辅助性胶凝材料对混凝土力学性能的影响.pdf

2 0 1 1年 第 1 0期 (总 第 2 6 4 期 ) Nu mb e r 1 0i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 4 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADMI NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 1 0 0 2 5 辅助性胶凝材料对混凝土力学性能的影响 王申进 ，周华东 ， ( 1 江苏博特新材料有限公司，江苏 南京 2 1 0 0 0 8 ；2 刘加 根 ，张守治 江苏金陵工程管理咨询有限公司，江苏 南京 2 1 0 0 0 8 ) 摘要： 通过不同细度矿渣一 钢渣、 矿渣一 粉煤灰、 粉煤灰一 钢渣的复合， 制备出不同粒度分布的复合辅助性胶凝材料， 研究了复合辅助性 胶凝材料的掺入对混凝土： 作性能和力学性能的影响。 试验结果表明： 矿渣细度对混凝土早期强度影响较大， 矿渣越细， 混凝土早期强度 越高； 含有粉煤灰的复合体系中， 粉煤灰具有较好的形态减水效应 ； 同时还发现简单的将最细矿渣、 最细钢渣、 最细粉煤灰进行混合并不能 十分有效地发挥辅助性胶凝材料的各种效应 ， 而采用“ 级配优化” 的方法能配制出性能优异的复合辅助性胶凝材料。 关键词： 辅助性胶凝材料；工业废渣；颗粒级配；抗压强度 中图分 类号 ： T U5 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 1 ) 1 0 0 0 7 9 0 3 Effec t on mec ha ni c al pr ope r t i es o f con c r e t e i n cor por a t i ng s up pl e men t a r y c emen t it i ou s ma t er i a l s WANG S h e n -fin ， Z HOUHu a d o n g ， L I UJ i a - g e n ， Z HAN G S h o u - z h i ( 1 J i a n g s uB o t e Ne wMa t e r i a l C o ， L t d， Na n j i n g 2 1 0 0 0 8 ， C h i n a ； 2 J i a n g s u J i n l in g P r o j e c t Ma n a g e me n t C o n s u l t in g C o ， L t d， Na n j i n g 2 1 0 0 0 8 ， C h i n a ) Abs t r act：Th e s u p p l e me n t a r y c e me n t i t i o us ma t e r i a l s wi t h d i f f e r e n t p a r t i c l e d i s t r i b u t i o n wa s p r o d u c e d b y s l a g - s t e e l s l a g、 s l a g fly a s h、 s t e e l s l a g - fl y a s h， wh i c h wa s t e s t e d f o r the p u r p o s e o f i d e n t i f yi n g t h e e ffe c t o n t he me c h a n i c a l p r o p e r t y of c o n c r e t e S t u d i e s s h o we d t h a t t h e s l a g c o n - t r i b u t e d th e e a r l y s t r e n g t h o f c o nc r e t e s i g n i fi c a n t l y T h e e a r l y s t r e n g t h o f c o n c r e t e i n c r e a s e d wi th t h e fin e ne s s o f s l a gTh e e ffe c t s h a p e wa t e r r e d u c i n g o f fl y a s h i n c o n c r e t e wa s t h e mo s t o b v i o us S i mu l t a n e o u s l y s u pp l e m e n t a r y c e m e nti t i o u s ma t e r i a l s wa s mi