摻入硅灰對水泥混凝土性能的影響探析,建筑材料論文

摻入硅灰對水泥混凝土性能的影響探析,建筑材料論文內(nèi)容摘要：為研究硅灰對水泥膠砂力學(xué)性能、干縮性能的影響，在不同水膠比下研究了不同摻量硅灰對水泥膠砂的流動性、抗壓強度、抗折強度和干縮率的影響。試驗結(jié)果表示清楚，2種水膠比下水泥膠砂的跳桌流動度呈現(xiàn)一樣變化趨勢，均隨著硅灰摻量提高而降低；硅灰的摻入對不同水膠比的水泥膠砂強度均有提升，0.40水膠比下，10%硅灰摻量28d抗壓和抗折強度較基準(zhǔn)組分別提升17.7%、11.0%,0.45水膠比下，10%硅灰摻量28d抗壓和抗折強度較基準(zhǔn)組分別提升21%和12%;硅灰的摻入會提升2種水膠比膠砂的干縮率，均隨著摻量的增加而增大，水膠比為0.40時干縮率更大，水膠比為0.45時60d干縮率較基準(zhǔn)組提升更明顯。本文關(guān)鍵詞語：硅灰;水泥膠砂;力學(xué)性能;枯燥收縮;作者簡介：梁榮創(chuàng)(1997),男，碩士研究生，主要從事水工材料的研究。E-mail:739605077@;*孫海燕(1979),女，副教授，主要從事水工材料的研究。E-mail:shy0474@163.com;基金：云南省教育廳科學(xué)研究基金項目(2020J0241);云南農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)行動基金項目(2021ZKY316);Abstract：Tostudytheeffectsofsilicafumeonthemechanicalpropertiesanddryingshrinkagepropertiesofcementmortar,weinvestigatedtheeffectsofsilicafumecontentonthefluidity,compressivestrength,flexuralstrength,anddryingshrinkagerateofcementmortarunderdifferentwater-binderratios.Thetestresultsshowthatthejumpingtablefluidityofcementmortarunderthetwowater-binderratiosfollowsthesamechangetrend,thatis,todecreaseasthesilicafumecontentincreases.Theincorporationofsilicafumeimprovesthestrengthofcementmortarofdifferentwater-binderratios.Underawater-binderratioof0.40,a10%silicafumeincreasesthecompressiveandflexuralstrengthsofcementmortarat28dby17.7%and11.0%respectivelycomparedwiththoseofthebenchmarkgroup.Whenthewater-binderratiois0.45,thecorrespondingvaluesare21%and12%respectively.Theincorporationofsilicafumealsoincreasesthedryingshrinkagerateofthemortarinbothcases,andtherategrowswiththesilicafumecontent.Thedryingshrinkagerateislargerwhenthewater-binderratiois0.40.Whenthewater-binderratiois0.45,theimprovementofthedryingshrinkagerateat60dismoreobviouscomparedwiththatofthebenchmarkgroup.Keyword：silicafume;cementmortar;mechanicalproperties;dryingshrinkage;硅灰因具有極高的火山灰活性，在實際的工程運用中發(fā)揮著良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。