雙摻硅灰超細(xì)礦渣高強(qiáng)混凝土的研究

1、雙摻硅灰超細(xì)礦渣高強(qiáng)混凝土的研究李家和蓋廣清劉鐵軍(哈爾濱建筑大學(xué) (建工系 (哈爾濱建筑大學(xué) 摘要 本文研究了硅灰 、 超細(xì)礦渣對高強(qiáng)混凝土坍落度和強(qiáng)度的影響 . 試驗結(jié)果表明 , 硅灰 超細(xì)礦渣高強(qiáng)混凝土不僅早期強(qiáng)度發(fā)展快 , 而且后期強(qiáng)度持續(xù)增長 . 關(guān)鍵詞 硅灰 , 超細(xì)礦渣 , 高強(qiáng)混凝土 中圖分類號 T U 5收稿日期 :1999-10-21.李家和 , 男 , 39歲 , 博士研究生 , 副教授 , 哈爾濱建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程系 . 郵編 :150006.隨著混凝土科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步 , 礦物質(zhì)摻合料已成為高強(qiáng)混凝土中的必須組分 . 在各 種礦物質(zhì)摻合料中 , 研究和應(yīng)用較多的有硅

2、灰 、 粉煤灰 、 礦渣 、 磨細(xì)沸石粉等 . 研究結(jié)果 表明 , 硅灰的活性最高 , 易于參加水泥的水化 , 能較大幅度提高混凝土早期強(qiáng)度 ; 粉煤 灰雖可增加混凝土的后期強(qiáng)度 , 但隨摻量增加混凝土早期強(qiáng)度下降 1; 普通細(xì)度的礦渣 活性介于硅灰和粉煤灰之間 , 對混凝土強(qiáng)度的提高幅度亦介于硅灰和粉煤灰之間 2. 由 于我國硅灰產(chǎn)量有限 , 價格昂貴 (2500元 /T , 配制高強(qiáng)混凝土?xí)r很難大摻量使用 , 因 此 , 尋找其它超細(xì)礦物質(zhì)摻合料以降低硅灰摻量的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義 . 另 外 , 由于我國超細(xì)設(shè)備開發(fā)較晚 , 超細(xì)礦渣作為高強(qiáng)混凝土摻合料的研究還較少 , 將超 細(xì)礦

3、渣與硅灰共同作為高強(qiáng)混凝土摻合料的研究亦不多見 . 其于上述原因 , 作者研究了 單摻硅灰 、 單摻超細(xì)礦渣 , 兩者雙摻對高強(qiáng)混凝土坍落度和強(qiáng)度的影響 , 以便使高強(qiáng)混 凝土配制技術(shù)更合理 .1 原料1. 1 水泥水泥采用哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的 525#普通硅酸鹽水泥 , 其性能列于表 1.表 1 水 泥性能標(biāo)準(zhǔn)稠度 (%凝結(jié)時間 (h min 抗折強(qiáng)度 (M Pa 抗壓強(qiáng)度 (M Pa 初凝 終凝 3d 28d3d 28d 28. 03 005 155. 18. 223. 659. 21. 2 礦物質(zhì)摻合料 1. 2. 1 硅灰硅灰的比表面積為 200000cm 2/g, 化學(xué)成分列于表 2.

4、2000年 3月 吉 林 建 筑 工 程 學(xué) 院 學(xué) 報 N o. 1表 2 硅灰化學(xué)成分 (%SiO 2Al 2O 3Fe 2O 3CaO M g O Na 2O K 2O 燒失量 90. 250. 470. 910. 420. 930. 301. 305. 001. 2. 2 超細(xì)礦渣超細(xì)礦渣的比表面積為 10000cm 2/g, 化學(xué)成分列于表 3。CaO SiO 2Al 2O 3Fe 2O 3M gO SO 3燒失量 39. 4036. 2915. 100. 485. 190. 572. 971. 3 骨料1. 3. 1 粗骨料粗骨料為最大粒徑 25mm 的碎石 , 其性能列于表 4。

5、表 4 粗骨料性能表觀密度 (kg /m3 堆積密度 (kg/m3 壓碎指標(biāo) (% 針片狀含量 (% 267015007. 39. 51. 3. 2 細(xì)骨料細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù) 2. 98的中粗砂 , 含泥量為 1. 0%.1. 4 外加劑采用哈爾濱建筑大學(xué)研制的 HJD-5高效混凝土泵送劑 , 其減水率為 25. 0%. HJD-5的摻量按膠結(jié)材總量的 1. 8%加入 .2 實驗結(jié)果及分析2. 1 硅灰超細(xì)礦渣對高強(qiáng)混凝土坍落度影響硅灰 、 超細(xì)礦渣均采用內(nèi)摻 , 即保持每立方米混凝土中總膠結(jié)材料用量為一常量 , 硅灰和超細(xì)礦渣等量取代水泥 . 混凝土配合比及坍落度結(jié)果列于表 5.表 5 硅灰超