x e d wi t h t h e mo s t fin e s l a g、the s ma l l e s t s t e e l s l a g、the s ma l l e s t fly a s h， wh i c h wa s c o u l d n o t pl a y t h e v a r i o u s e ffe c t s Us i n g a“ g r a d a t i o n o p t i mi z a t i o n ”a p p r o a c h c o u l d b e p r e p a r e d e xc e l l e n t p e r f o r ma n c e s u p p l e me nta r y c e me n t it i o u s ma t e r i a 1 Ke ywor ds ： s u p p l e me n t a ry c e me nti t i o u s ma t e r i a l s ； i n d u s t ry c i n de r ； p a r t i c l e s i z e di s t r i b u t i o n； c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 0 引言 辅助性胶凝材料作为矿物掺合料应用于混凝土中具有较 好的填充效应、 活性效应、 微集料效应， 其掺入能改善混凝土的 性能， 使得混凝土更加密实、 孑 L 隙率低 、 耐久性好。 在可持续发 展已深入人心 的今天 ， 利用工业废渣发展辅 助性胶凝 材料产业 受到越来越多人的关注【 1 。 水泥混凝土工业是吸收消耗工业废 渣的重要途径， 工业废渣在水泥混凝土中的应用在国内外均有 丰富的科研成果和使用经验。 已有的研究表明掺人一定量较细 的矿物掺合料 ， 不仅不影响胶凝材料颗粒问界面黏结 ， 还能改 善颗粒间的堆积， 提高混凝土的致密 2 1 ， 并普遍认为矿物掺合 料越细， 其活性越好。 但盲 目追求细度带来了高能耗， 而且仅作 简单的超细粉磨并不能十分有效地发挥矿物掺合料的各种效 应， 相应也大大提高了生产成本 。 而且将矿物掺合料加工成 完全均一细度的细粉， 没有形成级配 ， 掺人混凝土后并不能充 分发挥其微观填充作用 ， 对混凝土性能改善也有限 5 。 因此， 如 何使辅助 胶凝材料颗粒形成良好的级配， 能够紧密地堆积填充， 从而提高水泥混凝土的密实度 ， 是辅助性胶凝材料在水泥混凝 土应用研究的一个热点。 通过不同细度的矿渣、 钢渣以及粉煤灰 的复合 ， 制备出复合辅助性胶凝材料， 利用各自颗粒形态特征 ， 使其优势互补 ， 充分发挥他们的火山灰活性 ， 以提高辅助性胶 凝材料的性能。 同时结合不同细度矿渣、 钢渣以及粉煤灰的活性 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 4 - 2 3 指数来研究辅助生胶凝材料对混凝土力学性能的影响规律。 1 原材料与试验方法 1 1 原材料 水泥： 江南小野田P 5 2 5 级水泥， 其化学组成如表 l 所示。 矿渣 ： 马鞍山某钢铁厂产粒化高炉矿渣( s ) ， 其化学组成如 表 1 所示 。 钢渣： 马鞍山某钢铁厂产钢渣( S L ) ， 其化学组成如表 1 所示。 粉煤灰 ： 南京华能热电厂原状粉煤灰( F A) ， 其化学组成如 表 1 所 示。 表 1 水泥、 矿渣、 钢渣 、 粉煤灰 的化学组成 减水剂： 江苏某公司生产的萘系高效减水剂 J M B。 粗集料： 江苏句容产 5 2 O i n n l 连续级配的玄武岩碎石。 细集料： 细度模数为 2 6的河砂。 1 2试验 方法 矿渣和钢渣活性指数试验参照 G B T 1 8 0 6 4 -2 0 0 0 ( 用于水 泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉 进行； 粉煤灰活性指数试验 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参照 G B T 1 5 9 6 -2 0 0 5 用于水泥和混凝土中的粉煤灰 进行； 混 凝土的坍落度试验参照 G B T 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 进行 ， 抗压强度试验参照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标准 进行。 1 3 试 验 配合 比 试验采用不同细度的矿渣、 钢渣、 粉煤灰按一定的比例进 行复配 ， 组成复合辅助性胶凝材料 ， 将复合辅助性胶凝材料等 质量取代水泥总量的3 5 ， 固定减水剂掺量为胶凝材料总量的 0 6 ， 将混凝土坍落度控制在 1 7 0 1 8 0 tur n ， 并以此来确立试验 用水量。 