文蓓蓓,高 博

(武漢武新新型建材有限公司,武漢 430080)

S105級礦粉在超高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用

文蓓蓓,高 博

(武漢武新新型建材有限公司,武漢 430080)

研究了S105級礦粉及其摻量對超高強(qiáng)混凝土工作性能、物理性能、耐久性方面的影響。結(jié)果表明:S105級礦粉是一種高效的活性摻合料,在超高強(qiáng)混凝土中摻入S105級礦粉,能夠提高超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度,改善超高強(qiáng)混凝土的工作性能和耐久性能,是配制超高強(qiáng)混凝土不可缺少的組分。

S105級礦粉; 超高強(qiáng)混凝土; 耐久性; 強(qiáng)度; 工作性能

1 前 言

1.1 超高強(qiáng)混凝土的現(xiàn)狀及發(fā)展

近十年來,高強(qiáng)混凝土特別是超高強(qiáng)混凝土的研究與發(fā)展已受到了各國研究機(jī)構(gòu)與工程部門的廣泛重視,在美國、日本、挪威及西德已有用抗壓強(qiáng)度達(dá)到100 MPa左右的超高強(qiáng)混凝土建造橋梁貯油灌及高層建筑的工程實例[1],特別是挪威已經(jīng)頒布了有關(guān)高強(qiáng)混凝土的標(biāo)準(zhǔn)[2],而且有關(guān)超高強(qiáng)混凝土的原材料、配合比、和易性、強(qiáng)度、收縮、徐變、耐久性及力學(xué)行為等各項性能的研究方興未艾,取得了可喜的成果。在國內(nèi),高強(qiáng)混凝土也開始引起學(xué)術(shù)界和工程界的重視,1992年6月由中國土木工程學(xué)會、混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)會所屬高強(qiáng)混凝土委員會在清華大學(xué)組織召開的“高強(qiáng)混凝土及其應(yīng)用第一屆學(xué)術(shù)討論會”交流了我國高強(qiáng)混凝土的研究情況,與起步較早的國家相比,我們的研究水平還比較落后,特別是28 d的強(qiáng)度多在70～80 MPa之間,100 MPa以上的超高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用實例還比較少見。

1.2 超高強(qiáng)混凝土的原材料要求

隨著科學(xué)技術(shù)和建筑業(yè)的發(fā)展,社會對建筑材料提出更高要求,不僅要滿足設(shè)計要求、施工可行性,還要遵循可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。因而在保證混凝土強(qiáng)度要求的前提下,合理選擇優(yōu)質(zhì)摻合料,最大限度地降低水泥用量,是改善混凝土諸多技術(shù)性能的有效途徑,也是高性能混凝土需要重點(diǎn)研究和解決的課題。

目前,硅灰是我國配制超高強(qiáng)混凝土的必用材料之一,對于提高混凝土的早期強(qiáng)度以及耐久性效果明顯。但硅灰是一種稀缺資源,價格很高,不利于超高強(qiáng)混凝土的大規(guī)模推廣應(yīng)用。而且有研究表明:使用硅灰的超高強(qiáng)混凝土收縮加大,后期強(qiáng)度存在倒縮的現(xiàn)象[3]。

1.3 S105級礦粉性能優(yōu)勢

S105級礦粉是采用生鐵冶煉中排除的高溫熔渣并經(jīng)水淬處理后的?；郀t礦渣,經(jīng)干燥、粉磨等工藝處理后得到的具有規(guī)定細(xì)度及顆粒級配并滿足相應(yīng)活性指標(biāo)要求的粉料,其應(yīng)用在高強(qiáng)混凝土中能改善混凝土后期強(qiáng)度,減小混凝土收縮,并在一定程度上提高混凝土的耐久性[4],并具有綠色環(huán)保特性,符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

礦粉目前在高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用以S95為主。S105礦粉較S95礦粉活性更高,性能更優(yōu)良,由于生產(chǎn)工藝等方面原因,應(yīng)用很少。

在分析國外學(xué)者對超高強(qiáng)混凝土研究的基礎(chǔ)上[5],結(jié)合國內(nèi)的原材料,利用硅灰的早強(qiáng)特性與礦粉的后期強(qiáng)度增長起到互補(bǔ)作用,通過采用雙摻硅灰和礦粉的方法來克服超高強(qiáng)混凝土收縮大,后期強(qiáng)度倒縮[6],并研究了S105礦粉全取代S95礦粉以及部分取代硅灰對C100超高強(qiáng)混凝土工作性能、物理性能、耐久性方面的影響。

