凝灰岩石粉掺量对活性粉末混凝土性能的影响_张景瑞.pdf

第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb.2023材料科学凝灰岩石粉掺量对活性粉末混凝土性能的影响*The Influence of Tuff Powder Content on the Properties of eactive Powder Concrete张景瑞1，李卫炎2，黄前龙3，李立辉4，蔡燕霞3(1.河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038;2.浙江交投矿业有限公司，浙江 舟山 316000;3.中路高科(北京)公路技术有限公司，北京 100088;4.交通运输部公路科学研究院，北京 100088)摘要:以 0.14 水胶比成型活性粉末混凝土(PC)为基体，采用凝灰岩石粉取代部分胶凝材料制备PC，研究凝灰岩石粉掺量对 PC 抗压强度、抗折强度和微观结构的影响。结果表明:PC 的抗压强度、抗折强度随凝灰岩石粉掺量增加呈下降趋势。凝灰岩石粉在胶凝体系中发挥了一定的火山灰效应和填充效应，改善了 PC 的微观结构;掺量为 5%凝灰岩石粉掺制备的 PC 能满足力学要求，28 d 龄期的抗压强度为 119 MPa，抗折强度为 12.4 MPa，孔隙率最低，且界面区最密实;当凝灰岩石粉掺量超过 5%后，对微观结构的改善效果有所下降，当凝灰岩石粉掺量超过 20%时，已不利于 PC 微观结构的改善。关键词:凝灰岩石粉;活性粉末混凝土;力学性能;微观结构中图分类号:TU528文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01004007DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301008ZHANG Jingrui1，LI Weiyan2，HUANG Qianlong3，LI Lihui4，CAI Yanxia3(1.School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China;2.Zhejiang Comm Mining Co.，Ltd.，Zhoushan 316000;3.Beijing Zhonglu Gaoke Highway Technology Co.，Ltd.，Beijing 100088，China;4.esearch Institute of Highway Ministry of Transport，Beijing 100088，China)Abstract:eactive powder concrete(PC)with a waterbinder ratio of 0.14 was used as the matrix to prepare PC by replacing partof the cementitious material with tuff powder.The effects of tuff powder content on the compressive strength，flexural strength andmicrostructure of PC were studied.The results show that the compressive strength and flexural strength of PC show a downward trendwith the increase of tuff powder content.The tuff powder exerts certain pozzolanic and filling effects in the cementitious system，andimproved the microstructure of PC.The PC prepared by adding 5%tuff powder can meet the mechanical requirements，thecompressive strength at 28 dage is 119 