混凝土高性能复合矿物掺合料的制备研究.pdf

第 3 8卷 第 3期 2 0 1 1年 3月 建筑技术开发 Bu i l di n g Te c h n i q u e De v e l o pme n t Vo 1 38， No 3 Ma r 2 01 l 混凝 土 高性 能复合矿物掺 合料 的制备研 究 彭 洪 ( 中铁八 局 集 团有 限公 司 ， 成 都 6 1 0 0 3 6 ) 摘要 利用多元工业废渣制备 了混凝土复合矿物掺合料 ， 并对其 活性进行 研究。通过 掺人具有 较高火 山灰活性 的 偏高岭土改性 以及废渣复合产生的化学成分互补和性能超叠加效应 ， 提高 了复合矿物 掺合料 的活性 指数 ， 制 备 出满 足 国标 要 求 的混 凝 土 高 性 能 复 合 矿 物 掺 合 料 。 关键词 】 复合矿物掺合料 ； 活性 ； 性能超叠加 中图分类号 T U 5 0 2 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 2 9 - 0 4 S TUDY oN THE HI GH PERFoRM ANCE CoM PoS I TE M I NERAL ADM I XTURE oF CoNCRETE Ab s t r a c t Ke y w o r d s P e n g Ho n g Co mp o s i t e mi ne r a l a dmi x t u r e s h a v e b e e n a c h i e v e d by us i n g v a r i o us i n d us t r i a l s o l i d wa s t e s ， a n d t h e a c t i v i t y wa s a l s o s t u di e d The a c t i v i t y i n de x wa s i mpr o v e d by mo d i fic a t i o n wi t h me t a k a o l i n， a n d t h e hi g h p e r f o r ma n c e c o mp o s i t e mi n e r a l a d mi x t u r e s wa s p r e pa r e d t h r o u g h c he mi c a l c o m p o s i t i o n c o m p l e m e nt a t i 0 n，c l o s e p a c k i n g e f f e c t a nd p e r f o r m a nc e s u pe r i mp o s i t i 0 n， wh i c h me e t t h e n a t i o na l s t a n da r d c o mp o s i t e mi n e r a l a dmi x t u r e； a c t i v i t y； pe r f o r ma n c e s up e r i m p o s i t i 0 n 随着 建筑 材料 绿色 化进 程 的 推进 ， 水 泥 混凝 土行 业 应 充 分 发挥 自身特点 ， 发挥环保功能， 大量应用工业废渣研制矿物掺合 料。已证明掺加适量硅灰 、 超细矿渣 、 优质粉煤灰等活性掺合 料是 制备 高性 能 混 凝 土 的有 效 途 径 。然 而 若 单 独 掺 入任 何 一 种 ， 虽然 也能 改善 混凝 土 的性能 ， 但存 在 不足 。