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原材料

機制砂石粉含量對泵送混凝土強度的影響

時間:2018-3-14 10:22:14 來源: 點擊次數:5021


北京首瑞專注耐久性測試12年

010-6226 7318

http://www.62267318.cn/機制砂石粉含量對泵送混凝土強度的影響

王青,江滿1,徐港1,趙娟1,張斌2

(1.防災減災湖北省重點實驗室,三峽大學宜昌 443002; 2.中國水利水電第七工程局有限公司,四川成都610081)

摘要:機制砂在生產制造的過程中不可避免的會產生一定量的石粉,而石粉對機制砂混凝土性能的影響尚沒有一個定論。本文共研究了7種石粉含量對泵送機制砂混凝土拉、壓強度的影響,并借助SEM和XRD等測試分析技術從原材料和不同石粉摻量混凝土微細觀結構演化特征入手,探究了石粉對混凝土強度的影響機理。分析得出,在含量適當范圍內,石粉具有填充、形態、吸水、晶核和活性等效應,有利于混凝土強度的增長,且中低強度泵送機制砂混凝土其最佳石粉摻量范圍為22%~25%。

關鍵詞:機制砂;石粉;混凝土強度;

引言

隨著我國基礎設施建設需求的不斷增加以及對環境保護意識的增強,機制砂的使用比例越來越多。機制砂是巖石經機械破碎、篩分制成的粒徑小于4.75mm的巖石顆粒,并把其中粒徑小于0.16mm的細小顆粒或粉末稱為石粉[1]。石粉與河砂中的泥粉不同,泥粉對混凝土各方面性能都會產生不利的影響[2],而石粉對混凝土各方面的性能卻具有正負兩方面的影響[3]。一般認為,與河砂相比,機制砂級配差、表面特征差,使混凝土拌制耗水量大,導致混凝土性能變差[4],但實際工程和試驗研究表明機制砂混凝土性能常常優于天然砂混凝土,這很大程度上是石粉的作用引起的。

目前,國內外許多學者進行了大量有關機制砂中石粉對混凝土性能影響的研究[2-11],但這些研究大多停留在宏觀規律性研究,且其石粉摻量范圍較窄、種類較少,不能很好的從微觀機理上說明石粉含量對混凝土性能的影響規律。為此,本文以12%~28%范圍內共7種石粉含量的機制砂泵送混凝土為研究對象,就石粉含量對機制砂混凝土力學性能的影響做了進一步的探究,并通過微觀分析揭示了石粉對混凝土力學性能的影響機理。為機制砂中石粉含量的控制和機制砂混凝土的應用提供參考依據。

1實驗設計

1.1原材料

1)機制砂和石粉

實驗所用機制砂為某水電站砂石加工系統生產的人工常態砂,細度模數為3.1屬粗砂,其級配在2區標準級配中值附近。其主要礦物成分為方解石,且含有一定量的白云石和石英,主要物理性能均滿足DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗規程》所規定的限值。本文以15%石粉含量的機制砂作為基準砂,通過人工水洗或添加石粉配置成石粉含量12%,15%,18%,20%,22%,25%,28%共7種試驗所需人工砂。

2)水泥和粉煤灰

實驗所用水泥為同一水電站建設用水泥(華新P.MH42.5中熱硅酸鹽水泥),其物理力學性能測試結果滿足GB200-2003《中熱、低熱、低熱礦渣硅酸水泥》的要求。實驗所用粉煤灰采用曲靖F類Ⅰ級粉煤灰,其性能測試和化學成分分析結果滿足DL/T 5055-2007《水工混凝土摻用粉煤灰技術規范》的要求。

3)其他原材料

實驗所用粗骨料為同一水電站砂石加工系統生產的粗骨料,二級配,最大骨料粒徑40mm;減水劑采用江蘇蘇博特PCA-1緩凝型聚羧酸高性能減水劑;引氣劑為江蘇蘇博特GYQ(Ⅰ)引氣劑;水為自來水。

1.2 試驗方法

不同石粉含量混凝土配合比依據DL/T5330-2005《水工混凝土配合比設計規程》進行試拌、調配。考慮工程泵送要求,混凝土配合比設計原則為控制坍落度在160mm~180mm范圍內,保證水膠比、粉煤灰摻量、砂率、減水劑摻量、引氣劑摻量不變,詳見表1。