當(dāng)前中國對硅灰的應(yīng)用主要集中在混凝土和建材領(lǐng)域，然而因其應(yīng)用起步晚，總體利用水平仍處于中低階段[1],這成為限制硅灰產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素。近年來，業(yè)界學(xué)者就硅灰對水泥混凝土性能的影響開展較多的研究。李曉琴等[2]研究結(jié)果表示清楚摻加硅灰可改善高水灰比ECC的工作性能，最優(yōu)摻量為10%～15%。何鼎輝等[3]研究了礦物摻合料對水泥砂漿性能的影響，發(fā)如今4%～10%摻量內(nèi)，隨著硅灰摻量的增加能夠改善砂漿的流動性能。對此，陳超等[4]則以為，硅灰摻量大于8%時，水泥漿體的流動性能會變差且無法攪拌均勻。丁向群等[5]通過對硅酸鹽膠凝材料摻加硅灰并研究其早期抗壓強度得出，0%～15%的硅灰摻量在水泥28d齡期前對抗壓強度都有提升，這與文獻(xiàn)[3]所示的硅灰摻量提高對水泥7d力學(xué)性能有負(fù)面影響不一致。祝苗苗等[6]試驗結(jié)果顯示，在短齡期內(nèi)，硅灰具有提升混凝土抗壓強度的作用，相對低摻量的試驗組，最高能提升30.4%。姚源等[7]研究顯示，隨著硅灰摻量的增加，混凝土的干縮值呈增加趨勢，且較基準(zhǔn)組的干縮值增加更為顯著。相比之下，張昺榴等[8]研究表示清楚硅灰對水泥砂漿的枯燥收縮具有雙重效應(yīng)，低摻量能改善收縮，高摻量會提高收縮。由此可見，有關(guān)硅灰對水泥混凝土性能的影響當(dāng)前尚存有不同的觀點：①硅灰的摻入能否能改善水泥漿體流動性；②硅灰的摻入能否能提升水泥基材料早齡期的強度；③硅灰的摻入對水泥基材料的枯燥收縮起著如何的作用。在上述問題基礎(chǔ)上，對于不同水膠比，硅灰對水泥膠砂性能影響還鮮有報道。本文在2種水膠比(0.40、0.45)下，研究摻入不同摻量的硅灰(0%、5%、8%、10%、15%)對水泥膠砂流動性、力學(xué)性能和干縮性能的影響，以期為硅灰在水泥混凝土更廣泛應(yīng)用提供一定的根據(jù)。1、試驗1.1原材料a)膠凝材料。水泥采用云南華新東駿水泥有限公司生產(chǎn)的石林牌PO42.5普通硅酸鹽水泥，水泥細(xì)度為1.02%,3d實測抗壓強度為23.28MPa,抗折強度為4.78MPa;28d實測抗壓強度為45MPa,抗折強度為7.91MPa,比外表積為347m2/kg。硅灰采用云南石晶硅業(yè)有限公司生產(chǎn)的硅灰，比外表積為21000m2/kg。硅灰的主要化學(xué)組成見表1。細(xì)骨料采用料場堆放人工砂，細(xì)度模數(shù)2.7,含水率0.12%,松懈堆積密度1690kg/m3,嚴(yán)密堆積密度1934kg/m3。b)外加劑。采用高性能聚羧酸減水劑，液體呈黃褐色且無沉淀。c)拌和水。試驗拌和用水為自來水。表1硅灰化學(xué)組成1.2試驗配比試驗分別設(shè)計0.40(組別編號為A)與0.45(組別編號為B)2種水膠比，固定膠砂比為1.0∶2.5,硅灰摻量分別為0%、5%、8%、10%和15%,試驗共設(shè)計10組，詳細(xì)配合比見表2。表2水泥膠砂試驗配合比1.3試驗方案根據(jù)GB/T24192005(水泥膠砂流動度測定方式方法〕進(jìn)行水泥膠砂跳桌流動度的測試。根據(jù)GB/T176711999(水泥膠砂強度檢驗方式方法(ISO法)〕,采用40mm40mm160mm的三聯(lián)模成型試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至7、28、60d后測定試件的抗壓強度和抗折強度。根據(jù)JC/T6032004(水泥膠砂干縮試驗方式方法〕,采用40mm40mm160mm的三聯(lián)模成型試件。采用比長儀分別測定水泥膠砂1～7、14、28、60d的干縮率。2、試驗結(jié)果與討論2.1硅灰摻量對水泥膠砂流動度的影響2種水膠比下不同硅灰摻量對水泥膠砂流動度影響的試驗結(jié)果見圖1。圖1不同摻量硅灰對水泥膠砂流動度的影響由圖1可知，隨著硅灰摻量的增加，2種水膠比下水泥膠砂的流動度均呈下降趨勢，且硅灰摻量低于5%時其下降趨勢較為平緩；而硅灰摻量超過5%時下降趨勢較為明顯。分析以為：當(dāng)硅灰摻量低于5%時，由于硅灰的平均粒徑很小，能夠在膠凝體系中充分發(fā)揮其填充作用和減水效應(yīng)[9];其次，硅灰的比外表積很大，對水分吸附作用明顯，導(dǎo)致膠凝體系中大量自由水分被硅灰吸附，進(jìn)而使水泥膠砂流動度的下降[4,10,11,12,13]。