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摘要:针对混凝土性能问题,从矿物掺合料作用机理、试验方法和结果等方面进行分析。通过运用实践表明:在混凝土中掺入一定量矿物掺合料,可有效提高混凝土性能,减小混凝土孔隙的比,提高混凝土强度。
关键词:矿物掺合料、混凝土、力学性能、影响
现阶段,混凝土是建筑工程的主要结构材料。据不完全统计,我国每年至少使用20亿立方混凝土,由于一般混凝土其耐久性差,施工技术水平不均衡,使得混凝土强度低,耐久性混凝土在建筑工程中使用有局限性,由于建筑构筑物自重大,后期维修成本高。而矿物掺合料的使用,能减少水泥用量,改善混凝土的耐久性和工作性能。同时,还能减少掺合料对环境的排放污染,具有良好的环保性和经济性。针对目前新拌混凝土中经常使用的三种矿物掺合料为材料,通过对比试验来研究,矿物掺合料对混凝土耐久性和工作性能的影响。
1、矿物掺合料概述
矿物掺合料是一种辅助胶凝材料,在混凝土配制时加入适量的,可以有效改善塑性新拌混凝土性能的无机细粉矿物。
常用的包括:粉煤灰、沸石粉、矿渣粉等,它和外加剂掺与不掺有所不同,具体表现为:①水化作用不同:不掺外加剂与水泥水化作用;掺合料与水泥水化,对水化产物有一定作用;②掺量不同:外加剂的掺入量小于水泥质量5%;掺合量的掺入量大于水泥用量5%;③硅酸盐熟料不同:在水泥生产中,外加剂不参与;掺合量可替代部分硅酸盐熟料,增加水泥生产量。改善水泥性能的稳定性。
2、原材料试验
2.1原材料
水泥:P.O42.5级,试验得:28d抗折强度8.9MPa,抗压强度48.3MPa,比表面积3148kg/m3。
水:自来(生活)水。
粉煤灰:F类II级,试验得:细度14.6%,28d活性指数76.8%,比表面积2235kg/m3。
矿粉:S95级,试验得:密度2.9g/cm3,28d活性指数97.0%,比表面积400~450m2/kg,流动比104%。
聚羧酸减水剂:试验得:减水率26%,固含量15%。
粗骨料:试验得:5-16mm;16-31.5mm连续级配碎石;细骨料:试验得:河砂,细度模数2.8。
沸石粉:试验得:表观密度2700kg/m3,比表面积475m2/kg。
2.2配合比
粉煤灰、矿粉、沸石粉使用等量替代水泥的方式掺入混凝土,掺量分别为10%、20%、30%、40%、50%,配合比见下表1。减水剂掺量根据混凝土坍落度调整使用。
表1 掺合料配合比试验(对比)参数(kg/ m3)
编 号 | 水泥 | 粉煤灰 | 矿粉 | 沸石粉 | 水 | 砂 | 碎石 |
J0基准 | 470 | 0 | 0 | 0 | 160 | 708 | 1062 |
A10不掺 | 423 | 0 | 47 | 0 | 160 | 708 | 1062 |
A20不掺 | 376 | 0 | 94 | 0 | 160 | 708 | 1062 |
A30不掺 | 329 | 0 | 141 | 0 | 160 | 708 | 1062 |
A40不掺 | 2282 | 0 | 188 | 0 | 160 | 708 | 1062 |
B10掺粉煤灰 | 423 | 47 | 0 | 0 | 160 | 708 | 1062 |
B20掺粉煤灰 | 376 | 94 | 0 | 0 | 160 | 708 | 1062 |
B30掺粉煤灰 | 329 | 141 | 0 | 0 | 160 | 708 | 1062 |
B40掺粉煤灰 | 282 | 188 | 0 | 0 | 160 | 708 | 1062 |
C10掺沸石粉 | 423 | 0 | 0 | 47 | 160 | 708 | 1062 |
C20掺沸石粉 | 376 | 0 | 0 | 94 | 160 | 708 | 1062 |
C30掺沸石粉 | 329 | 0 | 0 | 141 | 160 | 708 | 1062 |
C40掺沸石粉 | 282 | 0 | 0 | 188 | 160 | 708 | 1062 |
2.3试验方法和仪器
2.3.1本试验主要检测掺矿物料与不掺矿物料混凝土的抗压强度、抗冻性能等技术要求。试验操作参照对应《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行。
