超细矿粉对喷射混凝土力学性能的影响研究.pdf

Series No.566August 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第566 期2023 年第 8 期收稿日期 2022-10-04基金项目 2022 年宁波市教育科学规划课题(编号:2022YGH047)。作者简介 朱 成(1989),男,工程师。通信作者 赵 丹(1981),女,高级工程师。超细矿粉对喷射混凝土力学性能的影响研究朱 成1 陈健斌1 赵 丹2(1.中交四航局第二工程有限公司,广东 广州 510310;2.浙江工商职业技术学院建筑与艺术学院,浙江 宁波 315000)摘 要 为了揭示纳米微粉改性路面粉煤灰混凝土的工作性能,推动其在路面工程中的应用,开展了不同粉煤灰取代率与纳米矿粉掺量的正交试验,对改性后的混凝土力学性能、抗冻融耐久性、干缩性及耐磨性进行了分析。研究结果表明:粉煤灰取代率的增加使得混凝土力学性能呈先上升后下降趋势,且在粉煤灰取代率为 25%、矿粉掺量为0.5%时达到峰值;改性后的混凝土耐磨性、抗冻性、干缩性随着纳米矿粉掺量增加而增加,且在掺量为 0.5%提升幅度最大;综合考虑各方面力学性能,粉煤灰取代率为 25%、纳米矿粉掺量为 0.5%,改善效果显著且经济效益高,建议该配合比作为路面混凝土的设计配合比;纳米矿粉可在混凝土颗粒中生成 CSH 凝胶体,逐渐填充混凝土内部孔隙,在孔隙中形成一道阻止裂缝扩展屏障,从而达到改善水泥基复合材料孔隙结构的目的。关键词 纳米矿粉 粉煤灰混凝土 力学性能 孔隙结构 中图分类号TU528 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-08-303-06DOI 10.19614/ki.jsks.202308040Study on Influence of Ultrafine Mineral Powder on Mechanical Properties of ShotcreteZHU Cheng1 CHEN Jianbin1 ZHAO Dan2(1.The Second Engineering Company of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510310,China;2.Faculty of Architecture and Art,Zhejiang Business Technology Institute,Ningbo 315000,China)Abstract In order to reveal the working performance of the nano-powder modified pavement fly ash concrete and promote its application in pavement engineering,orthogonal tests of different fly ash replacement rate and nano-powder content were car-ried out to analyze the mechanical properties,freeze-thaw resistance durability,dry shrinkage and wear resistance of the modi-fied concrete.The results show that the mechanical properties of concrete increase first and then decrease with the increase of fly ash replacement rate,and reach the peak value when the fly ash replacement rate is 25%and the mineral powder content is 0.5%.The wear resistance,freeze resistance and dry shrinkage of the modified concrete increase with the increase of the con-tent of nano-ore powder,and the improvement amplitude is the largest when the content is 0.5%.Considering the mechanical properties