地域性材料利用起來,研究其它巖石粉及其復合礦物摻合料的基本性能具有重大意義。


02

試驗

1.原材料:

(1)水泥:P·Ⅰ42.5,比表面積 349 ㎡/kg,密度 3.15g/cm3,細度(80 μm 篩篩余)為 0.9%。

水泥的主要化學成分(%)

水泥的主要物理力學性能

(2)粉煤灰:Ⅱ級,燒失量 2.5%,7 d 活性指數 71%、28 d活性指數 74%,細度(45 μm 篩篩余)13%,需水量比 100%。


(3)礦渣粉:S95 級,燒失量 0.4%,7 d 活性指數 63%,28 d活性指數 101%。


(4)天然巖石粉:陜西瑞德寶爾公司的片麻巖石粉(P)、新疆的玄武巖石粉(X)、廣西江門的花崗巖石粉(H)和云南的石灰石粉(S)。

天然巖石粉的粒徑分布(%)

天然巖石粉的化學成分(%)

現行標準對石粉的限值主要設定依據為 MB 值,MB 值的主要影響因素有含泥量、SiO2 和 Al2O3 總含量、樣品量和黏土質物質含量?;◢弾r石粉和片麻巖石粉 SiO2 和 Al2O3 含量在 80.00%以上,MB 值均較高,200 g 試樣的 MB 值分別為2.55 g/kg 和 3.25 g/kg。

玄武巖石粉二者含量為 73.45%,MB 值為 0.4 g/kg,石灰石粉二者含量最低為 9.04%,MB 值最小為0.2 g/kg。MB 值大,SiO2 和 Al2O3 含量也高,但 SiO2 和 Al2O3 含量高,MB 值不一定大,SiO2 和 Al2O3 含量只是影響 MB 值的一個因素。石灰石粉主要由鈣質的白云石組成,其它巖石粉主要礦物組成為石英和長石。


(5)砂:ISO 連續級配標準砂。


2.試驗方法及方案:

(1)試驗方法:

流動度比和活性指數參考 GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》和 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》進行測試。

(2)試驗方案:

片麻巖石粉與不同摻合料的復合

為確定片麻巖石粉與不同的礦物摻合料復合后對水泥膠砂流動性和力學性能的影響,選取能改善流動性的應用最廣的Ⅱ級粉煤灰、對強度有所改善的 S95 礦渣粉和目前大量使用的摻合料石灰石粉。

麻巖石粉與其它摻合料種類試驗方案(%)

不同巖石粉與粉煤灰的復合

為最大限度地將天然巖石粉利用起來,研究粉煤灰少量取代巖石粉對水泥膠砂性能的影響。對比片麻巖石粉、玄武巖石粉、花崗巖石粉和石灰石粉 4 種不同天然巖石粉與粉煤灰復摻對水泥膠砂流動性和強度的影響。

粉煤灰復合試驗方案(%)


03

結果及分析

1.對水泥膠砂流動性的影響

片麻巖石粉與不同礦物摻合料復合對水泥膠砂流動性的影響

由上表可知,片麻巖石粉和粉煤灰復合對流動性改善最好,粉煤灰摻量從 10%增加到 20%,水泥膠砂流動度不變,可見片麻巖石粉與煤灰復合對水泥膠砂工作性的改善存在極限值,當達到極限值后,繼續增加粉煤灰摻量對工作性基本無改善;礦渣粉組和石灰石粉組的變化規律相同,隨其摻量增加,流動性增加,工作性得到改善,但都不如粉煤灰改善效果好。

因為粉煤灰顆粒形貌比水泥光滑,在水泥膠砂凝膠體系中起到滾珠作用增加流動性,具有一定的減水作用。

不同巖石粉與粉煤灰復合對水泥膠砂流動性的影響

由上表可知,片麻巖石粉組和花崗巖石粉組的變化規律相同,隨粉煤灰摻量的增加,流動度比逐漸增加,流動性得到改善,當粉煤灰摻量為 30%時片麻巖石粉組水泥膠砂流動度比為 92%,比不摻時提高了 10%;玄武巖石粉流動性是 4 種巖石粉中最好的,玄武巖石粉組加入 10%粉煤灰后對流動性有降低作用,隨粉煤灰摻量的增加,流動度比先增大再減小,復合效果不如單摻玄武巖石粉好;石灰石粉本身具有減水作用,不摻粉煤灰情況下流動性稍弱于玄武巖石粉,隨著粉煤灰摻量的增加,流動性先增加后減小,粉煤灰摻量 10%時的流動性最好。


2.對水泥膠砂力學性能的影響

不同礦物摻合料對片麻巖石粉水泥砂強度的影響

由上表可知,隨著各摻合料摻量的增加,除摻石灰石粉組7 d 抗壓強度呈降低趨勢外,其它組抗壓強度均提高;礦渣粉組對強度提升程度最大,礦渣粉摻量 10%組 28 d 抗壓強度較P-O 組提升 21%,20%摻量提升 46%,粉煤灰組和石灰石粉組抗壓強度隨摻合料摻量增加增幅不明顯??拐蹚姸劝l展規律為:礦渣粉組的抗折強度最高,石灰石粉組最差,隨摻量增加,除石灰石粉 7 d 強度下降外其它組均呈增長趨勢。7 d 抗折強度增長規律為:礦渣粉組正增長、粉煤灰組基本不變、石灰石粉組負增長;28 d 抗折強度發展規律:各組均隨摻量增加而提高,礦渣粉組的強度最高,粉煤灰組和石灰石粉組基本保持一致。