當(dāng)硅灰摻量超過5%時，由于硅灰的水化活性極高，需水量明顯增加，在膠凝體系中吸收水分的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其作為填充孔隙而起到的作用，故水泥膠砂的流動度明顯下降；除此之外，球形外觀的硅灰在與水反響時容易構(gòu)成絮凝構(gòu)造，也在一定程度上阻礙了水泥漿體的流動，故隨著硅灰摻量的增加，水泥膠砂的流動度不斷下降[14]。2.2硅灰摻量對水泥膠砂力學(xué)性能的影響為研究硅灰摻量、水膠比以及養(yǎng)護(hù)齡期對水泥膠砂力學(xué)性能的影響，試驗分別對7、28、60d齡期下水泥膠砂抗壓和抗折強度進(jìn)行測定，試驗結(jié)果見圖2、3。由圖2可知，水膠比為0.40時，各組水泥膠砂的抗壓和抗折強度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長而逐步增大。在各養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，水泥膠砂強度隨著硅灰摻量的增加均呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，當(dāng)硅灰摻量為10%時，強度提升到達(dá)峰值，比照空白組，其28d抗壓強度提升17.7%,抗折強度提升11%。圖20.40水膠比下硅灰摻量對水泥膠砂抗壓、抗折強度的影響由圖3可知，水膠比為0.45時，各組水泥膠砂的抗壓和抗折強度均隨養(yǎng)護(hù)齡期延長而增大。在各養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，水泥膠砂強度則隨著硅灰摻量增加而逐步增加，當(dāng)硅灰摻量為15%時強度提升到達(dá)峰值，比照空白組，其28d抗壓強度提升22%,抗折強度提升13%。圖30.45水膠比下硅灰摻量對水泥膠砂抗壓、抗折強度的影響在一樣齡期內(nèi)摻入硅灰使水泥膠砂強度得到提升，分析以為硅灰在膠凝體系中能夠充當(dāng)微集料填充水泥顆粒之間的間隙，使得膠凝體系構(gòu)造變得密實，孔隙率下降，進(jìn)而提升強度。另一方面，在不同養(yǎng)護(hù)齡期下，7～28d齡期內(nèi)強度增長率明顯，28～60d齡期內(nèi)強度增長率開場下降，是由于硅灰含有大量無定型的SiO2,使其具有很高的火山灰活性，并且有著較大的比外表積和分散度，故在早齡期就能發(fā)揮作用，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長，硅灰發(fā)生二次水化與Ca(OH)2反響生成C-S-H凝膠填充孔隙，提升水泥膠砂強度[15]。由圖2、3難以得出硅灰的最優(yōu)摻量，故比擬2種水膠比下10%和15%硅灰摻量的各齡期水泥膠砂強度變化以得出最優(yōu)摻量，試驗結(jié)果見圖4。圖4不同水膠比下硅灰摻量對水泥膠砂抗壓、抗折強度的影響由圖4可知，各組水泥膠砂強度增幅趨勢大致一樣。同一水膠比下，A15在各養(yǎng)護(hù)齡期對水泥膠砂抗壓和抗折強度的提升均低于A10,而B15則高于B10;不同水膠比下，水泥膠砂抗壓和抗折強度均隨養(yǎng)護(hù)齡期延長而增大，且水膠比越低，強度提升越大。分析以為，在0.40水膠比下，A15比照A10在各水化齡期出現(xiàn)強度下降的現(xiàn)象是由于硅灰的過量替代水泥所導(dǎo)致的，在水化前期硅灰就消耗膠凝體系大部分自由水，到達(dá)水化后期，沒有足夠的水分介入反響導(dǎo)致水化不充分，沒能充分反響的硅灰更多是充當(dāng)微集料填充孔隙，故0.40水膠比下硅灰最佳摻量為10%。而在0.45水膠比下，B15盡管摻入過量的硅灰，但因其水膠比大于A15,即便在水化前期硅灰的高活性吸收消耗大部分的自由水，膠凝體系中仍有足夠的水分進(jìn)行水化反響以保證水化后期的強度提升；而B15比照B10固然抗壓和抗折強度在各水化齡期均有提升，但提升幅度很小甚至持平，出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，以為0.45水膠比下硅灰的最佳摻量為10%。