大理巖石粉對水泥與減水劑適應(yīng)性的試驗研究

1石粉與減水劑的適應(yīng)性水電工程、鐵路工程、道路橋梁建設(shè)、地下工程、建筑工程等基礎(chǔ)設(shè)施的有力建設(shè)，滿足了泵送混凝土、射混凝土、自致密混凝土等需要，外加劑成為混凝土的必要成分。隨著天然砂的增多，人工砂的應(yīng)用越來越廣泛。因此，含石粉和添加劑的人工砂的適應(yīng)性日益突出。目前,對于適應(yīng)性的研究多集中在水泥、粉煤灰、礦渣粉、硅灰、煤矸石等與減水劑之間的適應(yīng)性,針對人工砂所含石粉與減水劑的適應(yīng)性相關(guān)問題研究較少,而它們之間的適應(yīng)性對混凝土單位用水量、坍落度經(jīng)時損失及減水劑效能的發(fā)揮有著顯著影響;另外,石粉作為摻和料等量取代水泥(內(nèi)摻)的可行性及對于漿體性能的影響亦缺乏系統(tǒng)的試驗。為此,本文對4個生產(chǎn)廠家、7個品牌的萘系及聚羧酸系減水劑與大理巖石粉之間的適應(yīng)性,及石粉作為摻和料對減水劑及漿體性能的影響開展了相關(guān)試驗研究,通過漿體流動性比較分析大理巖石粉不同摻入方式、不同摻量及不同粒徑分布對漿體流動性及不同減水劑的塑化及保坍等性能的影響,并探究其影響機理。2粉煤灰、水泥的減水劑性能(1)試驗用大理巖石粉的化學(xué)及物性分析結(jié)果見表1。從表1可知,其燒失量及比表面積較大,表明吸附水分及外加劑能力較強,適宜的含量能夠降低漿體泌水,但是過高的摻量對漿體流動性及外加劑性能發(fā)揮不利。(2)粉煤灰選用貴州名川粉煤有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級F類粉煤灰,品質(zhì)檢測結(jié)果顯示其略有減水作用。(3)水泥選用涼山州乃托水泥有限公司生產(chǎn)的“乃托”P·O42.5水泥及四川峨勝水泥股份有限公司生產(chǎn)的“峨勝”P·O42.5水泥。(4)減水劑為北京冶建特種材料有限公司生產(chǎn)的JG-3萘系減水劑及JG-2H聚羧酸系減水劑,江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的JM-ⅡC萘系減水劑及PCA(Ⅰ)聚羧酸系減水劑,南京瑞迪高新技術(shù)公司生產(chǎn)的HLC-NAF萘系減水劑及HLC-ⅠX聚羧酸系減水劑,山東華偉銀凱建材有限公司生產(chǎn)的NOF-AS聚羧酸系減水劑。3試驗結(jié)果3.1漿體流動度的影響圖1為摻減水劑的水泥凈漿先后內(nèi)摻25%粉煤灰及外摻38%石粉后的經(jīng)時流動度試驗結(jié)果。結(jié)果顯示:(1)聚羧酸系減水劑與石粉的適應(yīng)性總體上優(yōu)于萘系減水劑,主要表現(xiàn)為摻入聚羧酸系減水劑后,含石粉的漿體初始流動度較大,后期損失緩慢,部分品種的減水劑摻入后,后期漿體流動度甚至有上升的趨勢。(2)摻減水劑的凈漿,其流動度在120min內(nèi)幾乎無損失,粉煤灰摻入后,一定程度上提高了摻減水劑漿體的初始流動度及其后期流動度的保持能力;外摻石粉后,由于石粉吸附了一定量的減水劑,使得用于分散水泥顆粒的減水劑不足,且石粉增加了粉體含量,使得水粉比降低,漿體中用于分散的自由水減少,致使?jié){體初始流動度明顯下降,30min內(nèi)的流動度基本呈快速下降趨勢,之后的流動度隨時間的增加持續(xù)降低。