高吸附性石粉与蒙脱土对混凝土性能的影响

2021-03-15王宇杰严章国宋少民

商品混凝土 2021年2期

关键词：凝灰岩石粉石灰石

王宇杰，严章国，宋少民

（1.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044；2.中国水利水电第九工程局有限公司，贵州贵阳 550008）

0 引言

1 原材料与试验设计

1.1 原材料

（1）水泥：采用北京金隅公司生产的 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其主要性能指标见表 1。

表1 普通硅酸盐水泥性能指标

（2）粉煤灰：采用河北金泰成公司生产的Ⅰ级粉煤灰，密度 2.24g/cm3，需水量比 91.2%，活性指数80%，烧失量 3.1%。

（3）矿渣：采用河北金泰成公司生产的 S95 级矿渣粉，比表面积 450m2/kg，流动度比 91%，活性指数95%，烧失量为 0。

（4）细骨料：试验采用细骨料为河砂，依据 GB/T 14684—2011《建设用砂》，细骨料的颗粒级配如表 2所示。

表2 细骨料的颗粒级配

（5）粗骨料：试验采用粗骨料为碎石，依据 GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》，粗骨料的颗粒级配如表 3 所示。其堆积密度为 1570kg/m3，表观密度为2655kg/m3，空隙率为 41%。

表3 粗骨料颗粒级配

（6）减水剂：减水剂为保坍型减水剂，由北京榆树庄构件厂提供，实测固含量为 25%，减水率为31%。

初加工环节对于中式烹饪来讲不可或缺，也是后续切配环节的基础，以下几点应当引起烹饪者的注意：一是食品卫生达标，俗话说“病从口入”，所以在对原材料进行初加工的时候，必须要严格遵照食品卫生标准处理；二是保持营养成分，人的身体机能多依靠食物中的营养成分来维持，所以烹饪者在对原材料进行初加工的同时，除了要注意食物间相克的问题，还要注意保持原材料的营养成分；三是色香味形俱全，“色、香、味、形”和谐统一，一直是中式烹饪不懈追求的目标，所以在原材料初加工时要注意色香味形的问题，不能在初加工阶段就影响菜肴的成型；四是科学使用食材，食品初加工中要注意合理使用原材料，避免铺张浪费，提高原材料的净料率[1]。

（7）石粉与粘土：高吸附性石粉选择凝灰岩石粉，蒙脱土选择南方地区的红壤土（以下简称粘土），与石灰石粉（吸附性低）进行对比研究。石灰石粉（SHS）、凝灰岩石粉（NHY）和粘土泥粉（NF）细度、需水量比和亚甲蓝值指标如表 4 所示。

表4 不同粉体的基本物理指标

对三种粉体进行激光粒度和 XRD 试验，分析其粒径分布与主要矿物成分，结果如图 1 与图 2 所示。

图1 SHS、NHY、NF 的激光粒度分布

图2 粘土与石粉 X 射线衍射图谱

由图 1 可以得出，粘土的 D50和 D90均比另外的两种石粉小一些。总的来看，对于颗粒粒径的具体分布尺寸而言，粘土和石灰石粉与凝灰岩石粉相比要小。从图2 中可以看出粘土含有蒙脱石和云母，凝灰岩石粉成分为石英和沸石类矿物，而对于石灰石粉，它的矿物成分单一，主要为碳酸钙。

1.2 试验设计

（1）凝灰岩石粉、石灰石粉、粘土分别按照外掺掺量为 20% 和 40% 等质量替代混凝土中砂用量，并配制 C30 和 C50 混凝土。混凝土配合比见表 5。混凝土控制坍落度在 180～200mm 之间。

表5 混凝土配合比 kg/m3

（2）新拌混凝土工作性通过控制坍落度对比减水剂的用量表征，力学性能依据 GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》测定，耐久性指标依据 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》完成试验。

2 试验结果及分析

2.1 高吸附性石粉与蒙脱土对混凝土工作性的影响

试验采用外掺法掺入石灰石粉、凝灰岩石粉以及粘土等质量替代砂进行混凝土工作性能、力学性能及耐久性的研究，通过控制外加剂掺量使混凝土坍落度维持在180～200mm，通过外加剂的掺量变化研究石灰石粉、凝灰岩粉和粘土对混凝土工作性的影响，得出的结果可见表 6，将表 6 所示结果绘成柱状图见图 3。

表6 两组混凝土相同坍落度下减水剂用量 kg/m3

图3 C30、C50 相同坍落度下减水剂用量

试验结果表明：石灰石粉在细骨料中掺量为 20%时，C30 混凝土外加剂用量降低，在细骨料中替代量为40% 时混凝土外加剂用量有所提高，但相对基准组提高幅度不大，而凝灰岩石粉会显著增大外加剂用量；在细骨料中掺入 20% 和 40% 粘土会使混凝土的外加剂用量提高几倍，并会使混凝土流动性出现减小的趋势。此外，经过研究发现石灰石粉吸附性小，需水量比小，因此适当替代量就能使混凝土的工作性得到较大改善；凝灰岩石粉具有很强的吸附性，会较大程度的吸附混凝土中水和外加剂，从而使减水剂的分散性能减弱，且水泥浆体包裹能力变差，最终对混凝土和易性产生一定的影响[9]；而粘土的吸附性更大，对水以及减水剂的吸附量非常大，C30 外加剂增大 275%～645%；C50 外加剂增大 179%～452%，从而会显著影响混凝土的工作性。

