摘要: 通過大量試驗在水泥熟料中復合摻入超細粉煤灰及磨細鋼渣粉, 配制了用于公路路面水泥混凝土工程的復合硅酸鹽水泥, 重點改善道路水泥的抗折強度、耐磨性能以及收縮抗裂性能。結果表明, 隨著超細粉煤灰及磨細鋼渣粉的摻入, 所配制的水泥膠砂強度及耐磨性均滿足425 號道路硅酸鹽水泥要求, 與基準水泥相比, 規定齡期的收縮變形均顯著降低, 圓環法抗裂試驗結果也表明水泥抗裂性能得到大幅度增強。
關鍵詞: 超細粉煤灰; 磨細鋼渣粉; 復合硅酸鹽水泥
中圖分類號: TQ172.44 文獻標識碼: A 文章編號: 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境因素的作用效應較為復雜, 因而對其服役性能提出了更高的要求, 突出表現在混凝土的抗折強度、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, 可以較好地對混凝土進行改性, 尤其對混凝土耐磨性能及體積穩定性等均有較好的改善效果; 同時, 鋼渣和粉煤灰有較好的復合效應, 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 及其水化產物Ca(OH)2 同樣也可以作為粉煤灰二次水化反應的激發劑, 加速其水化, 保證水泥基材料具有所需要的強度及優良的長期性能。
本文通過大量試驗, 研究在水泥熟料中復合摻入超細粉煤灰( 簡稱UFA) 及磨細鋼渣粉( 簡稱GSS) , 配制用于道路的425 號高性能復合硅酸鹽水泥, 確定活性混合材的最佳摻量, 并測試水泥膠砂的抗折強度、耐磨性能、收縮變形及抗裂性能等, 對UFA 及GSS 的摻入所帶來的影響進行了分析及評價。
1 試驗原材料
熟料及石膏: 取自湖南雙峰市牛力水泥廠, 熟料的化學成分及礦物組成見表1, 主要物理力學性能見表2。
磨細鋼渣粉: 湖南婁底華菱南方環保科技有限公司提供的預處理磨細鋼渣粉, 其化學成分及物理性能見表3。
超細粉煤灰: 湖南湘潭電廠電收塵氣流分選工藝收集的超細粉煤灰( 不需磨細工藝) , 化學成分及物理性能見表3。
砂: 標準砂, 符合GB 178—77《水泥強度試驗用標準砂》要求。
激發劑: 自行配制, 用以激發水泥石早期強度。
2 試驗方法
水泥膠砂強度試驗方法按GB177—85《水泥膠砂強度檢驗方法》進行, 即水灰比為0.44, 膠砂比為1∶2.5; 水泥膠砂干縮試驗按照GB751—81《水泥膠砂干縮試驗方法》進行; 水泥膠砂耐磨試驗按照JC/T421—91《水泥膠砂耐磨性試驗方法》進行; 水泥砂漿約束收縮開裂試驗參照Roy Carlson 提出的方法[5], 采用圓環法測試, 試驗裝置如圖1 所示, 試件成型后標養24h, 然后拆除外鋼環和底板后將試件放在干燥養護室中( 20℃±2℃, RH60%±5%) 進行試驗。該試驗通過觀測試件表面的開裂時間及裂紋寬度來表征水泥砂漿的抗裂性能。
3 試驗結果及分析
3.1 高性能復合道路水泥試配及膠砂強度試驗
通過本研究前期的正交試驗及大量的水泥試配試驗, 初步確定在熟料標號、UFA 和GSS 種類等不變的條件下, 影響水泥膠砂強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度, 應在配制中摻入一定量的激發劑, 用以激發UFA 的早期水化, 通過試驗確定摻量為2%。
試配時, 熟料摻量控制在64%以上, 鋼渣摻量控制在15%以下, 對不同熟料摻量和不同鋼渣、粉煤灰摻量比值的水泥進行了強度試驗, 結果見表4。
從表4 的結果可知, 除9～11 號外, 各組均達到了GB13693—92《道路硅酸鹽水泥》中425 號水泥的強度要求, 且當GSS∶UFA 一定時, 隨著水泥中熟料摻量的增加, 水泥各齡期強度均增加; 當熟料摻量一定時,隨著GSS∶UFA 的增大, 水泥各齡期強度均減小。
綜合考慮到道路水泥的技術性能以及鋼渣、粉煤灰的利用率, 優選1、2、5 和6 組進行測試, 編號分別為C1、C2、C3 和C4。