2 試 驗

2.1 原材料

水泥:某品牌P.O52.5水泥,其性能見表1。

礦粉:武新S95礦粉;某品牌S105礦粉(球磨),性能見表2。

粉煤灰:武漢陽邏電廠Ι級FA,相關(guān)性能見表3。

硅灰:武漢新必達(dá)化工有限公司提供的硅灰,比表面積15 000～20 000 m2/kg,SiO2含量91%。

砂:巴河河砂,細(xì)度模數(shù)2.8,含泥量0.3%。

碎石:產(chǎn)地武穴,粒徑5～25 mm,連續(xù)級配,壓碎值7.5,含泥量0.2%。

減水劑:西卡3301,固含量20%,減水率25%。

水:普通自來水。

2.2 試驗方法

1)混凝土工作性測試:參照普通混凝土拌合物性能試驗方法(GBJ 80—85)的規(guī)定,用新拌混凝土的初始坍落度法/擴(kuò)展度以及混凝土1 h后坍落度/擴(kuò)展度來表征混凝土拌合物的工作性能。

2)混凝土強(qiáng)度測試:成型的試塊放入標(biāo)養(yǎng)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù),待達(dá)到齡期后,按GB/T 50081標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

3)混凝土耐久性測試:參照J(rèn)C/T 1086—2008《水泥氯離子擴(kuò)散系數(shù)檢驗方法》進(jìn)行,采用NEL氯離子擴(kuò)散系數(shù)測定儀,試件規(guī)格?100 mm×50 mm。

2.3 超高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計

為研究S105級礦粉在超高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用情況,在《普通混凝土的配合比設(shè)計規(guī)程》的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一系列C100混凝土配合比,見表4。

由表4可見:J1是C100基準(zhǔn)配合比,礦粉為S95級,硅灰摻量10%;D1為采用S105級礦粉取代S95級礦粉,硅灰摻量不變;D2～D5為S105級礦粉進(jìn)一步取代部分硅灰,硅灰摻量從10%降至6%。在此基礎(chǔ)上研究S105級礦粉取代S95級礦粉以及部分硅灰對超高強(qiáng)混凝土工作性能、強(qiáng)度、耐久性能的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 S105級礦粉的應(yīng)用對C100混凝土工作性能的影響

對于超高強(qiáng)混凝土來說,其工作性的好壞對混凝土的施工質(zhì)量影響較大。通過新拌混凝土的初始以及1 h坍落度/擴(kuò)展度來表征混凝土的工作性,結(jié)果如表5所示。從以上結(jié)果可以看出,隨著S105級礦粉摻量的增加,硅灰摻量的降低,混凝土的工作性能變化不是很明顯,且均有良好的工作性能。

3.2 S105級礦粉的應(yīng)用對C100混凝土強(qiáng)度的影響

對超高強(qiáng)混凝土而言,抗壓強(qiáng)度是決定其強(qiáng)度等級的重要指標(biāo)。S105級礦粉對C100混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見表6。從表6可以得出如下結(jié)果。

3.2.1 基準(zhǔn)配合比設(shè)計

從實驗結(jié)果可知,J1為基準(zhǔn)配合比, C100混凝土的3 d抗壓達(dá)90.1 MPa,7 d抗壓強(qiáng)度超過100 MPa,28 d接近120 MPa,說明該配合比能達(dá)到C100混凝土設(shè)計要求,各項性能良好。

3.2.2 S105級礦粉取代S95級礦粉

與基準(zhǔn)混凝土J1相比較可以看出,S105礦粉取代S95礦粉后,無論3 d、7 d、28 d強(qiáng)度均不同程度的提高,其中28 d強(qiáng)度提高達(dá)5 MPa。這是由于S105礦粉較S95礦粉而言活性更高,在混凝土中的微集料填充效應(yīng)更明顯。這也為S105礦粉取代部分硅灰提供了數(shù)據(jù)支持。

3.2.3 S105級礦粉取代硅灰

1)采用S105級礦粉取代硅灰后,C100混凝土3 d強(qiáng)度有所降低。

D2～D5為在D1基礎(chǔ)上,用S105級礦粉取代部分硅灰。從表中數(shù)據(jù)可以看出:采用S105礦粉取代硅灰后,C100混凝土3 d強(qiáng)度有所降低,這是因為硅灰比水泥顆粒更小,它在混凝土中主要填充于水泥顆粒之間的空隙,改善了膠結(jié)料的級配,將原束縛在其中的水分置換出來,產(chǎn)生了填充效應(yīng)與微集料效應(yīng)[7],置換出的水能和水泥中的有效成分繼續(xù)反應(yīng),增加水泥最終強(qiáng)度,同時,添加硅灰后水泥中C-S-H凝膠的CaO/SiO2之比值約從1.7下降到了1.3,CaO/SiO2的比值越低,說明SiO2立體網(wǎng)絡(luò)增密,凝膠有良好的致密性[8],因此膠結(jié)層區(qū)域的密度和強(qiáng)度同時得到了提高,從而使材料的整體強(qiáng)度得到了提高,使混凝土強(qiáng)度得到了提高。

2)采用S105級礦粉取代硅灰后,C100混凝的的7 d抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到設(shè)計要求。

