超细活性硅粉对混凝土的物理力学性能影响研究.pdf

2 0 1 1年 第 5期 (总 第 2 5 9 期 ) Nu mb e r 5i n 2 0l 1 ( To t a l No 2 5 9) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及 辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 5 0 3 6 超细活性硅粉对混凝土的物理力学性能影响研究 陈友治 ，许闽，宋正林 ，李儒光 ，林 家超 ( 武汉理 大学 硅酸盐 材料 L = 程教育部重点实验室 ，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要 ： 介绍 r一种新 型高火 山灰活性 的超细矿物掺合 料一 超细活性硅粉。 首先， 用胶砂强度法测 定 ， 陔矿物掺合料 的火 山灰活性 。 随后 ， 进行了 一 系列不同掺合料 、 不同掺 量的混凝土对比试验 ， 并用 X R D等测试手段定性 比较了上述 混凝 土试件水泥石 中的氧氧化钙含量。 试验 结果表明： 超细活性硅粉具有较 高的火山灰活性 一 在适合掺量的条件 F， 能大幅提 高混凝 土拌 合物的工作性能及混凝 土材料的力学性能 。 在混凝土中以等量取代的方式适量取代水 泥 ， 能明 降低混凝土 中水泥石基体的氢氧化钙含量。 关键词 ： 超细活性硅粉 ；掺量 水化 产物组 成；徽填 充效 应 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 ) 0 5 01 0 5 0 4 E ffe c t o f s upe r f i n e a cti ve s i l i c a po wder on t he c onc r e t e pr o per t i e s o f phy si c a l a nd mec h ani c a l be ha vi or C HEN You z h i X UM i n， S ONG Zh e n g - l i n， LI Ru - g u a n g， LI N J i a c h a o ( Ke y L a b o r a t o r y o f S i l i c a t e Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， Mi n s t a r y o f E d u c a t i o n ， Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： A n c wt y pe o f c o n c r e t emi n e r a l a d mi x t u r e ： S u p e r fin e a c t i v e s i l i c ap o wd e r( S S P) wa s s t u d i e d Fi r s t t h ep o z z o l a ni c a c t i v i t yo fS S Pwa s d e t e r mi n d e d b y t h e m e t h o d o f mo t a r s t r e n g t h S u bs e q u e n t l y， a s e r i e s o f d i f f e r e n t m i n e r a l a d mi x t u r e a n d c o n t e n t c o n c r e t e e x p e r i me n t s we r e b e e n t e s t - e dF i na l l y， t h e c o n t e n t o f CH i nt h e di ffe r e n t t y p e so f c o n c r e t ewa s c o mp a r e db yt h eme t h o do f XRDTe s t r e s u l t s h o ws t h a t ： SS P h a s a v e r yh i g hp o z - z ola n i c a c t i v i t y； c o n d j t i o n s i n t h e a p p r o p r i a t e mi xi n g a mo u n t ， SS P c a n s i g ni fic a nt l y i mp r o v e t h e wo r k a b i l i t y o ffle s h c o n c r e t e m i x t u r e a n d t h e mc c h a n i c a l b e h a v i o ro f c o n c r e t e； t h e c o n t e n t o f CH i nt h e c o n c r e t e c a nbe