具体配合比见表 2 ， 其中 为不掺辅助性胶凝材料的基 准混凝土 ， A I 为掺 3 5 辅助性胶凝材料的试验混凝土。 表 2 混凝土试验 配合 比 注： 试验用水量由混凝土坍落度确立。 2 结果与分析 2 1 粉磨时间对矿渣、 钢渣以及粉煤灰活性指数的影响 表 3给出不同粉磨时间下， 矿渣、 钢渣、 粉煤灰等辅助性胶 凝材料的强度活性指数。 由表可以看出， 粉磨时间对不同辅助性 胶凝材料的强度活性指数的影响是不同的。 在一定的粉磨时间 范围内， 矿渣粉随着粉磨时间的增加， 强度活性指数增大 ； 但钢 渣粉和粉煤灰随着粉磨时间的增加， 其强度活性指数增加并不 明显。 粉磨 7 0 mi n的钢渣 s s 7 d活性指数与粉磨 4 0 mi n的钢 渣粉 S S 7 d活性指数相同， S S 2 8 d活性指数甚至小于 s S 的相应值。 由表还可以看出， 矿渣粉的2 8 活性指数均大于 1 0 0 ， 而钢渣粉和粉煤灰的活性指数均小于 1 0 0 ， 表明矿渣粉具有较 好的后期增强效应。 表 3 不 同粉磨时 间下 ， 矿渣、 钢渣以及粉煤灰 的活性指数 注： s 表示粉磨 3 0 m i n的矿渣， s 表示粉磨 2 0 ra i n的钢渣， F A。 表示粉磨 1 0 ra i n的粉煤灰， 其他依次类推。 2 2 矿渣、 钢渣复合对混凝土力学性能的影响 试验将不同细度的矿渣、 钢渣按质量比3 ：4比例混合 ， 配制 成复合辅助性胶凝材料， 将复合辅助性胶凝材料以 3 5 等质量 取代水泥进行混凝土力学性能试验， 试验结果见表 4 。 由表 4可以看出， 由矿渣和钢渣组成的复合辅助性胶凝材 料的掺人对混凝土新拌性能基本没有影响， 但在一定程度上降 低了混凝土的强度。 将掺辅助性胶凝材料的混凝土抗压强度进 行对比可以发现： 7 d抗压强度最高的 S s L 舶组试件比7 d抗 压强度最低的 s 3 o s 组试件高了6 0 MP a ； 2 8 d抗压强度最高 80 表 4 不同细度矿渣、 钢渣复合对混凝土抗压强度的影响 的 s s 组试件比 2 8 d抗压强度最低的 s s 组试件高了 5 8 MP a ； 矿渣的粉磨细度对混凝土早期强度具有较大的影响， 对混凝土后期强度影响不再明显。 同时还可以看出， 由最细矿渣、 最细钢渣组成的 s s 组试件 7 、 2 8 d强度均不是矿渣一 钢渣 复合体系中强度最大的一组。 由此表明， 简单的将两种超细粉混 合使用并不能十分有效地发挥辅助性胶凝材料的叠加效应， 而 采用“ 级配优化” 的方法调整矿渣和钢渣的颗粒级配组合 ， 能充 分发挥矿渣、 钢渣的颗粒效应， 使系统颗粒形成 良好的级配， 从 而改善混凝土力学性能。 2 3 矿渣、 粉煤灰复合对混凝土力学性能的影响 试验将不同细度的矿渣、 粉煤灰按质量比 3 ： 4比例混合 ， 配 制成复合辅助性胶凝材料， 将复合辅助性胶凝材料以3 5 等质 量取代水泥进行混凝土力学性能试验 ， 试验结果见表 5 。 表 5 不同细度矿渣、 粉煤灰复合对混凝土抗压强度的影响 由表 5可以看出， 在保证混凝土坍落度的前提下 ， 由矿渣 和粉煤灰组成的复合辅助性胶凝材料的掺入降低了试验用水 量。 究其原因， 可能是因为粉煤灰可以填充在水泥和矿渣粉堆积 的孔隙中， 使胶凝材料系统颗粒堆积更加紧密， 再加上粉煤灰 颗粒形貌大多是球型珠状 ， 具有较好的形态效应， 改善了混凝 土拌合物的工作性， 从而表现出一定的减水效应。 将掺辅助性胶 凝材料的混凝土抗压强度进行对 比可以发现 ： 7 d抗压强度最 高的 s A 组试件比7 d抗压强度最低的 s 3 0 F A 组试件高了 3 4 MP a ； 2 8 d抗压强度最高的 s 7 0 F A 组试件比2 8 d 抗压强度 最低的 S 0 F A 。 组试件高了8 1 1V I P a 。 在矿渣和粉煤灰组成的复 合体系中， 矿渣的细度对混凝土的早期( 7 d ) 强度影响较大， 矿 渣越细， 混凝土强度越大； 粉煤灰对混凝土后期强度( 2 8 d ) 影响 较大， 粉煤灰越细， 混凝土强度越大。 这是因为， 矿渣比粉煤灰 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 具有更高的活性， 在水泥水化产生的 C a ( O H) 的碱激发作用下， 会使玻璃体中的离子 c a 、 AI O - , A1 、 s i O 进入溶液 ， 生成新的 水化产物 ， 从而改善混凝土早期强度； 粉煤灰的活性相对较低 ， 其水化对混凝土早期强度的影响不明显， 但是在后期， 随着水泥 水化产生的C a ( OH) 增多， 粉煤灰中的活性组分吸收 c a ( 0 H) 产生二次火山灰反应， 进而提高了混凝土的后期强度。 