6、細(xì)礦渣對混凝土坍落度影響編號水泥(kg /m 3硅灰(%超細(xì)礦渣(%砂(kg /m 3石(kg /m 3水膠比坍落度 (cm (1 硅灰摻入到混凝土中使混凝土坍落度降低 . 當(dāng)硅灰摻量為 5%時 , 混凝土的坍 落度下降幅度較小 ; 當(dāng)硅灰摻量為 10%和 15%時 , 混凝土的坍落度下降幅度較大 . 出現(xiàn) ,12吉 林 建 筑 工 程 學(xué) 院 學(xué) 報 2000年 3月灰摻入到混凝土中增大了拌合物的塑性粘度 . 因此 , 隨著硅灰摻量的增加 , 混凝土的坍 落度逐漸減小 .(2 單摻超細(xì)礦渣后 , 混凝土坍落度比未摻摻合料混凝土大 , 而且在試驗范圍內(nèi) , 超細(xì)礦渣摻量對混凝土坍落度變化值影響

7、很小 . 分析其原因 , 我們認(rèn)為 :一是超細(xì)礦渣 本身需水量低于泥 , 二是超細(xì)礦渣降低了混凝土的塑性粘度 . 因此 , 當(dāng)水膠比一定時 , 超細(xì)礦渣混凝土具有較大的坍落度 .(3 雙摻硅灰超細(xì)礦渣后 , 混凝土坍落度有升有降 . 當(dāng)硅灰摻量 5%, 超細(xì)礦渣 10% 20%時 , 混 凝土坍落 度高于單 摻硅灰和 未摻摻合 料混凝土 的坍落度 ; 當(dāng) 硅灰摻 量 10%, 超細(xì)礦渣 15%時 , 混凝土坍落度小于硅灰摻量 5%的雙摻硅灰超細(xì)礦渣混凝土的 坍落度 . 上述結(jié)果說明硅灰摻量較小 (5% 時 , 摻硅灰超細(xì)礦渣混凝土坍落度由超細(xì)礦 渣控制 . 當(dāng)硅灰摻量較大 (10% 時 , 摻

8、硅灰超細(xì)礦渣混凝土的坍落度由硅灰控制 . 因此 , 若從混凝土坍落度角度來考慮硅灰和超細(xì)礦渣的效果時 , 要適當(dāng)限制硅灰的摻量 . 2. 2 硅灰超細(xì)礦渣對混凝土強(qiáng)度的影響評價礦物質(zhì)摻合料活性的主要指標(biāo)之一是它們對混凝土強(qiáng)度的影響 , 為此在前面試 驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行了強(qiáng)度測定 . 高強(qiáng)混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度列于表 6, 表 7是各組高強(qiáng) 混凝土各個齡期的抗壓強(qiáng)度與其 28d 抗壓強(qiáng)度的比值 .表 6 高強(qiáng)混凝土 各齡期抗壓強(qiáng)度編號 水泥(%硅灰(%超細(xì)礦渣(%抗壓強(qiáng)度 (MPa3d 7d 28d 90d11000038. 150. 265. 370. 1 2955043. 857. 970. 3

9、73. 0 39010046. 761. 471. 373. 4 48515048. 563. 773. 674. 9 5950537. 252. 168. 671. 3 69001036. 353. 469. 473. 0 78501535. 954. 970. 878. 6 88002034. 455. 371. 079. 9 98551045. 661. 372. 578. 4 108051545. 662. 473. 582. 6 117552044. 263. 573. 783. 6 1275101549. 566. 174. 284. 7 注 :配合比同表 5.表 7 高強(qiáng)混凝土各

