超细复合掺合料在水泥和不同强度等级混凝土中的应用研究.pdf

-6-2023.No.110引言矿物掺合料在高性能混凝土中已成为不可或缺的一部分1，在混凝土中发挥优异的形态效应、活性效益和微集料效应2，可大幅改善混凝土的综合性能。各类矿物掺合料由于活性组分含量、化学组成、物理形态、细度3-4等存在差异，对混凝土性能的提升程度也不尽一致，各有其长短处。相比较于单一矿物掺合料，不同的矿物掺合料复合化使用可弥补单一矿物掺合料存在的不足，发挥多元材料存在的超叠加效应，复合掺合料是现代混凝土矿物掺合料技术发展的重要方向5。近些年来，随着粉体粉磨工艺的发展，矿物掺合料超细化发展已成为新的研究热点。矿物掺合料超细后能提高粉料的比表面积，增加可供反应的活性点，且更有利于活性组分的溶出。杨泽波等6研究表明，矿粉、粉煤灰经超细化后可显著降低需水量并且提高胶凝活性；程福星等7发现掺合料比表面积的增大，可改善水化产物结构，在水泥基材料体系中使得更多的薄板状Ca（OH）2转化为针状钙矾石，提高水泥基材料的密实度，从而改善宏观力学性能。本文研究了超细复合掺合料对水泥、不同强度等级混凝土及超高性能混凝土的影响，可为超细复合掺合料在水泥和混凝土的工业化应用提供参考。1试验原材料与方法1.1原材料本研究采用的水泥包括辽宁抚顺水泥股份公司的P I 42.5水泥和内蒙古某水泥公司P O 42.5水泥，水泥化学组成见表1；超细复合掺合料由50%的S95矿渣微粉和50%的原状粉煤灰组成，通过具有特殊级配研磨体的超细球磨机粉磨50 min制备得到，粉超细复合掺合料在水泥和不同强度等级混凝土中的应用研究王明荃1，尹韶宁2，潘栋2，郭迎宾1，袁鹏2，王娜1，3（1.大唐同舟科技有限公司，北京100040；2.建筑材料工业技术情报研究所，北京100024；3.大唐国际发电股份有限公司 高铝煤炭资源开发利用研发中心，内蒙古鄂尔多斯010321）摘要：本研究采用的超细复合掺合料由50%的S95矿粉和50%的粉煤灰组成，经过超细球磨机混合粉磨得到，探索了超细复合掺合料在水泥、不同强度等级混凝土及超高性能混凝土的应用方式，研究了其对水泥和混凝土性能的影响。研究表明：超细复合掺合料能替代10%20%的成品P O 42.5水泥，水泥3 d强度不降低，28 d抗折和抗压强度分别提高0.5 MPa和10 MPa以上，其他性能均能符合标准要求；在C30、C50和C80强度等级混凝土中超细复合掺合料完全替代矿粉，可提高混凝土的流动性和抗压强度，C30强度等级混凝土的耐久性能得到明显改善；在超高性能混凝土中超细复合掺合料替代20%50%的水泥，超高性能混凝土流动性和28 d抗压强度均先增加后降低，替代量40%时为最优。关键词：超细复合掺合料；水泥；混凝土；超高性能混凝土Abstract:The ultrafine composite admixture used in this study is composed of 50%S95 mineral powder and 50%fly ash,which is obtained by mixing and grinding with ultrafine ball mill.The application mode of ultrafine composite admixture in cement,concrete of different strength grades and ultra-high performance concrete was explored,and its influence on the properties of cement and concrete was studied.The results showed that the superfine composite admixture can replace 10%20%of PO 42.5 cement,the 3 d strength of cement does not decrease,the 28 d flexural strength and compressive strength increase by more than 0.5 MPa and 10 MPa