凝灰岩石粉掺量对活性粉末混凝土性能的影响_张景瑞.pdf

第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb.2023材料科学凝灰岩石粉掺量对活性粉末混凝土性能的影响*The Influence of Tuff Powder Content on the Properties of eactive Powder Concrete张景瑞1，李卫炎2，黄前龙3，李立辉4，蔡燕霞3(1.河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038;2.浙江交投矿业有限公司，浙江 舟山 316000;3.中路高科(北京)公路技术有限公司，北京 100088;4.交通运输部公路科学研究院，北京 100088)摘要:以 0.14 水胶比成型活性粉末混凝土(PC)为基体，采用凝灰岩石粉取代部分胶凝材料制备PC，研究凝灰岩石粉掺量对 PC 抗压强度、抗折强度和微观结构的影响。结果表明:PC 的抗压强度、抗折强度随凝灰岩石粉掺量增加呈下降趋势。凝灰岩石粉在胶凝体系中发挥了一定的火山灰效应和填充效应，改善了 PC 的微观结构;掺量为 5%凝灰岩石粉掺制备的 PC 能满足力学要求，28 d 龄期的抗压强度为 119 MPa，抗折强度为 12.4 MPa，孔隙率最低，且界面区最密实;当凝灰岩石粉掺量超过 5%后，对微观结构的改善效果有所下降，当凝灰岩石粉掺量超过 20%时，已不利于 PC 微观结构的改善。关键词:凝灰岩石粉;活性粉末混凝土;力学性能;微观结构中图分类号:TU528文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01004007DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301008ZHANG Jingrui1，LI Weiyan2，HUANG Qianlong3，LI Lihui4，CAI Yanxia3(1.School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China;2.Zhejiang Comm Mining Co.，Ltd.，Zhoushan 316000;3.Beijing Zhonglu Gaoke Highway Technology Co.，Ltd.，Beijing 100088，China;4.esearch Institute of Highway Ministry of Transport，Beijing 100088，China)Abstract:eactive powder concrete(PC)with a waterbinder ratio of 0.14 was used as the matrix to prepare PC by replacing partof the cementitious material with tuff powder.The effects of tuff powder content on the compressive strength，flexural strength andmicrostructure of PC were studied.The results show that the compressive strength and flexural strength of PC show a downward trendwith the increase of tuff powder content.The tuff powder exerts certain pozzolanic and filling effects in the cementitious system，andimproved the microstructure of PC.The PC prepared by adding 5%tuff powder can meet the mechanical requirements，thecompressive strength at 28 dage is 119 MPa，the flexural strength is 12.4 MPa，the porosity is the lowest，and the interface area is thedensest.When the content of tuff powder exceeds 5%，the effect of improving the microstructure decreases.When the content of tuff rockpowder exceeds 20%，it is not conducive to the improvement of PC microstructure.Keywords:tuff powder;reactive powder concrete;mechanical properties;microstructure*基金项目:国家自然科学基金(52178428)。作者简介:张景瑞(1995)，男，硕士研究生，研究方向:道路结构与材料。收稿日期:202203300引言活性粉末混凝土(eactive Power Concrete，1 期张景瑞等:凝灰岩石粉掺量对活性粉末混凝土性能的影响41材料科学PC)是 1993 年法国学者 ichard 等研制出来的一种新型水泥基复合材料，其基本配制原理是基于最紧密堆积理论，剔除粗骨料，以细石英砂为骨料，掺入高效减水剂和适量钢纤维，主要原材料还包括硅灰、粉煤灰等矿物细掺料，从而减少了内部缺陷来提高混凝土的抗压强度、韧性和耐久性12。石粉是机制砂石生产过程中产生粒径小于 75 m 的工业副产品，占到机制砂的 15%左右3。