2 4 粉煤灰、 钢渣复合对混凝土力学性能的影响 试验将不同细度的粉煤灰、 钢渣按质量比3 ： 4比例混合， 配 制成复合辅助性胶凝材料 ， 将复合辅助性胶凝材料以 3 5 等质 量取代水泥进行混凝土力学性能试验 ， 试验结果见表 6 。 表 6 不同细度粉煤灰 、 钢渣 复合对 混凝土抗压强度 的影 响 由表 6可以看出， 在保证混凝土坍落度的前提下， 由粉煤 灰和钢渣组成的复合辅助陛胶凝材料的掺人降低了试验用水量， 并且与矿渣一 粉煤灰组成的复合体系相比， 用水量降低的幅度更 大。 究其原因， 一方面同样是因为粉煤灰的形态效应起了作用； 另一方面， 可能由于钢渣的活性远低于矿渣 ， 相对于矿渣而言， 钢渣的掺入增大了有效水灰 比， 稀释了水泥浆体 ， 从而提高了 混凝土流动性， 减小了试验用水量。 将掺辅助性胶凝材料的混凝 土抗压强度进行对比可以发现 ： 不管是 7 d 抗压强度还是 2 8 d 抗 压强度， F A S L 组试件的强度都是最高的， F A 。 s 组试件的 上接第 7 4页 1 1 李丽娟 ， 陈智泽， 谢伟峰， 等 橡胶改性高强混凝土基本性能的试验 研究f J J 混凝土， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 6 0 6 3 1 2 】 李悦， 王敏， 隋晓明 ， 等 界面改性剂对橡胶集料水泥砂浆强度的影 响 J I _武汉理工大学学报， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 6 3 6 5 【 1 3 】 赵文杰， 张会轩_1 禺 联剂对 P B g - P S 胶乳改性水泥砂浆性能的影响 混凝土与水泥制品， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 3 - 9 【 1 4 NE I L N E L D I N， AH ME D B S E N OU C L R u b b e r t i r e p a r t i c l e s a s c o n c r e t e a g g r e g a t e J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s i n C i v i l E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 3 ， 5 ： 4 7 8 - - 4 9 6 1 5 RO S T AMI L ， S I L VE R S T R AI M Z Us e o f r e c y c l e d r u b b e r t i r e s i n c o n c r e t e C P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o n c r e t e L o n d o n， Un i t e d Ki n g d o m： T ho ma s T e l for d S e r v i c e s L t d， 2 0 0 0： 3 91 3 99 1 6 P AI N E K A， DH I R R K， K o p a s a k i s U s e o f c r u mb r u b b e r t o a c h i e v e 上接 第 7 8页 【 9 】GR U B E R K A， R AML OC HA N T， B O D D Y A， e t a 1 I n c r e s i n g c o n c r e t e d u r a b i l i t y w i t h h i g h - r e a c t i v i t y me t a k a o l i n J C e m C o n c r C o mp o s ， 2 0 0 1 ， 2 3 ( 6 ) ： 4 7 1 4 7 8 1 0 王冬梅粉煤灰双掺混凝土的试验研究 J 1 中小企业管理与科技( 下 旬T U ) ， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 2 8 4 1 1 K HA T I B J M， WI L D S S u l p h a t e r e s i s t a n c e o f m e t a k a o l i n mo r t a r J C e 一 强度都是最低的。 但从后期强度的增长来看 ： F A s 组试件增 长最快， 抗压强度从 7 d的 2 4 2 MP a 增长到2 8 d的 3 5 9 l I P a ， 增长率高达4 8 3 ； F A S Lo 组试件增长最慢， 抗压强度从 7 d 的 2 6 7 MP a 增长到2 8 d的 3 3 _ 8 MP a ， 增长率仅为 2 6 6 。 