MPa，the flexural strength is 12.4 MPa，the porosity is the lowest，and the interface area is thedensest.When the content of tuff powder exceeds 5%，the effect of improving the microstructure decreases.When the content of tuff rockpowder exceeds 20%，it is not conducive to the improvement of PC microstructure.Keywords:tuff powder;reactive powder concrete;mechanical properties;microstructure*基金项目:国家自然科学基金(52178428)。作者简介:张景瑞(1995)，男，硕士研究生，研究方向:道路结构与材料。收稿日期:202203300引言活性粉末混凝土(eactive Power Concrete，1 期张景瑞等:凝灰岩石粉掺量对活性粉末混凝土性能的影响41材料科学PC)是 1993 年法国学者 ichard 等研制出来的一种新型水泥基复合材料，其基本配制原理是基于最紧密堆积理论，剔除粗骨料，以细石英砂为骨料，掺入高效减水剂和适量钢纤维，主要原材料还包括硅灰、粉煤灰等矿物细掺料，从而减少了内部缺陷来提高混凝土的抗压强度、韧性和耐久性12。石粉是机制砂石生产过程中产生粒径小于 75 m 的工业副产品，占到机制砂的 15%左右3。我国浙江地区凝灰岩丰富，砂石骨料企业大多采用湿法骨料生产工艺4，生产过程中产生的凝灰岩石粉占到机制砂石总量的 10%15%。目前对其大多采用就近堆放的处理方法，若不能将其回收利用，将会对环境造成污染56。因此，废弃凝灰岩石粉的资源化利用迫在眉睫。与泥粉不同，废弃凝灰岩石粉的主要成分与母岩化学性质基本相同，在水泥胶凝体系中可以起到润滑和填充作用，改善混凝土的工作性，进而提高混凝土密实性79。国内外对于石粉在混凝土中应用的相关研究表明:石粉可作为辅助性胶凝材料来增强混凝土性能。Hattatoglu 等10 研究熔结凝灰岩石粉取代部分水泥制备活性粉末混凝土，表明熔结凝灰岩石粉活性粉末混凝土可用于刚性路面;尹武晓等11 探究不同掺量的凝灰岩石粉对水泥浆体收缩性能的影响及机理，结果发现凝灰岩石粉对水泥浆体的收缩有显著影响，早期起惰性填料作用，能够明显减少水泥化学收缩。目前关于凝灰岩石粉对于 PC 性能影响的研究较少，由于 PC 的水胶比很低，导致大量水泥不能得到充分水化，只是作为活性填充料使用，这是一种巨大的浪费12。凝灰岩石粉具备一定的活性和填充作用。鉴于此，本文将凝灰岩石粉取代部分胶凝材料制备 PC，可以减少胶凝材料的用量，降低 PC 的制备成本又可推动废弃凝灰岩石粉的资源化应用，缓解环境污染，为今后凝灰岩石粉在 PC 中的应用提供参考依据。1试验1.1试验原材料PI 42.5 硅酸盐水泥，SiO2含量20.6%，密度为 3.12 g/cm3，基本性能见表 1;uffa 2.0 型微珠，SiO2含量58.7%，比表面积680 m2/kg;SF93 型硅灰，SiO2含量为 94.61%，比表面积为18.648 m2/g;S95 型矿粉，密度为 2.9 g/cm3;凝灰岩石粉为浙江地区生产机制砂过程中采用湿法工艺收集的凝灰岩石粉，粒径为 127 m，平均粒径 9.38 m，主要晶体矿物为石英、长石、高岭石等，主要化学成分为 SiO2和 Al2O3，SiO2含量高达 61.52%，所含腐蚀性物质含量较低，其基本性能指标见表 2;粗粒径石英砂，细度模数为 3.11;减水剂为西卡(中国)有限公司生产的聚羧酸盐高性能减水剂，减水率 33%;消泡剂，白色粉末，具有良好的分散性和消泡作用，以有效控制 PC内泡沫产生，使 PC 更加致密;钢纤维为表面镀铜平直钢纤维，直径 0.18 mm，长度 13 mm，抗拉强度 3105 MPa;拌和用水为自来水。