of all aspects,the replacement rate of fly ash is 25%,the content of nano-mineral powder is 0.5%,the improvement effect is significant and the economic benefit is high,it is recommended to be used as the design mix of pavement concrete.Nano-mineral powder can form CSH gel in concrete particles,gradually fill the internal pores of concrete,and form a barri-er to prevent crack expansion in the pores,so as to improve the pore structure of cement-based composite materials.Keywords nano mineral powder,fly ash concrete,mechanical properties,pore structure 高掺量粉煤灰混凝土(High Fly Ash Content Con-crete,HFAC)是指采用水泥取代率高于 30%的粉煤灰配制的混凝土材料1-3。HFAC 混凝土在力学性能和耐久性方面,较普通的混凝土构件虽然并无明显差异,但是属于一种更符合环境保护与可持续发展要求的建筑材料4-6。近年来,HFAC 混凝土在建筑工程中得到广泛应用,但在道路工程中应用较少7-8。究其原因,主要是因为采用普通的 HFAC 混凝土铺设公路的路面,存在易开裂、耐磨性较差、早期强度低等不足9-10。近年来,很多学者采用纳米微粉材料对 HFAC 混凝土进行改性,并取得了良好的效果11-15。潘丽君等16研究表明:经过纳米颗粒改性的 HFAC 混凝土在节约水泥用量的同时,还可以使混凝土内部结构变得更为紧密,缩短混凝土的终凝时间。毕瑞枭等17通过微观图像分析发现,纳米矿粉的加入使 CS303H 絮状物与 Ca(OH)2晶体充分胶结,使混凝土的微观结构变得更紧密,从而起到改善力学性能的目的。张芳等18研究表明:适量纳米矿粉的掺入,可以提升混凝土材料的力学性能和耐久性。叶青等19研究发现:将纳米矿粉添加至混凝土中可以很好地以颗粒形式均匀分布于水泥水化物之间的孔隙;徐庆磊20研究发现:纳米矿粉的掺入可以改善混凝土材料的工作机理,增强其耐久性能,可在道路工程中加以推广。上述研究表明,现阶段对于 HFAC 混凝土的分析和应用比较深入,但对于经过纳米矿粉改性的 HFAC混凝土其表面磨损程度的演变规律和相关变化机理尚未明确。本研究分别从力学性能、抗磨损性、抗冻融耐久性和微观结构等方面讨论经过纳米改性后的HFAC 混凝土工作性能变化规律,在此基础上,对纳米矿粉所引起 HFAC 混凝土工作性能改变的内在机理进行研究。1 试验方案设计1.1 试验材料本研究用于配置混凝土的水泥为复合硅酸盐水泥,标号 P.C 42.5,比表面积为 352.5 m2/kg。采用燃煤发电厂生产的二级粉煤灰,粉煤灰的烧失量为2.05%(99.954.80.48圆球形6659.5筛分后的碎石,最大颗粒等效直径为 23.1 mm。采用实验室的自来水进行拌和,拌和前在自来水中添加含量为 1%的聚羧酸型减水剂。1.2 材料配合比设计本研究混凝土采用正交试验法进行配比设计,其中粉煤灰的取代率(质量分数)为 25%、30%、35%、40%,纳米矿粉的掺量分别为 0.5%、1.0%、1.5%,减水剂按水泥、粉煤灰和矿粉总质量的 1%掺加。同时设置 1 组空白对照组,共设计了 13 组混凝土的配合比见表 2。2 试验结果2.1 强度测试结果本研究采用 MST-023 型伺服式万能强度试验机进行强度试验,按照尺寸为 150 mm40 mm40 mm的棱柱体制备试件。参照水泥胶砂强度检验方法(GB/T 176711999),通过试验机对经过标准养护28 d 的混凝土试样施加弯曲荷载,测试其抗折强度;然后将折断的两段试样分别进行抗压强度检测试验。对于混凝土路面的工作性能而言,主要关注混凝土试件的抗折强度,兼以参考试件的抗压强度。不同配合比的混凝土抗折、抗压强度测试结果见表 3。混凝土试件的抗折强度、抗压强度变化曲线如图 2 所示。