大理岩石粉对水泥与减水剂适应性的试验研究

大理岩石粉对水泥与减水剂适应性的试验研究

1石粉与减水剂的适应性水电工程、铁路工程、道路桥梁建设、地下工程、建筑工程等基础设施的有力建设，满足了泵送混凝土、射混凝土、自致密混凝土等需要，外加剂成为混凝土的必要成分。随着天然砂的增多，人工砂的应用越来越广泛。因此，含石粉和添加剂的人工砂的适应性日益突出。目前,对于适应性的研究多集中在水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、煤矸石等与减水剂之间的适应性,针对人工砂所含石粉与减水剂的适应性相关问题研究较少,而它们之间的适应性对混凝土单位用水量、坍落度经时损失及减水剂效能的发挥有着显著影响;另外,石粉作为掺和料等量取代水泥(内掺)的可行性及对于浆体性能的影响亦缺乏系统的试验。为此,本文对4个生产厂家、7个品牌的萘系及聚羧酸系减水剂与大理岩石粉之间的适应性,及石粉作为掺和料对减水剂及浆体性能的影响开展了相关试验研究,通过浆体流动性比较分析大理岩石粉不同掺入方式、不同掺量及不同粒径分布对浆体流动性及不同减水剂的塑化及保坍等性能的影响,并探究其影响机理。2粉煤灰、水泥的减水剂性能(1)试验用大理岩石粉的化学及物性分析结果见表1。从表1可知,其烧失量及比表面积较大,表明吸附水分及外加剂能力较强,适宜的含量能够降低浆体泌水,但是过高的掺量对浆体流动性及外加剂性能发挥不利。(2)粉煤灰选用贵州名川粉煤有限公司生产的Ⅱ级F类粉煤灰,品质检测结果显示其略有减水作用。(3)水泥选用凉山州乃托水泥有限公司生产的“乃托”P·O42.5水泥及四川峨胜水泥股份有限公司生产的“峨胜”P·O42.5水泥。(4)减水剂为北京冶建特种材料有限公司生产的JG-3萘系减水剂及JG-2H聚羧酸系减水剂,江苏博特新材料有限公司生产的JM-ⅡC萘系减水剂及PCA(Ⅰ)聚羧酸系减水剂,南京瑞迪高新技术公司生产的HLC-NAF萘系减水剂及HLC-ⅠX聚羧酸系减水剂,山东华伟银凯建材有限公司生产的NOF-AS聚羧酸系减水剂。3试验结果3.1浆体流动度的影响图1为掺减水剂的水泥净浆先后内掺25%粉煤灰及外掺38%石粉后的经时流动度试验结果。结果显示:(1)聚羧酸系减水剂与石粉的适应性总体上优于萘系减水剂,主要表现为掺入聚羧酸系减水剂后,含石粉的浆体初始流动度较大,后期损失缓慢,部分品种的减水剂掺入后,后期浆体流动度甚至有上升的趋势。(2)掺减水剂的净浆,其流动度在120min内几乎无损失,粉煤灰掺入后,一定程度上提高了掺减水剂浆体的初始流动度及其后期流动度的保持能力;外掺石粉后,由于石粉吸附了一定量的减水剂,使得用于分散水泥颗粒的减水剂不足,且石粉增加了粉体含量,使得水粉比降低,浆体中用于分散的自由水减少,致使浆体初始流动度明显下降,30min内的流动度基本呈快速下降趋势,之后的流动度随时间的增加持续降低。表明人工砂中一旦含有大量石粉,则减水剂的减水及保坍性能将被削弱,进而将影响到混凝土的工作性能。3.2粉煤灰对浆体初始流动度的影响表2为不同减水剂对应同一水泥、同一减水剂对应不同水泥及不同水泥对应不同减水剂的浆体流动度受内掺粉煤灰及外掺大理岩石粉的影响情况。由表2可知,无论粉煤灰掺入与否,随着石粉掺量的增加,浆体初始流动度下降,后期流动度损失速率加快;粉煤灰的内掺在改善浆体流动性的同时,有效延缓了石粉对减水剂保塑效果的削弱作用,使得浆体初始流动度及其后期流动度保持能力提高;采用不同减水剂虽然有着不同的结果,但是与石粉外掺的适应性规律整体一致,采用不同水泥的试验结果亦基本一致。由此表明随着石粉掺量(外掺)的增加,对于浆体初始流动性及其后期保持能力,以及减水剂性能的负作用越加显著。另聚羧酸系减水剂由于属于低掺量、对原材料变化高敏感性的材料,随着石粉外掺量的变化,其对浆体流动性造成的波动较萘系更加明显。