10、齡期強(qiáng)度與 28d 強(qiáng)度比編號 水泥(%硅灰(%超細(xì)礦渣(%抗壓強(qiáng)度 (%3d 7d 28d 80d第 1期 李家和 , 蓋廣清 , 劉鐵軍 :雙摻硅灰超細(xì)礦渣高強(qiáng)混凝土的研究 續(xù)表 7編號 水泥(%硅灰(%超細(xì)礦渣(%抗壓強(qiáng)度 (%3d 7d 28d 80d 由表 6和表 7結(jié)果可見 :(1 摻硅灰高強(qiáng)混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度均高于未加摻合料高強(qiáng)混凝土 (1#配比 相應(yīng) 齡期的抗壓強(qiáng)度 , 但各齡期抗壓強(qiáng)度提高幅度不相同 . 硅灰摻量 5%時 , 3d 抗壓強(qiáng)度提 高 15. 0%, 7d 抗壓強(qiáng)度提高 15. 3%, 28d 抗壓強(qiáng)度提高 7. 6%, 90d 抗壓強(qiáng)度提高 4. 1%; 硅灰

11、摻量達(dá) 15%時 , 3d 抗壓強(qiáng)度提高 27. 3%, 7d 抗壓強(qiáng)度 26. 9%, 28d 抗壓 強(qiáng)度提高 12. 7%, 90d 抗壓強(qiáng)度提高 6. 8%. 由這些數(shù)據(jù)可以看出 :硅灰對高強(qiáng)混凝土 早期強(qiáng)度 (3d 和 7d 提高幅度大 , 并且隨硅灰摻量增加 , 強(qiáng)度提高幅度逐漸增加 . 從表 7抗壓強(qiáng)度比可以看出 :摻加硅灰后 , 硅灰高強(qiáng)混凝土早期強(qiáng)度比 (3d , 7d 明顯高于未 加摻合料高強(qiáng)混凝土相同齡期的抗壓強(qiáng)度比 , 而 90d 時硅灰高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度比 低于未加摻合料高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度比 , 亦說明硅灰對高強(qiáng)混凝土早期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)要 大于后期強(qiáng)度 .(2 單摻超細(xì)

12、礦渣高強(qiáng)混凝土 3d 抗壓強(qiáng)度低于未加摻合料高強(qiáng)混凝土的 3d 抗壓 強(qiáng)度 , 并且隨超細(xì)礦渣摻量的增加 , 抗壓強(qiáng)度降低幅度增大 , 7d 和 28d 時 , 超細(xì)礦渣高 強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到或超過未加摻合料高強(qiáng)混凝土相應(yīng)齡期的抗壓強(qiáng)度 , 但略低于相 同摻量硅灰高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度 . 90d 齡期 , 當(dāng)超細(xì)礦渣摻量 10%以下時 , 超細(xì)礦渣 高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度稍低于相同摻量硅灰高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度 ; 而超細(xì)礦渣摻量達(dá) 15%時 , 超細(xì)礦渣高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度超過硅灰高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度 . 試驗結(jié)果表明 :超細(xì)礦渣摻量達(dá)一定值后對高強(qiáng)混凝土后期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)要大于硅灰 , 這一點(diǎn)也可從抗

13、壓 強(qiáng)度比數(shù)據(jù)中得出 .(3 雙摻硅灰超細(xì)礦渣高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度由硅灰和超細(xì)礦渣聯(lián)合控制 . 3d 齡 期時 , 混凝土抗壓強(qiáng)度由硅灰控制 , 即硅灰摻量越大 , 抗壓強(qiáng)度提高幅度越大 ; 7d 齡期 時 , 雙摻硅灰超細(xì)礦渣高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度已高于單摻硅灰高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度 , 說 明兩種摻合料復(fù)合摻加的效果好于單摻的效果 ; 28d 及 90d 齡期時 , 雙摻硅灰超細(xì)礦渣 高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度持續(xù)增長 , 說明超細(xì)礦渣后期增強(qiáng)效果得以發(fā)揮 .3 高強(qiáng)混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析混凝土抗壓強(qiáng)度的變化主要由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化所決定 , 為此進(jìn)行了水化產(chǎn)物分析和 孔結(jié)構(gòu)分析 .3. 1 水化產(chǎn)物研究中采用

14、差熱分析和熱失重方法計算了水泥漿體中的 Ca (O H 2含量 , 計算結(jié)果 列于表 8.:(H 2; 硅灰 (5% 14吉 林 建 筑 工 程 學(xué) 院 學(xué) 報 2000年 3月細(xì)礦渣 (15% 水泥石中 Ca (O H 2含量比同齡期純水泥石少 . 說明硅灰 、 超細(xì)礦渣參與了 水 泥的水化 , 它們與水泥水化釋放的 Ca (O H 2發(fā)生火山灰反應(yīng)生成了致密的 CSH 凝 膠 , 提高了水泥石的強(qiáng)度 . 另外 , 純水泥石水化 3d 時 Ca(O H 2含量為 5. 39%, 因此高 活性硅灰的摻量在 5%左右就能滿足火山灰反應(yīng)的要求 , 不必過量摻加 , 水泥石或混凝 土后期強(qiáng)度的提高應(yīng)