表明人工砂中一旦含有大量石粉,則減水劑的減水及保坍性能將被削弱,進(jìn)而將影響到混凝土的工作性能。3.2粉煤灰對漿體初始流動度的影響表2為不同減水劑對應(yīng)同一水泥、同一減水劑對應(yīng)不同水泥及不同水泥對應(yīng)不同減水劑的漿體流動度受內(nèi)摻粉煤灰及外摻大理巖石粉的影響情況。由表2可知,無論粉煤灰摻入與否,隨著石粉摻量的增加,漿體初始流動度下降,后期流動度損失速率加快;粉煤灰的內(nèi)摻在改善漿體流動性的同時,有效延緩了石粉對減水劑保塑效果的削弱作用,使得漿體初始流動度及其后期流動度保持能力提高;采用不同減水劑雖然有著不同的結(jié)果,但是與石粉外摻的適應(yīng)性規(guī)律整體一致,采用不同水泥的試驗結(jié)果亦基本一致。由此表明隨著石粉摻量(外摻)的增加,對于漿體初始流動性及其后期保持能力,以及減水劑性能的負(fù)作用越加顯著。另聚羧酸系減水劑由于屬于低摻量、對原材料變化高敏感性的材料,隨著石粉外摻量的變化,其對漿體流動性造成的波動較萘系更加明顯。3.3石粉減量取代水泥漿體性能試驗以上結(jié)果均基于石粉外摻方式的試驗結(jié)果,可以很好地分析人工砂中所含石粉對于減水劑減水及保坍等性能的影響,以及對于拌和物流動性的影響。鑒于各工程人工砂生產(chǎn)產(chǎn)生的廢氣石粉,直接丟棄必然導(dǎo)致資源的浪費與環(huán)境的污染,為研究廢氣石粉作為摻和料直接在工程內(nèi)部消化吸收的可行性,進(jìn)一步分析了石粉作為摻和料等量取代水泥后對漿體性能的影響,采用內(nèi)摻方式對石粉與不同減水劑之間的適應(yīng)性進(jìn)行了相關(guān)試驗研究。圖2a為石粉等量取代(38%)水泥后的漿體流動度試驗結(jié)果,圖2b為外摻石粉對漿體流動度的影響結(jié)果,對比可知,石粉等量取代水泥后的漿體初始流動度較外摻方式顯著提高,120min內(nèi)的流動度均呈增加趨勢,表明內(nèi)摻石粉后提高了減水劑對于漿體后期流動度的保持能力,改善了水泥與各減水劑的適應(yīng)性,適應(yīng)性雖有一定差異,但是各減水劑之間整體規(guī)律一致。表明大理巖石粉內(nèi)摻后可有效改善因水泥與外加劑適應(yīng)性帶來的混凝土坍落度損失問題。3.4石粉摻量對漿體流動性的影響圖3為摻減水劑及未摻減水劑漿體在內(nèi)摻不同粒徑分布及不同含量石粉后的漿體流動度試驗結(jié)果。由圖3a可知:①與摻減水劑的水泥凈漿比較顯示,石粉內(nèi)摻后略有減水作用,可以起到提高漿體流動性的作用,且同一粒徑分布范圍內(nèi),隨著摻量(內(nèi)摻)的增加,對于漿體流動性的提高越明顯;②<0.16mm顆粒10%摻量與粉煤灰25%摻量相當(dāng),<0.08mm顆粒10%摻量與粉煤灰15%摻量相當(dāng),<0.045mm顆粒10%摻量與粉煤灰5%摻量相當(dāng),表明在一定粒徑分布范圍內(nèi),粒徑分布范圍越寬,對于漿體流動性提高越明顯。從圖3b可以看出,隨著摻量的增加,初始及后期流動度整體呈下降趨勢,但是圖3a表明,摻入減水劑后的漿體,隨著石粉摻量的增加,漿體流動度呈增加趨勢,且后期流動度保持能力較強。