3.3石粉减量取代水泥浆体性能试验以上结果均基于石粉外掺方式的试验结果,可以很好地分析人工砂中所含石粉对于减水剂减水及保坍等性能的影响,以及对于拌和物流动性的影响。鉴于各工程人工砂生产产生的废气石粉,直接丢弃必然导致资源的浪费与环境的污染,为研究废气石粉作为掺和料直接在工程内部消化吸收的可行性,进一步分析了石粉作为掺和料等量取代水泥后对浆体性能的影响,采用内掺方式对石粉与不同减水剂之间的适应性进行了相关试验研究。图2a为石粉等量取代(38%)水泥后的浆体流动度试验结果,图2b为外掺石粉对浆体流动度的影响结果,对比可知,石粉等量取代水泥后的浆体初始流动度较外掺方式显著提高,120min内的流动度均呈增加趋势,表明内掺石粉后提高了减水剂对于浆体后期流动度的保持能力,改善了水泥与各减水剂的适应性,适应性虽有一定差异,但是各减水剂之间整体规律一致。表明大理岩石粉内掺后可有效改善因水泥与外加剂适应性带来的混凝土坍落度损失问题。3.4石粉掺量对浆体流动性的影响图3为掺减水剂及未掺减水剂浆体在内掺不同粒径分布及不同含量石粉后的浆体流动度试验结果。由图3a可知:①与掺减水剂的水泥净浆比较显示,石粉内掺后略有减水作用,可以起到提高浆体流动性的作用,且同一粒径分布范围内,随着掺量(内掺)的增加,对于浆体流动性的提高越明显;②<0.16mm颗粒10%掺量与粉煤灰25%掺量相当,<0.08mm颗粒10%掺量与粉煤灰15%掺量相当,<0.045mm颗粒10%掺量与粉煤灰5%掺量相当,表明在一定粒径分布范围内,粒径分布范围越宽,对于浆体流动性提高越明显。从图3b可以看出,随着掺量的增加,初始及后期流动度整体呈下降趋势,但是图3a表明,掺入减水剂后的浆体,随着石粉掺量的增加,浆体流动度呈增加趋势,且后期流动度保持能力较强。综合表明石粉内掺后改善了粉体颗粒分布,使得石粉-水泥体系与减水剂的适应性明显优于水泥单独与减水剂之间的适应性。4结果的讨论与分析4.1减水剂的作用及用量增加外掺与内掺对浆体的影响首先表现在水粉比(用水量与粉体总量之比)的变化上。外掺使得粉体颗粒含量增加,浆体水粉比降低,粘度系数增加,发生流动变形所需的屈服剪切应力增加,表现为浆体初始流动度下降。且粉体颗粒的增加,吸附面积增大,对游离水及减水剂的吸附量增加,使得水泥单位表面积上的减水剂吸附量及溶液中的减水剂浓度降低、自由水量减少,随着水泥不断水化,溶液中没有足够的减水剂分子及时在水泥颗粒新水化层外形成有效的阻碍层,使得浆体初始流动度降低的同时,后期流动度损失加剧。因此,外掺时,石粉更多的是发挥吸水效应及置换水泥絮凝结构中的游离水作用。内掺在不改变水粉比条件下,使得水泥颗粒含量及粉体比表面积降低(<0.16mm颗粒比表面积为245m2/kg),减水剂及游离水的吸附量降低,使得溶液中有更多的减水剂用于分散及吸附作用,且石粉的掺入对于水泥颗粒本身也是一种分散作用,因此,浆体初始流动度增加、水泥水化絮凝过程因浆体含有充足的减水剂分子而得到有效抑制。后期随着水泥的水化,由于能够从溶液中吸附到足够的减水剂分子以阻碍水化进程,加之水泥被等量取代后,水化烈度本身亦被降低,因此,流动度保持能力增强。另外,尽管石粉颗粒形状不佳,属于多角形,但是它与水泥颗粒之间,及其自身颗粒之间的接触点面积较少,在水泥颗粒之间置换出大量游离水的同时,颗粒本身也起到很好的滚珠轴承作用,有利于改善浆体流动度。4.2水泥浆体初始流动度的影响石粉掺量不同必然导致对减水剂及游离水吸附能力不同。外掺情况下,掺量越大,水粉比越小,粉体颗粒越多,对于减水剂及游离水的吸附能力越强,必然导致浆体初始及后期流动度损失的加剧。内掺情况下,随着掺量的增加,水泥颗粒更加分散,且水泥量减少,其对于减水剂及游离水的吸附量降低,溶液中有更多的减水剂分子可以用于阻止水泥的水化进程,改善拌和水的结构粘度及结构流变性能,因此,浆体初始流动度增加,后期流动度保持能力增强。