respectively,and other properties can meet the standard requirements.In the C30,C50 and C80 strength grade concrete,the ultrafine composite admixture completely replacing the mineral powder can improve the fluidity and compressive strength of concrete,and the durability of C30 strength grade concrete is obviously improved.When the ultra-fine composite admixture replaces 20%50%cement in ultra-high performance concrete,the fluidity and 28 d compressive strength of ultra-high performance concrete increase first and then decrease,and the replacement amount of 40%is the best.Key words:ultrafine composite admixture;cement;concrete;ultra-high performance concreteFirst authors address:Datang Tongzhou Technology Co.LTD.,Beijing 100040,China中图分类号：TU528.041文献标志码：A文章编号：1002-9877（2023）11-0006-05DOI：10.13739/12-1899/tq.2023.11.0022023.No.11-7-王明荃，等：超细复合掺合料在水泥和不同强度等级混凝土中的应用研究 表1原材料化学组成%样品SiO2Al2O3CaOFe2O3TiO2SO3MgONa2OK2OP2O5MnOP I 42.5水泥20.584.9763.573.762.002.290.53P O 42.5水泥20.834.6964.883.450.463.560.59粉煤灰46.0441.014.633.881.630.580.590.240.770.220.04矿粉30.4514.3638.901.441.702.737.320.410.500.030.65煤灰和矿渣微粉化学组成见表1，矿物组成见图1和图2，超细复合掺合料基本性能和粒度分布分别见表2和图3；混凝土用砂为机制尾矿砂，细度模数为2.8；石子为530 mm连续级配碎石；硅灰为甘肃三远硅材料有限公司产，规格型号为SY-90U，SiO2含量90%，密度200250 kg/m3；消泡剂为日本艾迪科（ADK）生产的水泥砂浆用粉末消泡剂B328F；配制C30、C50和C80混凝土外加剂为北京某厂生产，为聚羧酸减水剂，固含量为12%，减水率20%。配制超高性能混凝土用减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸减水剂母液，固含量40%；钢纤维为镀铜微丝钢纤维，长度1214 mm，直径0.150.20 mm，抗拉强度大于2 850 MPa；膨胀剂为氧化钙类膨胀剂，推荐掺量1%3%。01020304050607080905333343333222225112/（）11-石英2-刚玉3-铝酸钙4-斜绿泥石5-氧化铝图1粉煤灰矿物组成2/（）0102030405060708090图2矿粉矿物组成表2超细复合掺合料和矿粉基本性能名称比表面积/（m2/kg）流动度比/%活性指数/%7 d28 d90 d超细复合掺合料80610080105116S95矿粉41010068104118100806040200累积分布/%微分分布/%141210864200.010.1110100 1 000粒径/m0.010.1110100 1 000粒径/m矿粉超细复合掺合料矿粉超细复合掺合料图3超细复合掺合料和矿粉粒度分布1.2试验方法及配合比超细复合掺合料的活性指数、流动度比等按照T/CMBF 