含石灰石粉水泥基膠砂養(yǎng)護(hù)制度的探討

含石灰石粉水泥基膠砂養(yǎng)護(hù)制度的探討

外包劑在土木工程中的應(yīng)用是現(xiàn)代混凝土技術(shù)進(jìn)步的象征之一。石灰石作為資源廣泛的礦物外加劑之一也得到大量應(yīng)用,用石灰石微粉配制水泥砂漿、水泥混凝土具有較好的應(yīng)用效果。試驗(yàn)研究表明,摻入適量磨細(xì)石灰石粉替代水泥,除起微集料作用外,還能充當(dāng)C-S-H成核基體,降低成核位壘,加速水泥水化,明顯提高水泥基材料早期強(qiáng)度,石灰石粉的增強(qiáng)效應(yīng)是物理作用與化學(xué)作用協(xié)同結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度下,400目、800目、1250目超細(xì)石灰石粉在摻量5%、15%、35%時(shí),均能夠改善水泥基材料的柔韌性;水泥凈漿電阻率試驗(yàn)表明,水化反應(yīng)進(jìn)行600min前摻加35%石灰石粉能促進(jìn)水泥水化。由于生產(chǎn)效率大幅度提高、勞動(dòng)強(qiáng)度顯著降低、工地施工速度快、產(chǎn)品質(zhì)量可靠、性能檢測(cè)方便等優(yōu)勢(shì),建筑構(gòu)件工廠預(yù)制化成為土木工程發(fā)展方向之一。為了提高模具周轉(zhuǎn)率,保證生產(chǎn)效率,工廠化生產(chǎn)構(gòu)件,通常采用蒸汽養(yǎng)護(hù)、蒸壓養(yǎng)護(hù)制度。如預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁往往采用二次蒸汽養(yǎng)護(hù)制度:蒸養(yǎng)后脫模,再進(jìn)入蒸壓釜進(jìn)行壓蒸;蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度約70~90℃,恒壓時(shí)壓蒸溫度高達(dá)170~180℃,蒸汽壓力為0.9~1.0MPa。然而,蒸養(yǎng)混凝土脫模后在10~14℃水中養(yǎng)護(hù)至28d齡期出現(xiàn)相對(duì)抗壓強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象;脫模劈裂抗拉強(qiáng)度相對(duì)較高的試件,在養(yǎng)護(hù)期間,其值也出現(xiàn)相對(duì)倒縮,脆性增加,抗裂性降低。未摻礦物外加劑的蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土28d、90d抗壓強(qiáng)度低于同齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土;蒸汽養(yǎng)護(hù)的水泥膠砂28d抗折強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而降低。礦粉含有大量CaO和活性SiO2、Al2O3,具有潛在水硬性能;粉煤灰具有形態(tài)減水效應(yīng)、火山灰活性效應(yīng)和微集料填充效應(yīng);這兩種礦物外加劑大量應(yīng)用于現(xiàn)代建筑工程。摻加礦粉、粉煤灰能夠提高蒸養(yǎng)混凝土的抗裂性,改善其脆性,且礦粉的效果優(yōu)于粉煤灰。有必要進(jìn)一步研究蒸汽養(yǎng)護(hù)、蒸壓養(yǎng)護(hù)對(duì)含石灰石粉水泥基材料抗裂性的影響,以及摻加礦粉、粉煤灰后在蒸汽養(yǎng)護(hù)、蒸壓養(yǎng)護(hù)制度下,含石灰石粉水泥基材料的力學(xué)性能。1測(cè)試1.1級(jí)低鈣粉煤灰膠凝材料:P·Ⅱ42.5硅酸鹽水泥;平均粒徑75μm的石灰石粉;Ⅱ級(jí)低鈣粉煤灰,比表面積450m2/kg,需水比102%;礦粉堿度系數(shù)0.81,質(zhì)量系數(shù)1.89。原材料化學(xué)成分見(jiàn)表1。細(xì)集料:Ⅱ區(qū)中砂,細(xì)度模數(shù)2.6,含泥量1.0%。1.2試件成型與養(yǎng)護(hù)制度膠砂配合比:水膠比0.45;膠砂比0.4;為攪拌均勻和成型密實(shí),摻加1.0%的萘系高效減水劑;以質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%水泥和35%石灰石粉作為基準(zhǔn)膠凝材料,膠凝材料中水泥和石灰石粉比例保持不變,作為一種組分;礦粉、粉煤灰摻量分別是總膠凝材料的15%、30%、45%和60%。配合比參數(shù)見(jiàn)表2。成型40mm×40mm×160mm試件,分別采用3種養(yǎng)護(hù)制度:標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d、蒸養(yǎng)和蒸壓進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。蒸養(yǎng)制度為2-3-6-3,成型后的試件在室溫(20±2)℃靜停2h,隨后放入蒸汽養(yǎng)護(hù)室中以20℃/h的速度升溫3h,(80±2)℃恒溫6h,最后以20℃/h的速度降至室溫,脫模后即進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。