根 据 组 分性 能 的 超 叠 加效应 ， 吴 中伟院 士提 出 了关 于 混凝 土材 料技术 复合 化 1+ 1 2的思想 ， 即采用两种或两种 以上的矿物掺合料复合 ， 不仅 能实现优势互补 ， 达到进一步提高综合性能的 目的 ， 还能针对我 国矿物掺合料质量波动较大 ， 影响混凝 土生产过程中质量控制 的问题 ， 充分发挥复合矿物掺合料的优 良性能。 掺人 复合矿物掺 合料具备 单掺任何 一种矿 物掺合料 所 不具有的性质 ， 例如 可根 据易磨性 差异 ， 实 现不 同矿 物掺 合 料之间合理的颗粒级 配， 做 到有效 的紧密 堆积 ； 同时根据 各 矿 物 掺 合 料 的 物理 性 能 和化 学 组 成 的 不 同 实 现 性 能互 补 ； 而 且 由于各种矿物掺合料 的复掺 ， 使得 矿物 掺合料 总量增 加 ， 掺入的矿物掺合料也 为掺入的种类增加 ， 受单 一矿物掺合 料的限制 降低 ， 可以稳定 产品的质量 j 。 随着国家对T业企业环保要求 的提高， 需利用的 工业废 渣 种类和数量在急剧增加， 在其处置和资源化利用方面还有待进 一 步的深入。尤其是在利用多元工业废渣制备高性能复合矿物 收稿 日期 ： 2 0 1 01 21 5 作者简介 ： 彭洪( 1 9 5 7 一 ) ， 男 ， 毕业于武汉理工大学 ， 本科 学历 ， 高级工 程师 ， 现从事混凝土材料研究、 工程质量检测 。 掺合料方面还有待深入研究。结合 四川省废渣产生现状 ， 本文 利用相对廉价的偏高岭土取代硅灰 ， 制备高性 能复合矿物掺合 料 ， 使其满足国标 G B T 1 8 0 4 6 -2 0 0 8的 $ 7 5级矿粉的要求。并利 用较高活性废渣的活性指数富余值 ， 增加对低活性废渣的使用， 得到性能优异且经济适用的高性能复合矿物掺合料。 1 原 材 料 及 实验 方法 1 1 原 材 料 偏高岭土 ( MK) ： 实验所用 高岭 土来 自四川某 高岭 土有 限 公 司 。 矿 渣 ： 矿 渣 来 自 贵 州 六 盘 水 ， 碱 度 = ( AI ， O +C a O + Mg O) S i O2=1 8 9。 彭 山矿 渣 ( P K)： 水 淬 矿 渣 来 自四川 彭 山 ， 碱 度 ：1 6 7。 磷渣 ： 来 自 四川 德 阳 什 邡， 碱 度 = ( A I ， O +M g O + C a O) ( S i O，+P ， O )：1 4。 钢渣 ： 实验所 用钢渣来 自四川成都 市青 白江 区， 碱 度 = C a O ( S i O +P O )=0 9 1 。 锂渣 ： 实 验 所 用 锂 渣 来 自 四 川 射 洪 ， 碱 度 ：( C a O + Mg O) ( S i O 2+AI 2 O3 )=0 0 5 7 。 石灰石 ： 实验所用石灰石来 自德 阳某矿山 。 水泥 ： 实验所用 P O 4 2 5 R水 泥来 自四川某 水泥股 份 有 限 公 司 ， 基 本 物 理 性 质 见 表 1 。 各 原 料 化 学 分 析 见 表 2 。 2 9 表 2原材 料 化 学 分 析 ( ) 1 2 实 验 方 法 密度按 水泥 密度测 定方法( G B T 2 0 8 ) 检验 ； 比表 面 积按 水 泥比表面积测定方法勃 氏法 ( G B T 8 0 7 4 ) 检验 ； 活 性指数按 用于 水 泥和 混凝 土 中粒化 高 炉矿 渣 粉( G B T 1 8 0 4 6 ) 附录 A检验 ； 流动度 比按 用于水泥 和混凝土 中粒化 高炉矿渣粉 ( G B T 1 8 0 4 6 ) 附录 A检 验 ； 含 水量按 用 于水 泥和混凝土 中粒化高炉矿 渣粉 ( G B T 1 8 0 4 6 ) 附录 B检验 ； 三氧化硫含量 按 水 泥化学 分析方 法 ( G B T 1 7 6 ) 检 验 ； 氯 离子含量按 水泥原材 料 中氯离 子的测定方 法 ( J C T 4 2 0 ) 检验 ； 烧 失 量 按 用 于水 泥 和 混凝 土 中粒 化高 炉 矿 渣 粉 ( G B T 1 8 0 4 6 ) 检验 ； 玻璃体含量按 用于水 泥和混凝土 中粒 化高炉矿渣粉 ( G B T 1 8 0 4 6 ) 中附录 c检 验 ； 放射性按 建 筑材料放射性核素限量 ( G B 6 5 6 6 ) 检验。 