15、以超細(xì)礦渣的火山灰效應(yīng)為主 . 試驗中還采用掃描電鏡觀察了 Ca (O H 2的形貌 , 在純水泥石中存在著大量的六方板狀的 Ca(O H 2晶體 , 而在硅灰超細(xì) 礦渣水泥石中看不到結(jié)晶良好的 Ca (O H 2晶體 , 說明 Ca (O H 2確與硅灰及超細(xì)礦渣進(jìn) 行了火山灰反應(yīng) .表 8 氫氧化鈣含量 (%編號 3d 7d 28d 90d 15. 396. 7110. 2016. 17103. 284. 116. 267. 793. 2 水泥石孔徑分布采用壓汞法測定了水泥石的孔徑分布 , 結(jié)果列于表 9.表 9 硬化水泥石孔徑分布孔徑分布 (m L /g1#水泥石 10#水泥石 3d 7

16、d 28d 90d 3d 7d 28d 90d <20nm 0. 01200. 01400. 02000. 02600. 02000. 02250. 02300. 02642050nm 0. 01510. 01750. 02500. 03100. 02200. 02400. 02550. 027050100nm 0. 04200. 03100. 02700. 01900. 01750. 01210. 00850. 0016>100nm 0. 03590. 02850. 01300. 00600. 01250. 00440. 00300. 0002總孔隙率0. 10500. 0910

17、. 08500. 08200. 07200. 06300. 00600. 0552 由表 9結(jié)果可知 , 硅灰 、 超細(xì)礦渣的摻入 , 導(dǎo)致了水泥石孔徑分布發(fā)生了變化 ; 3d 齡期時 , 純水泥石 50100nm 和大于 100nm 孔級孔量占總孔隙率的 74. 2%, 而硅灰超 細(xì)礦渣水泥石該孔級孔量只占總孔隙率的 41. 7%, 說明此時硅灰的火山灰活性已發(fā)揮 ; 隨著水化齡期的延長 , 硅灰超細(xì)礦渣水泥石大于 100nm 的孔量減少程度很大 . 90d 時 , 硅灰超細(xì)礦渣水泥石大于 100nm 孔量只占總孔隙的 0. 4%, 說明超細(xì)礦渣與 Ca(O H 2反應(yīng)生成的 CS H 凝膠

18、繼續(xù)填充大孔 , 使大孔向小孔轉(zhuǎn)化 ; 硅灰超細(xì)礦渣水泥石各齡期的 總孔隙率都低于純水泥石相應(yīng)齡期的總孔隙率 . 上述孔徑分布的變化 , 導(dǎo)致了水泥石結(jié) 構(gòu)的密實 , 進(jìn)而使混凝土強(qiáng)度得以提高 .4 結(jié)論(1 硅灰摻入到高強(qiáng)混凝土中后 , 使混凝土坍落度下降 , 超細(xì)礦渣摻入對高強(qiáng)混凝 土坍落度影響不大 . 從降低混凝土成本和保證坍落度角度考慮 , 硅灰摻量 5%, 超細(xì)礦 渣 15%以上為宜 .(2 硅灰對提高高強(qiáng)混凝土早期強(qiáng)度有益 , 超細(xì)礦渣可保證高強(qiáng)混凝土后期強(qiáng)度持 續(xù)增長 . 硅灰超細(xì)礦渣兩者復(fù)合摻加時 , 混凝土強(qiáng)度高于兩者單摻的混凝土強(qiáng)度 . (3 硅灰超細(xì)礦渣吸收了水泥水化產(chǎn)生的 Ca(O H 2, 生成致密的 CSH 凝膠 , 填充于 大孔中 , 使大孔向小孔轉(zhuǎn)化 , 水泥石結(jié)構(gòu)更加密實 , 進(jìn)而提高了高強(qiáng)混凝土早期和后期 .15第 1期 李家和 , 蓋廣清 , 劉鐵軍 :雙摻硅灰超細(xì)礦渣高強(qiáng)混凝土的研究16 吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報 2000年 3月 參 考 文 獻(xiàn) 1 陸金平等 . 雙摻硅灰粉煤灰超高強(qiáng)混凝土的研究 . 上海建材學(xué)院學(xué)報 , 1993( 2 2 李建勇等 . 利用超細(xì)礦渣和硅灰配制高性能混凝土的研究 . 混凝土 , 1997( 4 Study of High Strength Concre