s i g i n i fic a n t r e d u c e d b y a d d i n g a p p r o pr i a t em i x i n g a mo u n t o f SS P Ke y w or ds ： s u p e r fin e a c t i v e s i l i c a p o wd e r ； m i x i n g a mou n t ； h y d r a t i o n c omp o s i t i o n； m i c r o p a c ki n g e ffe c t ( ) 引 言 自 1 8 0年前波特 兰水泥问世 以来 ， 混凝 土b 芟 为了人类世界 使用最大宗的人造材料。 2 0 0 9年世界水泥产量约为 2 8亿 t ， 而 我国 2 0 0 9年 的水泥产量为 1 6 3亿 t ， 占世界水泥产量 的 1 2以 上 ， 约可 制混凝土 6 5 2亿 m 。 冈此 ， 导致 了混凝 土建筑物 质量 大 、 原材料用量大 、 能耗高及运输量大等一 系列 问题 ， 进而增 加 工程成本 。 另外 ， 混凝 土材料 的耐久性问题也 不容忽视 。 目前 ， 一 般混凝土工程的使用年限为 5 0 1 0 0年。 闪此 ， 正常使用期后 的维修丁程量及费用是极其巨大 的 。 为克服普通混凝土存在 的 诸 多缺 陷和不足 ， 混凝土需要 向着 高强 及超高强 、 高耐 久和超 高耐久的方 向发展 2 _ 。 高性能化的混凝 土是 一种 新型的高技术 混凝 土 ， 是 在大幅 度提高常规混凝土性能的基础上， 采用现代混凝土技术， 选用 优质原材料 ， 在妥善的质量控制下制成的。 除采用 优质水 泥 、 集 料 和水外 ， 必须采 用低 水胶 比和掺加足量 的矿物细掺料与高效 外加剂 。 在混凝土中 ， 掺人活性矿物掺料。 单纯地掺入高效减水剂虽 能大幅度降低混凝土硬化后的孑 L 隙率， 但是不能改善水泥浆体 硬化后水化产物的组成， 不能提高水化胶凝物质的质量。 掺入活 性矿物掺料， 即可达到这一目标 ， 进一步提高混凝土的强度【3 l 。 本试验所讨论 的活性矿物掺 合料 ( 暂称超 细活性硅粉 ， 简 收稿日期 ：2 0 1 O - 1 l 一】 9 基金项 目：国家人防工 程项 目【 2 0 0 9 2 9 Z X 0 1 ) 称 s s P ) 是 一种原产 于安徽省庐江县的由火山灰沉积作用所生 成的硅质岩石 ， 经简单粉磨和超细分级处理而得 到的超 细粉末 制品( 平均粒径 d = 1 5 3 tx m) 。 具有原矿易开采 、 粉料加 工能耗低 、 综 合成本较 低等特点 。 前期 原材料分 析表 明 ， S S P原 矿为具硅 藻土性质的结晶程度较低的二氧化硅矿物， 有颗粒结构细微均匀、 含少量蛋白石及次孑 L 洞发育等特征。 S S P的低结 晶程度 及次孔洞发育 等特征 ， 可推断它应具有 一 定潜在的火 山灰活性。 为验证 S S P的潜在火山灰 活性 ， 本试验 采用胶砂 强度 法 ， 给出 了 S S P火 山灰 活性的量化指标 。 并 进一 步进行了一系列不同掺合料 、 不同掺量混凝土的对比试验， 以 检验 S S P对混凝土拌合物丁作性能、 硬化混凝土试件力学性能的 影响。 并用 XR D 等测试 手段分析 了超细活性 硅粉 对混凝土性 能产生影 响的机理 。 1 试 验 1 1 原材料 水泥 【 C) ： 试 验采用亚 东洋 房牌 P O 4 2 5级 水泥 ， 比表 面 积 3 5 2 m 2 k g ， 平均粒径 1 3 1 3 m， 表观密度 3 1 1 g c m ， 化学 成 分 见表 1 ； S S P ： 安徽庐 江产 天然硅 质材料 ， 平 均粒径 1 5 3 u IT I ， 表观密度 2 6 6 g c m ， 化学成分列于表 1 ， 粒径分布见表 2及图 1 ： 硅 灰( S F ) ： 艾肯 9 4级 硅灰 ， 比表 面 积 3 0 0 0 0 m： k g ， 平均粒 径 0 2 I x m， 表观密度 2 2 3 g c m ， 化学成分见表 1 ； 水 ： 饮用水 ； 粗集料： l 0 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m g 暑 、 艇 寒 羔 嘿 S SP 掺量 图 2 S SP掺量对 混凝土工作-陛能的影响 S S P 掺 量 图 3 S SP掺量对混凝土力学性能 的影响 对比不同龄期 ， 同样以 1 0 等量取代水泥的 S S P和 s F 混凝 土。 3 d龄期 ， S F混凝土的立方体抗压强度稍低于 S S P混凝土相 应值。 7 d龄期 ， s F混凝土基本 与 S S P混凝土相当。 2 8 d龄期 ， s F 混凝土稍高 于 S S P混凝土相应值。 综合混凝 土拌合 物的丁作 性能及试 件 2 8 d的抗 压强 度 ， 1 O 的 S S P掺量 的混凝土性能较 为优异 。 