矿渣、沸石粉复合掺合料在混凝土中的试验研究.pdf

2 0 1 1年第 l 2期 l 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI N A C 0NC RE T E AND CE MEN T P R0DUC T S 2 011 No 1 2 De c e mb e r 矿渣、 沸石粉复合掺合料在 混凝土中的试验研究 明 阳 ， 陈 平 ， 李 玲 。 ， 郭 一锋 ( 1 桂林理工大学材料科学与工程学院 5 4 1 0 0 4 ； 2 有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室 ， 桂林 5 4 1 0 0 4 ； 3 温州大学化学与材料工程学院 3 2 5 0 2 7 ) 摘 要 ： 通过 正交试验 ， 研 究了用水 量、 砂率 、 沸石掺量、 矿渣掺 量、 沸石 比表 面积 5因素对矿渣一沸石 混凝 土工 作性能 、 抗压强度和氯 离子渗透性 的影 响。综合考虑各 因素对三指标 的影响 ， 得 出制备 C 4 0混凝土 的适 宜配合比 为 ： 水量 1 6 0 k g m 3 ， 砂率 4 0 ， 矿渣掺量 3 0 ， 沸石掺量 1 5 ， 沸石 比表 面积 5 3 0 m2 k g 。通过扫描电子显微 镜 S E M 对 混凝土微观 结构和水化产 物形貌进行 了简要分析。 关键词 ： 矿渣 ； 沸石 ； 掺合料 ； 正交试验 氯 离子渗透性 Ab s t r a c t ：B y u s i n g t h e o r t h o g o n a l t e s t ， t h e i n f l u e n c e s o f t h e w a t e r c o n s u mp t i o n ， s a n d r a t i o ， d o s a g e o f z e o l i t e a n d s l a g a n d s p e c i f i c s u r f a c e a r e a o f z e o l i t e o n t h e wo r k a b i l i t y ， c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n o f t h e s l a g - z e o l i t e 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 s u i t a b l e mi x p r o p o r t i o n o f C 4 0 s l a g z e o l i t e c o n c r e t e i s t h a t ：t h e wa t e r c o n s u mp t i o n i s 1 6 0 k g m ， t h e s a n d r a t i o i s 4 0 ， t h e d o s a g e o f s l a g i s 3 0 ， t h e d o s a g e o f z e o l i t e i s 1 5 ， a n d t h e s p e c i f i c s u rfa c e a r e a o f z e o l i t e i s 5 3 0 m2 k g T h e mi c r o s t r u e t u r e of c o n c r e t e a n d m0 r p h o l o g y o f h y d r a t i o n p r o d u c t s a r e a n a l y z e d b y s c a n ni ng el e c t r o n mi c r o s c o py Ke y wo r d s ： S l a g ； Z e o l i t e ； Ad mi x t u r e s ；O r t h o g o n a l t e s t ； C h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n 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 1 ) 1 2 1 O 一 0 5 0前 言 绿色混凝 土与普通混凝土相 比具有资源 和能 源消耗少 、 对环境污染小和循环再生利用率高的优 点 ， 是可持续发展的方 向I ” 。