采用S105礦粉取代部分硅灰后,C100混凝土的3 d強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度(除硅灰摻量為6%,強(qiáng)度89.7 MPa略低于基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度);7 d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到100 MPa,能滿足設(shè)計要求。這是因為S105礦粉也有填充效應(yīng)與微集料效應(yīng),但是由于礦粉的顆粒細(xì)度比硅灰大,置換效應(yīng)沒有硅灰明顯,水泥與集料膠結(jié)層的孔洞無法完全被填滿,所以強(qiáng)度的提高沒有硅灰大。

3)采用S105級礦粉取代硅灰后,C100混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度均超過設(shè)計要求。

從28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果來看,即使硅灰摻量從10%降至6%,C100混凝土的強(qiáng)度也超過110 MPa,能滿足應(yīng)用要求。這是因為礦粉是具有活性效應(yīng)的摻合料,在混凝土中可與水泥水化后的水化產(chǎn)物產(chǎn)生二次水化,活性SiO2和Al2O3與水泥熟料水化析出的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng),生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,促進(jìn)混凝土后期強(qiáng)度增長[9]。

4)在硅灰摻量為7%,硅灰摻量下降到7%時,其強(qiáng)度綜合性能最好。這是因為摻用S105級礦粉的混凝土強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土接近。

3.3 S105礦粉的應(yīng)用對C100混凝土耐久性的影響

高性能混凝土不僅要求有高強(qiáng)度,還要求具有良好的耐久性。S105礦粉取代部分硅灰對混凝土耐久性的影響通過測試混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)來表征,結(jié)果見表7。

混凝土耐久性參照《GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進(jìn)行,采用NEL氯離子擴(kuò)散系數(shù)測定儀,結(jié)果表明適量S105礦粉取代硅灰對C100混凝土的氯離子滲透系數(shù)無不利的影響,也即對混凝土的耐久性影響不大。

4 S105礦粉在超高強(qiáng)混凝土中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益分析

以C100為例,使用S105礦粉,硅灰摻量可降至7%,單方可減少硅灰用量20 kg,武漢市場硅灰價格在1 800元/t,目前可每方節(jié)約硅灰成本20×1.8=36.0元;假設(shè)S105礦粉較S95礦粉售價增加200元/t(實際達(dá)不到這么多),根據(jù)該文配比,礦粉成本增加80×0.2=16.0元,差價為36.0-16.0=20.0元。按照未來混凝土攪拌站超高強(qiáng)混凝土C100年方量為10萬方,則可節(jié)約20.0×10萬=200萬元。從經(jīng)濟(jì)效益角度分析,可產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

a.摻入S105級礦粉,超高強(qiáng)混凝土的工作性能良好,且穩(wěn)定。

b.用S105級礦粉取代部分硅灰,超高強(qiáng)混凝土物理性能均能達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度要求,且當(dāng)硅灰摻量降為7%時,其強(qiáng)度及綜合性能最好。

c.摻S105級礦粉可以使超高強(qiáng)混凝土具有優(yōu)異的耐久性能。

d.硅灰價格昂貴,采用S105級礦粉取代部分硅灰,可以降低成本,產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

e.采用S105級礦粉是利用工業(yè)廢料,保護(hù)環(huán)境,符合國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

[1] FIP-CEB Working Group,High Strength Conerete,Astate of the Artre Port,1990.

[2] Norwegian Standard NS 3473,Ausgabe Nov.1989.

[3] 焦楚杰,周 云,程從密,等.超高強(qiáng)高性能混凝土配合比設(shè)計方法[J].廣州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009(4):78-82.

[4] 蓋永豐,戴 民,張敬會.礦渣粉在高性能混凝土中的試驗研究[J].混凝土,2005(7):67-70.

[5] 蒲心誠.超高強(qiáng)高性能混凝土[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2004.

[6] 郭永智,李培彥,李秋義.微米級超細(xì)礦渣粉與硅灰性能對比研究[J].混凝土,2008(10):67-69.

[7] Pratt C J.Use of Permeable,Reservoir Pavement Constructions for Storm Water Treatment and Storage fo Reuse[J]. Water Science and Technology,1999,39(5):145-151.

[8] 楊玉喜,劉學(xué)擴(kuò).硅灰在混凝土中的作用[J].黑龍江交通科技,2007(6):51-52.

[9] 肖歷文.磨細(xì)礦粉對高強(qiáng)大體積混凝土性能的影響[J].管理與技術(shù),2006(2):7-11.

Application of S105 GGBS in the Ultra-high Strength Concrete

WEN Bei-bei,GAO Bo
(Wuxin Materials Company Limited,Wuhan 430080,China)

Effects of S105 GGBS on the properties of ultra-high strength concrete,such as physic property,workability and durability were investigated in this paper.The results showed that,S105 GGBS is a high activity admixture.The workability,compressive strength and durability of ultra-high strength concrete could be improved by adding S105 GGBS as mineral admixture.Therefore,S105 GGBS would be a indispensable component of ultra-high strength concrete.

S105 GGBS; ultra-high strength concrete; durability; concrete strength; workability

2014-05-07.

文蓓蓓(1989-),助理工程師.E-mail:jiancaisj@263.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.004