复合胶凝材料对轻集料混凝土力学性能影响研究.pdf

2 0 1 2年 第 1 1期 (总 第 2 7 7 期 ) N u mb e r 1 1 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 7 ) 混 凝 土 Co n c 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 2 1 1 0 2 1 复合胶凝材料对轻集料混凝土力学性能影响研究 潘荣伟 ，徐伟。 ，陈益兰 ，唐国武 ， ( 1 广西大学 ，广西 南宁 5 3 0 0 0 4 ；2 南宁市建筑节能和墙体材料改革办公室 ，广西 南宁 5 3 0 0 0 4 ) 摘要： 以粉煤灰、 矿粉等工业废渣作为掺合料部分取代水泥， 配制成复合胶凝材料， 结合陶粒陶砂作为骨料制备轻集料混凝土 ， 研究 复合胶凝材料对轻集料混凝土力学性能的影响。 结果表明： 利用复合胶凝材料配制的轻集料混凝土 2 8 d 抗压强度与纯水泥基准配合比保 持在同一等级的条件下， 干表观密度显著下降。 当复合胶凝材料配合比为水泥： 矿粉： 电石渣： 脱硫石膏 = 5 ：3 ： 1 ： 1 时； 制备的L C 3 0 轻集料混 凝土2 8 d 抗压强度和干表观密度分别达到 3 1 1 M P a 和 1 4 8 3 k g m 。 关键词： 复合胶凝材料；轻集料混凝土；抗压强度；干表观密度 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 2 ) 1 I - 0 0 6 4 0 3 St ud y t he i n f l u enc e o f c ompo s i t e c eme nt i t i ous m a t e r i al on mec h ani c a l pr o pe r t i e s of t h e l i gh t we i g ht agg r eg at e c onc r e t e P AN Ro n g- we i ， XU W e i ， CHEN 一 l a n ， T ANG Gu o wu ( 1 G u a n g x i U n i v e r s i t y ， Na n n i n g 5 3 0 0 0 4， C h i n a ； 2 T h eO f fi c e o f C o n s t r u c t i o nE n e r g y s a v i n g a n dR e f o r mo f Ma t e r i a l s for Wa l l i nNa n n i n g ， Na n n i n g 5 3 0 0 0 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e fl y a s h， s l a g po wd e r an d o t h e r i n d u s t ria l wa s t e s we r e u s e d t o r e p l a c e p a r t o fc e me n t a s c o mp os i t e c e me n t i t i o u s ma t e ria l ， t h e c e r a ms i t e a n d c e r a mi c s a n d e we r e u s e d a s a g g r e g a t e ， t o m a k e l i g h t we i g h t a g gre g a t e c o n c r e teTh e a i m o f t h e s t u d y wa s t o l o o k i n t o t h e i n fl ue n c e o f c o mp o s i t e c e me n t i t i o u s m a t e ri a l o n me c h a n i c a l p r o p e i e s o f t h e l i g h tw e