玻璃粉和石灰石粉雙摻對(duì)混凝土性能的影響研究

樂(lè)美玉

(武漢工程大學(xué) 郵電與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430073)

0 前 言

我國(guó)是玻璃生產(chǎn)大國(guó)，玻璃生產(chǎn)中形成的玻璃粉一般采用回填或者露天堆放的方式，不利于生態(tài)環(huán)境。玻璃粉顆粒較小，比表面積不大，該結(jié)構(gòu)與粉煤灰化學(xué)組成一致的，具有一定的火山灰活性，能夠用于混凝土制造中。研究者發(fā)現(xiàn)，在混凝土中一般摻加量達(dá)到10%～30%。石灰石粉是碎石生產(chǎn)中機(jī)器生產(chǎn)砂和碎石生產(chǎn)形成的原料，在混凝土中添加一定量的石灰石粉，能夠提升其強(qiáng)度，改善耐久性能，具有良好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土的綠色化生產(chǎn)，但由于石灰石粉是惰性材料，因而無(wú)法完全取代水泥，混凝土中石灰石粉的最佳摻量一般為10%。過(guò)去的研究?jī)H針對(duì)石灰石粉和玻璃粉對(duì)于混凝土性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，為能夠在施工建設(shè)中找到合適的替代礦物摻合料替代物，以實(shí)現(xiàn)新型礦物的合理使用。本文提出以10%的石灰石粉摻量以改變玻璃粉的摻量，分析兩種替代礦物摻入量對(duì)于混凝土在強(qiáng)度、抗凍性能以及抗氯離子滲透擴(kuò)散等相關(guān)因素的影響，進(jìn)一步獲得混凝土中石灰石粉以及玻璃粉的雙摻入量，確定在混凝土中玻璃粉的最佳摻入量，進(jìn)而能夠使玻璃粉和石灰石粉混凝土在公路建設(shè)中實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料

首先在本次研究中所使用的材料是由河北水泥制造廠生產(chǎn)的，其等級(jí)為P·O42.5，石灰石粉是由北京碎石制造廠生產(chǎn)的，石灰石粉中含有80%的碳酸鈣，比表面積高達(dá)400 m2/kg。砂的細(xì)度模數(shù)達(dá)到2.5，堆積密度為1 360 kg/m3，表觀密度達(dá)到2 600 kg/m3。碎石粒徑為5～20 mm，比表觀密度達(dá)到2 610 kg/m3，所使用的添加劑為聚羧酸系高效減水劑，并且減水率可達(dá)到25%。

在混凝土的配合比分析中，石灰石粉是一種惰性較高的材料，會(huì)從一定程度上影響水泥摻量的替代，因此，在本研究中要想使石灰石粉取代混凝土中的水泥，應(yīng)當(dāng)選擇10%作為最佳摻量，之后在該基礎(chǔ)上摻入不同含量的玻璃粉，提高其水泥量的替代，分別加入10%、20%、30%的玻璃粉，在獲得兩種摻合料雙摻時(shí)，明確玻璃粉的摻量?；炷恋呐浜媳热绫?所示。

表1 混凝土的配合比 單位：kg

表1中，編號(hào)C是指水泥編號(hào)，P是指玻璃粉，編號(hào)L是指石灰石粉，字母后的數(shù)據(jù)表示石灰石粉以及玻璃粉代替水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 試驗(yàn)方法

根據(jù)普通混凝土的性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)混凝土進(jìn)行工作性實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，根據(jù)混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)完成力學(xué)性能檢測(cè)，檢測(cè)齡期分別為3，28，90 d，根據(jù)混凝土的性能和耐久性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展考慮抗氯離子擴(kuò)散性的檢測(cè)?；炷恋哪途眯灾笜?biāo)是質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量下降率。當(dāng)動(dòng)能達(dá)到300次循環(huán)，相對(duì)動(dòng)彈性模量低于60%，或者達(dá)到5%以上的質(zhì)量損失時(shí)即完成抗凍實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

從玻璃粉和石灰石粉生產(chǎn)對(duì)于混凝土工作性能產(chǎn)生的影響來(lái)看，加入10%的石灰石粉相比普通的混凝土來(lái)說(shuō)，混凝土的塌落度有顯著提高，能夠由75 mm增加到原有的2倍左右。由于石灰石粉密度較低，其顆粒系數(shù)處于水泥顆粒間，能夠起到水泥分散的效果，明顯改善了混凝土的顆粒級(jí)配，進(jìn)一步改善其流動(dòng)性能，增加塌落度參數(shù)，將含有石灰石粉的混凝土加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的玻璃粉，能夠找到混凝土工作性能最佳值，當(dāng)玻璃粉摻入量低于10%，能夠顯著提升混凝土工作性能，單摻入量為40%，坍落度會(huì)由原先140 mm的增加到155 mm，當(dāng)玻璃粉的摻入量高于10%時(shí)，則會(huì)發(fā)現(xiàn)即便加入再多的玻璃粉，也無(wú)法提高混凝土的坍落度(如圖1所示)。

