云南地區(qū)不同種類火山灰對聚羧酸減水劑及混凝土性能的影響研究

李嘉佳,彭 飛,王照能,鄧 磊,魯圣軍

(1.科之杰新材料集團(云南)有限公司,云南 安寧 650399;2.貴州大學材料與冶金學院,貴州 貴陽 550025)

隨著混凝土技術的不斷發(fā)展,混凝土已成為現(xiàn)代建筑工程結(jié)構(gòu)最重要的材料之一。相較其他建筑結(jié)構(gòu)材料,混凝土材料耐久性及耐火性較好、可塑造性強、生產(chǎn)過程“排碳”少、施工方式簡便,這些特點使得混凝土材料在中國今后實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”過程中必將扮演重要的角色。近十年來,粉煤灰與礦渣粉已得到廣泛應用,價格也持續(xù)上漲。火山巖是巖漿經(jīng)火山噴發(fā)到地表快速冷凝而成的巖石。我國火山巖儲量豐富且廣泛,大量試驗及研究表明,火山灰具有膠凝材料的特性,在常溫狀態(tài)下,可與水發(fā)生反應,生成具有水硬性膠凝能力的水化物[1,2],火山巖為富含SiO2和Al2O3的玻璃體結(jié)構(gòu),而且具有一定的火山灰活性,在摻入水泥和混凝土的情況下,其內(nèi)部活性組分SiO2和Al2O3與水泥熟料水化產(chǎn)生氫氧化鈣和高堿性水化硅酸鈣,進行二次水化反應(火山灰效應),生成質(zhì)量更優(yōu)的低堿性水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。因此,火山巖是一種可用在水泥基材料中,部分取代水泥的礦物摻合料火山渣。作為一種綠色環(huán)保的礦物質(zhì)顆粒,其具有輕質(zhì)、導熱系數(shù)小等優(yōu)點,常被用于混凝土輕骨料及墻體中;其主要成分為活性氧化物,因此,粉磨后同樣可以作為水泥活性混合材料應用于工程建設中,具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益。火山灰產(chǎn)量充足、價格低廉,作為礦物摻合料用于混凝土中,在保證工程質(zhì)量的同時,可有效降低工程成本、緩解資源消耗、減少環(huán)境污染等[3]。

1 試驗原材料及試驗方案

1.1 試驗原材料

本試驗所用原材料的具體信息見表1,所用主要儀器的詳細信息見表2。

表1 試驗原材料

表2 試驗設備

1.2 聚羧酸減水劑的制備

為保證實驗結(jié)果的可靠性,復配均采用同一聚羧酸減水劑,母液為科之杰新材料集團(云南)有限公司生產(chǎn),其復配配方見表3。

表3 聚羧酸減水劑配方 單位/kg

分別在相對應的反應釜中加入定量的水,然后加入配方定量的緩凝劑H1、H2,攪拌溶解,再分別加入所需用量的聚羧酸減水母液與保坍母液,并同時攪拌混合均勻,制得所需聚羧酸減水劑,入庫待用。

1.3 不同品種火山灰性能指標

5種火山灰燒失量測試結(jié)果見圖1。

圖1 5種火山灰燒失量測試結(jié)果

火山灰燒失量測定方法按照GB/T 2847—2005《用于水泥中的火山灰混合材料》檢測。由圖1可知,5種火山灰燒失量均小于10.0%,符合國家標準。火山灰三氧化硫含量測試結(jié)果見圖2。

圖2 5種火山灰三氧化硫含量測試結(jié)果

火山灰SO3測定方法按照GB/T 2847—2005《用于水泥中的火山灰混合材料》檢測。由圖2可知,5種火山灰三氧化硫含量均小于3.0%,符合國家標準。

火山灰細度測定方法按照GB/T 1345—2005《水泥粒度檢驗方法》檢測,火山磷礦粒度測試結(jié)果見圖3。由圖3可知,5種火山灰粒度為45 μm,篩余均小于30%,符合國家標準。2～4號火山灰的粒度為45 μm,篩余占比大致相同,1號和5號火山灰粒度為45 μm,篩余占比略少。總體來說,云南地區(qū)火山灰質(zhì)量相對穩(wěn)定。