经时混凝土塌落度损失测定:在配合比试配过程中,测定初始(出机时)混凝土坍落度;当初始混凝土坍落度检测完成后,立即将混凝土装入适合测定要求塑料桶内,桶口覆盖塑料膜(避免水分蒸发)。1h后对混凝土坍落度再次进行复测,根据本次测定的混凝土塌落度测定值,进行这两次混凝土塌落度,经过1小时候后计算塌落度损失大小。
2.3.2测定混凝土抗冻性及电通量用试验仪器:混凝土快速冻融试验机、混凝土氯离子电通量测定仪。
3、混凝土抗冻性及电通量试验及结果分析
3.1新拌混凝土性能
新拌混凝土性能包括:坍落度、粘聚性、保水性、流动性。坍落度损失等,用来综合反映新拌制混凝土的工作性能。通过试验控制混凝土坍落度满足要求,减少混凝土泌水、坍落度损失等。由于矿物掺合料的颗粒表面织构、比表面积不同,给混凝土性能产生的影响也不同。现以坍落度损失为代表,分析不同矿物掺合料经过试验检测来验证对混凝土的影响。
试验多次的配比验证显示:在混凝土掺入矿物掺合料后,60min的坍落度变化明显。掺入粉煤灰后,坍落度明显低于J0组;随着掺入量的增加,坍落度的降低幅度越来越明显;而掺入矿粉、沸石粉后,坍落度也有一定的损失,但损失比较小,其中沸石粉的损失最小,(提示:在混凝土中掺入沸石粉能增加混凝土的保水性。)通过试验对比表明,粉煤灰具有保持坍落度的作用,将其掺入混凝土中能增强流动性,这和本试验结论存在差异。
粉煤灰孔隙率、比表面积均比较高,随着掺入量的增加,为保证混凝土正常工作流动性,通常会掺入减水剂,因为其有保水、减水成分,能提高拌合物的坍落度损失功能。工程施工中,很多材料的需水量比较大,结合本试验结果,对于粉煤灰、沸石粉等材料,可酌情增加减水剂用量,从而改善拌合物的坍落度保持能力和流动性,避免用水量过大影响混凝土强度。
3.2抗冻性能和抗氯离子渗透性能
第一,抗冻性能试验:使用快冻法进行抗冻性能试验,为防止含气量差异带来的影响,取含气量2.5%±0.2,每冻融循环25次,测定1次冻弹性模量和冻融循环质量损失率。
试验结果显示,J0组的抗冻性能最佳,抗冻等级F200;在保持其他因素不变的基础上,单独掺入矿粉、粉煤灰或沸石粉,随着掺入量的不断增加,拌合物的抗冻性能逐渐降低,当掺入量达40.0%时,拌合物可承受75次冻融循环,判定:抗冻等级F50。
分析C10-C40组冻融循环结果发现,当矿物掺合料掺入量为40%时,第50次、第75次的抗冻等级都是F50。混凝土拌合物经由冻融循环处理后,试件基本良好,个别表现为水泥浆剥蚀,冻融循环质量损失率在50.0%以下。
第二,抗氯离子渗透性能。保持矿物掺合料掺入总量不变,改变矿粉、粉煤灰、沸石粉的占比,检测混凝土拌合物的抗氯离子渗透性能。
结果显示:矿物掺合料掺入总量为40%时,随着粉煤灰占比的增加,电通量逐步减少,当三者比例为3:1:1时,28d电通量为641.6C。当粉煤灰掺入量占比100%时,电通量增大,和上述电通量相比,28d电通量提124%。这是因为混凝土拌合物中的矿物掺合料占比不同,使得胶凝材料出现叠加级配效应;但矿物掺合料比例为3:1:1时,胶凝材料的级配最优,浆体密实度最佳,从而使混凝土拌合物的电通量最小。此时,抗氯离子渗透性能最优。
3.3掺矿物掺合料抗压强度的对比分析
经过混凝土拌合物抗压强度试验得知:随着粉煤灰、沸石粉掺入量的逐步增加,当超过40%后,抗压强度逐渐降低。
其中,掺入量从10.0%增至30.0%时,强度增加;从40%增至50%时,无降低。说明:用沸石粉、粉煤灰替代等量水泥,会降低混凝土抗压强度,矿物掺合料取代量越大,抗压强度降低越明显。
矿粉掺入后,抗压强度也发生变化,即:3d龄期时,抗压强度降低;7d、28d龄期时,抗压强度提高,并且矿粉掺入量越多,抗压强度越高。究其原因:矿粉火山灰活性高,内含玻璃体能溶解生成C-S-H凝胶,使得混凝土强度得到提升。
4、结语
综上所述,在混凝土中掺入一定量矿物掺合料,能有效改善混凝土的工作性能。本文通过试验研究,得出以下结论:
石粉孔隙率高,能在维持混凝土坍落度的同时,减少减水剂的用量;
矿物掺合料掺入量大于40%时,混凝土抗冻等级为F50;矿粉掺入量为20%时,混凝土抗氯离子渗透性能最好;
粉煤灰、沸石粉掺量超过40%后降低混凝土抗压强度,矿粉则提高混凝土抗压强度。
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