高分散性硅灰對混凝土性能影響的研究

雷 英 強, 吳 偉

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

對于細小的硅灰顆粒,理論上可以發揮填充、火山灰以及晶種效應,進而實現混凝土高性能化與綠色化,因此,近年來將硅灰作為綠色摻合料應用于現代混凝土成為研究的熱點。有學者[1]的研究結果表明,硅灰替代水泥可以降低混凝土中的水泥用量并可提高其耐久性,證明了硅灰是實現混凝土高性能化、綠色化的理想材料。

Ye[2]和Belkowitz[3]對不同粒徑的硅灰對水泥體系的影響進行了研究,其微觀測試結果表明硅灰降低空隙率及提高火山灰活性與其粒徑相關。Thomas[4]研究了硅灰對硅酸三鈣和水泥水化的影響,發現只有納米級硅灰才存在晶核效應;而不同形態的硅灰[5](加密、半加密以及原灰)對混凝土的影響差異明顯,硅灰加密后對其強度的促進效果明顯降低。硅灰具有的極高比表面積和表面能會導致顆粒團聚,其實際尺寸會發生明顯增加,有研究[6]表明:亞微米級硅灰團聚后其粒徑會增加至100 μm。以上研究結果均說明硅灰作為為粉體顆粒,其粒徑對其在水泥體系或混凝土中的應用效果具有重要影響。

筆者在文中提出了利用HB-2D分散劑以實現快速、簡易的硅灰預分散方法,利用有機總碳測試儀(TOC)和凝結時間評價了分散劑對早期水化的影響,通過偏光顯微鏡、沉降高度評價了其分散效果。采用孔隙率、抗滲性表征了預分散硅灰的填充性,利用強度發展表征了預分散硅灰的火山灰效應。

2 研究采用的原材料

水泥:拉法基P.O42.5普通硅酸鹽水泥,其渤氏法比表面積為355 m2/kg,密度為3.08 g/cm3,按照《通用硅酸鹽水泥標準》GB175-2007得到的水泥物理性能檢測數據見表1。

表1 水泥物理性能檢測數據表

硅灰:成都東藍星科技公司未加密硅灰,其平均粒徑(激光粒度儀-濕法)為8 μm,按《砂漿和混凝土用硅灰》GB27690-2011得到的檢測數據見表2。

表2 硅灰檢測數據表

表3 混凝土配合比表 /kg·m-3

細骨料為人工破碎骨料,細度模數為2.66,表觀密度為2 710 kg/m3,堆積密度為1 610 kg/m3,吸水率為1.1%。粗骨料亦為人工破碎骨料,粒徑為5～16 mm,骨料表觀密度為2 720 kg/m3,堆積密度為1 580 kg/m3,吸水率為0.5%,針片狀含量為5%;減水劑為石家莊市長安育才建材有限公司出品的GK-3000聚羧酸減水劑,其固含量為40%。消泡劑為日本東邦Sorpol 5053出品的白色粉狀消泡劑,推薦摻量為膠材質量的0.02%～0.2%,硅灰分散劑為中國水利水電第七工程局試驗檢測研究院基于磷酸基聚乙二醇開發的HB-2D硅灰專用分散劑,其固含量為60%。

試驗用混凝土配合比見表 3。

3 試驗方法

3.1 預分散方法

硅灰預分散的步驟為:(1)在德滿億JJ-1增力電動攪拌機75 rpm轉速攪拌條件下稱取600 g自來水中分4次(每次100 g)加入400 g硅灰,每次加入的硅灰只有被充分潤濕后方可加入下批次;(2)加入4 g HB-2D分散劑,持續攪拌約30 min直至硅灰分散均勻且pH值>9;(3)將預分散硅灰放入容器中密封儲存以便后續試驗使用。

3.2 分散劑吸附量的測試

采用有機碳(TOC-L)殘留量法表征硅灰上的分散劑吸附量,其原理為:用加入的分散劑總碳量減去上清液殘留的分散劑總碳量從而得到被吸附的分散劑總碳量,再根據標準曲線計算出所吸附的分散劑質量。