蒸壓養(yǎng)護(hù)制度為4-6-3,即蒸養(yǎng)脫模后的試件立即放入蒸壓釜中,在4h內(nèi)將蒸壓釜內(nèi)溫度升至(180±2)℃、壓強(qiáng)升至1.0MPa,恒溫恒壓6h,隨后在3h內(nèi)將釜內(nèi)壓力降至0,待釜內(nèi)溫度低于100℃后,打開(kāi)釜門(mén),釜內(nèi)溫度降至常溫時(shí)取出試件,進(jìn)行出釜強(qiáng)度測(cè)試。成型與膠砂配合比相對(duì)應(yīng)的凈漿試件,不摻加減水劑,試件規(guī)格40mm×40mm×40mm。采用與膠砂試件相同的養(yǎng)護(hù)制度,測(cè)試膠砂強(qiáng)度的同時(shí),將凈漿試件破型,用丙酮終止水化,在瑪瑙研缽中研磨至粒度10μm以下,進(jìn)行XRD測(cè)試。2結(jié)果與討論2.1出轅強(qiáng)度對(duì)混凝土膠砂強(qiáng)度的影響圖1是35%石灰石粉與65%硅酸鹽水泥組成的膠砂試件(基準(zhǔn)試件)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d強(qiáng)度、蒸汽養(yǎng)護(hù)后脫模強(qiáng)度和蒸壓養(yǎng)護(hù)后的出釜強(qiáng)度。脫模強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d強(qiáng)度,其中抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的56%,抗折強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的57%,壓折比二者均為6.3,蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)含35%石灰石粉硅酸鹽水泥膠砂的柔韌性無(wú)明顯影響。出釜抗壓強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)20%,但出釜抗折強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)11%,壓折比8.5。蒸壓養(yǎng)護(hù)后,含35%石灰石粉硅酸鹽水泥膠砂脆性顯著增加。2.2礦粉摻加礦粉后的出監(jiān)管產(chǎn)品見(jiàn)表3圖2是礦粉等量取代石灰石粉與硅酸鹽水泥的膠砂試件抗壓強(qiáng)度。當(dāng)?shù)V粉摻量為15%、30%、45%和60%時(shí),隨著礦粉摻量的增加,脫?？箟簭?qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增長(zhǎng)再降低的趨勢(shì);相同配合比試件的脫模抗壓強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件。脫?？箟簭?qiáng)度在礦粉摻量30%時(shí),在蒸養(yǎng)試件中強(qiáng)度為最高;礦粉摻量45%、60%時(shí),脫模強(qiáng)度降低,但是仍高于不摻加礦粉的試件。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度下,礦粉摻量45%時(shí),抗壓強(qiáng)度最高,摻量在60%時(shí),抗壓強(qiáng)度低于不摻加礦粉的試件。出釜強(qiáng)度與脫模強(qiáng)度密切相關(guān),蒸養(yǎng)后的試件再進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù),相同配合比的膠砂試件強(qiáng)度明顯提高,摻30%礦粉試件脫?？箟簭?qiáng)度在蒸養(yǎng)試件中最高,但出釜強(qiáng)度增幅最小,甚至低于同配合比的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件。除礦粉摻量30%的配合比外,其他配合比試件的出釜強(qiáng)度均高于蒸養(yǎng)后的脫?？箟簭?qiáng)度,并且隨著礦粉摻量的增加,出釜抗壓強(qiáng)度增加。圖3是礦粉等量取代石灰石粉與硅酸鹽水泥的膠砂試件抗折強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d,隨著礦粉摻量的提高,抗折強(qiáng)度呈先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì);礦粉摻量45%時(shí),抗折強(qiáng)度最高。蒸養(yǎng)、蒸壓養(yǎng)護(hù)后,5種配合比試件的抗折強(qiáng)度均顯著低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件;礦粉摻量30%時(shí),蒸壓后的出釜抗折強(qiáng)度出現(xiàn)了倒縮,低于蒸養(yǎng)后的脫?？拐蹚?qiáng)度;其他配合比試件,出釜抗折強(qiáng)度高于同配合比的脫?？拐蹚?qiáng)度。礦粉摻量45%時(shí),出釜抗折強(qiáng)度在5種配合比中最高。