圖1 摻量與坍落度的關(guān)系

之所以會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，主要是由于玻璃粉密度低于水泥，加入等質(zhì)量的玻璃粉取代水泥之后會(huì)增加混凝土的漿體含量，同時(shí)玻璃粉會(huì)分散在水泥間并起到一定的分散作用，進(jìn)而改善其流動(dòng)性。除此之外，相對(duì)整體來(lái)說(shuō)，玻璃粉的比表面積大，需要更多的水分來(lái)浸潤(rùn)，浸潤(rùn)表面的吸附作用會(huì)高于細(xì)粉物理填充潛水的效果，進(jìn)而表現(xiàn)出即便加入再多的玻璃粉摻入量也無(wú)法增加混凝土的塌落度，甚至還會(huì)降低混凝土的塌落度。

從石灰石粉和玻璃粉兩種物質(zhì)摻量對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生的影響來(lái)看，加入10%石灰石粉之后，對(duì)于齡期為3 d的混凝土抗壓強(qiáng)度相對(duì)同齡期混凝土來(lái)說(shuō)要顯著提高，而相對(duì)同齡混凝土來(lái)說(shuō)，齡期分別為28 d和90 d的混凝土，其抗壓強(qiáng)度要低，說(shuō)明石灰石粉能夠增加混凝土早期抗壓強(qiáng)度，但對(duì)于混凝土的后期強(qiáng)度來(lái)說(shuō)是極為不利的，主要是由于在混凝土早期的時(shí)候，石灰石粉能夠起到微晶核和微集料的效應(yīng)，進(jìn)而能夠提高混凝土的早期抗壓強(qiáng)度。但由于石灰石粉與水之間的化學(xué)反應(yīng)有限，因此，對(duì)于混凝土后期強(qiáng)度來(lái)說(shuō)是不利的。除此之外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加入10%石灰石粉對(duì)于齡期為3 d的混凝土連續(xù)塌落度會(huì)隨著玻璃粉的摻入量增加而逐漸減小，分別增加10%和20%的玻璃粉，相對(duì)應(yīng)齡期為28 d和90 d混凝土其抗壓強(qiáng)度要高于未加入玻璃粉的混凝土抗壓強(qiáng)度，將摻入10%玻璃粉的混凝土相對(duì)應(yīng)的齡期為28 d和90 d的混凝土抗壓強(qiáng)度是比較大的，但加入30%的玻璃粉的混凝土抗壓強(qiáng)度最低。除此之外，加入10%的石灰石粉以及10%的玻璃粉兩種摻入量之后，對(duì)于齡期為3、28、90 d的混凝土的抗壓強(qiáng)度要高于普通混凝土。

隨著混凝土齡期延長(zhǎng)，會(huì)促進(jìn)的玻璃粉和水的化學(xué)反應(yīng)，在混凝土層內(nèi)部存在膠結(jié)物質(zhì)，玻璃粉會(huì)填充混凝土的空隙，促進(jìn)其強(qiáng)度提高，而加入石灰石粉和玻璃粉這兩種摻入料之后，石灰石粉本身具有的微聚集效應(yīng)，能夠確保混凝土早期強(qiáng)度，而加入玻璃粉之后其具備了活性效應(yīng)，能夠提高混凝土的后期強(qiáng)度，兩者摻量共同使用時(shí)能夠起到雙重效應(yīng)，但如果加入過(guò)多的玻璃粉時(shí)會(huì)使礦物摻入量過(guò)大，進(jìn)一步減少水泥用量，但同時(shí)也會(huì)弱化礦物材料的活性堿度，不利于混凝土強(qiáng)度的提高。

從兩種摻入料對(duì)于混凝土抗氯離子滲透性來(lái)看，僅加入10%石灰石粉在早期相比普通混凝土來(lái)說(shuō)，混凝土氯離子的擴(kuò)散系數(shù)要低，與齡期分別為28 d和90 d的混凝土來(lái)說(shuō)，相對(duì)同齡期混凝土的抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)要高，表明在早期石灰石粉能夠充分發(fā)揮其微晶核和微集料的效應(yīng)，能夠提高混凝土的孔結(jié)構(gòu)，加入10%的石灰石粉是對(duì)于齡期為3 d的混凝土其對(duì)應(yīng)氯離子擴(kuò)散系數(shù)會(huì)隨著玻璃粉增加而逐漸增加，加入10%和20%的玻璃粉，對(duì)于齡期為28、90 d的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)相比未加入玻璃粉的混凝土來(lái)說(shuō)氯離子擴(kuò)散系數(shù)要低，加入10%的玻璃粉混凝土，28、90 d齡期的混凝土相對(duì)應(yīng)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)要比加入玻璃粉的混凝土低。當(dāng)加入30%的玻璃粉之后，此時(shí)能夠顯著提高氯離子的擴(kuò)散系數(shù)，且為最高值，分別加入10%的玻璃粉和石灰石粉，對(duì)于各齡期的混凝土相對(duì)應(yīng)的抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)相比普通混凝土來(lái)說(shuō)要顯著降低，主要是由于隨著混凝土齡期的增加，混凝土中石灰石粉、玻璃粉會(huì)形成雙重效應(yīng)，進(jìn)一步改善混凝土結(jié)構(gòu)，提高密實(shí)性。因此，對(duì)于混凝土早期或后期來(lái)說(shuō)，同時(shí)加入10%的石灰石粉以及10%的玻璃粉，能夠降低混凝土的抗氯離子擴(kuò)散，具有良好的抗?jié)B性能。