2结果 与 讨 论 2 1废 渣 活 性 测 试 表 3工 业 废渣 7 d。 2 8 d活 性 指 数 由表 3可知 ， 几种工业废 渣的 7 d ， 2 8 d活性指数都 不能 达到 G B T 1 8 0 4 6 -2 0 0 8中 $ 7 5标 准 的要 求 ， 但 钢渣 的 活 性最好 。原因可能是 钢渣 中存 在相 当数 量的 c ， s ， 使得钢渣 具有一定 的胶凝性 ； 此外钢 渣 中存在 的 C a O和 Ng O水化 生 成氢氧化钙和氢氧化镁 ， 产 生体积 的微膨胀 ， 使体 系的致密 程度提高。 锂渣 的活性高 于磷 渣 ： 锂 渣 中含有 大量无定形 的 S i O ， ， 与 水 泥 水 化 产 生 的 C a ( O H) 发 生 反 应 生 成 了更 多 的 水 化 产 物 ； 锂渣 中含有硫酸根离子 ， 铝酸根离子和钙离 子， 与水泥熟 料 中的 C ， A反 应 生 成 钙 矾 石 ， 充 填 于 水 泥 石 孔 隙 中 ； 且 由于 其易磨性好 ， 相 同粉磨 时间 内的细度远 大于磷 渣， 更有 利于 密实填充 ， 使水泥石的结构更加致密 。 磷渣 的活性 比矿渣好。但单独使用 磷渣有 以下不足 ： 磷 渣 中存在 的 P O 和 F导致 缓凝 作 用 】 ， 会延 长脱 模 时 间： 磷渣 的易 磨 性 较 差 ， 粉 磨 7 0 mi n的 磷 渣 细 度 ( 平 均 粒 径 1 7 0 2 8 t z m， 比表面积 4 4 5 2 m k g ) 小于粉磨 4 0 m i n的矿渣 细度 ( 平 均 粒 径 1 4 0 7 5 la , m， 比 表 面 积 4 5 4 6 I n k g ) 。 这 在 使用 时需考虑预处理成本增加 带来 的问题 。 2 2偏 高岭 土改 性 工 业 废 渣 通过在废渣中掺加一定量 的偏 高领土对其进行改性 ， 以 提高其活性 。偏高领土掺量与钢渣活性指数关系见 图 1 。 如 图 1 所示 ， 掺入 偏 高岭 土后 钢渣 的活 性有 明显 的提 高。随偏高岭土掺量增加 ， 活性指数呈波 浪形 的变 化。在低 掺量时 ， 易团聚的偏 高岭土若 分散较 好 ， 表现为实 验组 的活 性指数较高 ， 而分散 较差时 活性指 数较低 ， 所 以随着掺量提 高活性指数出现波动 ； 在高 掺量时 ， 即使偏 高岭土 分散不均 匀 ， 由于量大 ， 细度较细的偏高岭土也能很好 的密实填充 ， 使 得活性指数较高 。另外 ， 偏 高岭土作 为改性 剂 ， 掺 量不宜超 过矿物掺 合料 总量 的 3 0 。本 实验 偏 高领 土 优化 掺 量为 5 和 2 0 时 。但掺量 为 2 0 的偏高 岭土制 备复合 矿粉在 应用过程 中必定会增加 工程成 本。因此确 定偏高 岭土 的最 佳掺量是 5 。 。 人 i 一 f V 0 5 8 l 5 2 0 2 5 3 O 掺量 图 1 偏高岭土掺量与钢渣活性 指数关系 高岭土 中水分 子 以 O H一 形式存 在 ， 在生 成偏 高岭土 的 过程 中产生了大量断裂的化学键 ， 因此偏高岭土化学反应 活 性高 ； 同时高温状态下原子脱离平衡位置 ， 不规则排列 ， 使偏 高岭土呈热力学介稳状 态 5 。