可見,石粉能在混凝土中發揮很好的填充效應、形態效應和吸水效應,使得混凝土強度提高,當然過量的石粉摻量會改變混凝土集料的級配,降低膠凝材料比例等,將對其強度產生不利影響[13]。

此外,有研究表明,石粉在水泥水化析晶的過程中可作為成核晶體,降低成核位壘,從而加速水化晶體的析出,促進水泥的水化[14];而且本文所用石粉的主要成分為CaCO3,其并不是完全惰性的,可能參與C3A的水化反應生成水化碳鋁酸鈣,促進水泥的水化[14-18]。為充分驗證石粉是否具有活性效應和晶核效應,進一步對不同配比機制砂混凝土進行了微觀測試分析。

3.2混凝土微觀性能分析

對不同設計強度、齡期及石粉摻量的機制砂混凝土進行形貌測試,SEM測試結果如圖8~11,可見:

(1)同批混凝土,隨齡期增長,7d、28d、90d混凝土的孔隙逐漸減少,而固體材料的孔隙率與強度存在基本的反比關系[20],這充分揭示了前文混凝土強度隨齡期的增長而增加的必然性。水泥水化程度直接影響孔隙率,而宏觀力學性能測試也表明28d后混凝土強度仍有較大的增長,表明水化反應歷程較長,這除與本文采用的中熱硅酸鹽水泥有關外,可能與粉煤灰和石粉的摻入也有關;

(2)28d前粉煤灰圓球狀形貌保持完好,大面積未反應,至90d齡期后才明顯減少。這表明28d齡期內粉煤灰與Ca(OH)2發生反應并不充分,但在7d和28d的SEM圖中并未發現大量的Ca(OH)2晶體,據此推測應是石粉參與了水化反應消耗了部分Ca(OH)2;

(3)隨齡期增加,石屑顆粒表面水化產物聚多,與周圍粘結漸趨緊密,到90d時邊界已模糊不清,這說明石粉顆粒有一定的晶核促進效應,而且石粉在混凝土內分布較均勻,使水泥水化產物的分布更趨均勻,有利于減小混凝土內部的孔隙率和應力集中;

(4)同齡期混凝土,石粉含量20%的混凝土均比15%的密實,這除與石粉填充效應的增強有關外,也與其晶核促進效應和水化活性效應相關。

已有研究表明CaCO3微粒對鋁酸鹽礦物都具有水化活性作用,其水化反應產物為三碳型水化碳鋁酸鈣和單碳型水化碳鋁酸鈣,水化碳鋁酸鈣的形成對水泥強度的發展有促進作用[14-15]。為此采用XRD對不同石粉含量、不同齡期混凝土的水化產物進行了測試,如圖12,結果表明,石粉含量及水化齡期對其水化產物類型影響不明顯,各配比混凝土中水化產物主要為Ca(OH)2、AFt、C3S,CaCO3、CaMg(CO3)2及SiO2(骨料中原有成分)等,但均未發現碳鋁酸鹽產物,分析其原因,一方面碳鋁酸鹽本身生成量較少,很難得到明顯的衍射峰值;另一方面碳鋁酸鹽化學成分復雜,本身并不穩定,會發生二次反應,所以不易得到衍射峰值[18]。

綜上可知,由于石粉顆粒的粒徑、粒形、化學活性等特點致使其在機制砂混凝土中具有填充、形態、吸水、晶核甚至活性效應,從而使得適量的石粉摻量能有效提高混凝土的抗力性能,當然如果摻量過多則會造成膠凝材料過少,機制砂級配不合理等多種不利影響,導致混凝土強度下降,正如試驗結果顯示當石粉摻量大于25%,混凝土強度開始下降。

4 結語

(1)石粉的微集料填充效應、形態效應、吸水效應、晶核效應和活性效應共同作用,使得混凝土的力學性能在一定范圍內得到改善,適量的石粉摻量對機制砂混凝土的力學性能有很大的改善,使混凝土強度提高;

(2)隨著齡期的增長,石粉在混凝土中所起的效應,特別是晶核效應和活性效應逐漸發揮,促使混凝土孔隙逐漸減少,微細觀結構更為緊密,內部受力更為均勻合理;

(3)機制砂泵送混凝土抗壓強度和抗拉強度隨著石粉含量的增加均呈現先增大后減小的趨勢。對中低強度機制砂泵送混凝土其強度最佳石粉摻量范圍為22%~25%。

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