图 2 混凝土试件抗压抗折强度性能变化曲线Fig.2 Variation curves of compressive and flexural strength of concrete specimens403总第 566 期 金 属 矿 山 2023 年第 8 期表 2 混凝土掺和比Table 2 Mix proportion of concrete组号水灰比/%坍落度/mm混凝土各种材料用量/(kg/m3)水砂水泥石粉煤灰矿粉粉煤灰取代率/%矿粉掺入量/%140241655413811 3300000238221505202861 33011322250.5338231505202861 33011326251.0438221505202861 33011329251.5538221515172671 33013822300.5638221515172671 33013826301.0738241515172671 33013829301.5838241525122481 33016122350.5938231525122481 33016126351.01038221525122481 33016129351.51138221535092291 33018322400.51238221535092291 33018326401.01338231535092291 33018329401.5表 3 混凝土试件抗压和抗折强度指标Table 3 Compressive and flexural strength index of concrete specimen组号粉煤灰取代率/%矿粉掺量/%抗折强度/MPa抗压强度/MPa1006.4445.22250.57.5653.73251.07.7255.64251.57.8056.25300.57.0646.26301.07.1947.17301.57.3349.28350.56.4744.59351.06.5546.210351.56.6147.111400.56.0440.012401.06.1740.913401.56.2941.3 由图 2 可知:混凝土的抗折强度、抗压强度随着粉煤灰取代率增加呈先增后降趋势。在一定的粉煤灰取代率下,混凝土的抗折强度和抗压强度均随着纳米矿粉掺量增加呈上升趋势,并且强度值在纳米矿粉掺量为 0.5%时增长幅度最大,超过了 17%。抗折强度、抗压强度在粉煤灰取代率为 25%、矿粉掺量为0.5%时达到峰值。当 HFAC 混凝土的粉煤灰取代率为 25%35%时,抗折强度、抗压强度均高于基准试件;而当掺入取代率为 40%粉煤灰时,抗折强度、抗压强度小于基准试件,说明一定掺量的耐磨矿粉可以有效提高 HFAC 混凝土的力学性能,有利于提升混凝土路面早期强度。2.2 表面耐磨性使用混凝土旋转磨耗试验机对养护 28 d 的试件进行磨损试验检测,先称取混凝土试件原始质量;随后将仪器的磨面与混凝土试件表面平行紧贴,通过夹具进行固定;再启动仪器使刀片在 0.25 kN 力的作用下以 2 r/s 的转速对试件进行磨损,整个磨损过程持续 5 min;最后将磨损的粉尘称重。磨损率 h 计算公式为h=x1-x2x1 100%,(1)式中,x1、x2分别为混凝土的初始质量和磨损试验后质量,g。混凝土表面磨损率试验结果如图 3 所示。由图3 可知:与基准混凝土试样相比,混凝土磨损率随着粉煤灰掺入先小幅降低后快速上升,经过纳米矿粉改性后,混凝土的表面耐磨性能显著上升。当纳米矿粉的掺量超过 0.5%时,HAFC 混凝土的耐磨性明显优于基准混凝土;随着掺量继续增加,混凝土的耐磨性能增加幅度越来越小,逐渐趋于稳定。这主要是由于掺入纳米矿粉后增加了材料密实度,进而提升了材料的耐磨性能。2.3 抗冻融耐久性本研究采用质量变化率评价混凝土的受冻融循环影响的结构完整性,质量变化率越大,混凝土抗冻融耐久性越差。对粉煤灰取代率为 25%的混凝土进行了 120 次冻融循环检测质量变化率,测试结果如图4 所示。由图 4 可知:基准混凝土在 120 次冻融循环后的质量损失率约为 0.5%,即普通混凝土的结构完整性受到冻融循环破坏的影响较为明显。掺入矿粉503 朱 成等:超细矿粉对喷射混凝土力学性能的影响研究 2023 年第 8 期图 3 混凝土表面磨损率变化曲线Fig.3 Variation curves of concrete surface wear rate后,HAFC 混凝土试件的质量损失率明显低于基准试件,经过120 次循环后,矿粉掺量为1.5%的混凝土质量变化率较基准混凝土下降了 28%,表明纳米矿粉可以有效提高 HAFC 混凝土的抗冻融耐久性。究其原因,主要是因为在混凝土掺入纳米矿粉后,形成了CSH 凝胶体,对混凝土骨料之间的裂隙起到填充作用,从而大幅减轻了由于冻融循环中的膨胀收缩过程造成的损伤,有效改善了 HAFC 混凝土的抗冻融耐久性21-22。