宋松松,孫檳鍇

(湖北交通工程檢測中心有限公司 武漢市 430200)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速增長,綠色與低碳成為推動建筑行業(yè)發(fā)展的重要力量。研究發(fā)現(xiàn),1t水泥熟料的生產(chǎn)過程中會排放約850kg的CO2,因生產(chǎn)水泥排放的CO2占全球排放總量的7%[1],所以減少混凝土中的水泥熟料是減少CO2排放的有效途徑。傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥混凝土已經(jīng)滿足不了環(huán)保節(jié)能的發(fā)展需要,越來越多的工業(yè)廢渣作為摻合料,能夠減少硅酸鹽水泥的用量,提升水泥基膠凝材料的性能,因此輔助性膠凝材料已被廣泛應用。電解錳渣和高爐?；V渣都是金屬冶煉過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣,都含有大量的硅酸鹽、玻璃體和結(jié)晶化合物[2],所以錳渣和礦渣都具有相似的水化反應活性,可作為火山灰質(zhì)礦物摻合料代替硅酸鹽水泥。

利用電解錳渣、高爐?；V渣的水化活性,制備錳渣-礦渣輔助性膠凝材料,研究其水化反應進程,為其在工程實際中的應用提供試驗和理論基礎。

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

試驗原材料包括:錳渣采用重慶某電解錳合金冶煉廠的電解錳渣(EMR),錳渣預處理之后的比表面積達到236m2/kg;礦渣為重慶某公司生產(chǎn)的S95級高爐?；V渣粉,密度2.88g/cm3,比表面積478m2/kg;水泥采用重慶華新水泥廠生產(chǎn)的(P·O 42.5)普通硅酸鹽水泥,其基本物理指標見表1;外加劑為重慶科之杰公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑,各參數(shù)滿足規(guī)范要求;粗細集料均來源于重慶重交再生資源有限公司,細集料為機制砂,級配為Ⅱ區(qū)中砂,粗集料粒徑5～20mm,滿足規(guī)范要求;拌和用水為試驗室自來水。膠凝材料的主要化學成分見表2。

表1 水泥的基本物理指標

表2 原材料的主要化學成分

1.2 試驗設計及方法

現(xiàn)有研究表明[3],錳渣的摻量為10%,水泥基材料的反應活性效應處于較好的水平,水泥砂漿、混凝土的物理化學性能都有一定的改善,現(xiàn)考慮保證水泥基材料活性的前提下,設計錳渣-礦渣復摻以增大錳渣的摻量,提高經(jīng)濟效益。設計基準組砂漿的水膠比為0.5;膠砂比為1∶3。按照水泥摻量的10%、20%、30%替代,錳渣與礦渣的比例分別為1∶1、1∶2和2∶1;同理,錳渣-礦渣水泥混凝土采用水膠比0.37,礦物摻合料摻量為10%、20%、30%,錳渣與礦渣的比例為1∶1、1∶2、2∶1,試驗配合比見表3、表4。

表3 錳渣-礦渣水泥砂漿配合比及流動度試驗結(jié)果

砂漿的流動度和力學性能試驗分別參照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)《水泥砂漿強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)進行?；炷恋牧鲃佣群土W性能參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行。

2 性能影響分析

2.1 錳渣-礦渣復摻對水泥砂漿流動性的影響

按照錳渣-礦渣的比例分別為1∶1、1∶2和2∶1替代摻量10%～30%的水泥,研究錳渣-礦渣復摻對水泥砂漿流動性的影響,試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 錳渣-礦渣復摻對水泥砂漿流動度的影響

由圖1可知,隨著錳渣-礦渣復合摻合料摻量的增加,砂漿流動度總體呈現(xiàn)下降的趨勢,但只有MS3下降得比較快。試驗組別MS1、MS2中,砂漿流動度波動較小,隨著礦渣摻量的增加砂漿流動度有所提高?？梢缘贸?礦渣的摻入有利于提高錳渣水泥砂漿的流動性。這是由于磨細錳渣顆粒的不均勻和排序狀態(tài)不穩(wěn)定,相比之下礦渣的比表面積比錳渣更小,能很好改善顆粒體系的密實性并填充錳渣水泥砂漿微孔隙,說明錳渣-礦渣復摻可以改善水泥基混合材料體系的物理密實填充作用[4]。

2.2 錳渣-礦渣復摻對水泥混凝土流動性的影響

采用水膠比0.37,摻合料摻量為10%、20%、30%,錳渣與礦渣的比例為1∶1、1∶2、2∶1,研究錳渣-礦渣復摻對水泥混凝土坍落度的影響,試驗結(jié)果見圖2。

