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矿粉对C40 混凝土性能的影响研究

2021-05-27

我国经济由高速度发展转为高质量发展,工程建设也要与经济建设发展同步,实施可持续环保发展,对工业废渣的再利用是建筑行业永恒的课题,矿粉是粒化高炉矿粉的简称,是优质的混凝土掺合料和水泥混合材,本文开展了不同矿粉掺量的混凝土试验研究,寻找不同掺量矿粉对混凝土性能影响规律,深入了解矿粉的作用,为矿粉在混凝土中的应用提供参考。


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1 实验过程



1.1 原材料选取



(1)选取S95矿粉,主要性能指标见表1。



(2)水泥选取P·O42.5水泥,主要性能指标见表2。



(3)粗集料,5~30 mm连续级配的碎石,表观密度2764kg/m3,堆积密度1526kg/m3,含泥量为0.4%。



(4)细集料,河沙,细度模数2.8,表观密度20681kg/m3,堆积密度1500 kg/m3,含泥量为1.8%。



(5)减水剂,鑫统领复配型外加剂,固含量10%,减水率20%。



1.2 混凝土配合比设计



本实验设计的混凝土标号为C40,根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》设计并调整后确定水胶比为0.49,单位用水量166 kg/m3,砂率42%。以混凝土配合比为基准,确保水灰比不变,用矿粉代替部分水泥改变胶凝材料配比进行混凝土试配调整,确定四个不同的配比方案与一个基准混凝土配比,见表3。



2 试验及结果分析



2.1 坍落度试验



坍落度实验按照标准GB/T50080《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行,坍落度筒的提离过程应在5~10s内完成,整个操作过程应保证在150s内完成,避免操作不当导致测试误差。坍落度实验结果见表4,图1,2。



可以看出,随着矿粉的掺入,混凝土坍落度逐渐上升,分析由于矿粉的颗粒表面较为光滑,圆球度高,物理性能相对较稳定,使得它能一定程度上减少新拌混凝土物料之间的摩擦,改善混凝土的和易性。但是由于矿粉一般情况下比表面积相对较大,掺入量过高,可能会造成混凝土离散性增大,反而降低混凝土的和易性,因此掺入矿粉时,应注意其比表面积,尽量与水泥颗粒形成良好的颗粒级配,掺入比例不要过大。



2.2 强度影响试验



抗压强度按照标准GB/T 50081《普通混凝土力学性能试验方法》,在混凝土试件达到养护龄期7d、28d和60d时进行抗压强度测试,测试结果见表5,图3。



从表5和图3可知,随着矿粉掺入量的提升,混凝土的早期强度(7d)下降,但是后期28 d和60 d强度均呈先上升后下降的趋势,主要是由于矿粉在水化初期并不参与反应,而在水化反应的后期,其与水化生成的Ca(OH)2发生二次水化反应,生成硅酸钙凝胶,其后期强度甚至超过未加入矿粉的基准样品。但是在矿粉掺入过多时(>20%)水化生成的Ca(OH)2被反应消耗,使得多余的矿粉并不能参与反应,导致强度呈下降的趋势。



2.3 抗碳化性能试验



本实验采用快速碳化法,依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行试验,养护完成后,将试件转移至烘箱内,控制温度在60℃,烘干48h后进行碳化试验,试验过程中,控制CO2浓度在(20±3)%,温度控制在(20±2)℃,湿度控制在(70±5)%,试验后,涂抹1%酚酞酒精试剂,待充分反应后,测试其碳化深度,试件一组3个,测试结果取平均值,测试结果见表6,图4。



由表6,图4可见,随着矿粉掺入量的提升,试件的碳化深度逐渐增加,表示其抗碳化能力逐渐降低,主要是由于随着矿粉的加入,其混凝土系统中氢氧化钙的含量逐渐降低,而CO2同时参与反应,使得混凝土整体偏向中性,混凝土碳化深度逐步增大。



2.4 抗冻化性能试验



按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行抗冻性能试验,试件尺寸100 mm×100 mm×400 mm,每次冻融循环25次后测定试件质量损失和动弹性模量。测试结果见表7,图5,6。



可见,随着矿粉掺入量的增大,试件在经过冻融循环后剩余质量和相对动弹性模量逐渐减少,冻融200 次后,其质量损失从空白的0.68% 升至了40%掺入量下的1.56%,质量损失增长了129%。



2.5 水化热性能



本实验参照DL/T 5150《水工混凝土试验规程》和JTG/T F50—《公路桥涵施工技术规范》分别测试绝热温升值,将拌合料装入容器中,按照混凝土试件的成型与氧化方法进行养护,在容器中埋入一根测温管,密封容器后将容器送入绝热室内,开始测温,每0.5h记录一次试样中心温度,24 h后每1h记录一次,7d后6h记录一次,至28d为止,结果见图7。



由图7可见,随着矿粉掺入量的提升,混凝土的绝热温升呈不断下降的趋势,同时,升温速率也有一定程度降低。分析主要是由于矿粉取代部分的水泥后,降低了C3A和C3S的含量,在水化反应中,特别是初期,极大的降低了水化反应的速度和程度,虽然在后期,矿粉中的活性SiO2和Al2O3会与氢氧化钙发生二次水化反应,但是综合整体考虑,矿粉的掺入,仍然能降低混凝土水化过程中的放热量。



3 结论



(1)随着矿粉的掺入,混凝土的坍落度和扩展度得到有效的改善,但是由于矿粉一般情况下比表面积相对较大,掺入量过高,可能会造成混凝土离散性增大,反而降低混凝土的和易性,因此掺入矿粉时,应注意其比表面积,尽量与水泥颗粒形成良好的颗粒级配,同时掺入比例不要过大。



(2)一定量矿粉的掺入,对混凝土的抗压强度有一定程度的改善作用,虽然混凝土的早期强度下降,但是后期强度得到增强,其28d和60d抗压强度在20% 掺入量时达到大,分别增长了2.3MPa和2.5MPa。



(3)矿粉的掺入,对混凝土的抗碳化性和抗冻性均有一定程度的破坏,随着矿粉的掺入,混凝土的抗碳化能力和抗冻性能逐步下降。如需在此条件下改善混凝土的耐久性,可以适当减少混凝土的水胶比。



(4)矿粉掺入后,对混凝土的水化热有一定程度的降低效果,掺入40%矿粉的条件下,高温峰值下降了7.3℃。


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