废弃矿物掺合料对混凝土收缩抗裂性能影响研究.pdf

2 0 1 4年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 4 No 6 J u n e 废弃矿物掺合料对混凝土收缩抗裂性能影响研究 林 聪 ， 刘福胜 ， 任 淑霞， 赵 井辉 ， 高文涛 ( 山东农业大学水利土木工程学院， 泰安 2 7 1 0 1 8 ) 摘要 ： 研 究 了 花 岗岩 石 粉 、 粉 煤 灰 、 石 屑 石 粉 单 掺 ( 1 0 、 2 0 、 3 0 ) ， 以及 双掺 对 混 凝 土 收 缩 抗 裂 各 项 性 能 的影 响 。 结果表明 ， 花 岗岩石粉 、 石屑石粉 掺量 2 0 、 粉 煤灰掺 量 3 0 为最优掺量 ， 花 岗岩石粉与粉煤灰、 石屑石粉与粉煤 灰 均 按 1： 2双掺 最 优 。 关键词 ： 废弃物 ； 掺合料 ； 收缩与抗裂性能 A b s t r a c t ： T h e i n f l u e n c e s o f s i n e d o p e d 1 0 g r a n i t e p o w d e r 2 O f l y a s h o r 3 0 s t o n e c h i p p o w d e r a n d d o u b l e mi x i n g 2 0 o f t h e g r a n i t e p o w d e r a n d fl y a s h o r 2 0 o f s t o n e c h i p p o wd e r a n d f l y a s h o n t h e s h r i n k a g e a n d c r a c k p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e a r e s t u d i e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e o p t i ma l c o n t e n t o f t h e g r a n i t e p o wd e r ， s t o n e c h i p p o w d e r a n d f l y a s h i s 2 0 ， 2 0 a n d 3 0 r e s p e c t i v e l y ； t h e c o - d o p e d o p t i ma l p r o p o r t i o n s o f t h e g r a n i t e p o wd e r a n d fl y a s h ， s t o n e c h i p p o w d e r a n d f l y a s h a r e t h e s a me ， a l l 1 ： 2 Ke y wo r ds ：W a s t e ；Admi x t u r e ；Sh r i n k a g e a nd c r a c k pr o p e r t i e s 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 6 9 0 0 4 0前 言 水泥生产业是能源、 自然资源消耗极 为密集的 产 业 ， 每 生 产 I t 水 泥耗 标 准 煤 约 2 0 0 k g 。 耗 电约 8 8 度。水泥生产过程中会产生大量的二氧化碳等温室 气体及二氧化硫 、 氮化物、 氟化物等有害气体。石材 加 工 过 程 中 会 产 生 大量 的 石 粉 ， 发 电 、 供 暖 过 程 中 会产 生 的大 量粉 煤灰 。 目前 ， 除粉 煤灰 外 ， 花 岗岩石 粉 与 石 屑 石 粉 的再 生 利 用 率 较 低 ，带 来 了堆 积 如 山、 占用土地 、 污染环境等一系列问题 。以花 岗岩石 粉为例 ， 全国花岗岩石粉年产量约 5 0 0万 t 并 以每 年 约 1 5 增 量 递 增 ， 占用 了 大 量 土地 并 对 周 边 空 气 、 水质 产 生严重 污染 。国内外试 验研 究表 明 ， 一定 细度的花岗岩石粉 、 粉煤灰等能够改善混凝土的工 作性能 ， 填充 混凝 土空隙 ， 在混凝土 中起到微集料 作 用 ， 改 善混凝 土的相 关性 能 1 - 4 1 。“ 十 二 五” 在 “ 十一 五” 大力推进节能减排 ， 发展循环经济 ， 建设资源节 约 型环 境 友 好 型社会 基 础 上 ， 在 加 强 资源 循 环 利用 方面专 门提出加强煤矸石 、 粉煤灰等大宗工业 固体 废 物 的综 合 利用 。