我国浙江地区凝灰岩丰富，砂石骨料企业大多采用湿法骨料生产工艺4，生产过程中产生的凝灰岩石粉占到机制砂石总量的 10%15%。目前对其大多采用就近堆放的处理方法，若不能将其回收利用，将会对环境造成污染56。因此，废弃凝灰岩石粉的资源化利用迫在眉睫。与泥粉不同，废弃凝灰岩石粉的主要成分与母岩化学性质基本相同，在水泥胶凝体系中可以起到润滑和填充作用，改善混凝土的工作性，进而提高混凝土密实性79。国内外对于石粉在混凝土中应用的相关研究表明:石粉可作为辅助性胶凝材料来增强混凝土性能。Hattatoglu 等10 研究熔结凝灰岩石粉取代部分水泥制备活性粉末混凝土，表明熔结凝灰岩石粉活性粉末混凝土可用于刚性路面;尹武晓等11 探究不同掺量的凝灰岩石粉对水泥浆体收缩性能的影响及机理，结果发现凝灰岩石粉对水泥浆体的收缩有显著影响，早期起惰性填料作用，能够明显减少水泥化学收缩。目前关于凝灰岩石粉对于 PC 性能影响的研究较少，由于 PC 的水胶比很低，导致大量水泥不能得到充分水化，只是作为活性填充料使用，这是一种巨大的浪费12。凝灰岩石粉具备一定的活性和填充作用。鉴于此，本文将凝灰岩石粉取代部分胶凝材料制备 PC，可以减少胶凝材料的用量，降低 PC 的制备成本又可推动废弃凝灰岩石粉的资源化应用，缓解环境污染，为今后凝灰岩石粉在 PC 中的应用提供参考依据。1试验1.1试验原材料PI 42.5 硅酸盐水泥，SiO2含量20.6%，密度为 3.12 g/cm3，基本性能见表 1;uffa 2.0 型微珠，SiO2含量58.7%，比表面积680 m2/kg;SF93 型硅灰，SiO2含量为 94.61%，比表面积为18.648 m2/g;S95 型矿粉，密度为 2.9 g/cm3;凝灰岩石粉为浙江地区生产机制砂过程中采用湿法工艺收集的凝灰岩石粉，粒径为 127 m，平均粒径 9.38 m，主要晶体矿物为石英、长石、高岭石等，主要化学成分为 SiO2和 Al2O3，SiO2含量高达 61.52%，所含腐蚀性物质含量较低，其基本性能指标见表 2;粗粒径石英砂，细度模数为 3.11;减水剂为西卡(中国)有限公司生产的聚羧酸盐高性能减水剂，减水率 33%;消泡剂，白色粉末，具有良好的分散性和消泡作用，以有效控制 PC内泡沫产生，使 PC 更加致密;钢纤维为表面镀铜平直钢纤维，直径 0.18 mm，长度 13 mm，抗拉强度 3105 MPa;拌和用水为自来水。表 1水泥基本性能Table 1Basic properties of cement比表面积/(m2/kg)标准稠度/%安定性凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3 d7 d28 d3 d7 d28 d35525.4合格991586.47.39.327.037.853.2表 2凝灰岩石粉基本性能Table 2Basic properties of tuff powder密度/(g/cm3)亚甲蓝值表面积/体积/(cm2/cm3)活性指数/%7 d28 dpH2.56191422555.359.38.951.2配合比设计为了研究凝灰岩石粉掺量对活性粉末混凝土性能的影响，参照 GB/T 313872015 活性粉末混凝土13，本试验设计了 5%、10%、15%和20%掺量的凝灰岩石粉取代胶凝材料的 PC 配合比，编号分别为 1、2、3、4，0 为基准对照组，见表 3。水胶比为 0.14。减水剂掺量以对照组的流动度为参考进行调整，使拌合物流动度在(19010)mm。42粉煤灰综合利用37 卷材料科学表 3凝灰岩石粉取代胶凝材料的 PC 配合比Table 3PC mix ratio of tuff powder to replace cementitious material/(kg/m3)试件编号水泥 微珠 硅灰 矿粉凝灰岩石粉石英砂钢纤维消泡剂减水剂水065020018012001250401321581617.5 19017111457.512504013415825851801621081151250401361583552.5 170153102172.51250401501584520160144962301250401601581.3制备工艺及养护首先将石英砂、钢纤维加入搅拌机，搅拌2 min，然后将水泥、微珠、硅灰、矿粉、凝灰岩石粉加入搅拌机，干料搅拌 2 min，最后将水和减水剂、消泡剂混合均匀后加入到搅拌机中搅拌8 min，拌合物一次浇入试模内，在震动台上振捣2 min，在试模中静停 24 h 后拆除试模，将成型的试件放入加速养护箱进行养护，环境温度由 25 升至 75，升温速度为 10 /h，升温至 75 保温养护 24 h。让其在养护箱内自然冷却 24 h 之后进行自然养护。1.4试验方法按照 GB/T 500812019 混凝土物理力学性能试验方法标准中相关标准进行 PC 试件的抗压强度、抗折强度试验，试件的测试龄期为 3、7和 28 d。抗压强度试验采用 100 mm 100 mm100 mm尺寸的立方体试件，加载速率为 1.2 MPa。抗折强度试验采用 40 mm40 mm160 mm 尺寸的棱柱体试件，加载速率为 0.08 MPa。采用日本电子 S4800 扫描电镜检测3 和28 d 龄期的 PC 试件。采用美国麦克默瑞提克公司生产的高性能全自动压汞仪 AutoPore V9620 对 28 d 龄期的 PC 试件进行孔结构测试。2试验结果分析2.1抗压强度和抗折强度对各组 3、7 和 28 d 龄期 PC 试件进行抗压强度、抗折强度测试，得到不同凝灰岩石粉掺量的 PC 的抗压强度和抗折强度试验结果，如图 1所示。从图 1 中可以发现，各组 PC 试件的抗压强度和抗折强度随着龄期的增加保持增长趋势，随着凝灰岩石粉掺量增加，PC 试件的抗压强度和抗折强度逐渐降低，且抗压强度下降趋势明显。试件 4抗压强度和抗折强度降低幅度较大，3、7 和28 d龄期的抗压强度和抗折强度均远低于 PC 抗压强度和抗折强度指标要求;试件 1 的 3、7 和 2