石粉对胶凝材料水化性能及路面混凝土力学性能的影响.pdf

2 0 1 2 年 第 2 期 (总 第 2 6 8 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 O 1 2 ( T 0 t a l N o 2 6 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M AT ERI AI， AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 2 0 2 1 石粉对胶凝材料水化性能及路面混凝土 力学性能的影响 黎鹏 平 。范志宏 1 I2 ，熊建波 1 I ，程从密 。 ( 1 水工构筑物耐久性技术交通部重点实验室，广东 广州 5 1 0 2 3 0 ； 2 华南理工大学 材料科学与工程学院，广东 广州 5 1 0 6 4 0 ； 3 广州大学 土木 工程学 院，广东 广州 5 1 0 0 0 6 ) 摘要： 采用正交试验方法研究了影响混凝土抗压强度和抗折强度的主要因素 ， 以优选混凝土配合比为基础， 考察了石粉含量对胶凝 材料水化性能及混凝土抗折强度和耐磨性能的影响， 结果表明： 提高石粉含量不仅降低了胶凝材料体系的最大放热速率， 且延迟了最大 放热速率出现的时间； 混凝土抗折强度和耐磨性能随石粉含量增加先提高后降低， 在石粉含量为 1 0 时抗折强度和耐磨性能达最大值 ， 在石粉含量为 3 1 3 的范围内范围内， 机制砂混凝土的抗折强度和耐磨性能均优于河砂混凝土试件。 关键词： 石粉含量； 水化热；抗折强度；耐磨性能 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标 志码 ： A 文章编 号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 6 9 0 3 I n f l u en c e o f l i mes t on e c on t en t on h ydr a t i on pr ope r t i e s o f pas t e an d me c han i c al pr ope r t i e s o f pa ve men t c on cr e t e LIP e n g-pi n g ， F ANZh i - h o n g ， XI ONGJ i a n - b o ， CHENGCo n g - mi ( 1 Ke yL a b o r a t o r yo f Ha r b o r a n d Ma r in e S t r u c t u r e D u r a b i l i t yT e c h n o l o g yo f t h eMi n i s t r yo f C o mmu n i c a t i o n s ， G u a n g z h o u 5 1 0 2 3 0 ， C h i n a 2 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a ndE ng i n e e rin g， So u t hChi n aUn i v e r s i t yo f Te c hn o l o g y， Gu ang z h o u 51 0 6 4 0， Ch i n a； 3 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Gu a n g z h o uU n i v e r s i ty， G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： T he ma i n f a c t o r s whi c h i n fl u e n c e d t h e c o n c r e t e fle x u r a l s tr e n g t h and c o mp r e s s i v e s tre n g t h we r e i n v e s t i g a t e d b y u s i n g o r m0 g O na 1 t e s t me t h o d Ba s e do nt he o rth o g o nt e s t r e s u l t s thei n flu e n c e o fs t o n ed u s t c o nt e n t o n c e me n t i t i o u sh y d r a t i o npr o p e r t i e s ， c o n c r e t efle x u r a l s tre n g t h a n d a b r a s i o n r e s i s t an c e we r e s t u d i e d the r e s u l t s s h o we d tha t t h e ma x i ma l h e at r e l e a s e r a t e a n d i t s c o r r e s