綜合表明石粉內(nèi)摻后改善了粉體顆粒分布,使得石粉-水泥體系與減水劑的適應(yīng)性明顯優(yōu)于水泥單獨與減水劑之間的適應(yīng)性。4結(jié)果的討論與分析4.1減水劑的作用及用量增加外摻與內(nèi)摻對漿體的影響首先表現(xiàn)在水粉比(用水量與粉體總量之比)的變化上。外摻使得粉體顆粒含量增加,漿體水粉比降低,粘度系數(shù)增加,發(fā)生流動變形所需的屈服剪切應(yīng)力增加,表現(xiàn)為漿體初始流動度下降。且粉體顆粒的增加,吸附面積增大,對游離水及減水劑的吸附量增加,使得水泥單位表面積上的減水劑吸附量及溶液中的減水劑濃度降低、自由水量減少,隨著水泥不斷水化,溶液中沒有足夠的減水劑分子及時在水泥顆粒新水化層外形成有效的阻礙層,使得漿體初始流動度降低的同時,后期流動度損失加劇。因此,外摻時,石粉更多的是發(fā)揮吸水效應(yīng)及置換水泥絮凝結(jié)構(gòu)中的游離水作用。內(nèi)摻在不改變水粉比條件下,使得水泥顆粒含量及粉體比表面積降低(<0.16mm顆粒比表面積為245m2/kg),減水劑及游離水的吸附量降低,使得溶液中有更多的減水劑用于分散及吸附作用,且石粉的摻入對于水泥顆粒本身也是一種分散作用,因此,漿體初始流動度增加、水泥水化絮凝過程因漿體含有充足的減水劑分子而得到有效抑制。后期隨著水泥的水化,由于能夠從溶液中吸附到足夠的減水劑分子以阻礙水化進(jìn)程,加之水泥被等量取代后,水化烈度本身亦被降低,因此,流動度保持能力增強。另外,盡管石粉顆粒形狀不佳,屬于多角形,但是它與水泥顆粒之間,及其自身顆粒之間的接觸點面積較少,在水泥顆粒之間置換出大量游離水的同時,顆粒本身也起到很好的滾珠軸承作用,有利于改善漿體流動度。4.2水泥漿體初始流動度的影響石粉摻量不同必然導(dǎo)致對減水劑及游離水吸附能力不同。外摻情況下,摻量越大,水粉比越小,粉體顆粒越多,對于減水劑及游離水的吸附能力越強,必然導(dǎo)致漿體初始及后期流動度損失的加劇。內(nèi)摻情況下,隨著摻量的增加,水泥顆粒更加分散,且水泥量減少,其對于減水劑及游離水的吸附量降低,溶液中有更多的減水劑分子可以用于阻止水泥的水化進(jìn)程,改善拌和水的結(jié)構(gòu)粘度及結(jié)構(gòu)流變性能,因此,漿體初始流動度增加,后期流動度保持能力增強。根據(jù)水泥漿體的賓漢姆體流變特征可知,外摻提高了水泥漿體的屈服應(yīng)力及塑性粘度,且隨著摻量的增加,體系屈服應(yīng)力增大,內(nèi)聚力提高,表現(xiàn)為流動性的下降;與此相反,內(nèi)摻降低了漿體的屈服應(yīng)力及粘度系數(shù),致使?jié){體屈服剪切應(yīng)力降低,表現(xiàn)為流動性的提高。隨著摻量的增加及粒徑分布范圍變小,作用表現(xiàn)尤其明顯。4.3石粉顆粒分布對初始流動度的影響不同粒徑表現(xiàn)出不同的吸附、填充能力,因此,與減水劑之間表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性。在等量取代條件下,粒徑的增加,顆粒分布變寬,均勻性系數(shù)降低,比表面積降低,對于減水劑及游離水的吸附能力降低,溶液中有更多的減水劑分子及游離水用于分散水泥顆粒并阻止其快速水化,使得漿體流動性增加及水泥水化速率降低,進(jìn)而抑制流動性的損失。另外,由于顆粒分布不同,石粉的堆積空隙率差異較大。