偏 高岭 土对 矿物掺 合料 的改 性主要体现在 ： 1 ) 物理 改性。偏高 岭土粒径 小 ， 平 均粒径达 5 5 1 7 m。而通常水泥的平均粒径 为 2 O3 0 la ,m， 经加 工处 s 如 铝钾 籁 蝗 第 3 8卷 彭 洪 ： 混 凝 土 高性 能 复 合 矿 物 掺 合 料 的 制备 研 究 第 3期 理后的其他矿物掺合料 的平均粒径也在十 几个 微米 ， 掺人偏 高岭土有利 于填充水泥和矿物掺合料填充 不了的空 隙， 得到 更紧密堆积的矿物掺合料体 系 ； 2 ) 化学改性。偏 高岭土 中 存 在 大量 活性 组 分 即 无 定 形 的 S i O 和 A 1 ： O ， 两 者 之 和 大 于 8 0 ， 其 含 量 越 大 ， 偏 高 岭 土 的 活 性 越 高 。 2 3矿 物 掺 合 料 复 配 对几 种矿物掺合料进行复配 ， 复配方案见表 4， 复合矿物 掺合料活性指数见 罔 2 。 一 一 ： 三 三 三 = ! ； = -一 枣 _ 7 d 活性指数 +2 8 活性指数 十7 d 国标 *2 8 d 国标 注 ： P K： 彭 山 矿 渣 ； L ： 磷 渣 ； I ： 锂 渣 ； K： 矿 渣 ； S ： 石 灰 石 图 2 复 合 矿 物 掺 合 料 活 性 指 数 表 4矿物掺合料复配方案 结合表 4和图 2分析 ， 掺了 P K的实验组 ， 其活性指数 都 能满足围标 $ 7 5要求 ， 接近 $ 9 5矿 粉的要求 。在 两组分复 合 矿粉中 ， P K加锂渣实验 组的 7 d ， 2 8 d活 性都 略高于 P K加 磷 渣实验组 ； 在j组分复合矿粉实验组 中 ， P K加磷 渣加锂渣 实 验组的 7 d ， 2 8 d活性都好于其它组 。 在掺加 P K复合矿粉实验 组 中活性 指数 都很高 ， 原 呵 能是 P K本身活性较 高 ， 实验 预处 理 使得 P K达 到较 高 的细 度 ， 在 高 活 性 的基 础 上 进 一 步 增 大 反 应 面 积 ， 增 大 表 面 无 定 形层的原子数 ， 使得 P K的活性进一步提高 。 2 4复 合 矿 物 掺 合 料 性 能 确定复合矿物掺合料的依据 是 ： 活性指 数能够满 足困标 $ 7 5的要 求 ， 且 能充分利用 高活性渣的活性 富余值增加其 他 渣的种类 和掺量。综合分析矿物掺 合料复配方案 ， 根据其 活 性指数 ， 确定 2组较 佳复合矿 物掺 合料配方 ， 见表 5 。 表 5复 合矿 粉 配 方 ( ) 表 6为 2组复合矿 物掺合 料各 项性 能与 市售 $ 7 5级矿 粉对 比。可以看到 ， 制备 的复 合矿粉 7 d ， 2 8 d活性 指数 都能 达到 国标 $ 7 5级矿粉的要求 ， 甚至 接近 $ 9 5级矿粉 。其 活性 超 过 l级 粉 煤 灰 和 市 售 $ 7 5级 矿 粉 。 分 析 其 原 因 ： 复 合 矿 粉 提 供 更 多 的 无 定 形 的 S i O， 和 A1 ， O ， 产 生 了较 多 的水 化 产 物 ； 复合矿粉 比 $ 7 5级矿粉具有更合理 的颗粒 级配 ， 实现 紧密堆 积 ， 提高 了材料 的强度 。 表 6复合 矿粉 相关 参数 检 测 复合矿物掺合料制备过程 中应注意 以下 问题 ： 存复合 矿 粉 中加 入 石 灰 石 时 一定 要 考虑 石 灰 石 的烧 失 量 对 最 终 复 合 矿 粉的影响 ； 过分的增加矿粉细度会增加成本 ， 影 响复合矿粉 的 流动性 ； 合理的级配实现紧密堆积 ， 可 以最大限度的降低孔隙 31 加 加 O 第 3期 彭 洪： 混凝土高性 能复合矿物掺合料的制备研 究 第 3 8卷 率 ， 提高强度 ， 还可以置换 出孑 L 隙中的水 ， 增加流动性 。 