3.3 預分散硅灰的分散性

對分散劑吸附量進行TOC測試,所取得的數據見表4。

表4 分散劑TOC測試結果表

從TOC測試數據可以看出:隨著分散劑摻量的增加,其分散劑吸附量亦提高。在摻量為1.0%時進入平臺期或達到飽和吸附點,這樣的規律與Langmuir吸附和熱力學吸附平衡規律吻合,并與前期試驗發現的分散劑摻量>1.0%時其分散效果達到最佳相匹配。但是,按表4吸附量進行計算時發現:介質中還有0.15 mg/g的分散劑殘留,說明分散劑即使達到平衡吸附狀態亦無法100%吸附。為了保證分散效果,我們仍然采用1.0%的分散劑摻加量進行試驗,并對分散劑殘留造成的對早期水化影響導致凝結時間變化的程度進行了評估。

將預分散硅灰和原硅灰加入酒精配制成固體含量為1.0%的溶液,然后用移液槍取10 μL配制懸浮液滴在載玻片上并用蓋玻片密封。使用YJ-2005透射偏光顯微鏡放大(目鏡16×,物鏡40×)640倍進行分散性觀測并用ImageView記錄圖像。

將200 g水泥與200 g蒸餾水混合攪拌1 min,再放入凱特TD5A離心機內以1 000 rpm離心1 min制備水泥上清液,采用上清液模擬實際水泥漿體中的離子濃度以及堿度對硅灰分散性的影響。直接對未處理的硅灰按照3.1中的步驟(1)進行處理,但不加入HB-2D硅灰分散劑,配制成固體含量為40%的懸浮液,然后分別在預分散和未處理硅灰懸浮液中加入10%重量的水泥上清液,在20 ℃條件下靜置24 h,通過測試沉降度用以表征分散性。

3.4 孔隙率測試

空隙率測試采用烘干脫水法處理并采用甲醇法進行。因其操作方便且精度介于汞壓法和氮吸附法之間,而且滿足對含有粗骨料的混凝土的測試要求(汞壓法及氮吸附法只能測試漿體孔隙),具體操作步驟如下:將混凝土試塊切割成10 cm×5 cm×10 cm的塊體,然后將其放入100～105 ℃的烘干箱(升溫速率<10 ℃/h)中恒溫干燥24 h,然后緩慢降溫至室溫。取出試塊,用放大鏡檢查其是否存在肉眼可見的裂縫,因為只有無裂縫試塊才能用于下一步的試驗。

將干燥試塊稱重記為WD,將其放入真空干燥器中,保持真空壓力為5±0.5 Pa,持續5 h,然后保持真空負壓條件加入甲醇直至試塊被完全覆蓋。保持負壓24 h后分別測試試塊懸吊在甲醇中的重量(WSUS)和試塊表面的干燥重量(WSSD),最后按以下公式進行孔隙率P的計算。

3.5 力學性能及抗滲性測試

文中所述的所有試件均采用標準養護,成型后在室內20±5 ℃的環境中靜置24 h,然后拆模放入標準養護室,待其達到3 d,7 d和28 d齡期時取出進行混凝土性能測試。對混凝土抗壓強度以及抗滲性能的測試按照《水工混凝土試驗規程》DL/T5150-2017進行。

4 試驗結果

4.1 分散效果

分別對未處理的硅灰及預分散的硅灰進行觀察。硅灰分散性效果見圖1。

未處理的硅灰

從圖1中可以看出:未處理的硅灰大部分呈現出不同的團聚狀態,最嚴重的團聚硅灰直徑至少已經達到單個硅灰直徑的100倍,其與Zhang觀察到的現象一致;而經過預分散的硅灰均以原始粒徑獨立存在且在介質中均勻分布。由此可以看出:采用HB-2D分散劑處理后的硅灰可以打破團聚,從而實現其在介質中的均勻分布。

對于加入水泥上清液、靜置24 h未處理及預分散的硅灰懸浮液進行了沉降對比,未處理與預分散的硅灰懸浮液沉降對比情況見圖2。

未處理 預分散

由圖2可以看出:24 h后,未處理的硅灰上清液幾乎完全透明澄清,固體顆粒均沉淀于杯底;而預分散的硅灰仍然保持良好的懸浮狀態,肉眼無法觀察到分層以及清液析出。由Stock公式可知:在懸浮介質一定的情況下,顆粒沉降是因其質量不同所致,從而說明未處理的硅灰懸浮液出現了顆粒團聚而導致其質量增加的現象,而預分散的硅灰并未出現團聚導致顆粒質量的增加,其保持了良好的分散性。