2.2 高吸附性石粉与蒙脱土对混凝土力学性能的影响

2.2.1 高吸附性石粉与蒙脱土对混凝土强度的影响

混凝土试配完成并测定坍落度后装模，在 (20±5)℃ 温度环境中带模静置一天，第二天拆模后将试块置于标准养护室进行养护，分别在 3d、7d、28d 三个龄期取出三个试块测定不同龄期下的立方体抗压强度，试验结果如表 7 所示。根据试验结果绘制不同组别、不同龄期的抗压强度图，如图 4、图 5 所示。

试验结果显示石灰石粉、凝灰岩石粉的掺入对混凝土的早、中期强度的影响基本相当。通过分析和研究，发现引起这种现象的主要原因是石灰石粉在某些条件下可以发生晶核效应[10]，所以混凝土早期强度得到了一定程度的提高。相比石灰石粉，凝灰岩石粉对于C30 混凝土强度的影响不大，对 C50 混凝土强度有些影响，但降低幅度有限。较大石灰石粉、凝灰岩石粉的掺入会使混凝土 28 天强度总体上有一定程度的降低，但不显著，仍基本满足强度等级要求，这与较低水胶比条件下微细颗粒散布在混凝土中拉近了颗粒间距，有利于分子力提高有关。但是粘土是软弱颗粒，与水泥基材料相容性差，粘土失去水分后体积出现了很大收缩，使得混凝土的内部缺陷增多，强度大幅度降低。

表7 混凝土立方体抗压强度 MPa

图4 C30 混凝土立方体抗压强度

图5 C50 混凝土立方体抗压强度

2.2.2 高吸附性石粉与蒙脱土对混凝土早期收缩的影响

测定 C30 混凝土各个龄期收缩变形数据，结果见表8。

表8 C30 混凝土不同龄期的收缩率 1×10-6

将试验所得收缩值经规范处理得出收缩率为纵坐标，龄期为横坐标，绘得收缩曲线如图 6 所示。

图6 随龄期增长 C30 混凝土收缩率变化趋势

试验结果表明：与基准组相比，掺石灰石粉混凝土组早期收缩并没有增大，凝灰岩石粉混凝土组早期收缩有所增大，粘土混凝土组早期收缩显著增大。分析认为主要是由于粘土的吸附性很大，当进行混凝土拌合的时候，粘土先吸附的是自由水和减水剂，大大减弱了混凝土中水的分散润滑效果和增加了减水剂的使用量，在吸附阶段的时候吸附—分散—润滑的减水机理受到了阻碍，而且粘土在干燥失水后会出现比较大的体积收缩，从而导致混凝土收缩较大。凝灰岩石粉相对于石灰石粉吸附性较大，所以掺凝灰岩石粉混凝土收缩率也有所增大。石灰石粉表面能低、吸附性低、分散性好，所以掺石灰石粉混凝土收缩较小。

2.3 高吸附性石粉与蒙脱土对混凝土耐久性的影响

2.3.1 高吸附性石粉与蒙脱土对混凝土碳化的影响

将成型的试件置于标准养护室养护 28d，并提前两天将试件置于 60℃ 的烘箱中烘干两天，随后做好标记将试件置于碳化箱中，分别在 3d、7d、14d 取出劈开，在劈裂面滴定 1% 的酚酞试剂测定碳化深度，试验结果如表 9 所示。

表9 C30、C50 混凝土早期碳化深度 mm

将试验所得碳化深度值作为纵坐标，龄期为横坐标，绘成混凝土碳化深度折线图如图 7 所示。

试验结果表明，石灰石粉和凝灰岩石粉混凝土组与基准组相比碳化深度增大不多，而粘土因为具有高吸附性，在凝结硬化之后强度低且存在较大程度上的体积收缩，缺陷多，因此抗碳化能力大幅度降低[11]。

图7 混凝土碳化深度

2.3.2 混凝土电通量

试件于标养室养护 28d 后，将 100mm×100mm×100mm 的试件切割成 50 mm×100 mm×100mm 用于做抗氯离子渗透试验，三个为一组，试验结果见表 10。

表10 C30、C50 混凝土的电通量

根据规范电通量在 1000～2000C 之间，混凝土的抗氯离子渗透等级为很低，电通量在 2000～4000C 之间，混凝土的抗氯离子渗透等级为低。从表 10 中数据可以看出，替代细骨料 20% 的石灰石粉和凝灰岩石粉混凝土能提高混凝土抗氯离子渗透性能，大掺量的石灰石粉和凝灰岩石粉会降低混凝土的抗氯离子渗透能力，对 C30 混凝土降低程度更明显；粘土将显著降低混凝土的抗氯离子渗透能力。石粉不仅具有填充效应，而且可以参与二次水化反应，因此在适当掺量可以增强界面、改善孔隙，提高混凝土的致密度，然而在掺量过大时，会导致混凝土骨架削弱，缺陷增多，对氯离子渗透通道的阻碍作用降低，故电通量较大[12-15]。粘土一方面在混凝土拌合过程中会吸收大量的水和吸附大量的减水剂，包裹在胶凝材料表面，阻碍了水泥的水化，削弱了骨料与胶凝材料之间的连接，进而削弱了界面过渡区；另一方面粘土极易失水，失水后体积收缩，缺陷很多，在混凝土内部形成渗水通道，从而电通量较大，抗氯离子渗透性能降低。