基于高品质骨料的低胶凝材料用量混凝土性能研究

基于高品质骨料的低胶凝材料用量混凝土性能研究
 

摘要：利用新疆地区水泥产业存积的大量石灰石尾矿加工混凝土骨料对于资源合理利用、环境保护和混凝土产业可持续发展具有重要意义。通过合理工艺加工的石灰石尾矿，具有较低的空隙率、良好的颗粒级配和粒形。研究了高品质骨料所配制的混凝土和易性、抗压强度、氯离子扩散系数等性能，并用扫描电镜试验研究了集料和水泥石的界面。结果表明：采用高品质骨料在配制C25~C70 等级混凝土时，所配制的混凝土用水量低，和易性好，水泥及胶凝材料用量低；混凝土的氯离子扩散系数低，抗硫酸盐侵蚀性能好。SEM 试验表明：高品质骨料配制的混凝土，界面处水膜层厚度减小，使集料与水泥石的界面过渡区得到强化。

关键词：高品质骨料；低胶凝材料；混凝土性能。

1 引言

随着混凝土技术的不断进步与发展，高性能混凝土是今后混凝土技术的发展方向和追求目标。要实现混凝土的高性能，就必须有高质量的原材料供应。我国混凝土质量差，主要原因在于骨料的质量。没有高质量的骨料，势必造成混凝土浆量高，收缩大，体积稳定性差，不仅成本高，而且难以实现高耐久性。骨料质量首先不是强度，重要的是级配和粒形，级配和粒形良好的骨料空隙率低，使用空隙率低的骨料可以得到最小用水量性能良好的混凝土拌合物。目前天然河砂细度偏细，且含泥量偏高；石子存在着级配、粒形不好、空隙率高的问题，严重影响了混凝土质量。砂石加工行业选择尾矿作为加工砂石的原材料，不仅能耗低，而且符合资源合理利用和生态保护的原则，因此尾矿作为骨料的研究与应用具有巨大的潜在价值。本课题针对尾矿石灰石骨料对混凝土和易性和强度的影响研究，为尾矿石灰石骨料在混凝土中的应用提供技术积累和参考。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

试验采用金隅P·O 42.5 级水泥，水泥的主要性能指标见表1。研究所用粉煤灰为搅拌站生产用II 级粉煤灰，粉煤灰的主要性能指标见表2。
 

试验采用S95 型磨细矿渣，其性能指标见表3。
 

试验所用为两种不同粒径的石子，由新疆石灰石尾矿加工而成，加工过程中经过了颗粒整形。粗石子粒径为10~25 mm，细石子粒径为5~10 mm，通过石子堆积试验，得到两种石子的最佳比例，粗细石为2∶1 比例。混合后的石子的表观密度为2 752 kg/m3，空隙率为38.9%，针片状含量为0.51%，压碎指标为3.90%。

试验用砂为新疆石灰岩尾矿在加工石子以后得到的小颗粒，再通过制砂机（竖轴冲击破）得到的二级配人工砂，按1∶1 比例混合后，人工砂的细度模数为2.7。含固量为33%左右萘系泵送剂（C50 以下混凝土使用）；含固量为15%左右聚羧酸系高性能减水剂（C60、C70 混凝土使用）。

2.2 试验方法

新拌混凝土的工作性能通过坍落度来评价，其检测方法按GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。

混凝土抗压强度试验按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定的方法进行。采用NEL 法测定氯离子扩散系数。抗硫酸盐侵蚀试验：采用100 mm×100 mm×100 mm 的混凝土试块，将试块标准养护28 d 后，放入全自动混凝土硫酸盐干湿循环试验箱，硫酸钠溶液浓度为5%（质量百分比）。硫酸盐循环试验设置为：浸泡时间（15±0.1）h、溶液排空（0.5±0.05）h、风干时间（0.5±0.5）h、烘干时间（6±0.1）h、冷却时间（1±0.1）h，总循环时间24 h。

3 试验结果及分析

3.1 试验配比及抗压强度

使用高品质石灰石尾矿砂石配制各等级混凝土，研究在不同胶凝材料用量、不同水泥用量对混凝土各龄期强度的影响，混凝土配合比及坍落度和抗压强度表4。粗骨料的粒形、级配、空隙率对混凝土拌合物中胶凝材料的用量有显著影响，品质良好的骨料可用较少的胶凝材料浆体制得流动性好、泌水少、不离析的混凝土拌合物，硬化后得到均匀密实的混凝土。由表4 可见，胶凝材料用量分别为340、330 kg/m3 的C30、C25 混凝土在较低用水量时，混凝土坍落度在200 mm 以上。因此，高品质骨料配制中低强度等级的混凝土，由于单位用水量降低，且匀质性得到改善，在胶凝材料总用量较低的情况下，混凝土3、7、28 d 抗压强度发展稳定。
 