大量利用工业废渣是绿 色混凝土的主要特点嘲 。沸石粉是天然沸石岩经磨 细后形成的一种火山灰质材料，含有大量活性 S i O 和 A 1 ： O ， 3 1 ， 可与水泥水化放出的 C a ( O H ) ： 反应生成 更多的 C S H凝胶和水化铝酸盐4 J ， 从而很好地改 善硬化水泥浆体的微观结构嗍 ， 其火山灰活性优于 粉煤灰和矿渣， 廉价易得。 由于我国建筑规模 巨大 ， 造成 了硅灰 、 矿渣 、 粉 煤灰等辅助性胶凝材料 的价格越来越高 ， 寻找廉价 替代材料势在必行。为保证混凝土的后期强度 ， 本 试验采用廉价沸石粉代替粉煤灰 ， 与矿渣复合配制 常用的 C 4 0混凝土，并研究了矿渣一 沸石混凝土的 工作性和氯离子渗透性。 1 试验 基金项 目： 有色金属及材料加工新技术教育部重 点实 验室 基 金项 目( 桂科能 0 8 4 2 0 0 3 - 3 A ) 。 一 l 0 1 1原材料 水泥 ： P 0 4 2 5级水泥 ，胶砂 2 8 d抗 压 强度 4 8 6 MP a ， 抗折 8 1 M P a ； 砂 ： 桂林本地河砂 ， 细度模 数 2 8 ； 石子 ： 桂林本地矿山开采碎石 ， 粒径 5 3 0 mm 连续级配 ； 水 ： 城市用 自来水和去离子水 ； 高效减水 剂 ： A F C A聚羧酸系缓凝高效减水剂 ， 减水率 1 7 一 2 0 ，建议掺量为胶凝材料质量的 2 2 5 ； N a C l ： 分析纯 ； N a O H： 分析纯 ； 矿渣粉 ： 柳州钢铁厂产高 炉矿渣 ， 主要化学成分见表 1 ， 取 5 k g 矿渣于 1 0 5 下烘 干至含水率小 于 l 后放 人 5 0 0 mm 5 0 0 mm 的试验小磨中粉磨 ， 根据经验控制矿渣 比表面积在 4 1 0 m V k g左右 ， 粉磨后为 白色微粉 ， 密度为 2 8 6 g c m ， 根据 G B rI l 8 0 4 6 2 0 0 0 ( 用于水泥和混凝土 中的 粒 化高炉矿渣粉 进 行检测 ， 属 $ 9 5级 矿粉 ； 沸石 粉 ： 广西天然沸石 ， 主要化学成分见表 1 ， 分别取 5 k g 沸 石 于 1 0 5 下 烘 干 至 含 水 率 小 于 1 后 放 入 5 0 0 m m 5 0 0 m m的试验小磨 中粉磨 ， 分别粉磨至比 表面积为 4 6 0 、 5 3 0 、 6 0 0 、 6 7 0 m Z k g ，根据 J G 厂 r 3 0 4 8 1 9 9 8 ( 混凝土和砂浆用天然沸石粉 进行检测 ， 以上 沸石粉均属 F S 级沸石粉。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 明 阳， 陈平 ， 李玲 ， 等 矿渣 、 沸石粉复合掺合料在混凝土中的试验研究 1 2 试 验 方法 参照 G B T 8 0 7 4 2 0 0 7 水泥比表面积测定方法 ( 勃 氏法 ) ，测试粉体 比表面积 ；参照 G B r 5 0 0 8 0 2 0 0 2 ( ( 普通混凝土拌合物性能试验方法标准 ， 测试 混凝土拌合 物性 能 ； 参照 G B ,r r 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ( ( 普通混 凝土力学性能试验方法标准 ，测试各龄期混凝土 的力学性 能 ； 参照 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 ( 普通混凝土长 期性能和耐久性能试验方法标准 ，测试混凝土 6 h 电通量值 。 1 3 试 验 方案 在进行 了大量初步探索性试验 的基础上 ， 将水 胶比定为 0 4 3 。 选取用水量为 1 6 6 k g m 。 ， 为获得较好 的工作性能 ，固定减水剂掺量 为胶凝材料质量 的 2 ， 基准混凝土配合 比及性能测试结果见表 2 。为 考察各 因素问的协同作用 ， 矿渣沸石取代试验采用 表 3中 L 。 ( 4 5 ) 正交试验表进行配合 比试验。 表 2 基准混凝土配合 比及性能测试结果 2 试验结果与讨论 度和氯离子渗透性为考核指标 ， 分析各因素对坍落 2 1 配合 比试验 度 、抗压强度和氯离子渗透性 的影 响规律及显著 以矿渣一 沸石混凝 土的坍落度 、各龄期抗压强 性 ， 从而选取最佳试验方案。