1. 引言
混凝土技术的发展得益于外加剂的成功应用。外加剂通过影响混凝土的微观、亚微观结构,提高了其各方面性能。虽然外加剂种类繁多,性能不断提高,但是外加剂与水泥之间存在不适应状况,这将导致严重的工程事故和不可预计的经济损失。因此需要通过大量的实验进行探索研究外加剂与水泥之间发生不适应现象的原因,其研究意义关系到外加剂的应用效果以及避免一些工程事故的发生 [1] [2] [3] 。
我国目前用的大多数水泥都掺加一定量的混合材,如石粉、粉煤灰、矿渣粉和煤矸石等 [4] [5] 。不同品种、性质和掺量的混合材对减水剂的作用效果也不相同 [6] [7] 。减水剂不但与水泥会产生相容性问题,同样与混矿物掺合料之间也存在着相容性问题,并影响着水泥与减水剂的相容性。由于混合材的性能各有所异,从而会对减水剂产生不尽相同的影响效果,同时混合材的物理性能以及掺量也会导致减水剂和水泥的相容性有影响 [8] [9] 。目前单一的矿物掺合料对水泥与减水剂的相容性部分已有研究,本文将在以往研究者的基础上通过试验,研究5种混合材对聚羧酸减水剂作用效果的影响及其复合效应影响规律。
2. 试验
2.1. 试验原材料
试验用水泥为JC/T1083-2008《水泥与减水剂相容性试验方法》规定的基准水泥;减水剂为聚羧酸高效减水剂;本次试验所用水淬高炉矿渣、粉煤灰,煤矸石,石粉,钢渣,其化学成分如表1所示。
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Table 1. Chemical compositions of the raw material used in the test (wt/%)
表1. 混合材的化学成分分析(wt/%)
粉煤灰为II级灰,比表面积375 m2/kg,水淬矿渣粉磨至表面积(380 ± 20) m2/kg,拌合水为自来水。
2.2. 试验试验方法
按照JC/T1083-2008《水泥与减水剂相容性试验方法》,测定净浆流动性和流动保持性。
3. 试验结果与讨论
3.1. 不同混合材对水泥与聚羧酸减水剂相容性的影响
3.1.1. 钢渣对水泥与聚羧酸减水剂相容性的影响
从图1钢渣掺量对水泥与聚羧酸减水剂相容性影响可知,当钢渣掺量逐渐增加,水泥与聚羧酸减水剂浆体5 min流动度逐渐增加,然后逐渐减小;钢渣掺量20%时,5 min流动度达到最大值,但其对浆体60 min流动性基本没有影响。随着钢渣掺量增加,流动度损失逐渐增加,然后逐渐减小,但变化幅度不大。钢渣掺量对浆体60 min流动度损失率变化有明显的影响,钢渣掺量在20%左右时,浆体60 min流动度损失率达到最大值;随后随着钢渣掺量,其逐渐降低。主要原因是钢渣掺量过大,且钢渣粉的颗粒形为菱形,锥形度较高,阻碍胶凝材料的滚动,钢渣体系空隙较多,自由水填充空隙后从而降低了浆体的流动度。
3.1.2 粉煤灰对水泥与聚羧酸减水剂相容性的影响
从图2粉煤灰对水泥与聚羧酸减水剂相容性影响可知,当粉煤灰掺量逐渐增加,浆体初始流动度和60 min流动度均逐渐增大。且粉煤灰的滚珠效应,浆体流动性损失降低。
3.1.3 矿渣对水泥与聚羧酸减水剂相容性的影响
从图3矿渣对水泥与聚羧酸减水剂相容性影响可知,当矿渣掺量逐渐增加,浆体5 min流动度和60 min流动度均逐渐增加,浆体流动度经时损失率逐渐下降。矿渣自身Zeta电位值为负值,但一定掺量的矿渣替代水泥后,矿渣与水泥能够发生一定的化学作用,从而在一定程度上降低溶液体系中阳离子的掺量,使得进入水泥粒子滑动面的反离子掺量有所降低,致使压入吸附层的反离子数减少,增大了水泥粒子的Zeta电位值,但这种增加水泥水化Zeta电位的效应并不随着矿渣掺量的增加而线性变化。
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Figure 1. Influence of steel slag on compatibility of cement and polycarboxylate superplasticizer
图1. 钢渣对水泥与减水剂相容性的影响
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Figure 2. Influence of fly ash on compatibility of cement and polycarboxylate superplasticizer
图2. 粉煤灰对水泥与减水剂相容性的影响
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Figure 3. Influence of slag on compatibility of cement and polycarboxylate superplasticizer
图3. 矿渣对水泥与减水剂相容性的影响
3.1.4 石粉对水泥与聚羧酸减水剂相容性的影响