i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e Th e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e c o n c r e t e S 2 8 d d r y a D pa r e n t d e n s i t y h a d d r o p p e d s u b s t a n t i a l l y c o mp a r e d wi t h t h e p u r e c e m e n t b e n c h ma r k f o r mu l a wh e n t h e c o mp r e s s i v e s tr e n g t h wa s k e p t a t t h e s a m e l e v e 1 T h e q u a l i ty mi x o f t h e c o mp o s i t e c e me n t i t i o u s ma t e r i a l wa s t h a t c e me n t ： s l a g p o wd e r ： d e s u l fu r i z a t i o n g y p s u m ： c a l c i u m c a r b i d e s l a g Was e q u a l t o 5 ：3 ： 1 ： 1 ， t h e nt h e l i g h t we i g h t a g gre g a t e c o n c r e t e S 2 8 d c o mp r e s s i v e s tr e n gth we n t u pt o 3 1 3 MP a ， t h e d r ya p p are n t d e n s it y wa s1 4 8 3 k g m Key wor ds ： c o mp o s i t e c e me n t i t i o u s ma t e r i a l ； l i g h twc i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e ； c o mp r e s s i v e s t r e n gth； d r y a pp a r e n t d e n s i t y 0 引言 轻集料混凝土是一种轻质、 节能的混凝土， 与普通混凝土 相比， 其能够保持在较高强度的基础上 ， 自重降低 2 0 1 以上； 同时， 轻集料混凝土还具有隔热、 保温、 抗震、 高耐久性等性能嘲 。 因此 ， 轻集料混凝土的应用前景非常广阔。 目前 ， 高强 、 轻质轻 集料混凝土的研制一直都是国内外学者研究的热点。 在轻集料混凝土中掺入粉煤灰和矿粉作为矿物掺合料 ， 具 有十分重要的意义。 一方面 ， 由于细磨的粉煤灰和矿粉等矿物 掺合料中含有大量无定形态 S i O 和 A l 2 0 ， ， 在水泥混凝土体系 中主要体现出增强效应 、 填充效应、 增塑效应 、 温峰削减效应、 耐久性改善效应等 ， 因而能够改善混凝土的工作性 、 提高其 抗压强度和耐久性能等田 ； 另一方面能使工业废渣得到循环利 用 ， 保证了资源的节约和能耗的降低。 目 前随着矿物掺合料研 究的深入和分析技术的进步 ， 人们也逐渐认识到矿物掺合料二 次水化对改善水泥基材料微结构的有益作用嘲 。 因此， 如何有效 激发矿物掺合料的二次水化也一直是研究的重点。 从粉煤灰和 矿粉的水化机理可以得出 ， 利用碱激发和硫酸盐激发条件下 可以充分发挥两者潜在的活陛， 从而能配制性能良好的混凝土。 本试验以粉煤灰 、 矿粉等工业废渣作为掺合料 ， 同时以电 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 5 - 2 2 基金项 目：南宁市科学研究 与技术开发计划项 目基金( 2 0 1 0 0 3 0 6 1 G) 6 4 石渣和脱硫石膏作为激发剂 ， 部分取代水泥 ， 配制成复合胶凝 材料 ， 利用此复合胶凝材料制备轻集料混凝土， 研究其对轻集 料混凝土力学性能的影响。 