因 此 ， 如何 合 理 有效 利 用 工 业废 弃物 ，降低工程 中的水泥用量具有显著经济意义 、 社 会意 义 和生态 意 义 。 1 试验材 料 及配 合 比 1 1 试验 材料 水 泥 ： P O 4 2 5级水 泥 ， 主要 性能 见表 1 。 表 1 水泥的主要 性能指标 花 岗岩 石粉 、 石 屑 石粉 、 粉 煤灰 ： 试 验 用 花 岗岩 石粉 、 石屑石粉 、 粉煤灰来 自泰安某石材加工厂 、 当 地 电 厂 、 石 子 开 采 场 等 地 ， 粉 煤 灰 的 细 度 为 2 1 9 2 1 m， 石 屑石粉 和煤矸石经粉碎 、 研磨 、 筛分后 粒 径 均为 0 1 5 0 l x m。 砂 ： 采用 河砂 ， 表观密度 2 6 9 8 k m ， 细度模 数 2 6 7 基 金 项 目 ： 山 东 省 重 大 水 利 科 研 及 技 术 推 广 项 目( S D S L K Y2 0 1 2 0 9 ) 。 一 9 0一 石 ： 采 用 粒径 5 - 2 0 mm 的连续 级 配 碎石 ， 表 观密 度 2 6 7 8 k g m 外加剂 ： 萘系高效减水剂 。 1 2配合 比 试验用混凝土配合 比见表 2 。 2 劈 裂抗 拉强 度试 验结 果与 分析 2 1 不 同掺量 的废弃物掺合料对混凝 土劈裂抗拉 强 度 的影 响 图 1为不 同废弃物掺合 料对混凝土劈 裂抗 拉 强度影响的试验结果 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 林聪 ， 刘福胜， 任淑霞 ， 等 废弃矿物掺合料对混凝土收缩抗裂性能影响研究 表 2 试验用混凝土配合 比 k g m 编号 水 水泥 粉煤灰 砂 石 减水剂 注 ： J 组代表基准组混凝土 ， H1 花 岗岩石粉掺量为 1 0 ， H 2花岗岩石粉 掺量为 2 O H 3花 岗岩石粉掺 量为 3 0 ， F 1粉煤灰掺 量为 1 0 ， F 2粉 煤灰掺 量为 2 0 ， F 3粉煤 灰掺量 为 3 0 ， S 1石屑 石粉掺 量为 1 0 ， S 2 石屑石粉掺量为 2 0 ， S 3石屑石粉掺量为 3 0 ， C 1花岗岩石粉与粉煤 灰按 1 ： 2掺 加 2 O 。 C 2花岗岩石粉 与粉煤灰 按 1 ： 1掺加 2 0 ， C 3花 岗 岩 石粉 与粉 煤灰 按 2 ： l掺加 2 0 ， C 4石 屑石 粉 与粉 煤 灰按 1 ： 2掺 加 2 0 C 5石屑石粉 与粉煤灰按 1 ： 1 掺 加 2 0 ， C 6石 屑石粉 与粉煤灰 按 2 ： 1掺 加 2 0 由图 1 可以看 出， 当三种掺合料掺量均为 1 0 时 混凝土 2 8 d劈裂抗拉强度大于基准组混凝土 ； 当掺量为 2 0 fl v j ， 混凝土 2 8 d劈裂抗拉强度与基准 组 混 凝 土 接 近 ： 当掺 量 为 3 0 时 ， 混 凝 土 2 8 d劈 裂 抗拉强度较基准组混凝土有一定程度的下降。这样 的试验结果说 明 ， 当掺合料掺量为 1 O ， 其 在混凝 土 中的微集料效应得到充分发挥 ， 增强 了混凝土的 劈裂抗拉强度 ： 随着掺量 的进一步增加 ， 由于凝胶 材 料 的减 少 同 时花 岗岩 石粉 和 石 屑石 粉 的 活性 有 限 参 与水 化 反应 的程度 较 小_ 5 I 。 粉 煤灰 虽 具 有 一定 的活性6 l 。 但无法弥补胶凝材料减少带来 的负面效 应 所以 混凝土的劈裂抗拉强度逐渐降低。三种掺 合料在改善混凝土的劈 裂抗 拉强度方面 的优劣 为 粉煤灰优于花岗岩石粉优于石屑石粉。 2 2掺合料双掺对混凝土劈裂抗拉强度的影响 图 2为掺合料双掺对混凝土劈裂抗拉强度影 响 的试验 结果 从 图 2可 以看 出， 掺量 为 2 0 时 双掺相对 于 单掺可 明显增加混凝土的劈裂抗压强度 ； 双掺花岗 岩石粉与粉煤 灰对混凝土劈裂抗压强度 的影 响优 于双掺石屑石粉与粉煤灰。试验结果说 明 ， 双掺能 够改善掺合料颗粒的级配 。 更好发挥掺合料在混凝 3 5 皇3 0 越 2 5 骥2 0 辑 1 5 O O J H1 H2 H3 F1 F2 F 3 S 1 S 2 S 3 图 1 掺合 料对混凝 土劈 裂抗 拉强度的影响 3 5 皇3 0 越 2 5 骥2 0 辑 1 5 黜 O0 J H2 2 S 2 C1 C 2 C3 C4 C5 C6 图 2掺合料双掺对混凝土劈裂抗拉强度的影响 土中的填充效应 ， 改善混凝土 内部孔结构 ， 增加混凝土的劈裂抗拉强度。 