2 1 3 水化产物组成 ( X R D) A1 、 A3 、 A 6 试样的 2 8 d 水化产物的 X R D 图谱 ， 如图 4所示。 由图 4可看 出： 纯水泥浆 ( A1 ) 2 8 d水化试样 的主要水化产 物是 C S H凝胶 、 氢氧化 钙( C H) 、 钙矾 石( A F t ) 及 大量未水化 的水泥熟料颗粒 C S和 B C ： S ； 掺 1 0 S S P水泥浆 ( A3 ) 2 8 d水 化试样的主要水化产物是 C S H凝 胶 、 氢 氧化 钙( C H) 、 钙矾石 ( A F t ) 、 超细活性硅粉中未参与水泥水化的 石英及大量未水化 的水泥熟料颗粒 C S和 B C 。 S ； 掺 1 0 S F水 泥浆( A6 ) 2 8 d 水 化 试样的水化产物类型基本与纯水泥浆类似 。 上述 3 种不 同试样 水化 2 8 d ， 不 同矿物组成的比例有 明显的不同 ， 以 C H在 4 9 0足 处 的特征峰为例 ， A1 的强度最强 ， A3 次之 ， A6 最弱。 可 以推测 ， 上述 2 8 d水化试样中， Al 的氢氧化钙 ( C H)含量最高 ， A 3次 之 ， A6 最低 。 2 2 分 析及讨 论 2 2 1 工作性能 纯水泥混凝 土( P ) 、 1 O S S P混凝土 ( S P 1 0 ) 及 1 O S F混凝 1 00 8O 60 4 0 2O 0 1 OO 80 6 0 40 2O O 10 0 8 o 60 4 0 2 o 0 2 o ( 。 ) ( c ) A1 2 8 d 图 4不 同掺合料的水泥硬化浆体水化 2 8 d X RD图 土 ( S F 1 0 ) 的 _ 作性 能 比较如下 ： S S P 1 0 P S F I O ， 这与超 细矿物 掺合料的减水增塑效果有关 。 S S P混凝土具有较高的T作性能， 其原因如下 ： 微填充 效应， 即在混凝土体系中， 粗集料与细集料形成混凝土的骨架， 但粗集料与细集料间形成 的紧密堆 积中 ， 颗粒之间留有孔 隙 ， 水 泥颗粒粒径较小， 填充在孑 L 隙中。 同时， 水泥颗粒在生产过程中， 其粒径分布也不够合理， 颗粒间的孔隙率也很高。 加入 S S P后， 由于 S S P的颗粒直径 比水泥细的多 ， 可以填充到水泥间孔 隙中， 使混凝土体系颗粒级配更趋合理， 从而在低水胶比条件下具备 较高 的流动性 。 “ 密度效应” ， S S P的表观密度为 2 6 6 c ， 水 泥 的表观密度 为 3 1 g c m 。 由于 S S P掺人混凝土 中是 以质量置 换法来等量取代水泥 ， 而掺人 S S P的密度明显小 于水泥 ， 其在等 量取代水泥 条件下 ， 可 以获得更大 的胶凝材料浆体体积 ， 从而提 高混凝土拌合物 的流动性 。 “ 分散效应” ， S S P在水泥混凝 土中， 由于其粒径远小于水泥粒径 ， 所以， S S P使水泥颗粒分散， 颗粒 间距增大， 使混凝土的流动性增大( 由混凝土坍落度可知 ) 。同 时 ， 粒径极 细小的 S S P颗粒对 水泥水 化过程 中形成的“ 絮凝结 构” 有接续作用， 从而使混凝土的坍落度损失减小I 3 _ 。 上述各因素的叠加使掺 S S P混凝土的工作性能 ( 流动性 、 保塑性等) 较纯水泥混凝土有了较大的提高。 2 2 2 力学性 能 由试验结果 知 ， 以 1 0 S S P混凝土 ( S S P I O ) 的 3 、 7 、 2 8 d龄 期试件 的抗 压强度 都高于纯水 泥混凝 土( P ) 的相应值 ； 比较相 同水泥 取代量 的 S F混凝 土 ( S F 1 0 ) ， 其 3 、 7 d龄 期试件 的抗压 强度基本与 s F混凝土 ( S F 1 0 ) 的相应 值基 本相当 ， 而其 2 8 d龄 期试件 的抗 压强度稍低于硅灰混凝土的相应值。 适 宜水 泥取 代 1 07 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 量的 S S P混凝土之所 以有较好 的力学性能 ， 这与 S S P具有较强 的火山灰活性及 S S P 一 水泥体 系合理的粒级分布等因素有关。 ( 1 ) 火 山灰效应 。 众 所周 知 ， 水 泥熟 料 中主要强 度贡献 者 C S和 C ： S水化反应后 ， 主要的产物是钙硅 比( C S ) 为 1 6 - 1 9 的 高碱度水化硅酸钙( c s 1 5 ) 凝胶及游离的氧氧化钙( C H) 。 XR D结果显示 ， 随 S S P或 s F的掺入 ， 水泥石中氧氧化钙 晶体的生成 量明显 降低 ， 且氢氧化钙含量与掺合料 的火山灰活 性反相关， 即掺合料的火山灰性越强 ， 则水泥石巾氢氧化钙的 生成量越低 。 这是因为掺入具有火山灰活性的掺合料后， 水泥石胶凝物 质的组成得到了改善， 特别是减少和消除了水泥石巾游离的氧 氧化钙 。 混凝 土界面过渡 区( I T Z) 理论 认为 ， 混凝 土 的界面过渡 区 是混凝 土材料 中最薄弱 的连接环节 ， 对混凝 土的力学性能 及耐 久性有重要的影响 5 J 。 