从图4石粉对水泥与聚羧酸减水剂相容性影响可知,石粉掺量对浆体流动度变化基本没有影响,但对其流动度经时损失变化有较明显的影响。当石粉掺量逐渐增加,浆体60 min流动度经时损失率逐渐增加。
原因可能是:一方面,石粉的吸水能力比水泥稍差。随着石粉取代水泥量的增加,相当于增大了水胶比,这对1 h后的流动度影响更明显;另一方面,石粉比水泥对聚羧酸减水剂的吸附能力可能要大一些,导致用于分散水泥颗粒的减水剂减少了,减水率下降,而且石粉吸水后流动度较差。所以,净浆流动度的变化是由这几个因素共同作用的,于是随石粉含量的增加,净浆流动度总体增大幅度不大,但有时会降低 [10] 。
3.1.5. 煤矸石对水泥与聚羧酸减水剂相容性的影响
从图5、图6石粉对水泥与聚羧酸减水剂相容性影响可知,未活化煤矸石和活化煤矸石对水泥与聚羧酸减水剂相容性的影响结果相反。从图5可知,当未活化煤矸石掺量逐渐增加,浆体流动性逐渐下降;
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Figure 4. Influence of stone ash on compatibility of cement and polycarboxylate superplasticizer
图4. 石粉对水泥与聚羧酸减水剂相容性的影响
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Figure 5. Influence of un-activated coal gangue on compatibility of cement and polycarboxylate superplasticizer
图5. 未活化煤矸石对水泥与聚羧酸减水剂相容性的影响
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Figure 6. Influence of activated coal gangue on compatibility of cement and polycarboxylate superplasticizer
图6. 活化煤矸石对水泥与聚羧酸减水剂相容性的影响
流动度经时损失率逐渐增大,然后逐渐减小,当未活化煤矸石掺量20%时,流动度经时损失率达到最大值;从图6可知,当活化煤矸石掺量逐渐增加,其对浆体流动度变化影响不大,浆体流动度损失率变化较小。未活化煤矸石含有大量单质炭,容易吸附大量聚羧酸减水剂,因此聚羧酸减水剂对水泥颗粒的分散减水作用被削弱。
3.2. 两种混合材复掺对水泥与聚羧酸减水剂相容性的影响
通过研究两种混合材复掺对水泥与聚羧酸减水剂相容性的影响,发现矿渣及粉煤灰对于水泥与聚羧酸减水剂浆体的流动性具有促进作用。图7和图8分别表示粉煤灰—矿粉—水泥三元体系与聚羧酸减水剂浆体5 min和60 min流动度。
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Figure 7. 5 min fluidity of fly ash-mineral-cement and polycarboxylate superplasticizer component system
图7. 粉煤灰—矿粉—水泥三元体系与聚羧酸减水剂浆体5 min流动性
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Figure 8. 60 min fluidity of fly ash-mineral-cement and polycarboxylate superplasticizer component system
图8. 粉煤灰—矿粉—水泥三元体系与聚羧酸减水剂浆体60 min流动性
在混凝土中应用矿渣粉和高效减水剂复掺,有利于降低水泥水化所需要的自由水分,水化产物减少,降低了坍落度损失,且矿渣粉一定范围内替代水泥比例越高,坍落度降低幅度也提高。
粉煤灰多为含碳量偏大的空心圆球体。当粉煤灰与高效减水剂复掺时,由于球体滚珠作用,浆体初始流动度较好。但随着时间推移,多孔空心结构的粉煤灰颗粒会吸附较多减水剂分子,结果使浆体60 min流动度损失较大。从图7和图8中可以看出,当矿粉、粉煤灰掺量在适当的比例内增大,浆体5 min和60 min流动度较好,体现出较好的混合材复合效应。
4. 结论
当钢渣掺量为20%时,掺聚羧酸减水剂水泥浆体60分钟流动度损失达到最大值;随着粉煤灰掺量的增加,浆体初始流动度和60 min流动度均呈现一定的增长趋势;随着矿渣掺量的增加,水泥与聚羧酸减水剂浆体初始流动度和60 min流动度均呈现上升趋势;活化煤矸石与未活化煤矸石对水泥与聚羧酸减水剂相容性的影响规律正好相反;随着石粉掺量的增加,水泥与聚羧酸减水剂浆体60 min流动度经时损失率逐渐增加。
当矿粉、粉煤灰和水泥配比较合理时,水泥与聚羧酸减水剂浆体流动度较好,体现出较好的混合材复合效应。