3干燥 收缩 性能 试验 结果 与分 析 干燥收缩指 的是混凝 土停止养护后 ， 在不饱和空气 中失去 内部毛细孔水 、凝胶 孔水及吸附水而发生 的不可逆收缩， 干燥 收缩在普通混凝土收缩中占主要地位7 1 。 本 试验研究 了不 同掺量废弃物掺合料对混凝 土标 养 1 d 、 3 d 、 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 、 6 0 d 、 9 0 d后 的 干 缩值影 响规 律 。 试 验结 果见 图 3 图 7所示 。 3 1 单掺与双掺掺合料对混凝土干缩值的影响 从图 3 图 5可以看出 ， 掺加掺合料后试件不 同 龄 期 的干 缩 值 均 比 同龄 期 的 基 准 组 混凝 土 有 所 下 降 ： 各组试件 的早期干缩较快 ， 随着龄期 的增加干 缩速率逐渐减缓 ： 单掺时 ， 各组试件 的干缩值总体 上随着掺合料掺量的增加逐渐减少 ， 掺量低于 2 O j型 好 H _ j璺 婿 U一 时间， d 3 花 岗岩石粉对混凝土干缩值的影响 时间 d 图 4粉煤灰对混凝土干缩值 的影响 一 9l一 6 6 6 6 6石 6 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 如 如 如 如 鲫 如 如 n U n n U n n n n U 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 o o o 0 0 o 0 o 0 o 铝 o 0 o 0 o o 0 铝 铝 0 o o 0 o 0 0 铝 o o o O 4 8 2 4 8 2 4 8 2 4 8 2 4 8 2 船 勰 勰 勰 m n 乃 叭 O 图 O 咖 瑚 咖 枷 姗 瑚 0 图 啪 枷 枷 姗 抛 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 6 期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 8期 3 5 0 3 0 0 专 2 5 0 3 2 0 0 魍1 5 0 好 1 0 0 5 O 0 逛l 嘏 图 5石屑石粉对混凝土干缩值的影响 图 6 双掺花岗岩石粉和粉煤灰对混凝土干缩值的影响 3 5 0 3 o o 2 5 0 王 2 0 0 画 1 5 0 嫖1 0 0 H _ 5 O O J H1 H2 H3 F1 F 2 F 3 S1 S 2 S 3 图 8 三种掺合料对混凝土 2 8 d干缩值的影响 时 。 混凝土 干缩值 的降低 幅度较 大 ， 掺量大于 2 0 后 ， 掺 合 料 对抑 制 混凝 土 的 干缩 提 高 的 幅度 不 太 明 显 。试验 结果 说 明 ， 混 凝土 养护 过程 中 ， 其 早期 的收 缩速率较快 ， 所 以， 加 强早期水养对减少混凝 土的 干缩 ， 防止混 凝 土 开裂 有 重要 意 义 。掺 合 料 在 混凝 土中能够填充混凝土 内部 的孔 隙 。 细化 、 分 化原混 凝土 内部 的充水空间 ， 阻断混凝土 内部水分 向混凝 土表面的扩散通道 降低混凝 土内部的水消耗 。另 外 ， 由于 掺 合 料 具 有 较 大 的 比表 面 积 ， 能 够 吸 附 大 量 的水分子 ， 可为混凝 土中凝胶材料的水化过程提 供有效的内养护。由图 8可 以看 出 ， 三种废弃物掺 合料对混凝 土干燥 养护 2 8 d干缩 的抑制作 用效果 为 ： 花 岗岩 石粉 粉煤 灰 石屑 石粉 。 3 2 单掺与双掺对混凝土干缩值 的影响对比 图 9为单掺 与双掺掺合 料对混凝土 2 8 d收缩 值影响的试验结果。 9 2 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 嫖1 0 0 H _ 5 O O J H2 F2 S 2 C1 C2 C3 C4 C5 C6 图 9 单掺与双掺掺合料混凝土 2 8 d干缩值 从 图 9可 以看 出， 掺量为 2 0 时 。 双掺花岗岩 石粉与粉煤灰对混凝 土干缩 的抑 制作用 大于单掺 废弃物掺合料 ； 双掺石屑石粉与粉煤灰对混凝土干 缩的抑制作用与单掺相差不大 ； 石屑石粉掺量较大 时 ， 混凝土干缩值较大 ， 随着粉煤灰掺量 的增 加 ， 混 凝 土干 缩值 逐 渐 减少 。 