摘要: 通過大量試驗(yàn)在水泥熟料中復(fù)合摻入超細(xì)粉煤灰及磨細(xì)鋼渣粉, 配制了用于公路路面水泥混凝土工程的復(fù)合硅酸鹽水泥, 重點(diǎn)改善道路水泥的抗折強(qiáng)度、耐磨性能以及收縮抗裂性能。結(jié)果表明, 隨著超細(xì)粉煤灰及磨細(xì)鋼渣粉的摻入, 所配制的水泥膠砂強(qiáng)度及耐磨性均滿足425 號(hào)道路硅酸鹽水泥要求, 與基準(zhǔn)水泥相比, 規(guī)定齡期的收縮變形均顯著降低, 圓環(huán)法抗裂試驗(yàn)結(jié)果也表明水泥抗裂性能得到大幅度增強(qiáng)。
關(guān)鍵詞: 超細(xì)粉煤灰; 磨細(xì)鋼渣粉; 復(fù)合硅酸鹽水泥
中圖分類號(hào): TQ172.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1002- 9877( 2006) 12- 0016- 03
0 引言
公路路面水泥混凝土所受到的來自外荷載及環(huán)境因素的作用效應(yīng)較為復(fù)雜, 因而對(duì)其服役性能提出了更高的要求, 突出表現(xiàn)在混凝土的抗折強(qiáng)度、耐磨性能、收縮變形和抗裂性能等。已有研究資料表明[1～4],粉煤灰及鋼渣用于路面水泥混凝土中, 可以較好地對(duì)混凝土進(jìn)行改性, 尤其對(duì)混凝土耐磨性能及體積穩(wěn)定性等均有較好的改善效果; 同時(shí), 鋼渣和粉煤灰有較好的復(fù)合效應(yīng), 一方面粉煤灰能吸收鋼渣中的fCaO而克服鋼渣可能存在的安定性不良問題, 而鋼渣中的fCaO 及其水化產(chǎn)物Ca(OH)2 同樣也可以作為粉煤灰二次水化反應(yīng)的激發(fā)劑, 加速其水化, 保證水泥基材料具有所需要的強(qiáng)度及優(yōu)良的長期性能。
本文通過大量試驗(yàn), 研究在水泥熟料中復(fù)合摻入超細(xì)粉煤灰( 簡稱UFA) 及磨細(xì)鋼渣粉( 簡稱GSS) , 配制用于道路的425 號(hào)高性能復(fù)合硅酸鹽水泥, 確定活性混合材的最佳摻量, 并測試水泥膠砂的抗折強(qiáng)度、耐磨性能、收縮變形及抗裂性能等, 對(duì)UFA 及GSS 的摻入所帶來的影響進(jìn)行了分析及評(píng)價(jià)。
1 試驗(yàn)原材料
熟料及石膏: 取自湖南雙峰市牛力水泥廠, 熟料的化學(xué)成分及礦物組成見表1, 主要物理力學(xué)性能見表2。
磨細(xì)鋼渣粉: 湖南婁底華菱南方環(huán)?？萍加邢薰咎峁┑念A(yù)處理磨細(xì)鋼渣粉, 其化學(xué)成分及物理性能見表3。
超細(xì)粉煤灰: 湖南湘潭電廠電收塵氣流分選工藝收集的超細(xì)粉煤灰( 不需磨細(xì)工藝) , 化學(xué)成分及物理性能見表3。
砂: 標(biāo)準(zhǔn)砂, 符合GB 178—77《水泥強(qiáng)度試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)砂》要求。
激發(fā)劑: 自行配制, 用以激發(fā)水泥石早期強(qiáng)度。
2 試驗(yàn)方法
水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法按GB177—85《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行, 即水灰比為0.44, 膠砂比為1∶2.5; 水泥膠砂干縮試驗(yàn)按照GB751—81《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》進(jìn)行; 水泥膠砂耐磨試驗(yàn)按照J(rèn)C/T421—91《水泥膠砂耐磨性試驗(yàn)方法》進(jìn)行; 水泥砂漿約束收縮開裂試驗(yàn)參照Roy Carlson 提出的方法[5], 采用圓環(huán)法測試, 試驗(yàn)裝置如圖1 所示, 試件成型后標(biāo)養(yǎng)24h, 然后拆除外鋼環(huán)和底板后將試件放在干燥養(yǎng)護(hù)室中( 20℃±2℃, RH60%±5%) 進(jìn)行試驗(yàn)。該試驗(yàn)通過觀測試件表面的開裂時(shí)間及裂紋寬度來表征水泥砂漿的抗裂性能。