根据水泥浆体的宾汉姆体流变特征可知,外掺提高了水泥浆体的屈服应力及塑性粘度,且随着掺量的增加,体系屈服应力增大,内聚力提高,表现为流动性的下降;与此相反,内掺降低了浆体的屈服应力及粘度系数,致使浆体屈服剪切应力降低,表现为流动性的提高。随着掺量的增加及粒径分布范围变小,作用表现尤其明显。4.3石粉颗粒分布对初始流动度的影响不同粒径表现出不同的吸附、填充能力,因此,与减水剂之间表现出不同的适应性。在等量取代条件下,粒径的增加,颗粒分布变宽,均匀性系数降低,比表面积降低,对于减水剂及游离水的吸附能力降低,溶液中有更多的减水剂分子及游离水用于分散水泥颗粒并阻止其快速水化,使得浆体流动性增加及水泥水化速率降低,进而抑制流动性的损失。另外,由于颗粒分布不同,石粉的堆积空隙率差异较大。试验显示,随着颗粒分布的变窄,堆积密度降低,空隙率增加。掺入浆体后,水首先充填颗粒之间的空隙,并将颗粒润湿,在其表面形成一层水膜,使颗粒之间容易产生相对滑动而具有较好的流动性。空隙率的增加,致使需要更多的自由水来填充空隙,且颗粒分布越窄,比表面积越大,吸附的自由水越多,相同用水量条件下,浆体颗粒间的相对滑动较难、浆体的屈服应力越大,表现为初始流动度的降低。但是由于掺<0.16mm石粉颗粒的浆体及胶砂静置过程有明显的泌水现象,表明石粉颗粒粒径分布较广的条件下,由于粉体比表面积的降低,导致对于自由水及外加剂的吸附能力降低,使得浆体粘度系数下降,内掺使用不当易引发拌和物的离析、泌水及粘聚性不足等现象。4.4聚羧酸系减水剂分散剂的应用分析试验结果表明,萘系及聚羧酸系减水剂因不同的减水机理,对于石粉的适应性有所不同,在减水及保坍方面聚羧酸系明显优于萘系。因为萘系减水剂的分子链为刚性横卧链吸附,对于颗粒的分散作用主要依赖吸附双电层的静电斥力,保持时间短,Zeta电位降低较快,分子间范德华引力逐渐占据主导,因此分散效果不稳定,流动度损失较快。而聚羧酸系减水剂为梳形分子结构,分子链为柔性齿状立体吸附,极性支链吸附于石粉颗粒表面,形成牢固的吸附层,非极性侧链呈绒毛状伸展在水溶液中,形成强烈的空间位阻作用,加之一定的静电斥力对于水泥颗粒絮凝结构形成阻碍或破坏,使得更多原本被絮凝结构所包裹的游离水得以释放出来用于分散作用,因此,聚羧酸系减水剂较萘系具有较高的减水率和分散性能,以及控制流动度损失的功能。从本质上看,萘系及聚羧酸系减水剂对于石粉的适应性主要还是由于两种减水剂本身的减水机理差异所致,但是外掺情况下,由于粉体颗粒比表面积的增加,及对减水剂的吸附增加,导致其对两种减水剂的减水、保坍性能有一定的削弱作用,但是由于减水机理上的差异,使得萘系减水剂受此影响更加显著。5复配与减水剂的协同作用试验(1)大理岩石粉外掺,由于增加了粉体颗粒及其比表面积,水粉比降低,对减水剂及游离水的吸附增加,导致浆体初始流动度降低,后期由于没有足够的减水剂用于包裹、阻碍水泥的水化、絮凝,使得水化加剧,流动度损失较大,一定程度上削弱了减水剂的塑化及保塑效果,削弱作用大小与减水剂品牌及品质,以及石粉的掺量有关。外掺结果表明人工砂中一旦含有大量石粉,对于拌和物流动性及减水剂的塑化、保坍效果有一定的负作用。(2)大理岩石粉内掺,具有一定的辅助减水效果,并能够有效改善水泥与外加剂的适应性,进而提高浆体初始流动度,并降低浆体流动度经时损失,发挥了分散作用及滚珠作用,对于改善浆体流动性发挥积极作用。且石粉的颗粒分布越宽、掺量越大,在等量取代条件下,增加浆体流动性及抑制流动性损失的作用越明显,从而从改善浆体流变性能的角度证明了大理岩石粉作为掺和料用于混凝土生产的可行性。(3)试验结果综合显示,外掺条件下,石粉与聚羧酸系的适应性优于萘系,但是聚羧酸系减水剂是一