3结 论 1 ) 可通过物理改性结合 合理 的颗粒级 配的方式 提高工 业废渣矿物掺合料 的活性 。 2 ) 利用矿渣 、 偏 高岭土 、 锂渣 、 磷渣等制备出了高性能矿 物掺合料 ， 性能优于市售 $ 7 5级矿粉。 3 ) 偏高岭土对矿物掺合料 的活性有改善作用。 4 ) 配制复合矿粉时掺一定量 的高活性矿渣 ， 可增加对活 性较差的废渣 的利用 。 参考 文献 1 吴清 仁， 吴善 瑜 生 态建 材 与环 保 M 北京 ： 化 学 工业 出版 社 2 0 03 2 孙家骥 ， 程德生 ， 等 复 合矿渣掺合 料高性 能混凝土 的研究 与应 用 J 应用技术 ， 2 0 0 4 ： 4 3 4 6 3 严 捍 东 新 型 建 筑材 料 教 程 M 北 京 ： 中 国 建 材工 业 出版 社 2 0 0 5 4 朱航 ， 丁庆军 ， 等 钢渣矿粉 混凝土 的物理力学性 能研究 J 武 汉 理 工 大学 学 报 ， 2 0 0 5 ， ( 2 7 ) ： 4 0 4 3 5 J M K h a t i b Me t a k a o l i n C o n c r e t e a t a L o w Wa t e r t o B i n d e r R a t i o J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 0 0 8， ( 2 2 ) ： 1 6 9 11 7 0 0 6 D M R o y ， e t c E f f e c t o f S i l i c a F u m e ， Me t a k a o l i n ， a n d L o wc a l c i u m F l y A s h o n C h e mi c a l R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e J 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 1 ( 3 1 ) ： 1 8 0 91 8 1 3 7A h m e d ， T ， e t c Me t a k a o l i n i n t h e F o r mu l a t i o n o f U H P C J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9 ( 2 3 ) ： 6 6 96 7 4 ( 上接 第 2 6页 ) 高， 土的密实度增强 ， 负摩阻 降低 ， C F G桩 处在 一个相对密 实 的土体施 工 环境 中 ， 其 置 换 作 用 的效 果 就 能 更 好 的 发 挥 出来 。 通 过 以上 分 析 可 以看 出 ， 由经 过 处 理 的地 基 土 体 和 两 种 增强桩体三部分组 成的人工地基 ， 既能发挥 C F G桩高承载 力 的特点 ， 又因 C F G桩的存 在而使水泥土桩的侧限约束作用 得 到 增 强 。 由于 夯 实水 泥 土挤 密 桩 ， 在 成 桩 过 程 中 使 地 基 土 的 湿陷性和压缩性得 到有效 的改善 ， 并 同时提 高了土体 的抗 剪 强度 ， 也 可使 C F G桩避免因黄 土湿 陷产生的负摩 阻而被破 坏 的可 能 。 水泥土挤密桩 ， 利 用成孔 与夯 实时 的横 向挤压作 用 ， 将 桩 间土挤密 ， 以达 到桩 间土的最佳 挤密 效果 ， 可降 低黄土 地 基 的湿陷性和压缩性 ， 减 小土体受 力后 的变形 ， 使 桩间土 承 载力提高 。