3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 高性能復(fù)合道路水泥試配及膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)
通過本研究前期的正交試驗(yàn)及大量的水泥試配試驗(yàn), 初步確定在熟料標(biāo)號(hào)、UFA 和GSS 種類等不變的條件下, 影響水泥膠砂強(qiáng)度的主要因素是熟料摻量和GSS、UFA 摻量的比值。另外, 為了保證水泥膠砂的早期強(qiáng)度, 應(yīng)在配制中摻入一定量的激發(fā)劑, 用以激發(fā)UFA 的早期水化, 通過試驗(yàn)確定摻量為2%。
試配時(shí), 熟料摻量控制在64%以上, 鋼渣摻量控制在15%以下, 對(duì)不同熟料摻量和不同鋼渣、粉煤灰摻量比值的水泥進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn), 結(jié)果見表4。
從表4 的結(jié)果可知, 除9～11 號(hào)外, 各組均達(dá)到了GB13693—92《道路硅酸鹽水泥》中425 號(hào)水泥的強(qiáng)度要求, 且當(dāng)GSS∶UFA 一定時(shí), 隨著水泥中熟料摻量的增加, 水泥各齡期強(qiáng)度均增加; 當(dāng)熟料摻量一定時(shí),隨著GSS∶UFA 的增大, 水泥各齡期強(qiáng)度均減小。
綜合考慮到道路水泥的技術(shù)性能以及鋼渣、粉煤灰的利用率, 優(yōu)選1、2、5 和6 組進(jìn)行測試, 編號(hào)分別為C1、C2、C3 和C4。
3.2 水泥膠砂干縮試驗(yàn)
所配的各組膠砂干縮率發(fā)展曲線見圖2。
由圖2 可知, 水泥的各齡期干縮率均遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)水泥, 其中, 28d 減小21.0%～38.9%, 120d 減小17.7%～39.5%。說明隨著UFA 及GSS 的摻入, 水泥膠砂的干燥收縮得到較為明顯的抑制。分析其原因, 可以這樣認(rèn)為, 因?yàn)閁FA 及GSS 的摻入, 其早期水化反應(yīng)速率必然小于純水泥熟料, 減少了早期參與水化反應(yīng)的膠凝材料總量, 導(dǎo)致因水化引發(fā)的收縮變形大幅度減小; 同時(shí)UFA 及GSS 的摻入表現(xiàn)出優(yōu)良的微集料密實(shí)填充效應(yīng), 支撐起整體固相空間骨架, 較好地抑制了體積收縮變形, 因而使其在宏觀上表現(xiàn)出優(yōu)異的減縮特性。
3.3 水泥膠砂耐磨試驗(yàn)
綜合考慮強(qiáng)度、干縮率等性能, 選取C3 進(jìn)行水泥膠砂耐磨試驗(yàn), 委托湖南建筑材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)授權(quán)站完成, 試驗(yàn)按照J(rèn)C/T421—91 進(jìn)行, 試驗(yàn)結(jié)果為:水泥28d 磨耗量2.53kg/m2, 小于GB13693—92 規(guī)定的3.60kg/m2, 可見其耐磨性能完全符合要求。