圖4是礦粉等量取代石灰石粉與硅酸鹽水泥的膠砂試件壓折比。前期試驗(yàn)表明,含35%細(xì)度400目石灰石粉水泥膠砂標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d,壓折比降低,柔韌性增高。蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)35%石灰石粉+65%硅酸鹽水泥膠砂試件的壓折比幾乎無(wú)影響;與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d比較,蒸壓養(yǎng)護(hù)后,壓折比增加34%,即蒸壓養(yǎng)護(hù)提高含石灰石粉水泥基材料脆性。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步用15%、30%、45%、60%礦粉取代石灰石粉和水泥,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d,水泥膠砂柔韌性略有提高。但是,蒸汽養(yǎng)護(hù)、蒸壓養(yǎng)護(hù)后,摻加礦粉后的水泥膠砂脆性顯著增加。礦粉摻量30%的水泥膠砂,蒸汽養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù)后的水泥膠砂壓折比高于同種養(yǎng)護(hù)制度下其他配合比的水泥膠砂。摻加礦粉后,在蒸汽養(yǎng)護(hù)制度下,水泥膠砂抗壓強(qiáng)度發(fā)展速度高于抗折強(qiáng)度發(fā)展;在蒸壓養(yǎng)護(hù)制度下,折強(qiáng)度顯著低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的同配合比試件。試驗(yàn)結(jié)果表明,在摻加石灰石粉的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步摻加礦粉后,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度下,水泥基材料柔韌性得到進(jìn)一步改善;蒸壓養(yǎng)護(hù)制度下,水泥基材料脆性顯著增加,抗裂性明顯降低;蒸汽養(yǎng)護(hù)也增加了摻加礦粉的含石灰石粉水泥的脆性,但增幅低于蒸壓養(yǎng)護(hù)。2.3出監(jiān)管產(chǎn)品的力學(xué)性能圖5是粉煤灰等量取代石灰石粉與硅酸鹽水泥的膠砂試件抗壓強(qiáng)度。當(dāng)粉煤灰摻量為15%、30%、45%和60%時(shí),脫?？箟簭?qiáng)度分別低于不摻加粉煤灰的基準(zhǔn)試件36%、25%、53%、52%,即粉煤灰摻量30%時(shí),膠砂強(qiáng)度降低幅度最小。采用蒸汽養(yǎng)護(hù)制度,粉煤灰摻量15%、30%、45%時(shí),抗壓強(qiáng)度均高于不摻加粉煤灰的基準(zhǔn)試件,其中粉煤灰摻量30%時(shí),膠砂強(qiáng)度高于基準(zhǔn)試件21%。粉煤灰摻量60%時(shí),蒸汽養(yǎng)護(hù)脫?？箟簭?qiáng)度與同配合比試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的接近。蒸壓養(yǎng)護(hù)后,與蒸汽養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比,出釜抗壓強(qiáng)度顯著提高。粉煤灰摻量為15%、30%、45%時(shí),出釜抗壓強(qiáng)度相近,低于同種養(yǎng)護(hù)制度下基準(zhǔn)試件約15%。試驗(yàn)結(jié)果表明,蒸壓養(yǎng)護(hù)對(duì)粉煤灰、石灰石粉硅酸鹽水泥抗壓強(qiáng)度的提高效果顯著。圖6是粉煤灰等量取代石灰石粉與硅酸鹽水泥的膠砂試件抗折強(qiáng)度。與基準(zhǔn)試件相比,摻加粉煤灰的試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著降低趨勢(shì);摻加30%粉煤灰試件抗折強(qiáng)度高于摻加15%粉煤灰試件。蒸汽養(yǎng)護(hù)后,摻加30%粉煤灰試件的脫?？拐蹚?qiáng)度最高,其次是摻加45%粉煤灰試件,摻加60%粉煤灰試件的脫?？拐蹚?qiáng)度顯著降低。蒸汽養(yǎng)護(hù)后,再進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù),與同配合比膠砂脫?？拐蹚?qiáng)度相比,出釜抗折強(qiáng)度均顯著增高。與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d試件的抗折強(qiáng)度相比,除基準(zhǔn)試件出釜抗折強(qiáng)度較低外,摻加粉煤灰試件的出釜抗折強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)抗折強(qiáng)度,即抗裂性得到提高。試驗(yàn)結(jié)果表明,蒸壓養(yǎng)護(hù)對(duì)粉煤灰、石灰石粉硅酸鹽水泥抗折強(qiáng)度的提高效果顯著。