試驗顯示,隨著顆粒分布的變窄,堆積密度降低,空隙率增加。摻入漿體后,水首先充填顆粒之間的空隙,并將顆粒潤濕,在其表面形成一層水膜,使顆粒之間容易產(chǎn)生相對滑動而具有較好的流動性。空隙率的增加,致使需要更多的自由水來填充空隙,且顆粒分布越窄,比表面積越大,吸附的自由水越多,相同用水量條件下,漿體顆粒間的相對滑動較難、漿體的屈服應(yīng)力越大,表現(xiàn)為初始流動度的降低。但是由于摻<0.16mm石粉顆粒的漿體及膠砂靜置過程有明顯的泌水現(xiàn)象,表明石粉顆粒粒徑分布較廣的條件下,由于粉體比表面積的降低,導(dǎo)致對于自由水及外加劑的吸附能力降低,使得漿體粘度系數(shù)下降,內(nèi)摻使用不當(dāng)易引發(fā)拌和物的離析、泌水及粘聚性不足等現(xiàn)象。4.4聚羧酸系減水劑分散劑的應(yīng)用分析試驗結(jié)果表明,萘系及聚羧酸系減水劑因不同的減水機理,對于石粉的適應(yīng)性有所不同,在減水及保坍方面聚羧酸系明顯優(yōu)于萘系。因為萘系減水劑的分子鏈為剛性橫臥鏈吸附,對于顆粒的分散作用主要依賴吸附雙電層的靜電斥力,保持時間短,Zeta電位降低較快,分子間范德華引力逐漸占據(jù)主導(dǎo),因此分散效果不穩(wěn)定,流動度損失較快。而聚羧酸系減水劑為梳形分子結(jié)構(gòu),分子鏈為柔性齒狀立體吸附,極性支鏈吸附于石粉顆粒表面,形成牢固的吸附層,非極性側(cè)鏈呈絨毛狀伸展在水溶液中,形成強烈的空間位阻作用,加之一定的靜電斥力對于水泥顆粒絮凝結(jié)構(gòu)形成阻礙或破壞,使得更多原本被絮凝結(jié)構(gòu)所包裹的游離水得以釋放出來用于分散作用,因此,聚羧酸系減水劑較萘系具有較高的減水率和分散性能,以及控制流動度損失的功能。從本質(zhì)上看,萘系及聚羧酸系減水劑對于石粉的適應(yīng)性主要還是由于兩種減水劑本身的減水機理差異所致,但是外摻情況下,由于粉體顆粒比表面積的增加,及對減水劑的吸附增加,導(dǎo)致其對兩種減水劑的減水、保坍性能有一定的削弱作用,但是由于減水機理上的差異,使得萘系減水劑受此影響更加顯著。5復(fù)配與減水劑的協(xié)同作用試驗(1)大理巖石粉外摻,由于增加了粉體顆粒及其比表面積,水粉比降低,對減水劑及游離水的吸附增加,導(dǎo)致漿體初始流動度降低,后期由于沒有足夠的減水劑用于包裹、阻礙水泥的水化、絮凝,使得水化加劇,流動度損失較大,一定程度上削弱了減水劑的塑化及保塑效果,削弱作用大小與減水劑品牌及品質(zhì),以及石粉的摻量有關(guān)。外摻結(jié)果表明人工砂中一旦含有大量石粉,對于拌和物流動性及減水劑的塑化、保坍效果有一定的負(fù)作用。(2)大理巖石粉內(nèi)摻,具有一定的輔助減水效果,并能夠有效改善水泥與外加劑的適應(yīng)性,進(jìn)而提高漿體初始流動度,并降低漿體流動度經(jīng)時損失,發(fā)揮了分散作用及滾珠作用,對于改善漿體流動性發(fā)揮積極作用。且石粉的顆粒分布越寬、摻量越大,在等量取代條件下,增加漿體流動性及抑制流動性損失的作用越明顯,從而從改善漿體流變性能的角度證明了大理巖石粉作為摻和料用于混凝土生產(chǎn)的可行性。(3)試驗結(jié)果綜合顯示,外摻條件下,石粉與聚羧酸系的適應(yīng)性優(yōu)于萘系,但是聚羧酸系減水劑是一