正交试验结果见表 4 。 表 4 L 6 ( 4 ) 试 验方案及 试验结果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 l 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 8期 2 1 1 和易性分析 为了更直观地分析各因素对坍落度 的影响 ， 绘 制正交试验趋势图如 图 1 所示 。由图 1 可知 ， 各 因 素对坍落度影响的显著性为 ： 用水量 沸石掺量 沸石 比表面积 砂率 矿渣掺量。由 5因素对坍落 度的影响趋势图可知， 最佳组合为 A 4 B 1 C 2 D 3 E 1 ， 即 用水量 1 7 2 k g m ， 砂率 3 4 ， 沸石掺量 1 5 ， 矿渣掺 量 3 0 ， 沸石比表面积 4 6 0 m2 k g 。 量 g 密 Al AZ A3 A4 18 l B2 B3 B4 Cl 2 3 C4 DI JJ 2 D3 D4 El 卜 _2 E3 E4 因素水平 图 1 因素水平对坍 落度 的影 响 2 1 2 各 龄期 强度 分析 各因素对不 同龄期强度影 响的分析结果见表 5 。试验结果表明： ( 1 ) 沸石掺量对 昆凝土抗压强度影响最大 ， 早 期强度随着沸石掺量的增加迅速下降， 沸石掺量为 1 0 和 1 5 时 2 8 d强度变化不大 ， 但掺量超过 l 5 时 2 8 d抗压强度大幅下降 ，这是因为试验采用的 F S 级沸石粉活性较低 ，大量取代水泥势必降低 混凝土强度 ， 沸石适宜掺量为 1 5 。 ( 2 ) 沸石比表面积对混凝土抗压强度的影 响仅 次 于 沸 石 掺 量 ， 随着 沸 石 比表 面 积 的增 大 ， 混 凝 土 强度先增大后减小 ， 当沸石 比表面积为 5 3 0 m 2 k g时 各龄期强度均达到最高。这是因为沸石需粉磨到一 定的细度才能使其潜在活性发挥 出来 ， 但粉磨过细 不仅会增大需水量 ，而且颗粒级配不在最佳范围 ， 反 而影 响混凝 土 的力学性 能 。 ( 3 ) 用 水量对混凝土强度 的影响排在第三位 ， 混凝土强度随着用水量的增加先增大后减小 ， 当用 水量为 1 6 0 k g m 时 2 8 d抗压强度最大 。矿渣掺量 和砂率对混凝土强度影响相对较小 ， 其 中矿渣掺量 为 2 O 、 砂 率为 4 0 时混凝土 2 8 d抗压强度最大。 2 1 - 3 氯离子渗透性能分析 氯 离子 引起 的混 凝 土 构 件 内钢 筋 锈 蚀 是 最 常 见的混凝土耐久性 问题之一I 。为评估矿渣 、 沸石混 表 5各因素对强度的影 响 凝土的寿命 ， 本试验采用电通量法测试了混凝土标 准养护 2 8 d后抗氯离子侵蚀能力 ， 试验结果如图 2 。 AI A2 A3 A4 Bl B2 B 3 B4 Cl 2 3 【 4 l J l D2l J j D4 El l 2 E3 E 4 因素水平 图 2 因素水平 对混凝 土电通量 的影响 由图 2可以看出 ， 各因素对电通量影响的显著 性为 ： 矿渣掺量 沸石掺量 砂率 沸石 比表面积 一 1 2一 用水量 。 根据 A S T M C 1 2 0 2 ( 混凝土耐氯离子穿透 能力 电标试验方法 的规定 ， 混凝土氯离子渗透性 评价标准如表 6 【8 _ ， 6 h电通量值越小 ， 混凝土氯离子 渗透性越低。因此 ， 以氯离子渗透性为指标得出最 佳组合为 A 2 B 3 C 4 D 4 E 4 ，即用水量 1 6 0 k g m ，砂率 4 0 ， 沸石掺量 2 5 ， 矿渣掺量 3 5 ， 沸石 比表面积 6 7 0 m2 k g 。 表 6 混凝土 6 h电通量对氯离子渗透性 的评价标准 2 2 最适宜配比试验 以混凝土 2 8 d抗 压强度和氯离子渗透性为主 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 明 阳， 陈平， 李玲 ， 等 矿渣 、 沸石粉复合掺合料在混凝土中的试验研究 要参 考指标 ， 同时考虑混凝 土坍落度 ， 根据各影 响 因 素 的 主 次 综 合 分 析 ，得 出 最 适 宜 组 合 为 ： A 2 B 3 C 2 D 3 E 2 ， 即用水量 1 6 0 k g m ， 砂率 4 O ， 沸石 掺量 1 5 ， 矿渣掺量 3 0 ， 沸石 比表面积 5 3 0 mZ k g 。 