表 1水泥基本性能Table 1Basic properties of cement比表面积/(m2/kg)标准稠度/%安定性凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3 d7 d28 d3 d7 d28 d35525.4合格991586.47.39.327.037.853.2表 2凝灰岩石粉基本性能Table 2Basic properties of tuff powder密度/(g/cm3)亚甲蓝值表面积/体积/(cm2/cm3)活性指数/%7 d28 dpH2.56191422555.359.38.951.2配合比设计为了研究凝灰岩石粉掺量对活性粉末混凝土性能的影响，参照 GB/T 313872015 活性粉末混凝土13，本试验设计了 5%、10%、15%和20%掺量的凝灰岩石粉取代胶凝材料的 PC 配合比，编号分别为 1、2、3、4，0 为基准对照组，见表 3。水胶比为 0.14。减水剂掺量以对照组的流动度为参考进行调整，使拌合物流动度在(19010)mm。42粉煤灰综合利用37 卷材料科学表 3凝灰岩石粉取代胶凝材料的 PC 配合比Table 3PC mix ratio of tuff powder to replace cementitious material/(kg/m3)试件编号水泥 微珠 硅灰 矿粉凝灰岩石粉石英砂钢纤维消泡剂减水剂水065020018012001250401321581617.5 19017111457.512504013415825851801621081151250401361583552.5 170153102172.51250401501584520160144962301250401601581.3制备工艺及养护首先将石英砂、钢纤维加入搅拌机，搅拌2 min，然后将水泥、微珠、硅灰、矿粉、凝灰岩石粉加入搅拌机，干料搅拌 2 min，最后将水和减水剂、消泡剂混合均匀后加入到搅拌机中搅拌8 min，拌合物一次浇入试模内，在震动台上振捣2 min，在试模中静停 24 h 后拆除试模，将成型的试件放入加速养护箱进行养护，环境温度由 25 升至 75，升温速度为 10 /h，升温至 75 保温养护 24 h。让其在养护箱内自然冷却 24 h 之后进行自然养护。1.4试验方法按照 GB/T 500812019 混凝土物理力学性能试验方法标准中相关标准进行 PC 试件的抗压强度、抗折强度试验，试件的测试龄期为 3、7和 28 d。抗压强度试验采用 100 mm 100 mm100 mm尺寸的立方体试件，加载速率为 1.2 MPa。抗折强度试验采用 40 mm40 mm160 mm 尺寸的棱柱体试件，加载速率为 0.08 MPa。采用日本电子 S4800 扫描电镜检测3 和28 d 龄期的 PC 试件。采用美国麦克默瑞提克公司生产的高性能全自动压汞仪 AutoPore V9620 对 28 d 龄期的 PC 试件进行孔结构测试。2试验结果分析2.1抗压强度和抗折强度对各组 3、7 和 28 d 龄期 PC 试件进行抗压强度、抗折强度测试，得到不同凝灰岩石粉掺量的 PC 的抗压强度和抗折强度试验结果，如图 1所示。从图 1 中可以发现，各组 PC 试件的抗压强度和抗折强度随着龄期的增加保持增长趋势，随着凝灰岩石粉掺量增加，PC 试件的抗压强度和抗折强度逐渐降低，且抗压强度下降趋势明显。试件 4抗压强度和抗折强度降低幅度较大，3、7 和28 d龄期的抗压强度和抗折强度均远低于 PC 抗压强度和抗折强度指标要求;试件 1 的 3、7 和 28 d 龄期的抗压强度相较于 0 降低了 4.1%、6.1%、5.0%，分别为103.3、105.1、119.0 MPa;抗折强度分别为9.8、10.3、12.4 MPa，相较于 0 降低了 3.9%、5.5%、13.9%。试件 1 的抗压强度和抗折强度损失较小，满足 PC 的抗压强度和抗折强度指标要求。这表明凝灰岩石粉取代部分胶凝材料会对 PC的抗压强度和抗折强度产生不利影响。(a)抗压强度(b)抗折强度图 1抗压强度和抗折强度变化曲线Fig.1Change curve of compressive strength and flexural strength抗压强度和抗折强度呈下降趋势的原因一方面是由于凝灰岩石粉的比表面积较大，且需水量比也较大，在较低用水量的条件下通过增大减水剂用量保证 PC 的流动度，较低的用水量难以满足水化反应需要，致使胶凝材料水化不充分;同1 期张景瑞等:凝灰岩石粉掺量对活性粉末混凝土性能的影响43材料科学时凝灰岩石粉中也存在一定的杂质和泥，随着石粉掺量的增加，杂质和泥的含量相应增多，影响了水泥的水化。