p o n d i n g t i me d e c r e a s e d wi t h i n c r e a s ing t h e s t o n e d u s t c o n t e nt i n c e me n t i t i o u s Th e c o mpr e s s i v e s t r e n g t h a n d a b r a s i o n r e s i s t a n c e i nc r e a s e d fi r s t a n d t he n d e c r e a s e d wi th i n c r e a s i n g t h e s t o n e d us t c o n t e n t i n manuf a c t u r e d s and， i t r e a c h e d the ma x i ma l v a l u e wh e n t he s t o n e d u s t c o n t e n t wa s 1 0 I n t h e r a n g e s o f 3 1 3 ， the c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d a b r a s i o n r e s i s t an c e wh i c h u s i n g manuf a c t u r e d s an d we r e hi g h e r tha n t h at u s i n g r i v e r s a n d K e yw o r d s ： s t o n e d u s t c o n t e n t ； h y d r a t i o nh e a t ； fl e x u r a l s t ren gth； a b r a s i o n r e s i s t a n c e 0引言 1 试验原理及 方法 随着人们对环境资源保护意识的增强， 以及西部部分地区 无河砂资源可用的现状， 作为混凝土细集料的天然河砂资源日 益短缺 ， 已逐渐成为制约部分工程进展的主要因素 ， 而机制砂 的生产和利用可以很好地缓解由于河砂资源不足而出现的部 分问题， 机制砂的生产和应用也逐渐引起了人们的重视。 机制砂是指将开采岩石经机械破碎筛分而制成的砂， 机制 砂的质量不仅与母岩的性能有关， 还与机制砂的生产工艺有关， 不同的机制砂生产工艺所制备的机制砂质量相差甚远。 以往研 究人员对机制砂的研究主要集中于机制砂中的石粉含量对新 拌混凝土工作性能、 硬化混凝土的体积稳定性， 以及硬化混凝 土抗压强度的影响【 l_ 5 】 ， 且以往的研究主要是采用添加人工石粉 的方式进行 ， 而人工石粉与机制砂生产过程中产生的石粉在 粒径分布方面有很大的差异， 因此本研究采用添加机制砂石粉 的方式， 考察石粉含量对胶凝材料水化性能及路面混凝土力学 性能的影响， 为工程应用提供技术支持。 收稿 日期：2 0 1 1 8 _ 0 2 1 1 原材料 成型 昆 凝土用水泥为云南省文山州兴建水泥厂生产的兴建 牌 P O 4 2 5 级水泥， 成型净浆试件及测试胶凝材料水化热所用 水泥为珠江水泥厂生产的粤秀 P I I 4 2 5 R级水泥， 水泥的物理力 学性能见表 1 所示。 细骨料为经水洗工艺的机制砂， 细度模数为 3 _ 3 ， 表观密度为 2 6 6 0 k g m ， I I 区级配， 石粉含量为 3 0 ， 由石 粉的x射线衍射图可见( 图 1 ) ， 石粉的主要成分为 C a C O ， 。 粗 骨料为最大粒径 3 1 5 mm的碎石， 采用 5 1 6 1 1 1 1 1 1 和 1 6 3 1 5 mm 二级级配， 大小石比例为 6 ： 4 ， 表观密度为 2 6 8 0 k g m。 。 拌和用 水为自来水， 外加剂用广州四航材料科技有限公司生产的HS P - V 型聚羧酸高效减水剂。 1 2 试验 方案 和方 法 首先采用正交试验方法， 以混凝土 2 8 d龄期的抗折强度和 抗压强度为试验 目标， 获取对混凝土抗压强度和抗折强度影响 最大的因素， 通过对正交试验数据的整理分析后 ， 找出影响混 6 9 表 1 水泥的物理 力学性能 U lU 2U 3U 40 5 0 60 7 U 8 0 衍射角度 ， ( 。 1 图 1 石粉的 X射线衍射 图 凝土抗压和抗折的主要因素从而对混凝土配合比进行优化 ， 以 优选出的配合比为基础 ， 调整细骨料中的石粉含量， 考察石粉 含量对路面混凝土抗压强度 、 抗折强度， 以及耐磨性能的影响。 用 7 5 tx m的筛筛取机制砂中的石粉， 采用添加石粉的方式调整 机制砂中的石粉含量。 正交试验所用水胶 比为 0 3 6 、 O 3 8 、 0 4 O ， 石粉含量为 3 、 7 和 1 0 ， 胶凝材料用量为 3 6 0 、 3 8 0 、 4 0 0 k g m ， 砂率分别为 3 5 、 3 7 、 3 9 。 采用4因素 3水平的正交试验方法 ， 具体参数 见表 2所示。 通过调整减水剂的用量来控制混凝土的坍落度为 ( 1 0 0 _+ 2 0 ) ton i 。 