复掺矿粉、粉煤灰与石粉水工混凝土耐久性研究

计兴旺

(喀左县水利事务服务中心,辽宁 朝阳 122300)

在水泥基材料中石粉作为一种惰性材料所发挥的功能协同效应逐渐引起研究学者们的重点关注,科学利用石粉替代部分或全部矿物掺合料能够缓解材料供应紧张的局面,有利于降低混凝土成本[1]。实际工程中的石粉应用主要分为替代水泥和替代砂两个方面,如王旭昊等[2]研究发现石粉替代5%～8%机制砂时的试块抗压强度最优;刘强等[3]认为掺入石粉会减少拌和物扩展度,但随着石粉掺量的增大其抗渗性能和抗压强度显著上升;肖斐等[4]研究表明石粉含量和比表面积过大会减少试块强度和工作性能,掺10%比表面积12000cm2/g石粉时的综合性能最优;Zhu等研究发现石粉掺量过高会减少C-S-H凝胶含量,对强度发展造成不利影响;彭艳周等[5]认为掺入适量石粉有利于改善水化放热和混凝土收缩性能,随着石粉掺量的增大其收缩和水化性能表现出先上升后下降的变化趋势。

增效剂是一种能够提高水泥水化程度和分散效果的新型外加剂,在保证综合性能的条件下该外加剂有利于减少水泥用量,符合低碳化节能环保和可持续发展理念[6]。目前,CTF是研究应用较多的增效剂,可以提升密实性、分散性、可泵性以及强度,实际应用时可以节约10%～15%水泥用量,增大表观浆体,减少裂缝的形成,由于其优异的增强效能已被广泛应用于实践工程[7-8]。

目前,研究应用矿粉、粉煤灰已较为成熟,而探讨矿粉、粉煤灰与石粉多元复掺方式的还鲜有报道。鉴于此,文章在双掺矿粉与粉煤灰的情况下,按照不同比例等量替代石粉,并掺入CTF增效剂进行对比分析,系统探讨水工混凝土抗渗性、工作性以及力学强度受CTF增效剂与掺合料多元复掺的影响。

1 材料与方法

1.1 原材料

1)水泥:海螺P·O42.5级水泥,安定性合格,初、终凝时间140min和245min,标稠用水量27.2%,水泥的主要性能指标,见表1。

表1 水泥的主要性能指标

2)掺合料:诚远S95级矿渣粉和石灰石粉,恒翔F类Ⅱ级粉煤灰,三者的比表面积分别为480、402和446m2/kg。

3)骨料:连续级配花岗岩碎石和河砂,石的粒径5～31.5mm之间。

4)外加剂:聚羧酸高效减水剂,固含量24.1%,减水率28%;试验选用CTF液体增效剂,推荐掺量0.5%～0.8%(胶材用量),pH值10.6。拌和水为当地自来水。

1.2 测试方法

试验固定砂率和水胶比不变,矿粉与粉煤灰掺量为20%,采用等量替代的方式以25%、50%、100%的石粉替代矿粉与粉煤灰,并掺入CTF增效剂为试验对比组,配合比设计如表2所示。其中J-1～J-7表示基准组,S-1～S-7表示在基准组中掺入0.8%的CTF增效剂。试验配合比设计,见表2。

表2 试验配合比设计

根据《水工混凝土试验规程》测定拌和物扩展度、坍落度以及不同龄期的抗压强度,按照ASTMC1202标准测定各组试块标养28d龄期的6h电通量。

2 结果与分析

2.1 拌和物工作性能

混凝土扩展度、坍落度和强度,见表3。由表3可知,在不改变砂率和水胶比的条件下,按照等量替代的方式掺入石粉,掺石粉组整体优于不掺组的工作性能,并以掺25%石粉组的拌和物性能最优,拌和物工作性能随石粉替代量的增加呈先增大后减小的变化特征。这是因为石粉相较于粉煤灰的细度更小,表面光滑的石粉颗粒及其填充效应具有解絮作用,通过释放一定的自由水使得拌和物流动性明显改善,而替代量的进一步增大使得具有较大比表面积的石粉要有更多的水分湿润,大大降低了拌和物流动性,为达到一定流动性就要增大减水剂掺量[9]。另外,等量掺入较小密度的石粉会增加表观浆体,明显降低新拌混凝土黏度,而掺量达到50%以上时其包裹性与黏聚性下降,试配过程中发现一定的跑浆现象。