另一方面，凝灰岩石粉所含活性SiO2、Al2O3与水泥水化产物 Ca(OH)2反应，产生CSH 凝胶，但活性较低，在其中只起到填充密实作用，并不能充分参与 PC 的水化反应，当凝灰岩石粉掺量增大时，相应地减少了胶凝材料的用量，其不足以提供胶凝材料所能提供的黏结力。颗粒之间的黏结力降低致使 PC 强度损失，从而导致 PC 的抗压强度和抗折强度呈下降状态。2.2SEM 测试结果分析为了进一步研究凝灰岩石粉对 PC 的作用机理，分别对各组 3 d 和 28 d 龄期的 PC 试件进行取样，采用扫描电镜对各组试件进行了微观形貌分析。图 2 和图 3 给出了各组试件的 3 d 和 28 d 的PC 试件内部物相微观形貌的 SEM 代表性照片。从图 2(a)中可以发现“云状”CSH 凝胶及未完全水化的胶凝材料颗粒，这是由于 PC 的水胶比较低，胶凝材料颗粒未能完全水化。从图 2(b)中可以发现有大量梭状的 CSH 凝胶生成，与图 2(a)中的界面区相比，未完全水化的胶凝材料颗粒明显减少;由图 2(c)(e)可以发现界面区的梭状的 CSH 凝胶随着凝灰岩石粉的掺量不断的减少，同时六角棱形的Ca(OH)2晶体和未完全水化的胶凝材料颗粒明显增多。通过对比图 2 中各组试件，可以发现凝灰岩石粉的掺入影响了 PC 早期的水化反应，凝灰岩石粉所含的 SiO2和 Al2O3会和水泥水化产物 Ca(OH)2充分反应，消耗微细孔溶液中 Ca2+的同时生成额外梭状的 CSH 凝胶。随着凝灰岩石粉掺量的增加，CSH 凝胶数量不断减少。究其原因，一方面是由于凝灰岩石粉比表面积较大，其需水量比也较大，影响了胶凝材料的水化;另一方面，凝灰岩石粉的掺量增大，相应减少了胶凝材料的数量，游离的凝灰岩石粉以及杂质会影响胶凝材料水化过程中相互激发产生复合胶凝效应，导致二次水化反应生成的 CSH 凝胶减少。(a)0(b)1(c)2(d)3(e)4图 23 d 龄期 PC 试件的 SEM 照片Fig.2SEM images of PC specimens aged 3 days44粉煤灰综合利用37 卷材料科学(a)0(b)1(c)2(d)3(e)4图 328 d 龄期 PC 试件的 SEM 照片Fig.3SEM images of PC specimens aged 28 days从图 3 中可以发现，0 试件的界面区存在极少未完全水化的颗粒，界面区存在微裂缝和孔隙;1 试件界面区结构形态密实，裂缝和孔隙较 0试件明显减少;2 试件的界面区仍有大量未水化的颗粒，有明显的裂缝和孔隙。3、4 试件界面区有少量未水化颗粒和裸露在外的石英砂颗粒，界面区仍有“云状”CSH 凝胶，有明显的裂缝和大孔隙，界面区较松散。当凝灰岩石粉掺量为5%，水化生成额外梭状的 CSH 凝胶填充了PC 试件中的孔隙，进一步水化形成致密的微结构。凝灰岩石粉本身粒径较小，填充微小的孔隙，使基体变得更加致密;当凝灰岩石粉掺量超过 5%后，可以观察到水化反应程度不断降低，界面区明显松散。由于凝灰岩石粉掺量过大，相应减少了胶凝材料的数量，使得二次水化反应生成的额外的CSH 凝胶变少。凝灰岩石粉需水量较高，在低水胶比的情况下，进一步降低了水化反应的程度。此外，凝灰岩石粉掺量过大，产生的游离石粉以及杂质会影响石英砂与胶凝材料的黏结，石英砂不能被胶凝材料完全包裹，导致界面区松散。2.3MIP 测试结果分析采用压汞法(MIP)测试 3 d 和 28 d 龄期的PC 试件的孔结构特征参数，孔隙率如图 4 所示，28 d龄期的 PC 试件孔径分布如图 5 所示。从图4 和图5 中可以看出，凝灰岩石粉取代部分胶凝材料对 PC 孔结构起到良好的改善作用，各组 3 d 龄期试件的孔隙率分别为 2.7%、2.6%、3.4%、3.6%、4.1%;28 d 龄期试件的孔隙率分别为 4.6%、3.3%、3.7%、3.9%、4.7%;各组 28 d龄期试件的平均孔径分别为 41.4、18.5、21.4、25.4、41.7 nm。