设计 目标 ， 制备 L C 3 0混凝土 ， 在保 证混凝土具有一定强度的前提下， 以降低混凝土干表观密度为 目标， 制备轻质混凝土。 1 原材料及试验 方法 1 1 原材料 ( 1 ) 水泥： 海螺牌 P O 4 2 5级水泥， 实测 2 8 d抗压强度为 51 9 M Pa。 ( 2 ) 陶粒、 陶砂、 人工砂 ： 陶粒和陶砂均取 自南宁福民节能 保温陶粒制品厂， 人工砂取自南宁华润混凝土搅拌站 ， 其物理 性能如表 1 。 表 1 粗细 骨料物理性能 ( 3 ) 粉煤灰： 取 自广西南宁电厂， 属 I I 级粉煤灰。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 4 ) 矿粉： 取 自南宁华润混凝土搅拌站， 属于 $ 9 5级。 ( 5 ) 电石渣、 脱硫石膏： 分别取 自广西南宁化工厂和南宁电 厂， 经实验室处理后比表面积分别为 3 6 9 、 4 5 5 mV k g 。 ( 6 ) 减水剂： 聚羧酸减水剂， 减水率为 2 0 6 。 ( 7 ) 相关原料化学成分如表 2 。 表 2 相关原料化 学成分 名称 s i O 1 A1 2 O 3 F e 2 03 C a O Mg O s OL o s s 陶粒 6 2 9 8 1 6 1 7 1 3 3 5 4 3 5 1 _ 3 8 一 O 2 7 粉煤灰 5 3 7 2 2 4 O 0 7 1 O l _ 3 3 0 9 6 7 2 3 矿粉 3 1 6 0 1 5 5 3 0 7 1 3 2 3 3 1 2 8 4 一 O 2 1 电石渣 7 1 4 3 7 4 O 7 1 6 0 O 0 0 1 2 2 7 6 3 脱硫石膏 1 1 2 9 0 8 4 0 1 2 3 2 0 5 0 0 6 4 5 5 7 9 8 3 1 2试验 方 法 ( 1 ) 试验方案 ： 分别将粉煤灰和矿粉单掺取代 3 0 的水泥； 利用脱硫石膏和电石渣作为激发剂分别激发粉煤灰和矿粉取 代 5 0 的水泥配制成复合胶凝材料 ； 成型水泥胶砂试块， 测定 其 2 8 d 抗压抗折强度。 最后利用复合胶凝材料制备轻集料混凝 土 ； 成型混凝土试块 ， 测定其 2 8 d抗压强度和干表观密度， 通过 砂率 、 细集料比例 、 胶凝材料用量的调整， 在保证混凝土具有一 定强度的前提上， 制备干表观密度较轻的混凝土 ， 分析复合胶 凝材料对混凝土力学性能的影响。 ( 2 ) 成型： 复合胶凝材料胶砂试块按 4 0 minx 4 0 m mx l 6 0 mm 成型， 标养 2 8 d 龄期测定其抗折抗压强度。 试验依据 G B T 1 7 6 7 1 1 9 9 9 ( J 泥胶砂强度检验方法 进行。 轻骨料混凝土制备及测定参 照 J G J 5 1 2 o 0 2 轻骨料混凝土技术规程 ， 按 1 0 0 m mx l O 0 mmx 1 0 0 m m混凝土试块成型， 标养至2 8 d龄期测定混凝土抗压强度 和干表观密度。 轻集料混凝土配合比水灰比为净水灰比， 试验总 用水量包括陶粒陶砂 1 h吸水率， 同时为避免成型时陶粒上浮， 需严格控制震动时间和震动频率。 2 试验 结果及 分析 2 1 复合胶凝材料 的配制 经过配合比筛选试验， 选取 4个具有代表性的配合比与纯 水泥的基准配合比作对比， 依据 G B T 1 7 6 7 1 -1 9 9 9进行胶砂强 度检验， 结果如表 3 。 表 3 复合胶凝材料配合比及试验结果 试验 水泥 粉煤灰 矿粉 电石渣 脱硫石膏 2 8 d 抗折强度 2 8 d 抗压强度 序号 MP a MP a 从表 3可知 ， 当粉煤灰和矿粉单掺 3 0 时， 与纯水泥基准 配合比对 比， A 1 组 2 8 d抗折抗压强度都比较低， 表明粉煤灰 活性较低 ， 2 8 d其并未完全被激发； 而 A 2组 2 8 d抗压强度与 纯水泥基准配合 比相当， 抗折强度甚至更高， 表明矿粉活性较 高， 2 8 d已发生了水化作用； 当水泥取代量为 5 0 ， 粉煤灰和矿 粉掺量不变， 而以 1 0 的电石渣和 1 0 的脱硫石膏作为矿物激 发剂时 ， A 4组 2 8 d抗折抗压强度都高于 A 3组， 同时与纯水 泥的基准配合比相比， 其 2 8 d 抗压强度略有下降， 但抗折强度 显著提高。 