由此 可 见 ， 双 掺 花 岗岩 石 粉 与粉煤灰对混凝土干缩的抑 制作用优于双掺石屑 石粉与粉煤灰。 4 抗 压弹 性摸 量试 验结 果与 分析 4 1 不 同掺量掺合料对混凝 土轴心抗压强度 的影 响 图 l 0为混凝土轴心抗压强度试验结果 。 从 图 1 0可 以看 出 ， 废 弃 物掺 量 为 1 O 时 ， 混 凝 土 的轴心抗压强度值与基准组混凝土接近 ： 掺 量大 于 1 0 时 ， 随着掺合料掺 量的增加 ， 各组试件 的轴 向抗压强度值逐渐减少 。试验结果说明 ，掺量为 1 0 时，掺合料 的微集料效应能够抵 消混凝土中胶 凝材料减少带来 的负面效应 ，当掺量继续增大时 。 胶凝材料减少对混凝土轴心抗压强度的负面影 响 占主导地位 ， 混凝土轴心抗压强度值逐渐减少 。 4 2 双掺对混凝土轴心抗压强度的影响 图 1 1为双掺掺合料对混凝土轴心抗压强度影 响 的试验 结果 。 重 J H2 F 2 S 2 Cl C2 C3 C4 12 5 C6 图 1 1 双掺对混凝土轴心抗压强度的影响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 林聪 ， 刘 福胜 ， 任 淑霞 ， 等 废 弃矿 物掺 合料 对混凝 土 收缩抗 裂性 能影 响研 究 从 图 l l 可 以看 出 ， 掺量 为 2 O 时 ， 双 掺 花 岗岩 石粉与粉煤灰混凝土的轴心抗压强度略高于单掺 ， 双掺石屑 石粉 与粉煤灰混凝土干缩 的轴心抗压强 度与单掺接近 ，其 中 C 5组试件的轴心抗压强度明 显低于单掺 的各组试件 。试验结果说明 ， 双掺花 岗 岩 石 粉 与粉 煤 灰 对 混 凝 土 的轴 心 抗 压 强 度 影 响较 单掺有一定的提高 ， 双掺石屑石粉与粉煤时混凝土 轴 心抗 压 强度较 单掺 组有 所下 降 。 4 3 不 同掺 量 掺 合料 对 混 凝 土 抗 压 弹性 模 量 的影 响 弹性 模量 是 混凝 土 的重 要 力 学性 能 ， 它 反 映 了 混 凝 土 所受 应 力 与所 产生 应 变之 间 的关 系 为 了提 高混凝土 的抗裂能力，通常是提高混凝土的抗拉强 度和极 限托伸值，降低混凝土的弹性模量及收缩变 形等。降低混凝土的弹性模量将有助于提高混凝土 的抗裂 性 能【8 1 。 图 l 2为各掺合料对混凝土抗压 弹性模量影响 试验结 果 。 4 0 3 5 3 0 塑 枯1 0 0 J Hl H2 H3 F1 F 2 F 3 S1 S 2 S 3 冈 1 2掺合料对混凝土抗压 弹性模量 的影 响 从 网 l 2可 以看 出 ，随着 掺 合料 掺 量 的增 加 ， 混 凝 土 的抗 压 弹性 模 量 与 混 凝 土 轴 心 抗 压 强 度 呈 现 相 同的趋 势 。掺 合 料掺 量 为 1 0 时 ， 混 凝 土 的抗 压 弹性模量值与基准组混凝土接近 ：掺量大于 l 0 时， 随着掺合料掺量的增加 ， 各组试件 的抗压弹性 模量逐渐减少。试验结果说明 掺量为 1 0 时 ， 掺合 料 能 够 适 当发 挥 微 集 料 效 应 ：但 当掺 量 继 续 增 大 时 ， 胶 凝 材料 减 少 对混 凝 土抗 压 弹性 模 量 的负 面影 响 占主 导地 位 ，混 凝 土抗 压 弹性 模 量逐 渐 减 少 ， 有 利 于提 高提 高混 凝土 的抗 裂性 能 4 4单掺与双掺对混凝土抗压弹性模量的影响 图 l 3为 双掺 配 比试 件 混 凝 土抗 压 弹 性模 量 试 J H2 F 2 S 2 Cl C2 C3 C 4 C5 C6 冈 1 3双 掺 对 混 凝 土 抗 压 弹 性 模 量 的 影 响 验结果 。 从 图 1 3可 以看 出， 掺量 为 2 0 时 ， 双掺花 岗岩 石粉与粉煤灰混凝土 的抗压弹性模量高于单掺 ， 并 与基 准组 接 近 。双 掺 石 屑石 粉 与粉 煤 灰 混 凝 土 时 。 当粉煤灰与石粉掺量为 2 ： 1 时， 混凝土 的抗压弹性 模量高于单掺 ， 其值接近基准组。试验结果说 明 双 掺 花 岗岩 石 粉 与粉 煤 灰 或 双 掺 石 屑 石 粉 与 粉 煤 灰 对 混 凝 土 抗 压 弹性 模 量 的影 响较 单 掺 总 体 有 一 定 的提 高 ， 即双 掺 不利 于混凝 土 的抗 压 弹性 模 量 的 降 低 ， 即不 利 于提高 混凝 土 的抗 裂性 能 。 