同时利用石粉等量取代水泥， 研究石粉含量对净 浆试件抗压强度的影响， 净浆试件的水胶比为 O 3 2 ， 石粉含量 分别为： 3 、 5 、 7 、 1 0 、 1 3 。 表 2 混凝土配合比正 交设计方案及测试结果 X R D测试所用仪器为日本理学公司的D ma x I I I A型 x射 线衍射仪 ， 测试电压为4 0 k V， 电流 3 0m A， 扫描范围为 5 。 一 8 0 。 ， C u靶； 胶凝材料的水化热测试采用美国 We x h a m公司的J A F 水化热 自动测定仪 ； 混凝土试件抗折和抗压强度测试均依据 J T G E 3 0 -2 0 0 5 ( 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 进行； 混凝土耐磨试验采用江苏建仪生产的 T MS 一 0 4型混凝土耐磨 试验机。 1 3 试件的成型及养护 按照表 2中的配合比参数进行试验 ， 将原材料置于竖轴强 制式混凝土搅拌机中搅拌时间为 3 rai n 。 将搅拌均匀的混凝土装 入 1 0 0 mmx l 0 0 mmx l 0 0 mm的立方体钢模和 1 0 0 mm 1 0 0 mmx 4 0 0 n l l n的长方体体钢模中振动成型， 2 4 h后拆模并置于养护 室内养护。 净浆试件的尺寸为： 4 0 mmx 4 0 m mx l 6 0 m i Y l 。 7 0 1 4 正交试验结果分析及配合比优化 对表 2中的混凝土抗压强度和抗折强度数据进行正交直 观分析， 分析结果见表 3 所示。 表 3 正交测试分 析结果 由表 3可见 ， 胶材用量对混凝土试件的抗压强度影响最 大， 水胶 比次之， 砂率对试件的抗压强度影响最小 ； 同时 ， 胶 材用量和水胶 比是对混凝土试件抗折强度影响最大的两个 因素， 而石粉含量是对抗折强度影响最小的因素， 因此 ， 石粉 含量对混凝土试件 的抗压强度和抗折强度的影响权重并不 完全一致。 分别对正交试验数据进行因素指标分析， 筛选出的 较优配合比为： 胶材用量 4 0 0 k g m3 、 水胶 比 0 3 6 、 砂率 3 9 ， 改变细集料中的石粉含量 ， 以考察石粉含量对混凝土抗压强 度和抗折强度的影响， 同时采用相同的配合 比成型河砂混凝 土做基准试件。 2 试验结果及分析 2 1 石粉对胶凝材料水化性能的影响 2 1 1 石粉含量对胶凝材料水化热的影响 现有机制砂生产工艺无法将机制砂中的石粉完全除去， 因 此利用机制砂做细集料配制低强度等级的混凝土， 机制砂中的 石粉会参与胶凝材料体系的水化反应。 石粉含量对胶凝材料体 系水化热的影响见图 2 所示。 时 间 ， h 图 2 石粉含量对胶凝材料体系水化放热速率的影响 删 蹈 罄 时 间 ， h 图 3 石粉含量对胶凝材料体 系放热 总量的影响 从图 2可见， 在胶凝材料水化的最初几分钟内出现了一个 短暂却很激烈的水化反应， 水化放热速率较大但在很短时间内 放热速率会迅速降低 ， 在水化 5 - 6 h后放热速率又会逐渐提高并 达到最大值， 胶凝材料体系的最大放热速率随石粉含量的提高 而降低， 最大放热速率出现的时间随石粉含量的提高而延长。 从图 3可见 ， 胶凝材料的放热总量随石粉含量的增加而降低。 提高石粉含量会将水泥浓度稀释， 胶凝材料的水化总量有限， 总体上表现为胶凝材料放热总量的降低。 2 1 2 石粉含量对硬化浆体抗压强度的影响 石粉含量对 7 、 2 8 d龄期时硬化浆体抗压强度的影响见图4 所示 。 9 0 8 O 羔 警7 0 6 0 5 0 O 6 9 1 2 1 5 石 粉含量 ， 图 4 石粉含量对硬化 浆体抗压强度的影响 由图4可见， 7 、 2 8 d 龄期硬化浆体的抗压强度随石粉含量 的提高先增加后降低， 7 d龄期时， 石粉含量为 3 的试件的抗压 强度最高， 而 2 8 d 龄期时， 石粉含量为 7 的试件的抗压强度最 高， 表明 2 8 d龄期时部分石粉已参与胶凝材料体系的水化。 结合胶凝材料早期水化热测试结果可知， 早龄期时存在于 复合胶凝材料体系中的石粉颗粒作为水泥水化的成核场所 ， 致 使溶解状态中的 C S H遇到固相粒子并接着沉淀其上的概率 增大 ， 同时石粉颗粒的粒径较小， 在胶凝材料水化早期可以起 到填充作用， 且少量的石粉能够与水泥中的 C ， A和 C S 组分反 应 1 0 - 1 ， 因此少量的石粉取代水泥后可以提高硬化浆体的抗压 强度 ， 但是石粉含量过高后其稀释效应 占主导因素， 从而引起 抗压强度的降低。 2 2 石粉含量对混凝土抗折 强度的影响 石粉含量对 2 8 d龄期混凝土试件抗压强度和抗折强度的 影响见图 5 、 6 所示 。 石 粉 含 量 图 5 石粉含量对混凝土抗压强度的影 响 由图 5 、 6可见， 石粉含量对混凝土试件抗压强度和抗折强 度的影响并不完全一致， 在本试验测试范围内试件的抗压强度 随石粉含量增加而增大， 但抗折强度随石粉含量增加而先提高 后降低， 石粉含量为 1 O 时抗折强度达到最大值， 同时由图 6 可 见， 在石粉含量低于 1 3 的范围内， 机制砂混凝土试件的抗折 强度均高于河砂混凝土试件。 