1942022超细复合矿物掺合料 规定的方法进行；水泥的标准稠度用水量、凝结时间按GB/T 13462011水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法进行；水泥强度按照GB/T 176712021水泥胶砂强度检验方法（ISO法）进行；按照GB/T 500812019混凝土物理力学性能试验方法标准测试混凝土的抗压强度；按照GB/T 500822009普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准规定的方法测试混凝土的抗碳化性能、抗氯离子渗透性和抗硫酸盐侵蚀性能，混凝土配合比见表3；按照T/CECS 8642021超高性能混凝土试验方法标准 规定的方法测试超高性能混凝土的抗压强度，超高性能混凝土配合比见表4。2试验结果与讨论2.1超细复合掺合料对水泥性能的影响将超细复合掺合料分别替代10%、20%、25%、30%、40%的P O 42.5水泥，研究了超细复合掺合料的掺量对成品P O 42.5水泥强度、标准稠度用水量、凝结时间、细度的影响。试验结果见表5。由表5可知，P O 42.5水泥中掺入10%40%超细复合掺合料后，3 d抗折强度能保持与纯水泥相当的水平，3抗压强度随着替代量的增加而逐渐降低，且在替代量为10%时，较纯水泥组提高了0.9 MPa；-8-2023.No.11表6混凝土工作性能和抗压强度试验结果强度等级类型新拌混凝土工作性能抗压强度/MPa坍落度/mm扩展度/mm3 d7 d28 d56 d90 dC30基准组23056016.626.437.745.048.6试验组23558016.527.141.050.355.5C50基准组23058033.944.953.665.068.7试验组24060036.548.855.570.473.4C80基准组23058051.868.983.190.492.5试验组24062060.465.883.690.794.0值得注意的是，28 d抗折强度和抗压强度明显提高，28 d抗压强度增长范围在5.511.3 MPa，其中替代量在20%30%时，28 d抗压强度平均增长10.2 MPa，也就是说，使用20%30%的超细复合掺合料替代成品P O 42.5水泥，可提高水泥强度一个等级。超细复合掺合料可填充于水泥颗粒间的间隙中，使胶凝材料具有更好的颗粒级配，降低了胶凝材料的空隙率，形成了密实结构和细观层次的自紧密堆积体系。另外，经超细机械活化的超细复合掺合料，增加了活性SiO2、Al2O3等活性氧化物的溶出，增大了火山灰效应反应接触面积，大大提前了超细复合掺合料的二次水化反应时间，提高水泥的早期和后期强度8。表4超高性能混凝土配合比编号胶凝材料体系/%钢纤维/%水胶比砂胶比减水剂/%消泡剂/%膨胀剂/%P I 42.5水泥硅灰超细复合掺合料170102020.181.02.00.12260103020.181.02.00.12350104020.181.02.00.12440105020.181.02.00.12注：钢纤维掺量为体积分数的2%，砂为ISO标准砂。超细复合掺合料在10%的掺量时，水泥的标准稠度用水量显著降低，为26.4%，较基准组降低了1%，这是由于超细复合掺合料颗粒较细，填充于水泥颗粒之间，起到填充、润滑、解絮、分散等物理作用，具有一定的减水效果8；随着超细复合掺合料掺量的增加，由于整个胶凝材料体系的比表面积增大，润湿粉体表面所需要的用水量逐渐增多，导致水泥标准稠度用水量逐渐增加，且在30%掺量时保持与基准组相当。水泥初凝时间和终凝时间均随着超细复合掺合料的增加而逐渐延长，但均符合水泥标准要求。表5超细复合掺合料对水泥性能的影响试验结果替代比例/%抗折强度/MPa抗压强度/MPa45 m方孔筛筛余/%标准稠度用水量/%凝结时间/min3 d28 d3 d28 d初凝终凝06.38.334.8 58.94.327.4138228106.28.235.7 68.74.126.4164277206.18.933.1 70.23.926.8189294255.99.032.5 68.53.727.0235336305.89.031.9 68.73.527.2273378406.08.528.5 64.43.328.03053892.2超细复合掺合料对混凝土性能的影响2.2.1超细复合掺合料对混凝土工作性能和力学性能的影响将超细复合掺合料完全替代S95矿粉制备混凝土，研究其对不同标号C30、C50和C80强度等级混凝土流动性和抗压强度的影响，抗压强度试验结果见表6。