3.2 水泥膠砂干縮試驗
所配的各組膠砂干縮率發展曲線見圖2。
由圖2 可知, 水泥的各齡期干縮率均遠小于基準水泥, 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, 可以這樣認為, 因為UFA 及GSS 的摻入, 其早期水化反應速率必然小于純水泥熟料, 減少了早期參與水化反應的膠凝材料總量, 導致因水化引發的收縮變形大幅度減小; 同時UFA 及GSS 的摻入表現出優良的微集料密實填充效應, 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出優異的減縮特性。
3.3 水泥膠砂耐磨試驗
綜合考慮強度、干縮率等性能, 選取C3 進行水泥膠砂耐磨試驗, 委托湖南建筑材料質量監督檢驗授權站完成, 試驗按照JC/T421—91 進行, 試驗結果為:水泥28d 磨耗量2.53kg/m2, 小于GB13693—92 規定的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。本文通過分析認為鋼渣特殊的燒結工藝以及UFA 顆粒的微集料密實填充效應對水泥耐磨性影響較大, 尤其鋼渣在燒結過程中形成較多的鐵相組分, 在水泥基復合材料水化過程中可形成穩定的鐵相骨架, 同時微細的UFA 顆粒密實填充于熟料礦物中, 強化了水泥基材, 細化了孔隙結構。另外, 熟料水化及混合材的二次反應使得鋼渣顆粒、UFA 顆粒與水泥漿體的界面弱區得以強化, 因而耐磨性能增強。
3.4 水泥膠砂抗裂性能試驗
選取C3、C4 及C5 配比的水泥進行圓環法抗裂性能試驗。通過觀測試件首次開裂時間及裂紋寬度來評定膠砂的抗裂性能。試驗結果如表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, 分別比基準水泥膠砂開裂的時間延遲6.5d 和8.5d, 且可見裂紋寬度也顯著小于基準水泥膠砂。上述試驗結果與干縮試驗的結果也是完全相符的, 說明C3 配比在所有配比中所表現出的體積穩定性能是最優的。
分析摻UFA- GSS 水泥的抗裂機理, 可以這樣認為, 在整個體系中, UFA 顆粒大都呈球形, 比表面積較之普通的原狀粉煤灰大, 且表面堅強致密, 玻璃體微珠強度高( 700MPa) [6], 同GSS 顆粒一起形成堅強的微骨架強化了水泥基材。同時, UFA 顆粒及GSS 顆粒會均勻地填充于水泥顆粒的空隙中, 細化了整個體系的孔隙結構, 而在細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, 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于基準混凝土。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管壓力, 進而減小了表面收縮開裂的可能性。
綜上所述, UFA 及GSS 的摻入能較好的對水泥基材料進行改性, 可以配制出用于公路路面的高性能復合硅酸鹽水泥, 水泥膠砂強度試驗、耐磨性試驗、干縮及抗裂性能試驗等均表明該高性能水泥相比于基準水泥, 性能優良, 質量穩定, 可以在實踐中推廣應用, 并推薦最佳配合比為C3 組。
4 結論
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 號高性能復合硅酸鹽水泥。水泥強度試驗表明, 所配制的水泥強度滿足425 號道路水泥強度要求; 干縮及圓環法抗裂性能試驗表明, 水泥各齡期干燥收縮變形均小于基準水泥, 28d 干縮率減小21.0%～38.9%, 120d 減小17.7%～39.5%, 同時水泥的抗裂性能大大增強, 與基準水泥相比, 表現出優良的體積穩定性能; 耐磨性試驗表明, 28d 磨耗量2.53kg/m2, 符合標準要求。
參考文獻:
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