不同顆粒細度的復合摻合料對混凝土性能的影響①

□□ 岳光亮，謝瑞興，郭文倩，彭立剛，唐櫻燕，莫立武

(1.山東眾森新材料有限公司，山東 濟南 250000； 2.山東眾森科技股份有限公司，山東 濟南 250000； 3.南京工業(yè)大學 材料科學與工程學院 材料化學工程重點實驗室，江蘇 南京 210009)

引言

我國每年排出的鋼渣、錳渣、鎳渣、脫硫石膏等各種廢渣達數(shù)億噸，且逐年快速增長，工業(yè)廢渣作為排放量最大的固體廢棄物，對自然環(huán)境、人類生活和社會發(fā)展都造成了巨大的影響[1]。長期以來，將工業(yè)廢渣進行建材化利用一直是國內(nèi)外科研人員共同研究的重點和熱點課題[2]。水淬礦渣粉、粉煤灰在商品混凝土行業(yè)中已經(jīng)成熟應用，但受限于上游原料市場緊張，質(zhì)量越來越不穩(wěn)定，混凝土的性能也受到影響。本文依據(jù)JG/T 486—2015《普通混凝土用復合摻合料》標準，采用工業(yè)固廢材料鋼渣、煅燒煤矸石、錳渣等材料按照一定比例混合粉磨，制備不同細度的復合摻合料，檢測不同細度的復合摻合料對水泥凈漿流動度D影響和對混凝土工作性能及強度的影響，同時對微觀結(jié)構(gòu)進行了分析，為復合摻合料的粉磨制備及應用提供基礎[3-4]。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

水泥：采用山東水泥廠生產(chǎn)的散裝P·O 42.5，其化學、物理指標分別見表1和表2。

表1 膠凝材料化學成分 %

表2 水泥的物理性能指標

復合摻合料：采用鋼渣、煅燒煤矸石、錳渣按照一定比例制備的不同細度的Ⅱ級摻合料，成分見表1。

細骨料：采用當?shù)厥規(guī)r破碎機制砂，細度模數(shù)為2.9，含粉量為10%，亞甲藍值為1.7%。

粗骨料：采用當?shù)?～25 mm連續(xù)級配的石灰?guī)r碎石，含泥量為0.6%，泥塊含量為0.2%，壓碎指標為9.5%。

外加劑：采用眾森公司生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑，減水率為25%。

不同強度等級的混凝土配比見表3。

表3 不同強度等級混凝土的配比

1.2 試驗方法

復合摻合料是混合粉磨至不同細度的鋼渣、煅燒煤矸石、錳渣混合料，控制細度在45 μm方孔篩篩余分別為22.3%、16.7%、10.9%、5.6%、1.1%，滿足JG/T 486—2015《普通混凝土用復合摻合料》各項指標。復合摻合料細度采用45 μm方孔篩及FSY150-A型負壓篩析儀檢測，按照GB/T 1345—2005《水泥細度檢驗方法》測定；復合摻合料凈漿流動度的檢測按照GB/T 8077—2016《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》進行測定[5]；膠凝材料顆粒粒徑檢測采用BT-9300Z激光粒度分析儀測定；按照商品混凝土C30強度等級的配比進行試配，每組混凝土配合比均按30 L的體積稱量物料，由強制式攪拌機攪拌120 s后卸料，人工拌合均勻，按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測量坍落度、擴展度及流速，記錄數(shù)據(jù)后倒掉，剩余混凝土拌合均勻后留置試塊，按照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》檢測混凝土試塊7 d、28 d、60 d的齡期強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同細度復合摻合料對水泥凈漿流動度的影響

固定水泥細度為45 μm方孔篩篩余10.5%，水膠比為0.29，減水劑摻量為0.5%，采用不同細度的復合摻合料，按照水泥∶復合摻合料=7∶3的質(zhì)量配合比制得水泥凈漿，檢測凈漿流動度，結(jié)果如圖1所示。

圖1 復合摻合料對水泥凈漿流動度的影響

由圖1可以看出，隨著復合摻合料顆粒粒度的降低，初始凈漿流動度降低，但摻合料細度為5.6%時，初始凈漿流動度略微增加，分析主要原因是細度為5.6%的摻合料與水泥顆粒組成的膠凝材料，顆粒具備連續(xù)級配，不同大小顆粒之間相互填充，空隙中多余的水增加了漿體的流動性；1 h后漿體的凈漿流動性同樣先增大后降低，分析主要原因是隨著顆粒細度降低，漿體的保水性增加，流動度保持性增強，但細度為1.1%時，流動性損失明顯增強，原因是顆粒太細水化加快，大量的水被消耗。

2.2 不同細度的復合摻合料對混凝土工作性能的影響

固定水泥細度為45 μm方孔篩篩余10.5%，采用不同細度的復合摻合料制成C30混凝土，測定其工作性能，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同細度復合摻合料對混凝土工作性能的影響

由圖2可以看出，隨著復合摻合料細度的降低，混凝土的坍落度和擴展度先增加后降低，分析原因主要是隨著復合摻合料細度的降低，膠凝材料中細顆粒的水化作用提高了漿體的粘度，拉動著粗細骨料流動，從外觀上表現(xiàn)為漿體的勻質(zhì)性變好、流動性增加；當摻合料細度為5.6%時，混凝土膠凝材料顆粒級配良好，流動度達到最大值，再降低摻合料的細度，細顆粒的水化作用大于級配作用，表現(xiàn)為混凝土的流動度明顯降低。