5 结论 ( 1 ) 单掺花岗岩石粉与单掺粉煤灰对混凝土的 抗 裂 性能 影 响优 于 石 屑石 粉 ； 双 掺 花 岗岩 石 粉 与 粉 煤灰优于单掺各组 ， 双掺石屑石粉与粉煤灰与单掺 组接近 ，以上三种矿物掺合料掺量在 3 0 以内时 各 组 混凝 土 的抗 裂 性 能均 优 于基 准 组 ， 花 岗岩 石 粉 与粉煤灰 1 ： 2双掺抗裂效果最佳 。 ( 2 ) 综合考虑废弃矿物掺合料 的利用率 ， 以及 混凝土各项抗裂性能 ， 可以确定花岗岩石粉 、 石 屑 石粉掺量 2 0 、 粉煤灰掺量 3 0 ， 花 岗岩石粉 与粉 煤 灰 、 石 屑石 粉与 粉煤 灰均 按 1 ： 2双掺 最优 。 参 考 文 献 ： 1 巴恒 静， 杨 英姿， 赵霄龙 掺合料复合 化对高强混凝 土强 度及显微结构 的影 响 J 1 混凝 土， 2 0 0 0 ( 9 ) ： 7 1 0 2 刘数华， 阎培渝 石灰石粉对水泥浆体填充效应 和砂浆孔 结构 的影响 J 1 _ 硅 酸盐 学报， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 ) ： 6 9 7 2 3 S h u g u a n g H u ， Y u e L i ， Q i n g j u n D i n g S t u d i e s t o I m p r o v e t h e Lo n g t e r m St r e ng t h o f Al u mi na Ce me nt b y Li me s t on e Ad di t i o n J 1 J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 1 9 9 8 ， 1 ( 1 ) ： 4 9 - 5 3 4 S h u h u a L i u ， P e i y u Y a n I n fl u e n c e o f L i m e s t o n e P o w d e r o n Fi l l i ng Ef f e c t o f Ce me n t Pa s t e a n d Po r e S t r uc t ur e o f Sa n d Gr o u t l J 1 J o u r n a l o f t h e C h i n e s e C e r a m i c S o c i e t y ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 ) ： 6 9 7 2 5 】 G a n g g a n g D o n g ， F u s h e n g L i u ，S h u x i a R e n ， C o n g L i n T h e I n fl u e n c e o f G r a n i t e P o w d e r o n Me c h a n i c s P r o p e r t i e s o f Ce me n t Mo a a r E 1 A d v a n c e d M a t e r i a l s R e s e a r c h ， 2 0 1 2 ， 5 8 0 ： 5 2 1 5 2 7 【 6 谷章昭， 周保卫， 乐美 龙， 等 粉煤 灰的火 山灰活 性指数 J 1 混凝土， 1 9 9 1 ， 1 9 ( 2 ) ： 1 1 2 1 1 7 7 张巍， 杨全兵 混凝土收缩研究综述 J _ 低温建筑 技术， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 4 - 6 8 刘数 华， 方坤 河， 王 晓燕 混凝 土抗 压 弹性 模量研 究 J 大 坝与安全 2 0 0 4 ( 6 ) ： 7 9 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 4 2 5 作者简介 ： 林聪( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 硕士研 究生。 通讯地 址 ： 泰安市岱宗大街 6 号 联 系 电话 ： 1 5 8 6 6 0 1 0 9 7 7 E ma i l ： l i n c o n g h e y e1 6 3 c o r n 一 93 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m