4.2 混凝土孔隙率

研究時分別考察了5%～10%摻量未處理及預分散硅灰3 d及28 d的孔隙率。不同摻量未處理和預分散的硅灰孔隙率數據見表5。

表5 不同摻量未處理和預分散的硅灰孔隙率數據表

從整體規律看:無論摻入哪種硅灰以及其位于哪個齡期,孔隙率均隨著硅灰摻量的增加而減少,說明硅灰分散與否均具有填充效應。筆者在5%摻量條件下對比了兩種硅灰,其3 d孔隙率對比基準未處理和預分散硅灰分別下降了0.40%和1.03%,28 d孔隙率分別下降了0.81%和1.71%。在10%摻量條件下,3 d孔隙率分別下降了0.96%和1.75%,28 d孔隙率分別下降了1.30%～2.27%。從中可以看出:隨著齡期的發展,混凝土的總體孔隙率呈現下降趨勢,這與長時間水化反應生成更多的凝膠導致水泥石致密度增加的規律吻合。對于混凝土孔隙率的優化幅度,無論是3 d還是7 d,預分散效果均優于未處理硅灰,說明打破團聚可以增加硅灰填充效應的假設成立。

4.3 混凝土抗滲及力學性能

為了驗證預分散是否能提高硅灰的填充效應,研究時采用抗滲試驗進行表征。預處理硅灰對抗滲性的影響情況見表6。

表6 預分散硅灰對抗滲性影響表

當硅灰摻量從4%增加到8%,無論預分散與否均增加了混凝土的抗滲能力,抗滲等級從6提高到10,平均滲水高度從100 mm降低至最小14 mm,說明硅灰本身具有填充性。當未處理硅灰摻量從4%提高至8%,其滲水高度呈線性下降趨勢,但在10%摻量時出現了拐點,滲水高度反增。而摻入預分散硅灰后,其平均滲水高度呈良好的線性下降趨勢。以上結果說明:隨著未處理硅灰摻量的增加,顆粒相互距離變近,范德華力急劇增加導致出現了很明顯的大顆粒團聚,從而造成填充效應下降;而預分散后的硅灰很好地消除了范德華力造成的團聚影響,保證了填充效應。

摻量為4%、8%和10%時,預分散硅灰的滲水高度較未處理硅灰分別下降了45%、32%和56%。由此可見:預分散硅灰對平均滲水高度的改善優于未處理硅灰。由此可知:預分散可提升硅灰的填充效應,且在4%摻量下即可達到未處理硅灰8%摻量的抗滲效果。

研究過程中,對于0%～10%摻量范圍內的兩種硅灰混凝土的1 d、3 d和28 d強度發展進行了對比,以評價預分散對硅灰火山灰活性的影響。兩種硅灰對混凝土抗壓強度的影響見表7。

表7 兩種硅灰對混凝土抗壓強度影響表

預分散硅灰在≤6%摻量條件下對混凝土的1 d強度有少許提升,最大增幅為10.8%,但在≥8%摻量時其強度與基準基本持平。預分散硅灰因其殘留液相的分散劑會減弱硅灰自身對混凝土早期水化的促進作用。摻兩種硅灰的混凝土3 d強度差異并不明顯,說明3 d齡期時的殘留分散劑對于混凝土水化的影響已經消失。28 d強度差異明顯,10%摻量下的摻預分散硅灰混凝土強度較摻未處理硅灰混凝土強度提升了26.2%,摻量為4%時即達到未處理硅灰10%摻量的強度水平。

5 結 語

筆者在文中提出了采用HB-2D分散劑快速、簡易分散硅灰的方法,研究了該預分散硅灰的分散性能及其對混凝土性能的影響,結論如下:

(1)HB-2D分散劑平衡吸附量為0.9 mg/g時,液相有約0.15 mg/g硅灰的殘留,其會減弱硅灰早強促進水化的作用,但并不會較基準延長凝結時間和降低1 d強度;

(2)偏光顯微鏡觀察以及沉降試驗結果充分說明硅灰經HB-2D預分散后具有良好的分散性;

(3)硅灰經過預分散后,對比未處理的硅灰混凝土達到目標擴展度所需的減水劑用量可降低19%,混凝土28 d孔隙率降低10%,平均滲水高度可降低原有硅灰水平的56%,說明HB-2D預分散處理可明顯提升硅灰的填充效應;

(4)摻預分散硅灰的混凝土28 d強度較摻未處理硅灰的混凝土強度提高26.2%,其摻量為4%時即可達到未處理硅灰10%摻量的強度水平,從而體現出HB2-D預分散硅灰對火山灰效應的促進作用。