圖2 錳渣-礦渣摻量對水泥混凝土坍落度的影響

從圖2可以看出,隨著錳渣-礦渣摻量的增加,混凝土的坍落度雖然有所下降,但下降的幅度并不大。錳渣-礦渣摻量增大到30%時,MSC3相比于MSC1分別下降了8.5%、8.1%、5.8%。說明錳渣-礦渣摻量不宜過大,錳渣-礦渣復摻在保證混凝土具有良好粘聚性的同時對于混凝土的和易性有很大改善,這是由于錳渣-礦渣復摻可以填充水泥顆粒之間的空隙,改善膠凝材料的微級配[5],所以錳渣-礦渣復合雙摻的復合疊加作用使得顆粒級配更加合理。

2.3 錳渣-礦渣復摻對水泥砂漿力學性能的影響

采用錳渣-礦渣的比例分別為1∶1、1∶2和2∶1替代摻量10%～30%的水泥,研究錳渣-礦渣復摻對水泥砂漿力學性能的影響,結(jié)果如圖3所示。

圖3 錳渣-礦渣水泥砂漿力學性能

由圖3可知,隨著錳渣-礦渣摻合料的遞增,砂漿強度有一定程度的下降,但是隨著錳渣摻量的減少,砂漿在各個齡期的強度下降趨勢減緩,比如MS3(1∶1)7d的抗折強度相對于MS2(2∶1)變化不大。從28d的抗壓強度趨勢也能看出,當錳渣-礦渣摻量在10%～20%摻量下,砂漿的強度變化不大;當錳渣-礦渣摻量大于20%,強度下降較快。這是由于錳渣-礦渣在水化初期其化學活性并沒有起作用,僅起微集料作用填充砂漿的空隙,且隨著錳渣摻量的增加,超過錳渣的最佳摻量會導致砂漿流動性、強度的降低[6]。隨著水化過程的進行,錳渣的化學活性得到激發(fā),且礦渣比表面積比錳渣更大,礦渣更能促進水化的界面反應,二次水化反應的產(chǎn)物提高水泥砂漿的致密程度,彌補由于錳渣摻量過大引起的強度損失,提高砂漿的后期強度[7]。

2.4 錳渣-礦渣復摻對水泥混凝力學性能的影響

采用水膠比0.37,摻合料摻量為10%、20%、30%,錳渣與礦渣的比例為1∶1、1∶2、2∶1,研究錳渣-礦渣復摻對水泥混凝土的抗壓強度的影響,試驗結(jié)果見圖4。

圖4 錳渣-礦渣復摻對水泥混凝土抗壓強度的影響

由圖4可以看出,隨著MS復合摻合料的增加,混凝土的抗壓強度整體呈下降趨勢。從MSC1可以看出,當錳渣-礦渣的比例為1∶2,水泥混凝土28d的強度能達到52.6MPa,說明隨著礦渣摻量的增加混凝后期強度有所提高。同理,當MS摻量增大到20%,隨著礦渣摻量的增加,混凝土各齡期強度呈遞增趨勢,且錳渣單摻30%的水泥混凝土28d強度達到48.6MPa[3],但相比于MSC1的28d強度下降了7.6%。從MSC3組看出,由于MS摻量已經(jīng)超過最佳摻量,混凝土強度損失較大,盡管隨著礦渣摻量的增加,混凝土強度有一定的提升,但是由于錳渣、礦渣不能完全水化,礦渣-錳渣復摻給混凝土帶來的負效應較大,所以錳渣-礦渣復摻摻量最好控制在10%～20%。

3 結(jié)論

(1)隨著錳渣-礦渣復合摻合料摻量的增加,砂漿流動度總體呈現(xiàn)下降的趨勢。

(2)錳渣-礦渣復合摻量的增加,混凝土的坍落度雖然有所下降,但下降幅度不大。復合摻合料能有效改善混凝土的微級配,保證混凝土具有良好粘聚性的同時對于混凝土的和易性有很大改善。

(3)錳渣-礦渣復摻在一定程度上能改善錳渣單摻對強度的影響,當錳渣-礦渣摻量20%,可以提高錳渣摻量且對水泥砂漿強度影響不大。隨著水化過程的進行,礦渣更能促進水化的界面反應,提高砂漿的后期強度。

(4)錳渣-礦渣復摻摻量不宜大于20%,摻量達到30%,混凝土強度損失較大,盡管隨著礦渣摻量的增加,混凝土強度有一定的提升,但是由于錳渣-礦渣不能完全水化,礦渣-錳渣復摻給混凝土帶來的負效應較大,所以錳渣-礦渣復摻摻量最好控制在10%～20%。