較多的研究資料已表明, 在水泥中摻入鋼渣粉能夠顯著地提高耐磨性能。本文通過分析認(rèn)為鋼渣特殊的燒結(jié)工藝以及UFA 顆粒的微集料密實(shí)填充效應(yīng)對(duì)水泥耐磨性影響較大, 尤其鋼渣在燒結(jié)過程中形成較多的鐵相組分, 在水泥基復(fù)合材料水化過程中可形成穩(wěn)定的鐵相骨架, 同時(shí)微細(xì)的UFA 顆粒密實(shí)填充于熟料礦物中, 強(qiáng)化了水泥基材, 細(xì)化了孔隙結(jié)構(gòu)。另外, 熟料水化及混合材的二次反應(yīng)使得鋼渣顆粒、UFA 顆粒與水泥漿體的界面弱區(qū)得以強(qiáng)化, 因而耐磨性能增強(qiáng)。
3.4 水泥膠砂抗裂性能試驗(yàn)
選取C3、C4 及C5 配比的水泥進(jìn)行圓環(huán)法抗裂性能試驗(yàn)。通過觀測試件首次開裂時(shí)間及裂紋寬度來評(píng)定膠砂的抗裂性能。試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。
由表5 可以看出, 隨著UFA 及GSS 的摻入, 水泥膠砂抗裂性能大大增強(qiáng), 分別比基準(zhǔn)水泥膠砂開裂的時(shí)間延遲6.5d 和8.5d, 且可見裂紋寬度也顯著小于基準(zhǔn)水泥膠砂。上述試驗(yàn)結(jié)果與干縮試驗(yàn)的結(jié)果也是完全相符的, 說明C3 配比在所有配比中所表現(xiàn)出的體積穩(wěn)定性能是最優(yōu)的。
分析摻UFA- GSS 水泥的抗裂機(jī)理, 可以這樣認(rèn)為, 在整個(gè)體系中, UFA 顆粒大都呈球形, 比表面積較之普通的原狀粉煤灰大, 且表面堅(jiān)強(qiáng)致密, 玻璃體微珠強(qiáng)度高( 700MPa) [6], 同GSS 顆粒一起形成堅(jiān)強(qiáng)的微骨架強(qiáng)化了水泥基材。同時(shí), UFA 顆粒及GSS 顆粒會(huì)均勻地填充于水泥顆粒的空隙中, 細(xì)化了整個(gè)體系的孔隙結(jié)構(gòu), 而在細(xì)小孔隙中的水分往往被牢固鎖住, 相比于粗大孔隙中的水分而言更難以被蒸發(fā), 因而從宏觀上看, UFA 混凝土拌和物的黏聚性和保水性往往要優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土。另外, UFA 及GSS 的摻入取代了一定的熟料量, 水化早期有效水灰比增大, 使得參與水泥水化的水分減少, 自由水分增多, 這部分自由水分也有利于緩解試件表面毛細(xì)管壓力, 進(jìn)而減小了表面收縮開裂的可能性。
綜上所述, UFA 及GSS 的摻入能較好的對(duì)水泥基材料進(jìn)行改性, 可以配制出用于公路路面的高性能復(fù)合硅酸鹽水泥, 水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)、耐磨性試驗(yàn)、干縮及抗裂性能試驗(yàn)等均表明該高性能水泥相比于基準(zhǔn)水泥, 性能優(yōu)良, 質(zhì)量穩(wěn)定, 可以在實(shí)踐中推廣應(yīng)用, 并推薦最佳配合比為C3 組。
4 結(jié)論
以適宜比例的GSS 及UFA 作為水泥混合材摻入水泥熟料中, 可成功配制出用于道路的425 號(hào)高性能復(fù)合硅酸鹽水泥。水泥強(qiáng)度試驗(yàn)表明, 所配制的水泥強(qiáng)度滿足425 號(hào)道路水泥強(qiáng)度要求; 干縮及圓環(huán)法抗裂性能試驗(yàn)表明, 水泥各齡期干燥收縮變形均小于基準(zhǔn)水泥, 28d 干縮率減小21.0%～38.9%, 120d 減小17.7%～39.5%, 同時(shí)水泥的抗裂性能大大增強(qiáng), 與基準(zhǔn)水泥相比, 表現(xiàn)出優(yōu)良的體積穩(wěn)定性能; 耐磨性試驗(yàn)表明, 28d 磨耗量2.53kg/m2, 符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
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