利用矿粉或粉煤灰部分等量取代水泥时， 由于电石渣和脱 硫石膏的掺人， 激发了矿粉和粉煤灰的潜在活性 ， 加速其早期 水化反应， 生成了大量的水化产物并填充进硬化浆体的孔隙， 从而能保证砂浆的致密度和弹性量， 因此， 当矿粉或粉煤灰等 量取代水泥时， 胶砂试块 2 8 d 抗压强度并没有显著下降。 2 2 轻骨料混凝土配合 比的确定 试验以L C 3 0 作为研究对象， 配合比设计根据 J G J 5 1 2 o 0 2 轻骨料混凝土技术规程 中松散体积法进行计算。 为达到配制 的混凝土强度高、 密度轻的目标， 首先要确定合适的砂率及细 集料的种类 。 试验胶凝材料固定为水泥 ， 设计混凝土质量配合 比为水泥： 陶粒： 人工砂： 水： 减水剂 = 1 ： 1 4 2 ： 1 8 4 ： 0 4 5 ： 0 0 1 。 2 2 1 最佳砂率的确定 按上述配合比进行试验， 其他用量固定 ， 改变砂率的范围 ( 3 0 , - 4 5 ) ， 试验结果如 图 1 、 2 。 g 挂 鲢 粕 镤 H I 器 砂率 ， 图 1 砂率与强度 的关 系 砂 率 图 2砂率与干表观密度的关系 从砂率与强度关系曲线可看出， 当砂率在 3 0 3 5 ， 混凝 土的强度随砂率增加而呈上升趋势， 砂率在 3 5 时混凝土强度 达到最高， 表明此时粗骨料的填充率最好。 当砂率超过 3 5 时， 混凝土强度则呈现下降趋势， 表明砂率过大， 骨料总表面积及 孔隙率都将增大， 因而水泥浆包裹骨料能力下降， 即强度也相 应下降。 另外从砂率与干表观密度关系图分析得知 ， 随着砂率 不断增加混凝土干表观密度也逐渐升高， 而砂率在 3 0 3 5 时， 干表观密度增长较快， 当超过 3 5 时， 增长比较平缓。 综合考虑， 本试验选用砂率为 3 5 。 2 2 2 陶砂掺量的确定。 由于陶砂密度 比人工砂轻 ， 满足配制轻集料混凝土质轻 保温的目的， 因而我们设计陶砂等体积取代人工砂( 取代比例 1 0 、 3 0 、 5 0 、 7 0 、 9 0 ) ， 在经济适用的前提下配制质轻的混 凝土。 混凝土配合比砂率确定为 3 5 ， 其他用量固定不变， 试验 结果如图3 、 4 。 上述试验表明， 随着陶砂取代量的增加 ， 混凝土 2 8 d强度 和干表观密度都呈现下降的趋势， 当陶砂取代量从 1 0 7 0 时， 混凝土强度曲线下降较平缓 ， 当取代量大于 7 0 后， 强度急剧 65 9 2 8 5 8 L L 5 3 5 3 4 7 8 9 9 2 一 一 一 m m 一 一 一 m 一 一 如 一 如 一 如 一 如 一 加 如 如 之0 4 A A A A A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吕 、 稍 霞 口 篙 1 7 6 0 陶砂 掺量 图 3陶砂掺量与强度的关系 740 7 20 7 00 68 0 66 0 0 2 0 4 0 6 0 8 O l O O 陶砂掺量 ， 图 4 陶砂掺量与干表观密度的关 系 下降， 而此后干表观密度变化并不是显著 ， 因而我们选取陶砂 等体积取代 7 0 的人工砂作为细集料进行下一步研究。 2 3 复合胶凝材料制备轻骨料混凝土 根据以上试验确定的参数 ， 砂率为 3 5 ， 陶砂与人工砂体 积比为 7 ：3 。 胶凝材料选取 A l 、 A 2 、 A 3 、 A 4组复合胶凝材料 ( 见表 3 ) 。 混凝土质量配合比为胶凝材料： 陶粒： 陶砂： 人工砂： 水： 减水剂 = 1 ： 1 4 2 ： 0 7 4 ： 0 5 5 ： 0 4 5 ： 0 0 1 ， 试验结果如表 4 。 表 4 不同胶凝材 料种类试验结果 从表 4可看出， 当水泥取代量为 3 0 时， 与空白 F 1 0组相 比， F 一 1 1 、 F 1 2 组 2 8 d 强度相对较低 ， 但取代过后混凝土干表观 密度下降了一个等级； 当水泥取代量为 5 0 ,4 时， F 1 3 、 F 1 4组 2 8 d 强度下降并不显著而干表观密度与纯水泥基准配合比相 比则 下降两个等级 ， 即在其他条件相同的情况下 ， 随着水泥取代量 的增多， 混凝土密度变得越轻， 这主要是由于矿粉、 粉煤灰 、 脱 硫石膏和电石渣几种矿物的密度都比水泥的轻， 所以它们的掺 人可以降低水泥浆的密度， 进而能降低混凝土干表观密度。 