由于水泥石巾氧氧化钙含量降低， 相对应 混凝土内界面过 渡区定 向生 长的氢氧化钙晶体的数量减少 ， 从 而使混凝土界面过渡区结构更加致密， 因而掺 S S P的混凝土材 料的力学性能得到了明显的提高。 r 2 ) 填充效应。 千爱勤等人通过研究指 ， 加入较细的矿物 掺合料 ， 不仅可以减小水泥石毛细孔孔径， 也可减 I , L 隙率， 从 而提高水泥石的力学性能M 参照 Ai m G o ff模型 ， 二元水泥基复合胶凝材料体系中存 在一个最大堆积密实度。 此时， 火1 L I 灰质材料的体积分数为咖 。 可由式( 1 ) 计算 ： 击 一1 - (1 + 0 9 d p d ) ( 1 - C o) t， 1 ) 一 一 ， 一2 一( 1 + 0 9 d 。 d ) ( 1 - oo 0 ) 当 c b 时 ， 系统堆积密实度 可 巾式( 2 ) 汁算 ： 西：1 二 ( 2) 1 - 4, p 当 D 。 时， 系统堆积密实度 可由式( 3 ) 计算： 护 一 三 p 十 ( 1 - 4, ) ( 1 + 0 9 d 。 d c ) ( 1 - o) 式 中： 火山灰材料颗粒的平均粒径 ； 水泥颗粒 的平均粒径 ； ( 3) s 。 单一材料时的孔隙率( 取 8 0 = 0 5 2 ) ； 火山灰材料的体积分数。 计 算可知 ， 对 于纯 水泥体系 ， ： 0 4 8 ； S S P C体 系 ， ( b = 0 5 4 ； S F C体系， = O 5 5 。 因而， 以 1 0 S S P等量取代水泥( 质量分数) 的 S S P - C体系 上接第 1 0 4页 5 1 B A R N E T t S J ， MA CP HE E D E， L AC HO WS HI E E， e t a 1 X RD， E D X a n d I R a n a l y s i s o f s o l i d s o l u t i o n s b e t w e e n t h a u ma s i t e a mt e t t r i n g i t e J C e me n t C o n c r e t e C o m p o s i t e ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 5 ) ： 7 1 9 - 7 3 0 6 罗忠涛，水泥混凝土 T S A破坏机理及其预防措施研究【 D 武汉 ： 武汉 理工大学 ， 2 0 0 7： 2 9 3 2 f 7 】GA O Xi a o - j i a n ， MA B a o g u o ， YA N G Y i n g - z i S u l f a t e a t t a c k o f c e me n t b a s e d ma t e r i a l wi t h l i me s t o n e fi l l e r e x p o s e d t o d i f f e r e n t e n v i r o n me n t s J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s E n g i n e e r i n g a n d P e rf o r ma n c e ， 2 0 0 8 ， 1 7 ( 4 ： 5 4 3 5 4 9 f 8 1 S ADANAND S， S TE VE B， NI E S F Me c h a n i s m o f t h a u ma s i t e f o r ma t i o n i n c o n c r e t e s l a b s o n g r a d e i n s o u t h e r n c a l i f o r n i a J C e m e n t C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 3 ， 2 5 ) ： 8 8 9 8 9 7 f 9 1 ROME R M， HOI ZER L， P F I F FNER M S wi s s t un n e l s t r u c t u r e s ： c o n c r e t e d a ma g e b y f o r m a t i o n o f t b a u ma s i t e J C e me n t C o n c r e t e C o mp o s it e s ， 2 0 0 3 2 5 ( 8 ) ： 1 1 1 1 1 1 1 7 l 08 堆积密实度明显大于纯水泥体系的相应值， 而以 1 0 S F等量取 代水泥 ( 质量分 数 ) 的 S F C体系密实度也大于纯水泥体系相应 值， 且较 S S P C体系稍大， 但优势并不明显。 综上 ， 在混凝土 中加入适量该粒级的 S S P可以从胶凝材料 颗粒填充角度提高混凝土的密实程度。 而混凝土的孔隙率是影 响混凝土力学性能的一个重要因素 ， 在不考虑过度界面区对混 凝土材料 力学性能影响的前提下 ， 孔隙率越低 ， 强度越高 。 