石粉的细度接近于水泥的细度 ， 混凝土中的胶材用量较低时机制砂中的石粉可以弥补混凝土 浆体材料不足的缺陷， 但当石粉含量过高时， 部分未参与水化 石粉 含量 ， 图 6 石粉含量对 混凝土抗折强度的影响 的石粉处于游离态 ， 阻隔浆体与界面的黏结， 对混凝土性能产 生不利影响从而造成抗折强度的降低。 2 3 石粉含量对混凝土耐磨性能的影响 石粉含量对 2 8 d龄期混凝土试件耐磨性能的影响见图 7 所示 ， 用磨损量来表征混凝土的耐磨性能， 磨耗量越大则表明 混凝土的耐磨性能越低。 吕 坷 删 越 石粉含 量 图 7 石粉含量对混凝土耐磨性 能的影响 由图 7可见 ， 混凝土的磨耗量随石粉含量的提高而先减少 后增大， 但在本试验的石粉含量范围内， 机制砂混凝土的磨耗 量均低于河砂混凝土试件 ， 石粉为 1 0 时磨耗量达到最小值， 当 石粉含量由7 增加至 1 0 时磨耗量降低较少。 这可能是因为 机制砂表面粗糙 、 多棱角， 其配制的混凝土界面黏结力大 ， 颗粒 之间机械啮合力强， 而混凝土的磨损过程与界面关系极大， 界面 黏结力越大， 混凝土耐磨性越好。 同时少量的石粉存在可以填充 于混凝土的孔隙内， 当石粉含量较高时， 未参与水化的石粉处 于游离状态会降低浆体与骨料之间的界面黏结力。 3结 论 ( 1 ) 胶凝材料体系的最大放热速率随石粉含量的提高而降 低 ， 最大放热速率出现的时间随石粉含量的提高而延长； 石粉 对胶凝材料体系水化性能的影响以物理效应为主。 ( 2 ) 路面混凝土试件的抗压强度随石粉含量增加而增大 ， 但抗折强度随石粉含量增加而先提高后降低， 石粉含量为 1 0 时抗折强度达 到最大值 。 在石粉 含量为 3 1 3 的范 围 内， 机 制砂混凝土试件的抗折强度均高于河砂混凝土试件。 ( 3 ) 路面混凝土试件的耐磨陛能随石粉含量的提高先增大后 减少， 石粉为 1 0 时耐磨性能达到最小值； 在石粉含量为 3 1 3 的范围内， 机制砂混凝土的磨耗量均低于河砂混凝土试件。 参 考文献 ： 1 杨文烈， 邸春福机制砂的生产及在混凝土中的应用 J J 混凝土， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 1 1 3 1 1 7 2 】 王稷良， 周明凯， 朱立德 机制砂对高强混凝土体积稳定性的影U NJ 武汉理工大学学报， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 1 0 ) ： 2 0 2 4 下转第 7 4页 7 1 表 5 混凝土抗渗性能试验结果 ( 3 ) 水化热。 本研究采用标准 J A F导热式热量计研究 Q S有 机钢筋阻锈剂对水泥水化的影响， 并与亚硝酸钙阻锈剂( c N) 的 水化热进行对比， 试验结果见图 3 。 皿 础 * 水 化时 间 ， h ( a ) 水化 热 速率 水化 时I司 h f b ) 水 化 放热 量 图 3 阻锈 剂对水泥水化放热的影响 从图 3中可以看出， 与不掺阻锈剂的空白试样相比较， 掺亚 硝酸钙水泥试样的水化放热速率增大， 放热峰时间提前 ； 而掺 Qs阻锈剂后， 水泥试样 2 4 h的水化放热量降低接近 1 0 ， 放热 峰推迟了将近 1 h ， 说明阻锈剂对早期水泥水化有降低作用， 这 对大体积混凝土的抗开裂l生 能有利。 ( 4 ) 干缩性能。 采用表 3中的 C R - 1 配合 比， 研究 QS阻锈 剂和亚硝酸钙阻锈剂( C N) 对混凝土干缩性能的影响， 试验结 果见图 4 。 上接第 7 1页 3 】 魏 页 祥， 蒋中珉 机制砂高强混凝土高温环境下的泵送施工 J 】 公路， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 5 5 5 7 1 4 4 易文 ， 王永和， 鲁云岗 机制砂混凝土强度与变形试验研究叨 中南林 业科技大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 6 ) ： 1 3 6 1 3 8 5 贺图升， 周明凯 ， 李北星， 等石粉对机制砂混凝土拌合物泌水率的 影D R J 混凝土， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 5 8 6 0 6 杨长辉， 张靖， 叶建雄， 等 早期养护条件对水泥石碳硫硅钙石型硫 酸盐腐蚀的影响 J J _土木建筑与环境工程， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 2 ) ： 1 3 5 1 3 9 7 尹耿， 马保国， 张风臣， 等超细石灰石粉水泥基材料早期性能研究 武汉理工大学学报， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 4 ) ： 1 1 6 1 1 9 8 】 刘数华 ， 阎培渝 石灰石粉在复合胶凝材料中的水化性能 J 1 _ 硅酸盐 学报 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 1 ) ： 1 4 0 1 1 4 0 5 【 9 】 J T G E 3 0 - - 2 0 0 5 ， 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 s ( 1 0 】 L 0 T HE N B A C H B， S AO U T G L ， G AL L U C C I E I n fl u e n c e o f l i m e s t o n e 7 4 ! 