水泥-石灰石粉（共7篇）
水泥-石灰石粉 篇1
0 引言
常用的混凝土矿物掺合料主要是粉煤灰、矿渣粉, 受国家产业政策、环保政策以及资源分布不均衡的影响, 在一些地区矿渣粉、粉煤灰资源紧张, 价格攀升, 所以, 寻求资源多、分布广、性能优、易加工的可替代材料将具有重要意义。
石灰石粉是指以一定纯度的石灰石为原料, 经粉磨至规定细度的粉状材料。随着GB/T 30190—2013《石灰石粉混凝土》、JGJ/T318—2014《石灰石粉在混凝土中应用技术规程》、GB/T 51003—2014《矿物掺合料应用技术规范》等标准的出台, 近年来, 石灰石粉逐步在混凝土中得到应用。
水泥企业拥有石灰石矿以及完备的粉磨工艺装备, 在当前水泥行业产能过剩的背景下, 利用富余产能生产石灰石粉, 是实现降本增效、产业升级的良好途径。本文主要介绍利用水泥磨生产石灰石粉, 并应用于混凝土生产的相关试验及数据分析。
1 生产及质量数据
1.1 生产数据
辊压机+球磨机闭路粉磨工艺, 辊压机规格为Φ1 600mm×1 400mm, 球磨机规格为Φ4.2m×13m。生产石灰石粉产量为150t/h, 粉磨电耗为33.7k Wh/t, 生产石灰石粉变动成本不足40元/t。
1.2 石灰石质量
生产石灰石粉所用石灰石水分及化学成分见表1。
%
1.3 石灰石粉质量
石灰石粉质量指标见表2。
从表2数据可以看出, 使用水泥磨生产的石灰石粉各项质量指标均满足相关标准的要求。
2 试验数据及分析
2.1 试验原材料
2.1.1 石灰石粉
1.3节所述水泥磨生产的石灰石粉。
2.1.2 水泥
冀东水泥股份有限公司盾石牌P·O42.5R水泥, 配比为:熟料84.0%, 石灰石7.5%, 矿渣3.5%, 脱硫石膏5.0%。其物理指标及化学成分见表3、表4。
%
2.1.3 粉煤灰
珞璜电厂三级粉煤灰, 化学成分及质量指标见表5、表6。
%
2.1.4 河砂
重庆当地河砂, 细度模数1.0, 含泥量1.8%, 表观密度2.7g/cm3, 亚甲蓝值1.0g/kg。
2.1.5 机制砂
重庆当地机制砂, 细度模数3.2, 石粉含量11.4%, 表观密度2.7g/cm3, 亚甲蓝值0.5g/kg。
2.1.6 粗石
重庆当地粗石, 粒级为5~25mm, 表观密度2.8g/cm3。
2.1.7 细石
重庆当地细石, 粒级为5~10mm, 表观密度2.8g/cm3。
2.1.8 外加剂
科之杰公司生产, 减水率23%, 密度1.07g/cm3。
2.2 石灰石粉、水泥、粉煤灰的颗粒分布
采用激光粒度分析仪分析了石灰石粉、水泥、粉煤灰的粒度分布, 试验结果如图1所示。
由图1可见, 石灰石粉的细粉含量明显高于水泥、粉煤灰。石灰石粉、水泥和粉煤灰中<10μm粒径的细粉含量分别为61.12%、35.71%、24.97%, >45μm粒径的细粉含量分别为3.48%、15.66%、35.04%, 体积平均粒径分别为12.59μm、28.31μm、42.48μm。石灰石粉中<10μm粒径的细粉含量是水泥的1.7倍左右, 是粉煤灰的2.4倍左右, 加入石灰石粉后, 能够弥补水泥、粉煤灰中细颗粒的不足, 减小混合胶凝材料的孔隙率, 改善颗粒级配, 使其更趋密实。
2.3 混合胶凝材料性能试验
以配比为水泥70%+粉煤灰30%的样品为基准, 用石灰石粉分别按20%、40%、60%、80%、100%的比例代替粉煤灰, 共制得6组混合胶凝材料样品, 分别进行标准稠度用水量、凝结时间、胶砂流动度及强度检测, 结果见表7。
2.3.1 标准稠度用水量及胶砂流动度
混合胶凝材料的标准稠度用水量及胶砂流动度变化趋势分别见图2、图3。
图2显示, 随着石灰石粉代替粉煤灰比例的提高, 混合胶凝材料的标准稠度用水量呈明显降低的趋势。
图3显示, 在同样加水量条件下, 石灰石粉代替粉煤灰后, 混合胶凝材料的胶砂流动度明显提高, 在代替比例为20%时达到最高, 随着代替比例的提高又逐渐降低, 换言之, 石灰石粉具有较为明显的减水作用。
一般地, 标准稠度用水量受水泥的堆积空隙率和达到标准稠度要求所需的颗粒包裹水层厚度的影响, 堆积空隙率越大需要越多的水填充空隙, 则标准稠度用水量越大;颗粒越大为获得足够流动性所需的水膜厚度也越大, 包裹水层的厚度越厚标准稠度用水量越大;颗粒分布越窄所需水膜厚度越大, 用水量相应增大[1]。石灰石粉中小于10μm粒度的细粉含量高于粉煤灰, 用石灰石粉取代粉煤灰掺入水泥中, 能弥补混合胶凝材料中细粉量的不足, 减小混合胶凝材料的空隙率, 从而减小标准稠度用水量, 达到减水的作用。