圖3 火山灰粒度測試結(jié)果

1.4 火山灰需水量比測試方法

火山灰需水量比性能測定方法按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗(ISO法)》檢測,摻合料需水量比配比見表4。

表4 摻合料需水量比配比 單位/g

1.5 混凝土測試方法

混凝土性能測定方法按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法》、GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法》兩個標準檢測,混凝土強度測定根據(jù)GB 50107—2010《混凝土強度評定標準》判定?；炷列阅軠y定采用C30混凝土等級配合比,分別測試不同種類火山灰對混凝土和易性、坍落度損失、含氣量、抗壓強度的影響,試驗配合比見表5。

表5 混凝土性能測定試驗配合比 單位/(kg·m-3)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 火山灰需水量比測定

摻合料需水量比試驗數(shù)據(jù)見表6。由表6可知,以上摻合料都符合GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗(ISO法)》檢測標準。按照基準配合比,選用云南地區(qū)5個常用廠家的火山灰,在用水量和外加劑摻量相同的情況下,進行了適應性試驗。對摻加不同廠家摻合料的需水量進行對比試驗,結(jié)果顯示,2～4號摻合料需水量基本一致,1號和5號摻合料需水量較小。可得出粒度篩余越小,摻合料需水量越大的結(jié)論。

表6 摻合料需水量比試驗數(shù)據(jù)

2.2 混凝土和易性、含氣量、坍落度損失試驗

為了研究火山灰與聚羧酸減水劑的適應性,采用C30強度等級配合比進行混凝土實驗。實驗時除了膠材發(fā)生變化外,其余配合比保持不變,分別測試同種聚羧酸減水劑對混凝土火山灰初始坍落度、倒筒排空時間、含氣量、坍落度損失的影響(見表7)。由表7可得,C2、C3的坍落度較小,其中C2的倒筒時間最慢為9.61 s,含氣量最小為2.8%,混凝土的和易性較差;C3的倒筒時間最慢為8.43 s,含氣量最小為3.0%,混凝土的和易性較差。C4的含氣量最多為3.2%,倒筒時間為7.24 s,混凝土的和易性比較好;C1、C5的混凝土和易性良好?？傻贸鋈缦陆Y(jié)論:火山灰需水量越高,混凝土坍落度越低,其和易性越差。

表7 混凝土倒筒時間、含氣量、坍落度損失對比試驗數(shù)據(jù)

2.3 混凝土強度實驗

混凝土抗壓強度在數(shù)控水泥砼標準養(yǎng)護箱20±2 ℃、濕度≥95%條件下,測定其3 d、7 d、28 d抗壓強度,成型試模采用100 mm×100 mm×100 mm,具體實驗數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 混凝土抗壓強度

由圖4可知,使用控制變量法考察云南地區(qū)不同種類火山灰與聚羧酸減水劑的適應性,所得到的結(jié)果如下:C0的試塊強度最高;C2～C4的試塊早期強度較高,其3 d強度已達到70%以上,7d強度已達到83%以上,28 d已達到110%以上;C1和C5試塊前期強度較低,其3 d強度已達到65%以上,后期強度增長快?？傻贸鋈缦陆Y(jié)論:火山灰對混凝土試塊強度影響很大,火山灰粒度越小,混凝土試塊前期強度越低,后期強度增長速度快。

3 結(jié)語

(1)云南地區(qū)同種火山灰的物理性能基本一致,不同種類火山灰物理性能略有差別,整體趨向穩(wěn)定。

(2)不同廠家的火山灰在同種外加劑下對比,火山灰粒度主要影響減水劑的減水性能,火山灰粒度越小,火山灰需水量越大,減水劑摻量越高,早期強度越小。

(3)不同廠家的火山灰在同種外加劑下對比,火山灰燒失量主要影響減水劑的保坍性能,火山灰燒失量越大,混凝土損失越大,后期強度越低。