2.3 不同細度復合摻合料對混凝土強度的影響

固定水泥細度為45 μm篩余為10.5%，采用不同細度的復合摻合料，檢測C30等級混凝土的強度，如圖3所示。

圖3 不同細度復合摻合料對混凝土強度的影響

由圖3可以看出，隨著復合摻合料細度的降低，混凝土的7 d強度提高明顯，28 d和60 d強度增長緩慢，分析是對于早期強度，膠凝材料中顆粒級配作用大于漿體的水化作用，后期強度的增長主要依靠膠凝材料顆粒的水化作用；當顆粒細度為5.6%時，再降低摻合料顆粒細度，可以水化的顆粒較少，混凝土強度增長不明顯。

2.4 不同細度的復合摻合料微觀結(jié)構(gòu)分析

按照C30混凝土配比，取三種細度復合摻合料，45 μm篩余分別為10.9%，5.6%，1.1%，在混凝土中試配驗證，取混凝土膠凝材料進行顆粒分析，并對28 d齡期的混凝土進行掃描電鏡分析。

2.4.1 顆粒分布分析

對混凝土中含有不同細度的復合摻合料的膠凝材料進行顆粒分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 混凝土膠凝材料顆粒分布

由圖4可以看出，不同細度復合摻合料的混凝土膠凝材料顆粒分布曲線區(qū)別較大，圖4(a)中的曲線出現(xiàn)一個小峰值，說明細度為10.9%的復合摻合料與水泥組成的膠凝材料顆粒級配不連續(xù)，造成混凝土不密實；圖4(c)顆粒曲線出現(xiàn)兩個明顯的峰值，說明細度為1.1%的復合摻合料與水泥組成的膠凝材料顆粒級配明顯斷檔，造成混凝土工作性能變差，強度降低；而圖4(b)中膠凝材料的顆粒分布曲線是平滑的拋物線，膠凝材料顆粒級配良好，其工作性能和強度增長率均達到良好的效果。

2.4.2 SEM分析

不同細度的復合摻合料在C30混凝土中28 d的水化情況(SEM照片)如圖5所示。

由圖5可以看出，相比圖5(a)和(c)，圖5(b)的漿體水化致密，漿體中毛細孔隙率少，分析原因主要是摻合料細度為5.6%的混凝土在混凝土膠凝材料中顆粒級配良好，顆粒之間粘結(jié)牢固，膠凝材料顆粒間的相互填充和水化共同作用，表現(xiàn)為漿體密實，強度高。

圖5 C30混凝土中28 d水化產(chǎn)物SEM照片

2.5 不同細度復合摻合料在不同等級混凝土中驗證

以上試驗及分析是在C30混凝土中進行的，為驗證復合摻合料在不同強度等級的混凝土中的性能和強度，取三種細度復合摻合料，45 μm方孔篩篩余分別為10.9%、5.6%、1.1%，在C40、C50等級混凝土中試配驗證數(shù)據(jù)如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可以看出，水泥細度為45 μm方孔篩篩余10.5%，復合摻合料的細度為5.6%時，兩種混凝土均表現(xiàn)出良好的工作性能和力學性能，驗證了良好的膠凝材料顆粒級配對混凝土各項性能的促進作用。

圖6 不同細度復合摻合料在不同等級混凝土工作性能

2.6 復合摻合料大磨生產(chǎn)驗證

按照小磨配比在Φ3.8 m×13 m的球磨機內(nèi)生產(chǎn)復合摻合料，臺時產(chǎn)量為50 t，粉磨細度控制在45 μm篩余(5.6±2)%，試配生產(chǎn)C30混凝土，配合比及產(chǎn)品性能見表4。

由表4可以看出，通過大磨試驗生產(chǎn)的復合摻合料在混凝土中應用，證明混凝土的工作性能和力學性能滿足要求，驗證了膠凝材料顆粒級配對混凝土性能的促進作用。

表4 大磨復合摻合料在混凝土中試配驗證

3 結(jié)論

3.1 隨著復合摻合料細度的減小，凈漿流動度曲線呈拋物線，在摻合料細度為5.6%時，凈漿流動度略微增大，膠凝材料的顆粒級配對凈漿流動度有促進作用。

3.2 隨著混凝土中復合摻合料細度降低，混凝土的坍落度和擴展度先增大后降低，細度為5.6%時，膠凝材料達到最佳級配，工作性能最佳。

3.3 隨著混凝土中復合摻合料細度降低，混凝土的強度增大，但摻合料細度達到5.6%時，強度增長明顯，之后再降低摻合料細度，強度增長不明顯，主要原因是早期水化顆粒多，后期水化的顆粒較少。

3.4 通過膠凝材料顆粒分布和掃描電鏡微觀圖片分析，復合摻合料與水泥顆粒級配連續(xù)時，膠凝材料的顆粒分布曲線是平滑的拋物線，同時混凝土漿體的水化更加充分，表現(xiàn)為漿體更加致密。

3.5 固定水泥的細度，采用不同細度的復合摻合料在不同等級混凝土中試配驗證，當混凝土中膠凝材料的顆粒達到連續(xù)級配時，混凝工作性能和混凝土強度增長良好。