圖7是粉煤灰等量取代石灰石粉與硅酸鹽水泥的膠砂試件壓折比。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d,隨著粉煤灰的摻入,膠砂試件壓折比進(jìn)一步降低,膠砂柔韌性增高。基準(zhǔn)試件和摻加粉煤灰的試件,蒸汽養(yǎng)護(hù)后的壓折比相差不明顯,表明蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)不同摻量粉煤灰的石灰石粉硅酸鹽水泥柔韌性無(wú)明顯影響;摻加45%、60%粉煤灰的膠砂試件壓折比較同配合比、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)膠砂試件明顯提高。蒸汽養(yǎng)護(hù)后再進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù),同配合比膠砂試件壓折比顯著高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)膠砂試件。相同養(yǎng)護(hù)制度下,摻加15%、30%、60%粉煤灰試件,壓折比相近,低于基準(zhǔn)試樣;摻加45%粉煤灰試件的壓折比與基準(zhǔn)試樣接近。摻加粉煤灰的膠砂壓折比大小依次是蒸壓養(yǎng)護(hù)>蒸汽養(yǎng)護(hù)>標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。2.4蒸壓養(yǎng)護(hù)后硬化水泥石的表征圖8是基準(zhǔn)材料在3種不同養(yǎng)護(hù)制度下的硬化水泥石XRD圖譜。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d,XRD圖譜中的主要晶相位碳酸鈣、氫氧化鈣和碳鋁酸鹽。在大量石灰石粉存在的條件下,硅酸鹽水泥熟料C3A相的最終水化物相是碳鋁酸鹽,而不是硫鋁酸鹽。蒸汽養(yǎng)護(hù)、蒸壓養(yǎng)護(hù)后,硬化水泥石主要的晶相為碳酸鈣和氫氧化鈣,碳鋁酸鹽的特征峰不明顯,表明碳鋁酸鹽相在(80±2)℃蒸汽養(yǎng)護(hù)下以及180℃、1.0MPa蒸壓養(yǎng)護(hù)中不能穩(wěn)定存在。蒸汽養(yǎng)護(hù)后,氫氧化鈣的特征峰強(qiáng)度與碳酸鈣特征峰強(qiáng)度之比較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的小,表明膠凝材料水化反應(yīng)程度較小;蒸壓養(yǎng)護(hù)后,氫氧化鈣的特征峰強(qiáng)度與碳酸鈣特征峰強(qiáng)度之比較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的高,表明高溫高壓環(huán)境中膠凝材料水化反應(yīng)充分,膠砂抗壓強(qiáng)度提高。圖9是礦粉等量取代石灰石粉與硅酸鹽水泥的凈漿,經(jīng)過(guò)3種不同養(yǎng)護(hù)制度后的硬化水泥石XRD圖譜。與基準(zhǔn)膠凝材料類(lèi)似,蒸汽養(yǎng)護(hù)、蒸壓養(yǎng)護(hù)后,硬化水泥石主要的晶相為碳酸鈣和氫氧化鈣。相同礦粉摻量時(shí),氫氧化鈣特征峰強(qiáng)度與碳酸鈣特征峰強(qiáng)度的比值,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的最大,其次是蒸汽養(yǎng)護(hù),蒸壓養(yǎng)護(hù)的最小,表明高溫高壓環(huán)境中,礦粉參與水化反應(yīng)的量多,消耗的氫氧化鈣也多,膠砂抗壓強(qiáng)度提高。圖10是粉煤灰等量取代石灰石粉與硅酸鹽水泥的凈漿,經(jīng)過(guò)3種不同養(yǎng)護(hù)制度后的硬化水泥石XRD圖譜。與基準(zhǔn)膠凝材料類(lèi)似,蒸汽養(yǎng)護(hù)、蒸壓養(yǎng)護(hù)后,硬化水泥石主要的晶相為碳酸鈣和氫氧化鈣。當(dāng)粉煤灰摻量為45%、60%時(shí),粉煤灰中的氧化硅、氧化鋁的特征峰可辨別。與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d和蒸汽養(yǎng)護(hù)相比,高溫高壓養(yǎng)護(hù)后,氧化硅、氧化鋁的特征峰強(qiáng)度與碳酸鈣特征峰強(qiáng)度之比較小,表明更多量的氧化硅、氧化鋁的活性被激發(fā)出來(lái)參與水化反應(yīng),消耗了水泥熟料中硅酸鹽礦物水化生成的氫氧化鈣,膠砂抗壓強(qiáng)度提高。3性能與養(yǎng)護(hù)對(duì)硅系水泥膠砂脆性的影響表3a.與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d相比,蒸汽養(yǎng)護(hù)(恒溫溫度(80±2)℃)對(duì)含35%石灰石粉硅酸鹽水泥膠砂柔韌性無(wú)明顯影響;蒸壓養(yǎng)護(hù)(溫度(180±2)℃、壓強(qiáng)1.0MPa)后,含35%石灰石粉硅酸鹽水泥膠砂脆性顯著增加。b.用礦粉取代含石灰石粉硅酸鹽水泥,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d,水泥膠砂