最适宜配 比下的试验结果如表 7 。该配合 比重现性 好 ， 试验强度均达到 C 4 0标准 ， 混凝土坍落度较大 ， 达 到了 1 0 - 3 0 mm 的配制 要求 ， 2 8 d龄期混凝土 6 h 电通量均在 1 0 0 0 C以下 ， 氯离子渗透性为很低。由 此可见 ，采用 F S 级沸石粉替代粉煤灰等高价掺 合料可 以配制 出强度合格 、 工作性能较好 、 抗氯离 子渗透性较强的绿色混凝土。 2 3 微观结构分析 为 观 察 混 凝 土 内部 结 构 ，采 用 日本 J S M一 6 3 8 O L V扫描电子显微镜观察各龄期微观图片。图 表 7 矿粉沸石粉混凝土最佳配 比试验 3 、 图 4是两种混凝土标准养护 3 d的 S E M 图片。从 图 3可以看出 ，基准混凝土早期水化产物较多 ， 粒 状 的 C S H凝 胶较多 ，同时有少 量立 方片状 的 C a ( O H ) 2 和针状 钙矾石 ( A f t ) 生成 ； 从 图 4可 以看 出， 早期矿渣一 沸石粉混凝土 内部产生的粒状 C S H凝胶和立方片状 C a ( O H ) 晶体较 少 ， 无 针状 A f t 生成 ， 因此 ， 矿渣一 沸石粉混凝土早期水化较慢 ， 强 度 相对 基 准混凝 土 较低 。 图 5 、图 6是两种混凝土标准养护 2 8 d的 S E M 图片。从 图 5可以看出 ， 基准混凝土随着龄期 的增 长继续水化 ，粒状和纤维状的 C S H凝胶增多 ， 同 图 3基准混凝土标准养护 3 d的 S E M 照片 时产生了较多的针状 A f t ， 内部结构较早期密实； 从 图 6可以看出 ，矿渣一 沸石粉混凝土随着龄期的增 长水化产物增多， 这是因为矿渣粉和沸石粉早期水 化较弱 ， 随着水 泥水化产生 C a ( O H ) z 的增多 ， 矿渣 和沸石粉中活性成分硅铝氧化钙与 C a ( O H ) 进行二 次水化反应 ， 生成含水硅酸钙凝胶与含水铝酸钙凝 胶 ， 充分发挥 了矿渣 、 沸石 的潜在活性作用 ， 不仅 提高了混凝土的密实性与抗压强度 ， 而且混凝土的 抗氯离子渗透性也得到提高。此时除了产生大量粒 状 C S H凝胶外 ， 还有少量针状 A f t 产生， 因此 ， 矿 粉一 沸石粉混凝土 2 8 d抗压强度较基准混凝土毫不 图 4 矿渣一 沸石粉混凝土标准养护 3 d的 S E M 照片 图 5 基准混凝土标准养护 2 8 d的 S E M 照片 图 6 矿 渣一 沸石粉混凝土标准养护 2 8 d的 S E M 照片 一 l 3一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 1 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 8期 逊 色 。 许多因素决定 C 1 一 渗入混凝土的速度 ， 其中混凝 土孔级配、 孔隙率影响较大 ， 孔结构越粗化越开放 ， 孔隙率越大 ， C l 一 的侵入速度就越快。图 7 、 图 8是 两种混凝土 2 8 d电通量试验后表面结构的 S E M 图 片 ，从两 图可以明显看 出基准混凝 土表面大多为 2 0 2 5 m颗粒 ， 细小颗粒较少 ， 水化产物未能完全 覆盖颗粒 表面 ， 大颗粒之间有细小缝 隙 ； 而掺人超 细矿渣一 沸石粉后 的混凝土表 面颗粒粒径分 布连 续 ， 3 - 2 5 1 m颗粒均匀分布且相互填充达到紧密堆 积 ， 由于颗粒 间缝 隙较少且本身粒径较小 ， 少量水 化产物就能填充少量缝隙，从而使矿渣一 沸石混凝 土的表面更加密实 ，所以矿渣一 沸石混凝土中 C l 一 的 迁移速度较基准混凝土慢 的多。氯离子渗透性作为 评价混凝土耐久性 的一个重要指标 ，可见矿渣 、 沸 石粉的掺入能大大提高混凝土的耐久性 。 图 7 基准混凝 土 2 8 d电通量试验后的表面结构 图 8 矿渣一 沸石粉混凝土 2 8 d电通 量试验后 的表面结构 3 结 论 ( 1 ) 随着矿渣粉 和沸石粉掺量 的增加 ， 混凝土 坍落度、 抗压强度和氯离子渗透性均有不同程度下 降， 综合考虑各因素对三指标的影响 ， 得 出制备 C 4 0 混凝土的适宜配合 比为：水泥 2 1 3 k g m ，矿渣 1 1 6 k g m ， 沸 石 5 8 k g m ， 石 子 1 1 3 7 k g m 。 ， 砂子 7 5 8 k g 一 1 4 一 m ， 水 1 6 0 k #m ， 减水剂掺量 7 7 k g m 。 ( 2 ) 矿渣 、 沸石粉复合掺合料等量取代水泥配 以高效减水剂可 以配制出经济合理 、 性 能优 良的绿 色混凝土。3 0 矿渣粉和 l 5 沸石粉的掺入显著提 高了混凝土的抗氯 离子渗透性能 ， 提高了混凝土的 耐久性 。 ( 3 ) 矿渣一 沸石混凝土早期水化较慢 ， 但随着水 泥水化产生 C a ( O H ) 的增多 ， 矿渣和沸石粉 中活性 成分硅铝氧化钙与 C a( o n ) 进行二次水化反应 ， 充 分发挥 了矿渣 、 沸石的潜在活性作用 ， 不仅提高了 混凝土的密实性与抗压强度 ， 而且混凝土的抗氯离 子渗透性也得到提高 。 ( 4 ) 低活性沸石粉替代粉煤灰等高价掺合料与 矿渣粉双掺所配制 出的混凝土性能优 良， 抗氯离子 渗透性很强 ， 对海港及近海工程 中海工混凝 土的应 用有积极意义。 参考文献 ： 1 】 宋瑞旭， 万朝均， 王 冲， 等 高强度 再生骨 料和再 生高性 能混凝土试验研究 J 】 混凝土， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 2 9 - 3 1 【 2 】 刘数华， 冷发光 再生混凝土技术 M】 北京 ： 中国建材出版 社 2 0 0 7 3 】 武铁 明， 林怀立 利用沸石粉配制高性能混凝土 的应 用研 究【 J 】 混凝土， 2 0 1 1 ( 1 o ) ： l 7 2 0 【 4 】 O r t e g a E A ， C h e e s e m a n C ， K n i g h t J P r o p e rt i e s o f a l k a l i a c t i v a t e d C l i n o p t i l o l i t e 【 J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 1 o 1 ： 1 6 4 1 - 1 6 4 6 5 】 蒲心 诚， 王勇威 高效 活性矿 掺料与 混凝 土的 高性能 化 【 J 混凝土， 2 0 0 2 ( 3 ) ：2 1 - 2 3 【 6 】 杨静， 李滢 矿物掺 合料 的颗粒级 配对 高性 能混 凝土浆体 材料 力学性能 的影响【 J 】 工业建筑， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 6 ) ： 5 5 5 8 7 】 李春秋， 李 克非 干湿交替 下表层混凝 土中氯离 子传输 ： 原理 、 试验和模拟【 J 】 硅酸盐学报， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 4 ) ： 5 8 1 5 8 8 【 8 】 黄小玲， 常海燕， 李浩璇， 等 掺粉煤灰混凝 土的抗 氯离子 渗透性试 验研究 J 】 商品混凝土， 2 0 1 1 ( 0 5 ) ： 4 3 4 5 9 】 季雷 掺沸石粉配制高性能混凝土试验研究【 J 1 铁道建筑 技术， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 7 8 8 0 【 l O 肖佳， 邓德华， 唐咸 燕， 等 矿渣和石灰石粉双 掺对 混凝 土抗氯离子渗透性能影响的试验f J 工业建筑， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 1 0 ) ： 73 75 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 0 2 6 作者简介 ： 明阳( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 硕士研究生。 通讯地址 ： 桂 林市建干路 l 2号 联系电话 ： 1 5 2 9 6 8 1 7 3 0 6 E- ma i l ： my 5 7 4 0 8 1 6 6 7 1 2 6 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m