不同巖石粉與粉煤灰復合的影響

摻不同種類巖石粉與粉煤灰復合后的水泥膠砂抗壓、抗折強度分別見表1和表2。

表1:不同巖石粉與粉煤灰復合對膠砂抗壓強度的影響

由上表可知,片麻巖石粉水泥膠砂的 7 d 抗壓強度在20%粉煤灰摻量下略有提高,其它摻量下有所下降,28 d 抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增加而提高;粉煤灰對玄武巖石粉水泥膠砂 7 d 和 28 d 的抗壓強度影響規律相似,均在粉煤灰20%摻量時達到最大;摻粉煤灰對花崗巖石粉和石灰石粉水泥膠砂 7 d 和 28 d 的抗壓強度影響較小,粉煤灰摻量改變,抗壓強度變化范圍在 2 MPa 以內,敏感性較差。


表2:不同巖石粉與粉煤灰復合對膠砂抗折強度的影響

由上表可知,對于 7 d 抗折強度,粉煤灰摻量 0 時,摻不同巖石粉的水泥膠砂抗折強度相差 0.5 MPa 以內,粉煤灰摻量 20%時,不同巖石粉抗折強度相差 1.0 MPa 以內。石灰石粉組抗折強度在 10%摻量時達到最大、其它巖石粉組在 20%摻量時達最大。28 d 抗折強度發展規律:石灰石粉組強度發展最快,隨摻量增加,28 d 抗折強度降低,但下降幅度不大,在0.5 MPa 以內;片麻巖石粉組和花崗巖石粉組摻量 20%以內,粉煤灰摻量增加抗折強度提高;玄武巖石粉組在 30%摻量時抗折強度最高。

摻不同種類巖石粉的膠砂活性指數

由上表可知,對于 7 d 活性指數,石灰石粉在粉煤灰摻量 30%時最大,其它巖石粉在粉煤灰摻量 20%時最佳;28 d活性指數,片麻巖石粉和玄武巖石粉在粉煤灰 20%摻量時最佳,花崗巖石粉在粉煤灰摻量 20%時最小,其它摻量下變化不大;齡期相同時石灰石粉的活性指數為 4 種巖石粉中最低。相同情況下石灰石粉后期活性指數比 7 d 活性指數高,片麻巖石粉組和玄武巖石粉組在 0%和 20%粉煤灰摻量下,7 d 活性指數比 28 d 高,10%粉煤灰摻量下后期活性指數更高,30%粉煤灰摻量下片麻巖石粉組后期活性指數更高,玄武巖石粉組 2 個齡期活性指數相同;花崗巖石粉組在 30%粉煤灰摻量下后期活性指數提高 1%,其他粉煤灰摻量下,7 d 活性指數比 28 d 高。


3.機理分析

復合膠凝體系中,粉煤灰摻量在小范圍內改變,不同巖石粉水泥膠砂對其敏感度不一樣。粉煤灰摻量的改變,玄武巖石粉組活性指數波動范圍大,最大值比最小值增加了 30%左右,其它巖石粉組均在 10%范圍以內。粉煤灰具有火山灰效應,在后期會與水化產物氫氧化鈣發生二次水化,生成致密凝膠體,使微結構更密實。復合摻合料對強度的影響主要體現在顆粒效應和協同效應上。礦物摻合料等量取代水泥后,因其顆粒粒徑更小,容易填充水泥顆??障?,增加了水泥膠砂的密實度,使結構更致密。玄武巖石粉最細,比表面積達 502㎡/kg,細度越細填充效果越好。當加入比表面積和水泥相當的粉煤灰時,增加了體系的粗顆粒,致使強度波動較大。


04

結論

(1)摻不同種類的巖石粉,其水泥膠砂流動度也不相同,總體而言,石灰石粉和玄武巖粉的流動度較大,片麻巖粉和花崗巖粉的流動度較小。隨著粉煤灰摻量的增加,片麻巖石粉復合摻合料的流動性逐漸改善,但粉煤灰摻量達到某個定值后趨于穩定。

(2)在粉煤灰摻量較小的情況下,不同巖石粉對粉煤灰的敏感度不一樣。玄武巖石粉的敏感度最大,粉煤灰摻量改變,玄武巖石粉組活性指數最大值比最小值增加了 30%,其它巖石粉組則均在 10%范圍以內。

(3)通過與粉煤灰和礦渣粉的復合,可以改變片麻巖粉的活性指數和流動性。礦渣粉對強度的貢獻率較高,粉煤灰可以改善工作性。



本文作者

夏京亮

混凝土專家、高級工程師、高性能混凝土研究中心副總工、海外事業部主任

周永祥

建筑材料專家、博士、研究員、建研建材有限公司副總經理、高性能混凝土研究中心主任

高超

工程師、高性能混凝土研究中心功能材料室副主任


往期回顧:


供   稿:

建研建材/夏京亮、周永祥、高超

編   輯:

市場部資源推廣中心/孟鶴

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