说明添加一定量的凝灰岩石粉取代部分胶凝材料，可以降低 PC 孔隙率以及改善PC 的孔结构。当凝灰岩石粉掺量为 5%时，凝灰岩石粉对于PC 的填充作用显著，PC 中直径较大的孔数量明显减少，平均孔径最小，孔隙率最低，PC 密实度提高;当凝灰岩石粉掺量超过 5%后，对 PC孔结构的改善作用降低;当石粉掺量为 20%，孔隙率和平均孔径增大，已不利于 PC 孔结构的改善。其原因是由于当凝灰岩石粉掺量超过 5%后继1 期张景瑞等:凝灰岩石粉掺量对活性粉末混凝土性能的影响45材料科学图 43 d 和 28 d 龄期 PC 试件的孔隙率Fig.4Porosity of PC specimens aged 3 days and 28 days图 528 d 龄期 PC 试件的孔径分布Fig.5Pore size distribution of PC specimens aged 28 days续增加时，凝灰岩石粉对 PC 的填充作用已经趋于饱和，凝灰岩石粉对与其自身尺寸较为接近的或者更小的孔隙无法填充，PC 中微小孔的占比提高，凝灰岩石粉对 PC 孔结构的影响减弱;此时，进一步增加凝灰岩石粉，由于凝灰岩石粉的比表面积较大，需水量比较大，且表面粗糙，在固定用水量的条件下，对 PC 拌合物的工作性能有较大不利影响，致使 PC 的平均孔径和孔隙率增大，PC 结构松散，同时也致使 PC 强度随着凝灰岩石粉掺量的增加逐渐下降;当凝灰岩石粉含量超过20%后，已明显不利于 PC 孔结构的改善。3结论(1)凝灰岩 石 粉 主 要 化 学 成 分 为 SiO2和Al2O3，平均粒径为 9.38 m。基本不具有腐蚀性，具有一定的火山灰效应和填充效应，有助于结构密实，能够采用凝灰岩石粉取代部分胶凝材料制备 PC。(2)以0.14 水胶比成型 PC 为基体，采用凝灰岩石粉取代部分胶凝材料，抗压强度随着凝灰岩石粉掺量增加逐渐降低，且下降趋势较明显。抗折强度随着石粉掺量的增加略微下降，凝灰岩石粉掺量为 5%制备的 PC，28 d 龄期的抗压强度为 119.0 MPa，抗折强度为 12.4 MPa 能满足力学性能指标要求。(3)凝灰岩石粉具备一定的火山灰效应，所含的 SiO2和 Al2O3会和水泥水化产物 Ca(OH)2充分反应，消耗微细孔溶液中 Ca2+的同时生成额外的 CSH 凝胶填充了基体孔隙，使基体变得更加致密。(4)凝灰岩石粉具有填充效应，掺入后改善了 PC 的孔隙结构，减少 PC 直径较大的孔及孔隙率。当凝灰岩石粉掺量为 5%时，对 PC 的孔结构改善效果最佳;当凝灰岩石粉掺量超过 5%后，改善效果有所下降;当凝灰岩石粉掺量超过 20%时，已不利于 PC 孔结构的改善。参考文献 1 李新星，杨才千，周泉，等.基于正交试验的活性粉末混凝土强度及流动性研究 J.硅酸盐通报，2019，38(4):1201 1210.DOI:10.16552/ki.issn1001 1625.2019.04.045.2 刘娟红，王栋民.养护对矿物细粉活性粉末混凝土性能的影响 J.武汉理工大学学报，2009，31(7):100103.3 汪丽娟，乔宏霞，刘志超，等.不同取代率下玄武岩机制砂混凝土性能影响试验研究 J.中国矿山工程，2021，50(6):5458.DOI:10.19607/115068/tf.2021.06.013.4 温小栋，蔡煜梁，赵莉，等.凝灰岩机制砂混凝土抗低温硫酸盐侵蚀性 J.浙江大学学报(工学版)，2017，51(3):532537.5 郝彤，田文琴，曹力强，等.大掺量废弃花岗岩石粉对砂浆力学性能影响 J.混凝土，2021(3):103106+111.6 杨占彪，王松亮，韦征，等.石粉在混凝土中的应用研究 J.中国水泥，2021(7):101102.7 王晓海，陈慧，詹奇淇.石粉含量对水泥砂浆性能影响的试验研究 J.中国建材科技，2021，30(5):5254.8 杨海成，陈灿，范志宏.花岗岩机制砂石粉对 C80 高强高性能混凝土性能的影响及机理研究 J.水运工程，202146粉煤灰综合利用37 卷材料科学(11):13 20+49.DOI:10.16233/ki.issn1002 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