对于C50 以上的混凝土，由于胶凝材料用量相对较大，骨料品质的好坏对混凝土和易性影响的敏感程度会降低。但由表4 可见，使用高品质骨料，C60、C70 混凝土的胶凝材料用量很低；在不使用硅灰情况下，胶凝材料用量为540 kg/m3 时，混凝土的28 d 抗压强度达80MPa 以上，且水泥用量低，3、7、28 d 抗压强度稳定增长。主要由于在低水胶比的情况下，混凝土的强度对水泥用量的依赖性降低，优质矿物掺合料的密实填充作用的发挥得更加充分。

3.2 高品质骨料各等级混凝土的氯离子扩散系数

氯离子扩散系数能敏感的表示高性能混凝土的抗侵蚀能力，氯离子扩散系数越大，混凝土的抗侵蚀能力越差。由图1 可以看出，高品质骨料配制的各等级混凝土的氯离子扩散系数均在150×10-14m2/s 以下。根据混凝土渗透性评价标准，C25、C30 混凝土的渗透性为“中”；C35~C50 混凝土的渗透性为“低”；C60、C70 混凝土的渗透性为“很低”。这说明高品质骨料配制的混凝土具有很好的抗氯离子渗透性能。
 

混凝土中氯离子的渗透由两个基本因素决定：一是混凝土对氯离子渗透的阻碍能力，这种阻碍能力取决于混凝土的孔隙率及孔径分布；二是混凝土对氯离子的物理或化学结合能力，即固化能力，这种固化能力既影响氯离子渗透速率，又影响水中游离氯离子的结合速率。高品质骨料配制的各等级混凝土，由于单位用水量较低，且混凝土匀质性好，硬化混凝土中连通及毛细孔大大降低，混凝土的密实性提高；另外，各等级混凝土中水泥用量较少，优质粉煤灰和磨细矿粉的掺入，改善了混凝土的孔结构，使其更加密实，增加了混凝土的抗氯离子渗透性能；粉煤灰的火山灰效应减少了混凝土内部Ca(OH)2的数量，生成了更多的低碱度的C-S-H 凝胶，改善了水泥石和集料之间的界面结构，使得混凝土孔级配得到改善，增加了混凝土的物理吸附和化学固化能力，降低了氯离子在混凝土中的渗透速度，提高了混凝土的抗氯离子渗透性能。

3.3 高品质骨料各等级混凝土的抗硫酸盐性能

本次试验进行了60 次硫酸盐干湿循环，在水中及硫酸盐循环后混凝土试块的抗压强度见表5。
 

经60 次硫酸盐干湿循环后，混凝土的抗压耐蚀系数都在95%以上，说明高品质骨料各等级混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能较高。另外，水胶比相对较高的C35 以下的混凝土，浸泡在硫酸钠溶液中的试件的抗压强度增大，主要原因是C35 以下的混凝土，孔隙率相对较大，在腐蚀初期，新生成的盐结晶体体积增大，使混凝土孔隙率变小，密实度得到提高，从而使混凝土的强度有所提高。

3.4 高品质骨料混凝土的界面过渡区

对于普通混凝土而言，界面过渡区是最薄弱的部分，因此混凝土破坏以界面破坏为主。高品质骨料混凝土界面过渡区的扫描电镜如图2 所示。

从图2 中可以看出，水泥石与骨料紧密的结合在一起，特别是C70 混凝土中，骨料与水泥石基本上“融为一体”。高品质骨料配制的混凝土，由于水胶比低，界面处水膜层厚度减小，因而使晶体生长的自由空间减小，结晶颗粒尺寸也随之减小，减小了与水泥石本体的差别；掺入的大量活性矿物细掺料与Ca(OH)2反应后，减少Ca(OH)2晶体含量，并使其定向程度变弱，同时生成了更多的低碱度的C-S-H凝胶，改善了界面过渡区的孔结构和物质组成，使集料与水泥石的界面过渡区得到强化，混凝土孔结构得到改善。
 

4 结论

采用石灰石尾矿，经合理的生产工艺与设备加工而得的粗细骨料品质优良，具有较低的空隙率、良好的颗粒级配和粒形。石子的松堆空隙率为38.9%，针片状含量为0.51%。砂子的细度模数为2.7，符合二区人工砂，颗粒形状良好，无片状颗粒。

采用石灰石尾矿制得的高品质骨料在配制C25~C70等级混凝土时，所配制的混凝土用水量低，和易性好，水泥及胶凝材料用量低。

采用石灰石尾矿制得的高品质骨料在配制的混凝土，氯离子扩散系数低，抗硫酸盐侵蚀性能好。

高品质骨料配制的混凝土，由于水胶比低，界面处水膜层厚度减小，使集料与水泥石的界面过渡区得到强化，混凝土孔结构得到改善。