图 4 不同冻融次数下的质量变化率变化曲线Fig.4 Variation curves of mass change rate under different freeze-thaw times2.4 收缩性能在混凝土棱柱体试件养护 28 d 成形后,对其干缩率 y 进行了测试。干缩率 y 计算公式为y=d0-dd0 100%,(2)式中,d0为混凝土试件浇筑成型后的初始长度,m;d为试件养护后的长度,m。本研究分析了粉煤灰取代率为 25%、30%、35%、40%;外掺 0.5%、1.0%、1.5%纳米矿粉的混凝土干缩率。混凝土试件的干缩变化分别在 0、7、14、21、28 d 龄期测定,试验结果如图 5 所示。由图 5 可知:在粉煤灰取代率相同的情况下,随着纳米矿粉含量增大,混凝土干缩率明显下降,且下降幅度在矿粉含量在 00.5%时最显著。当矿粉掺量为 1.0%和 1.5%时,改性混凝土的干缩率较为接近,说明纳米矿粉对于效果粉煤灰混凝土的收缩稳定性具有一定的效果。为分析深入分析 HAFC 混凝土的纳米矿粉改性机理,分别对基准试件、粉煤灰取代率为 25%的混凝土和外掺 0.5%纳米矿粉的 HAFC 混凝土(粉煤灰取代率为 25%)材料进行了 1 000 倍放大的扫描电镜(SEM)试验,结果如图 6 所示。图 6(a)所示的基准试件材料中团粒孔隙结构发育,使得混凝土试件的强度和抵抗变形特性不易发挥;掺入取代率为 25%的粉煤灰后,混凝土材料内部可见球形粉煤灰颗粒离散地分布在骨料裂隙中,混凝土内部多孔结构不仅没有得到明显改善,水泥砂浆的密实度反而有所下降。经过纳米矿粉改性的 HAFC 混凝土微观结构如图 6(c)所示,可以看出规则的粉煤灰颗粒紧密地黏结在一起,形成了黏结强度,孔隙结构得到有效改善,使得材料整体密实度大大增加。究其原因,主要是纳米矿粉是一种活性外掺料,在碱性激发剂作用下发生火山灰反应而生成少量 CSH 凝胶体,填充在骨料的裂隙中,提升了水泥砂浆硬化体的密实程度。因此,在混凝土基本物料中掺入纳米矿粉具有提升强度的作用。但当纳米颗粒的含量过高时,水泥熟料发生水化反应而生成的 Ca(OH)2总量下降,减少了 CSH凝胶体生成比例。有些矿粉颗粒没有发生火山灰反应,无法生成足够的凝胶而填充裂隙。因此,当纳米矿粉含量超过一定范围时,混凝土强度不会随着掺量增加而继续提升,逐渐达到稳定状态。因此,综合考量各方面的因素,粉煤灰取代率为 25%、纳米矿粉掺量为 0.5%的改性混凝土性能最佳。3 结 论(1)混凝土的抗折强度、抗压强度随粉煤灰取代率增加呈先增后降趋势,当 HFAC 混凝土的粉煤灰取代率为 25%35%时,抗折强度、抗压强度均高于基准试件,抗折强度、抗压强度在粉煤灰取代率 25%、矿粉掺量 0.5%时达到峰值。(2)混凝土试件的磨损率随着粉煤灰掺入先减后增,经过纳米矿粉改性后,混凝土的表面耐磨性能显著上升,变化幅度在矿粉掺量为 0.5%时最明显,当矿粉掺量进一步增加时,混凝土的耐磨性能增加幅度越来越小,逐渐趋于稳定。(3)矿粉掺量为 1.5%的混凝土试件经过 120 次冻融循环后,质量变化率较基准混凝土试件下降了28%,表明纳米矿粉可以有效提高 HAFC 混凝土的抗冻融耐久性。(4)在粉煤灰取代率相同的情况下,增加纳米矿粉的含量,混凝土干缩率将明显下降,且下降幅度在矿粉含量为 00.5%时最显著。(5)经过纳米矿粉改性的 HAFC 混凝土,发生了603总第 566 期 金 属 矿 山 2023 年第 8 期图 5 混凝土干缩率随养护时间变化曲线Fig.5 Variation curves of concrete shrinkage with curing time图 6 不同混凝土试件的微观结构 SEM 图Fig.6 SEM images of microstructures of different concrete specimens火山灰反应生成少量 CSH 凝胶体,将原本离散的粉煤灰颗粒紧密有序地黏结,增加了材料密实度,提升了黏结强度,改善了孔隙结构和各方面的性能。参 考 文 献1 汪潇,王宇斌,杨留栓,等.高性能大掺量粉煤灰混凝土研究J.硅酸盐通报,2013,32(3):523-527,532.WANG Xiao,WANG Yubin,YANG Liushuan,et al.High-perform-ance high-volume fly ash concreteJ.Bulletin of the Chinese Ce-ramic 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