玻璃粉和石灰粉雙摻料的添加劑，對(duì)于混凝土抗凍性能產(chǎn)生影響來(lái)看，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)加入水泥同時(shí)加入10%的石灰石粉和10%的玻璃粉混凝土樣品可達(dá)到300次凍融循環(huán)檢測(cè)，并且相比其他樣品來(lái)說(shuō)，在混凝土中加入10%的石灰石粉，相對(duì)彈性模量低而且存在較大的質(zhì)量損失。這主要是由于石灰石粉在混凝土早期起著積極作用，而對(duì)于齡期為28 d的混凝土由于其活性受限，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)改善情況也同樣受到限制，因此，在處于凍融循環(huán)條件下，混凝土很容易受到外部侵蝕，而產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，表現(xiàn)為質(zhì)量損失嚴(yán)重和動(dòng)彈性模量增加。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中加入10%的玻璃粉和10%的石灰石粉相比只增加加入10%的石灰石粉來(lái)說(shuō)，能夠顯著增加混凝土的抗凍融性能，進(jìn)而如果繼續(xù)增加玻璃粉的摻入量，會(huì)降低混凝土的抗凍性能，如果在混凝土中加入10%的石灰石粉和30%的玻璃粉時(shí)會(huì)使混凝土的抗凍融性的無(wú)法達(dá)到300次凍融循環(huán)。

當(dāng)混凝土中加入10%的石灰石粉，相比普通混凝土來(lái)說(shuō)隨著玻璃粉摻量的增加，會(huì)降低混凝土的抗凍融性能，同時(shí)與混普通混凝土進(jìn)行比較，加入10%的石灰石粉和10%的玻璃粉能夠與只加入水泥的混凝土抗凍融性能一致。主要是由于玻璃粉和石灰粉密度低于水泥，進(jìn)而增加混凝土中的漿體量，導(dǎo)致出現(xiàn)沁水的問(wèn)題，進(jìn)一步形成與混凝土結(jié)構(gòu)不同的多孔漿層，導(dǎo)致出現(xiàn)凍融破壞的現(xiàn)象，而如果加入10%的玻璃粉和石灰石粉之后，能夠提高混凝土的密實(shí)性，彌補(bǔ)這種劣化現(xiàn)象，但如果加入過(guò)量玻璃粉，會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)疏松并降低其抗凍融性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

在混凝土中摻入一定量石灰石粉和玻璃粉能夠使其具有減水效果，并增加混凝土的塌落度，當(dāng)加入10%的石灰石粉以及10%的玻璃粉會(huì)顯著增加混凝土的塌落度使其達(dá)到最高值，但如果在混凝土中加入高于10%的玻璃粉會(huì)降低混凝土塌落度，同時(shí)加入10%的石灰石粉和玻璃粉能夠提高混凝土的早期抗壓強(qiáng)度。相比普通混凝土來(lái)說(shuō)，同時(shí)加入10%的石灰石粉和玻璃粉能夠提高各齡期混凝土抗壓強(qiáng)度，這兩種物質(zhì)對(duì)于混凝土早期強(qiáng)度增強(qiáng)可起到互補(bǔ)效應(yīng)。同時(shí)加入10%的石灰石粉和玻璃粉相比普通混凝土能夠提高混凝土的抗氯離子擴(kuò)散性能，但其對(duì)應(yīng)的抗凍融性能是與水泥混凝土一致的?？偠灾诒狙芯恐嘘U述了石灰石粉和玻璃粉這兩種摻入料對(duì)于混凝土系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，研究發(fā)現(xiàn)，使用10%的石灰石粉以及10%的玻璃粉能夠替代傳統(tǒng)礦物摻料，且相比普通混凝土來(lái)說(shuō)，在抗壓強(qiáng)度、工作性能和抗氯離子擴(kuò)散等方面要明顯改善，但在混凝土抗凍融性能方面是與水泥混凝土一致的，利用這種配合比能夠緩解目前在工程施工中混凝土礦物摻合料緊缺的問(wèn)題。

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