2.3硅灰摻量對水泥膠砂干縮性能的影響為研究硅灰摻量、水膠比以及齡期對水泥膠砂干縮性能的影響，試驗分別對1～7、14、28、60d齡期下水泥膠砂干縮率進(jìn)行測定，詳細(xì)的試驗結(jié)果見圖5。圖5不同水膠比下硅灰摻量對水泥膠砂干縮率的影響由圖5可知，2種水膠比下，隨干縮試驗齡期的延長，水泥膠砂干縮率增長趨勢大致一樣，在7d內(nèi)快速增長，7～60d平穩(wěn)增長，各組摻硅灰的水泥膠砂7d干縮率約占60d干縮率的87%～91%;隨著硅灰摻量的增加，比照基準(zhǔn)組，各組水泥膠砂干縮率逐步增加，2種水膠比的水泥膠砂均在15%硅灰摻量時干縮率提升最大。由圖6還能夠看出，同一摻量下，0.40水膠比的水泥膠砂較0.45水膠比的各組膠砂干縮率更大，以15%硅灰摻量為例，A15的60d干縮值為1796m/m,而B15的60d干縮值為13030.45水膠比的各組膠砂60d的干縮率較基準(zhǔn)組提升幅度比0.40水膠比的更大，華而不實A15和B15的60d干縮率較基準(zhǔn)組分別提升32.8%、43.8%。分析以為，隨干縮試驗齡期的延長，由于硅灰的二次水化效應(yīng)，在早齡期它會消耗膠砂內(nèi)部大量的自由水，使膠砂的干縮率快速增長；到達(dá)后期，由于硅灰的摻入使膠砂構(gòu)造更為密實，水分不易散失，干縮率增長趨于平穩(wěn)。另一方面，隨著硅灰摻量的增加，硅灰的填充作用減少了總孔隙率但毛細(xì)孔增加，使毛細(xì)管張力增加，造成干縮率增大[16]。在同一摻量下，水膠比低的膠砂由于體系中自由水相對較少，而硅灰需水量極大，造成膠砂內(nèi)部水分蒸發(fā)加快，進(jìn)而干縮率相對更大；水膠比高的膠砂中自由水相對較多，為硅灰提供了較好的水化環(huán)境，能與Ca(OH)2反響生成更多的C-S-H凝膠且具有較多的細(xì)孔[17],導(dǎo)致內(nèi)部水分有更多孔通道向外界散失，造成干縮率較基準(zhǔn)組提升更為明顯。3、結(jié)論與瞻望a)隨硅灰摻量的增加，2種水膠比下水泥膠砂的跳桌流動度均呈現(xiàn)逐步下降的變化趨勢，華而不實硅灰摻量為5%時，流動度下降趨勢較為平緩；當(dāng)其摻量超過5%后，流動度降低幅度開場變得明顯。b)在2種水膠比下，不同水化齡期摻有硅灰的水泥膠砂抗壓和抗折強度均比基準(zhǔn)組高，且硅灰的摻入能在水化早期充分發(fā)揮作用，提升強度；出于增效性能和經(jīng)濟(jì)性的綜合考慮，以為硅灰的最佳摻量為10%。c)水泥膠砂干縮率在7d內(nèi)增長速度較快，而在7～60d時增幅開場趨于平緩。隨著硅灰摻量增加，膠砂的干縮率逐步增大；2種水膠比下，水膠比擬小的膠砂干縮率更大，而水膠比擬大的膠砂，60d的干縮率較基準(zhǔn)組提升更為明顯。d)硅灰在混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用能響應(yīng)國家綠色環(huán)保的倡導(dǎo)，實現(xiàn)變廢為寶、資源循環(huán)利用；而本次試驗中硅灰對膠砂水化早期強度有較大的提升，可為硅灰在速凝混凝土的應(yīng)用提供一定的設(shè)計根據(jù)，而詳細(xì)試驗結(jié)果仍有待論證。以下為參考文獻(xiàn)[1]李彥盤,曹永丹,張金山,等.中國硅灰的綜合利用現(xiàn)在狀況及存在問題淺析[J].應(yīng)用化工,2021.46(10):2031-2034.[2]李曉琴,周旭,李世華,等硅灰改性高韌性水泥基材料性能試驗研究[J/OL].土木與環(huán)境工程學(xué)報(中英文):1-12[2021-08-187/tpnmgredguide.top:80/rwt/CNK/http/NNYHGLUDN3WXTLUPMW4A/kcms/detai/50.1218.TU.20210128.1539006..[3]何鼎輝,李闖民礦物摻合料對水泥砂漿性能影響試驗研究[J].公路,2021,66(4):285-290.[4]陳超，孫振平，硅灰對摻有無堿速凝劑水泥漿體性能的影響[J].材料導(dǎo)報,2022,33(14):2348-2353.[5]丁向群,劉丹陽,徐曉婉.石膏、硅灰對硅酸鹽膠凝材料早期抗壓強度的影響[J]硅酸鹽通報,2021,36(1):33-37.[6]祝苗苗,劉世明,任治國,等礦物摻合料提升高強混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的試驗研究[J]華北水