表3 混凝土扩展度、坍落度和强度

对于掺CTF增效剂(编号S-1～S-7)组,随石粉替代量的增加新拌混凝土工作性能逐渐提升,并且试配时未发现跑浆或黏聚性变差的情况,表明矿粉、粉煤灰、石粉与CTF增效剂具有良好的相容性,可以在改善拌和物的和易性[10-11]。

2.2 力学性能

由表3可知,在不改变砂率和水胶比的条件下,按照等量替代的方式将不同比例的石粉代替粉煤灰,掺石粉组整体小于不掺组的28d强度,但替代量≤50%时石粉对各龄期强度的影响不大;石粉等量替代100%粉煤灰时不利于后期强度的发展,如J-4组试件90d强度相比于J-0组减小9.1MPa;石粉等量替代100%矿粉会在不同程度上降低各龄期强度,如J-4组试件90d强度相比于J-0组减小15.2MPa。

以J-1未掺石粉组试件28d强度为基准,计算分析各组试件不同龄期的强度增长率,抗压强度测试值,见图1。由图1可知,早期强度增长率受石粉是否掺入的影响较小,从3d到28d各组试件强度增长率处于40.9%～47.1%之间变化范围;混凝土后期强度增长率随石粉对粉煤灰替代量的增加表现出先上升后下降的变化趋势,石粉完全替代粉煤灰时J-4组的56d、90d龄期强度基本不变;混凝土28d后的强度增长率随石粉对矿粉替代量的增加表现出逐渐下降趋势,如J-5组的56d到90d强度增长率为21.0%,J-6组的56d到90d的强度增长率明显下降到17.11%,该变化趋势可能与石粉的低火山灰活性有关,矿粉或粉煤灰用量随石粉替代量的增加而下降,自然在一定程度上影响后期强度的发展[12-13]。

图1 抗压强度测试值

此外,随石粉替代量的增加掺CTF增效剂试件的强度变化规律与未掺增效剂组基本相同,但掺CTF增效剂试件的各龄期强度整体较高。

2.3 抗氯离子渗透性能

标养28d时各组试件的电通量测试结果如表4所示,结果显示除石粉全部替代矿粉的J-7组和S-7组外,其它各组的电通量和氯离子渗透性均较小。

表4 标养28d电通量

电通量变化规律,见图2。由图2可知,石粉的掺入可以在一定程度上提高电通量,并且随掺量的上升表现出逐渐增大的趋势,说明石粉会降低试件的抗离子渗透性;对于石粉完全替代矿粉的J-7组和S-7组,其电通量明显高于其它组,这表明矿粉具有显著的抗氯离子渗透性改善作用。根据电通量测试结果,在不改变砂率、水胶比及其它条件的情况下,掺入CTF增效剂可以在一定程度上改善抗氯离子渗透性。

图2 电通量变化规律

3 结 论

1)按照等量替代的方式将不同比例的石粉替代粉煤灰,能够明显提升拌和物工作性能,替代量≤50%时石粉对各龄期强度的影响不大,当粉煤灰被石粉完全替代时则不利于后期强度发展;石粉对矿粉的替代量>50%时会明显降低拌和物流动性,矿粉被石粉完全替代时会在不同程度上降低各个龄期强度。

2)石粉替代矿粉或粉煤灰会在一定程度上增大电通量,并且替代量越大电通量越高,说明石粉的掺入不利于抗氯离子渗透性的改善。

3)综合考虑抗氯离子渗透性、力学强度和工作性能,石粉替代粉煤灰要小于替代矿粉所产生的影响。矿粉、粉煤灰、石粉与CTF增效剂具有良好的相容性,可以在一定程度上改善混凝土和易性、抗氯离子渗透性及抗压强度。