、 好 嗤 H - t d 图 4 混凝土干缩性能试验结果 由图 4可以看出， 相对于基准混凝土， QS阻锈剂的掺入使 混凝土干燥收缩有一定程度的减少， 其收缩减小主要出现在早 期， 到后期两者的发展趋势非常接近。 随着水化的进行， 两者的 差别逐渐减小。 而掺入亚硝酸钙后 ， 混凝土试件的干缩值较大， 这可能是由于亚硝酸钙使水泥水化速度加快， 部分胶凝材料可 能未能水化即被包裹其中， 影响了混凝土中的孔结构。 因此 ， 掺 入亚硝酸钙阻锈剂对于改善混凝土干缩l生 不利。 3结 论 ( 1 ) 混凝土浸烘循环试验研究表明， 有机钢筋阻锈剂能有 效抑制氯盐对混凝土中钢筋的腐蚀， 延缓钢筋发生锈蚀的时间， 具有优 良的阻锈效果。 ( 2 ) 有机钢筋阻锈剂能改善混凝土的工作性能 ， 提高混凝 土的抗氯离子渗透性， 略微降低水泥水化热和混凝土干燥收缩， 对混凝土的抗压强度无不利影响。 参考文献 ： 1 】 洪乃丰 混凝土中钢筋腐蚀与阻锈剂f J 】 _混凝土， 2 0 0 1 ( 6 ) ： 2 5 2 8 2 汤涛， 雷俊， 等 种新型钢筋阻锈剂的阻锈性能f J 】 _腐蚀与防护 ， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ： 6 4 2 6 4 5 【 3 兰明章， 孙启华有栅 昆 凝土阻锈剂的研究 J j 混凝土， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 7 2 7 5 4 AN D R AD E C， G O N Z A L E Z J AQ u a n t i t a t i v e me a s u r e m e n t s o f c o r r o s i o n r a t e o f r e i n f o r c i n g s t e e l s e mbe d d e d i n c o n c r e t e u s i n g p o l a r i z a t i o n r e s i s t a n c e m e a s u r e me n t s J Ma t e r i a l s a n d C o r r o s i o n ， 1 9 7 8 ( 2 9 ) ： 5 1 5 5 1 9 作者简介 联系地址 联系电话 杨林( 1 9 7 3 一 ) ， 男， 硕士， 工程师， 主要从事混凝土外加剂的 开发与应用研究。 武汉市武昌区民主路 5 5 3 号( 4 3 0 0 7 1 ) 0 2 7 8 78 9 3 2 3 6 o n t h e h y d r a t i o n of P o rt l a n d c e me n t s 叨C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 8， 3 8 ( 6 ) ： 8 4 8 8 6 0 【 1 1 Z H AN G Y o n g - - j u a n ， Z HA N G X i o n g R e s e a r c h o n e f f e c t o f l i me s t o n e a n d g y p s u m o n GA， C 3 S a n d P C c l i n k e r s y s t e m J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d Ma t e ri a l s ， 2 0 0 8 ， 2 2 ( 8 ) ： 1 6 3 4 1 6 4 2 1 2 KA K A L I G， T S I V I L I S S ， A G G E L I E H y d r a t i o n p rod u c t s o f GA， C 3S a n d P o a l a n d c e me n t i n t h e p r e s e n c e o f C a C O 3 f J C e me n t and C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 7 ) ： 1 0 7 3 一 1 0 7 7 作者简介 联系地址 联系电话 黎鹏平( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 博士， 研究方向： 从事高性能混凝土耐 久性研究。 厂州市海珠区前进路 1 5 7 号 中交四航工程研究院有限公 司 2 0 1 B室( 5 1 0 2 3 0 ) 1 5 9 2 0 3 0 4 4 2 7