从水化机理上分析， 粉煤灰和矿粉中含有大量无定形态的 S i O 和 A 1 O 的物质， 粉煤灰中这些活性成分可以与水泥水化 生成的氢氧化钙和水发生二次水化反应， 生成具有水硬性特点 的水化硅酸钙 ， 并填充于毛细孔隙内【 从而能保证t 昆 凝土 2 8 d 具备一定的强度。 至于矿粉 ， 随着 S i O ： 等活性组分与水泥水化 析出的 C a ( O H) 以及高碱性水化硅酸钙发生二次反应， 生成低 碱性水化硅酸钙， 不但使水泥石中的水化胶凝物质的数量增加， 而且还改善混凝土的界面结构和孔结构， 降低混凝土的孔隙率， 从而提高混凝土的 2 8 d强度。 另外由于电石渣中主要成分为 6 6 C a ( O H) ： ， 脱硫石膏主要成分为 C a S O ， 当采用电石渣和脱硫石 膏作为碱激发和硫酸盐激发又可以加速矿粉和粉煤灰的二次水 化过程。 从而使得制备的轻集料混凝土 2 8 d强度下降不显著。 试验结果显示， 掺矿粉组的混凝土2 8 d强度都 比掺粉煤灰 组的高， 分析其主要原因为矿粉颗粒细度较粉煤灰的细 ， 活性 较高 ， 且矿粉中C a O含量相对很高 ， 能加速二次水化反应的进 行 ， 而粉煤灰必须依赖水泥水化产生的c a ( 0H) 来作为其水化 反应的反应物， 也就是说它的水化要消耗水泥水化反应的产物 ， 这个二次水化过程必定滞后于水泥水化过程及矿粉的二次水 化过程 ， 因而强度相对较低。 考虑到 A 一 4组复合胶凝材料能充分利用工业废渣 ， 而且配 制的混凝土 2 8 d强度下降程度不大 ， 干表观密度又比较轻 ， 这 不仅达到了节约水泥、 改善轻集料混凝土性能的目的， 同时还 能保护环境， 减少污染 ， 具有较好的经济效益和社会效益。因而 我们选其作为复合胶凝材料进行下一步研究。 2 4最优 配合 比确定 胶凝材料确定为 A 4组复合胶凝材料， 水胶比 0 4 5 ， 减水 剂掺量为胶凝材料的 l ， 其他条件不变， 通过改变胶凝材料用 量， 分析强度密度变化情况， 确定最佳胶凝材料用量 ， 试验结果 如表 5 。 表 5 不 同胶凝材料用量试 验结果 ( 1 m。 ) 通过以上试验可知， 随着每立方米轻集料混凝土配合比中 胶凝材料用量 的减少 ， 混凝 土强度和干表观密度都呈下降趋势 ， 当胶凝材料降至 3 5 0 k g m3 时， 成型困难。 因此 ， 本试验在配制 L C 3 0 混凝土时 ， 确定每立方混凝土胶凝材料最佳用量为 3 6 0 k g 。 配制轻集料混凝土时， 在能成型的范围内， 应尽量减少胶 凝材料的用量， 一方面可以达到节约水泥降低成本的目的， 另一 方面又能降低混凝土干表观密度 ， 从而达到质轻保温的效果。 3结论 本试验依据规范设计 L C 3 0 轻集料混凝土， 研究复合胶凝 材料对轻集料混凝土力学性能的影响。 试验得出如下结论 ： ( 1 ) 水泥胶眇试验表明， 当矿粉等量取代 3 0 ,4 的水泥时， 胶砂试 块 2 8 d 抗压强度与纯水泥组相当， 而抗折强良则超过纯水泥组的。 ( 2 ) 利用矿粉和粉煤灰取代部分水泥配制成的复合胶凝材 料能使轻骨料混凝土的干表观密度降低， 且随着水泥取代量的 增多， 混凝土干表观密度下降越快。 因此， 在混凝土配合 比合理 且能保证其强度的前提下， 应尽可能使用工业废渣取代水泥， 使得制备的轻集料混凝土达到轻质的目的。 ( 3 ) 当复合胶凝材料配合比为水泥：矿粉： 电石渣：脱硫石膏 = 5 ： 3 ： 1 ： 1 时， 其胶砂试块 2 8 d 抗折抗压强度分别 8 8 、 4 0 8 MP a ， 利 用该复合胶凝材料配制 L C 3 0轻集料混凝土， 当混凝土质量配合 比为胶凝材料： 陶粒： 陶砂： 人工砂： 水： 减水剂 = l ： 1 5 7 ： 0 8 2 ： 0 6 1 ： 下转第 7 O页 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