水泥土强度 较高 ， 夯实 成桩 后 ， 桩 身强 度大于 周 围地基土 ， 也 可以分担较 大部分荷 载 ， 使桩 间土承 受 的应 力 减小 。水泥土挤密桩的设计桩长 与湿 陷深度相 等 ， 以消除全 部深度范 围内土层 的湿 陷性。路基两侧 坡脚 外 3 m 以内范 围地基 ， 按先 两边后 中间、 隔排施 工的原则 ， 先对基底采 用水 泥土桩挤密 ， 消除 自重湿 陷性 场地 的侧 壁负摩 阻力 ， 使桩 的 侧摩 阻力提高后 ， 再进 行 C F G桩的施工 ， 使 C F G桩能 成为刚 性 摩擦 桩 ， 以 提 高 地 基 承载 力 。CF G 桩 和 被 挤 密 的桩 间 土 一 起 ， 形 成 C F G桩 复 合 地 基 共 同 承 担 上部 荷 载 。C F G桩 桩 体 强 度较高 ， 处理后的复合地基 强度 和抗变形能力有明显提 高。 3施 工 工 艺 方 法 3 1 沉 管 成 孔 法施 工 水 泥 土挤 密桩 沉管法成 孔是利用柴油或振动沉桩 机 ， 将带 有桩尖 的空 心钢制管柱压入土 中， 至设计 深度后 缓慢 拔出桩 管 ， 形成桩 孔 。桩管外径 与设计孔径相 同 ， 一般壁 厚约 1 0 m m。桩成孔 时， 桩 身入周 围的土 被桩管 向侧 向挤压 ， 从而 使桩 间土被挤 密 。 在 达到最 大干 密度 时 ， 可 消除 黄土 的湿 陷 性 ， 降低 压缩 3 2 性 。成孔后 ， 人工或机械将拌合 站拌合均匀 的水泥土填进孔 中 ， 并 夯 实至 达 到 设 计 要 求 。 3 2预 钻 孔 夯 扩 挤 密 法施 工 水 泥土 挤 密桩 预钻孔夯扩挤 密法是 用直 径 q 4 0 0 mm的长 螺旋钻 机 ， 在钻进与拔出时将孔身部位 的土带 出孔外 ， 形 成与设计直径 相 同的孔 。成孔后 用 0 1 m 左右 的小型装 载机将 水泥土填 人桩孔 内， 再用重 2 5吨的重 型锤反 复夯 击 ， 直至孔 内填料 达 到 密 实 度 要 求 ， 并 将 孔 径 夯 扩 至 5 0 c m。 桩孔 内填料为水 泥土， 土料为就地取 的地 基黄土和外购 砂性土 ， 水泥为 普通硅酸盐水 泥 P 0 4 2 5号。其中水泥掺 量 不 小 于 黄 土 干 质 量 的 8 ， 混 合 料 含 水 量 应 满 足 土 料 的 最 优含水量 ， 允许偏差不大于 -4 - 2 。 3 3 CFG 桩 施 工 用 中5 o 0 m m 的长螺旋钻 机 ， 钻 杆管 内泵 压灌 注混合料 施 工 。钻 机 就 位后 调 整 钻 杆 垂 直 度 ， 对 准 桩 位 中 心 ， 关 闭 钻 头 阀门钻进 ， 先慢后快 ， 钻至设计深度 后开通输送泵 ， 向钻杆 芯管 内灌注混合料 ， 待钻杆芯充满混合料 后 ， 提 升钻杆 ， 压灌 混合料 ， 边泵送 ， 边 向外拔钻 管。在灌 注过程 中应保 持混合 料 面 始 终 高 于 钻 头 面 2 0 c m 以 上 ， 拔 管 速 度 控 制 在 1 5 3 0 m mi n 。本段设计 要求 混合 料试 件立 方体 无侧 限 抗压 强度 i2 0 M P a ， 施工 中采用水 泥 、 碎 石 、 砂 、 粉煤灰 等 配 比 的 C 2 0混 凝 土 。 4结 语 采用水泥 土挤密桩和 C F G桩对地基处理完毕后 ， 对复合 地基进行现场 开挖取样及静载试验检测 ， 检测表 明路 基土湿 陷性得到全部 消除 ， 沉 降量在 设计范 围以 内， 复合地基 承载 力在 7 0 0 k P a以上 ， 达 到设计要求。 参 考 文 献 1 湿陷性黄土地区建筑规范 M G B 5 0 0 2 5 -2 0 0 4 2 建筑地基处理技术规范 M J G J 7 9 -2 0 0 2