进而 提高了混凝 土材料的力学性 能。 3结 论 ( 1 ) 平 均粒径为 1 5 3 ix m 的活性 超细硅粉 ( S S P ) 的具有较 高的火 山灰活性 ， 与艾肯 9 4级硅灰基本相当。 ( 2 ) 在常规混凝土 中掺人 】 O 的超细活胜硅粉 ， 对提高混凝 土强度有很好的效果， 对比同掺量硅灰混凝土， 力学 能比较接近。 ( 3 ) 超细活性 硅粉作为混凝 土的矿物掺合料 ， 在适 宜掺量 与高效减水剂复掺的条件下， 能有效地提高混凝土拌合物的工 作性能 ( 流动性 和保 塑性 ) 。 优 于单掺高效减水剂 的纯水泥混凝 土及复掺同掺量硅灰与高效减水剂的混凝土。 ( 4 ) 超细活性硅粉能有效降低水泥石中的氢氧化钙含量 ， 减少混凝土 中过度界面 区定向生长的氧氧化钙 。 同时， 明显改善 水泥石的微观结构， 生成结构更加致密的水化硅酸钙凝胶。 提高 混凝土材料 的力学性能。 ( 5 ) 对 比硅灰 ， 掺超 细活性硅粉混 凝土具有更加 优异的工 作性能及相当的力学性能 ， 且其制备成本更加低廉 。 参考文献 ： 【 1 吴中伟 高性 能混凝土 及其矿 物细掺 J J _建 筑技术 ， 1 9 9 9 ， 3 0 ( 3 ) ： l 6 O l 6 2 1 7 l 蒲心诚， 王勇威高效活，性矿物掺料与混凝土的高性t qJ 混凝土， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 3 - 6 f 3 王冲， 蒲心诚 超细矿物掺合 对新拌混凝土的增塑减水机理分析 混凝土 ， 2 0 0 1 ( 8 ) ： 5 1 5 4 4 蒲心诚 超高强高性能混凝土【 M 重庆 ： 重庆大学出版社 ， 2 0 0 4 5 】ME H T A P K， MO N E T E I R O P J C o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e ， p r o p e r t i e s a n d ma t e r i a l s M Mc G r a w Hi l l ， N e w Y o r k ， 2 0 0 6 6 1王爱勤， 等 火山灰质材料的填充作用I J 】 _ 混凝土与水泥制品， 1 9 9 5 ( 5 ) 1 9 2 1 作者简介 联 系地址 联 系电话 陈友治 ( 1 9 6 9 一 ) ， 男 ， 博士 ， 教授。 武汉市珞狮路 1 2 2 号 武汉理工大学硅酸盐材料工程教育 部重点实验室水泥混凝土大楼 4 3 3 室 ( 4 3 0 0 7 0 ) 1 3 1 3 5 6 9 71 7 5 f 1 0 1 B E N S T E D j T h a u m a s i t e b a c k g r o u n d a n d n a t u r e i n d e t e ri o r a t i o n o f c e me n t s m o rt a r s a n d c o n c r e t e s J C e m e n t C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 1 9 9 9 2 1 ( 2 ) ： 1 1 7 1 2 1 f 1 1 B E N S T E D J T h a u m a s it e - d i r e e t ， w o o d f o r d i t e a n d o t h e r p o s s i b l e f o r ma t i o n mu t e s J 1 C e me n t C o n c r e t e R e s e a r c h， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 8 ) ： 8 7 3 8 7 7 【 1 2 S C HMI D T T ， L O T H E N B AC H B A t h e r mo d y n a m i c a n d e x p e ri m e n t a l s t u d v o f t h e c o n d i t i o n s o f th a u m a s i t e f o r ma t i o n J C e me n t C o n e t e R e s e a r e h 2 0 0 8 ( 3 8 )： 3 3 7 3 4 9 作者简介： 李长成( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 博士研究生， 主要研究方向： 混凝土耐 久性和放射性废物处理。 联系地址： 北京市朝阳区管庄东里 1 号 中国建筑材料科学研究总院 水泥 所( 1 0 0 0 2 4 ) 联系电话： 0 1 0 5 1 l 6 7 4 6 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m