3结 论 ( 1 ) 与钢渣、 粉煤灰相比， 矿渣作为辅助性胶凝材料具有更 高的活性。 ( 2 ) 在掺有矿渣的复合体系中， 矿渣细度对混凝土早期强 度影响较大， 矿渣越细混凝土强度越高。 ( 3 ) 在确保混凝土拌合物工作性基本相同的前提下， 掺含 有粉煤灰的复合辅助性胶凝材料能降低试验用水量 ， 从而证明 粉煤灰具有较好的形态减水效应。 ( 4 ) 对比分析不同细度矿渣、 钢渣、 粉煤灰组成的复合辅助 性胶凝材料对混凝土力学性能的影响规律发现， 简单的将最细 矿渣、 最细钢渣、 最细粉煤灰进行混合并不能十分有效地发挥 辅助性胶凝材料的各种效应， 而采用“ 级配优化” 的方法能配制 出性能优异的复合辅助性胶凝材料。 参考文献 ： 1 黄弘， 唐明亮， 沈晓冬， 等 工业废渣资源化及其可持续发展( I I ) 与 水泥混凝土工业相结合走可持续发展之路叨材料导报， 2 0 0 6 ， 5 ( 2 0 ) ： 4 5 5 4 58 2 陈益民， 贺行洋， 李永鑫， 等矿物掺合料研究进展及存在的问题【 J 材料导报， 2 0 0 6 ， 2 0 ( 8 ) ： 2 8 3 1 3 潘如意 ， 黄弘， 沈晓冬 ， 等 矿物掺合料的颗粒级配对混凝土强度的 影响( I I ) 一 矿物掺合料级配优化对混凝土强度的影响 J 混凝土， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 5 5 5 7 【 4 】李东旭从可持续发展战略看水泥工业的发展方向 J 材料科学与工 程， 2 0 0 0 ， 1 8 ( 4 ) ： 9 8 1 0 2 5 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 性能的影响叨 工业建筑， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 6 ) ： 5 5 5 8 作者简介： 王申进( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 工程师。 联系地址： 南京市江宁区万安西路 5 9 号 苏博特研发中 ( 2 1 1 1 0 8 ) 联 系电话 ： 1 3 8 0 9 0 4 2 5 6 9 f r e e z e t h a w r e s i s t i n g c o n c r e t e C P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Co n c r e t e f o r Ex t r e me Co n di t i o n s L o n d o n， Un i t e d Ki n g d o m： Th o ma s T e If o r d S e rvi c e s Lt d。 2 0 02： 46 8 4 9 8 1 7 N AD I A S ， P A U L O J M， G A R RI S O N S S u r f a c e c h a r a c t e ri z a t i o n o f r e c y - c l e d t i r e rub b e r t o b e u s e d i n c e me n t p a s t e m a t r i x J J o f C o l l o i d a n d I n t e rfa c e S c i e n c e 2 0 0 2 ( 2 4 8 ) ： 5 2 1 5 2 3 【 1 8 黄立本， 谷育生， 黄敬粉末橡胶 M E 京： 化学工业出版社， 2 0 0 7 作者 简介： 联系地 址： 联 系电话 ： 田IJ 3 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男， 硕士研究生， 讲师。 辽宁省鞍山市高新区千山中路 1 8 5 号 辽宁科技大学资源 与土木工程学院( 1 1 4 0 5 1 ) 1 3 9 4 2 2 0 6 7 9 3 me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 1 ) ： 8 3 9 2 作者简介 联 系地址 联 系电话 ： 杨凤 玲( 1 9 7 8 - ) ， 女， 硕_士， 讲师， 盐城市迎宾大道 9 号 盐城工学院江办省生态环境材料重 点实验室( 2 2 4 0 5 1 ) 1 3 9 6 1 9 7 3 6 9 0 81 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m