表3混凝土配合比 kg/m3强度等级类型P O 42.5水泥粉煤灰矿粉超细复合掺合料硅灰水砂石子外加剂C30基准组22087541757921 0507.95试验组22087541757921 0507.95C50基准组33288681756761 05610.8试验组33288681756761 05610.8C80基准组47550501387881 04423试验组47550501387881 04423从表6可以看出，超细复合掺合料能明显提高混凝土的流动性。超细复合掺合料和水泥加水后都易形成絮凝结构，掺入减水剂后可破坏这种絮凝结构，超细颗粒吸附外加剂后，表面也形成双电层，使得超2023.No.11-9-王明荃，等：超细复合掺合料在水泥和不同强度等级混凝土中的应用研究细颗粒更容易地填充于水泥浆体孔隙，并把水泥颗粒打散，因而提高混凝土的流动性9。在C30强度等级混凝土中，使用超细复合掺合料后，混凝土3 d和7 d抗压强度保持与基准组相当，28 d、56 d和90 d抗压强度分别较基准组提高了3.3 MPa、5.3 MPa和6.9 MPa。在C50强度等级混凝土中，使用超细复合掺合料后，混凝土各个龄期的抗压强度都得到提升，说明超细复合掺合料还能进一步提高掺量，可代替部分水泥。在C80强度等级混凝土中，使用超细复合掺合料后，混凝土3 d抗压强度提高了8.6 MPa，7 d抗压强度略微降低，28 d、56 d和90 d抗压强度与基准组持平。2.2.2超细复合掺合料对C30强度等级混凝土耐久性能的影响超细复合掺合料对C30混凝土的抗碳化性能、抗氯离子渗透性及抗硫酸盐侵蚀性能的影响试验结果见表7和表8。C30强度等级混凝土中超细复合掺合料完全替代矿粉时，水泥用量保持不变，从抗压强度的试验结果也能侧面反映出混凝土密实性会得到一定的提升，可提高混凝土的抗碳化性能。从表7也能得出，超细复合掺合料替代矿粉后，混凝土各个龄期的碳化深度都明显降低，降低幅度为22.4%40.5%，混凝土抗碳化性能明显提升。6 h电通量降低了41.5%，混凝土的氯离子渗透性由低降至很低。表8抗硫酸盐侵蚀试验中，干湿循环90次时，耐蚀系数试验组和基准组没有明显的变化，干湿循环次数增长至120次和150次时，试验组的耐蚀系数分别提高了12%和10%，抗硫酸盐侵蚀性能得到了大幅提升。抗碳化性能、抗氯离子渗透性和抗硫酸盐侵蚀性能均与混凝土的密实度有关，一般来说，混凝土密实性越好，抵抗有害介质侵蚀的性能越佳，超细复合掺合料替代矿粉后，能与水泥、粉煤灰形成较好的颗粒级配，有效填充于孔隙之中，且后期生成的C-S-H凝胶会进一步细化水泥石的毛细孔，提高混凝土的密实度。表7混凝土碳化深度和电通量试验结果类型碳化深度/mm抗氯离子渗透性3 d7 d14 d28 d6 h电通量/C混凝土氯离子渗透性评价基准组6.87.97.68.11 256低试验组4.84.75.95.7735很低表8混凝土抗硫酸盐侵蚀试验结果类型干湿循环90次干湿循环120次干湿循环150次抗压强度/MPa耐蚀系数/%抗压强度/MPa耐蚀系数/%抗压强度/MPa耐蚀系数/%试验组标养组试验组标养组试验组标养组基准组45.044.510145.350.69042.449.885试验组52.953.59958.657.210252.855.8952.2.3超细复合掺合料对超高性能混凝土性能的影响超细复合掺合料掺量对超高性能混凝土流动性能和力学性能的影响试验结果见图4。由图4可知，超高性能混凝土扩展度随超细复合掺合料的掺量增加先增加后减小，由于超细复合掺合料的细度在水泥和硅灰之间，在一定掺量范围内，可与水泥、硅灰形成较为连续的级配10，有效降低粉体的堆积空隙率，从而降低用水量。超高性能混凝土的7 d抗压强度随超细复合掺合料的掺量增加而逐渐降低，而28 d抗压强度呈现出增加的趋势，在水化前期，超细复合掺合料主要起到堆积填充作用，水化程度较低，而随着水化反应的进行，其水化程度逐渐提高，生成更多的低碱度C-S-H凝胶填充于孔隙之中，提高了超高性能混凝土的密实度，从而提高抗压强度。根据T/CECS 101072020超高性能混凝土（UHPC）技术要求 对抗压性能的分级要求，配制出的超高性能混凝土均能满足UC2的抗压强度要求（120150 MPa）。20304050020406080100120140160180200560580600620640660680700720抗压强度/MPa扩展度/mm超细复合掺合料掺量/%7 d28 d图4超高性能混凝土试验结果-10-2023.No.113结论（1）相比较于常规细度的矿粉，超细复合掺合料具有更高的早期活性，7 d活性指数提高了12%，28 d和90 d活性指数均与矿粉相当。（2）超细复合掺合料可直接替代10%20%的成品P O 42.5水泥，复合水泥可满足3 d强度不降低，28 d强度明显提升，标准稠度用水量最高降低了1%，凝结时间和细度均能满足水泥标准要求。（3）在C30、C50和C80混凝土中超细复合掺合料可完全替代矿粉，混凝土的坍落度和扩展度均得到提升，混凝土抗压强度整体来看呈现出增加的趋势，C30强度等级混凝土的抗碳化性能、抗氯离子渗透性和抗硫酸盐侵蚀性能均得到改善。（4）在超高性能混凝土中超细复合掺合料可替代20%50%的水泥，在该材料体系下能配制出满足T/CECS 101072020超高性能混凝土（UHPC）技术要求 中UC2抗压强度要求（120150 MPa）的超高性能混凝土。参考文献：1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，2006（8）：28-31.2沈旦申，张荫济.粉煤灰效应的探讨J.硅酸盐学报，1981（1）：57-63.3马保国，李永鑫.绿色高性能混凝土与矿物掺合料的研究进展J.武汉工业大学学报，1999（5）：29-31.4谢迁，陈小平，温丽媛.用于水泥砂浆矿物掺合料的发展现状及展望J.混凝土，2016（3）：89-93.5周永祥.以新观点和新措施对待高性能混凝土高性能混凝土技术的几个问题J.工程建设标准化，2015，196（3）：58-62.6杨泽波，刘勇，陈清蓉，等.混凝土用矿物掺合料超细化作用机理J/OL.材料导报，2023（S1）：1-9.7程福星，肖蓟，万鹏程，等.机械活化方式对超细矿物复合掺合料活性的影响J.硅酸盐通报，2020，39（10）：3280-3285.8郭召亭.矿物外加剂的作用机理C/中国硅酸盐学会科普工作委员会，建筑材料工业技术情报研究所，全国水泥行业专家联盟，等.第八届国内外水泥粉磨新技术交流大会暨展览会专刊（世界建材 2016第5期）.世界建材 编辑部，2016：6.9冯乃谦，石云兴，郝挺宇.矿物质超细粉对水泥浆体的流动性和强度的影响J.山东建材学院学报，1998（S1）：105-111.10蒲心诚，刘芳，王冲，等.活性矿物掺合料的填充效应与增塑效应C/中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会混凝土质量专业委员会.全国高性能混凝土和矿物掺合料的研究与工程应用技术交流会论文集，2006：162-166.（编辑胡如进）欢迎订阅2024年水泥杂志 水泥杂志是由中国建筑材料联合会主管、建筑材料工业技术情报研究所主办的全国性建材科技期刊，1974年创刊,以“面向生产,注重实用”为办刊宗旨,适合水泥及相关企业、科研院所、大专院校及设计单位的技术人员阅读参考。本刊为第二、第三届国家期刊奖百种重点期刊、全国优秀科技期刊、全国建材优秀期刊、中文核心期刊（2008版）、中国科技核心期刊（2006版）、美国化学文摘（CA）收录期刊、中华人民共和国成立70周年精品期刊。主要栏目：双碳专题、水泥与混凝土、协同处置、专题报道、试验研究、智能控制、收尘环保、生产技术、生产设备、标准介绍、电气控制、计量监测、分析测试、精细管理、技改交流和行业动态等。本刊为国际大16开，彩色印刷，每月10日纸质版、手机版、网络版同步出版。定价：10元/期，全年120元。全国各地邮局均可订阅，邮发代号2-325。也可以手机扫码订阅。版征订启事扫 码 订 阅2024热烈祝贺水泥杂志创刊50周年！