2.3.2 凝结时间
由表7可以看出, 随着石灰石粉代替比例的提高, 混合胶凝材料的初凝时间、终凝时间呈明显缩短的趋势。适当掺量的石灰石粉充当了C-S-H的成核基体, 降低了成核壁垒, 加速了水泥的水化, Ca CO3加速C3S水化的程度随其细度的增加而增加, 而且对C3S早期水化影响更大[2]。
2.3.3 胶砂强度
混合胶凝材料抗折、抗压强度变化趋势分别见图4、图5。
图4显示, 石灰石粉代替粉煤灰后, 混合胶凝材料的3d、7d抗折强度均小幅上升, 在替代率为20%时达到最高;混合胶凝材料28d抗折强度在替代率为20%时达到最高, 替代率超过20%后28d抗折强度低于未掺石灰石粉时的抗折强度, 随着替代率的提高, 28d抗折强度呈降低的趋势。
图5显示, 石灰石粉代替粉煤灰后, 混合胶凝材料的3d抗压强度小幅上升, 在替代率为80%时达到最高;混合胶凝材料的7d抗压强度也小幅上升, 在替代率为80%时达到最高;混合胶凝材料28d抗压强度在替代率为20%时达到最高, 然后随着替代率的提高, 28d抗压强度呈降低的趋势。可见石灰石粉替代粉煤灰后, 混合胶凝材料早期强度提高, 后期强度在替代率超过60%时降低。由于石灰石粉的颗粒形貌效应以及加速水化效应, 使得混合胶凝材料的3d、7d强度得以提升。
2.4 混凝土试验
按照GB/T 51003—2014《矿物掺合料应用技术规范》, 通过试配确定C30混凝土基准配合比 (表8中编号H0所示配合比) 。用石灰石粉按0%、20%、40%、60%、80%、100%的比例替代粉煤灰 (本文为研究目的提高了石灰石粉的最大掺入量, 但在实际生产中石灰石粉掺量不得超过GB/T 51003—2014规定的限值) , 进行混凝土坍落度、扩展度、强度试验, 详细配合比见表8, 检测数据见表9及图6~图8。
调整水量, 控制各组试验混凝土初始坍落度为225~230mm, 图6显示, 随着石灰石粉代替比例的提高, 加水量呈降低的趋势;1h后, 混凝土坍落度都比未掺石灰石粉时降低, 1h坍落度损失增大20mm左右。
图7显示, 控制各组试验混凝土初始坍落度为225~230mm的条件下, 加入石灰石粉后, 混凝土初始扩展度均有小幅提高;1h后, 混凝土扩展度都比未用石灰石粉时有较大幅度降低, 1h扩展度损失增大100mm左右。
图8显示, 控制各组试验混凝土初始坍落度为225~230mm的条件下, 混凝土7d、28d抗压强度总体来看有小幅降低;随着石灰石粉替代比例的提高, 石灰石粉的减水作用越来越明显, 混凝土加水量逐渐降低, 有利于混凝土强度回升。
石灰石粉的早期加速水化效应和颗粒形貌效应, 使混凝土获得较好的黏聚性, 也造成了混凝土坍落度、扩展度经时损失增大;石灰石粉比粉煤灰具有更多的细粉和较好的颗粒级配, 因此在混凝土同样工作性的条件下, 使用石灰石粉用水更少, 能够获得更密实的结构, 以此带来强度的提升, 可以抵消石灰石粉活性低于粉煤灰造成的强度下降。
3 石灰石粉在混凝土中的实际应用
目前, 水泥磨生产的石灰石粉已在冀东重庆商混站成功应用。该商混站使用石灰石粉部分代替粉煤灰生产商品混凝土, 2015年平均替代比例50%, 单方混凝土成本降低2.85元, 全年生产成本约降低100万元。所产混凝土各项质量指标完全符合国家、行业标准, 产品工作性能良好, 得到用户的一致好评。
4 结论
1) 采用水泥磨生产的混凝土用石灰石粉各项质量指标均满足相关国家、行业标准要求。
2) 石灰石粉具有较明显的减水增塑作用, 在保持混凝土同样工作性的条件下, 随着石灰石粉代替粉煤灰比例的提高, 混凝土单方用水量逐渐降低, 最高可降低12kg左右, 但坍落度、扩展度的经时损失有所增大;石灰石粉代替粉煤灰的比例不宜超过60%, 在此范围内, 混凝土7d、28d强度与基准方案基本持平。使用石灰石粉部分代替粉煤灰制备混凝土从技术上是可行的。
3) 在矿物掺合料比较短缺的地区, 例如重庆地区, 使用石灰石粉部分代替粉煤灰生产混凝土经济可行, 混凝土质量符合标准, 性能良好。
参考文献
[1]乔龄山.水泥的最佳颗粒分布及其评价方法[J].水泥, 2001 (8) :1-5.
[2]Detwiler R J, Tennis P D.The use of limestone in Portland cement:a state-of-the-art review[M].Skokie, IL:Portland Cement Association, 1996.
细磨石灰石粉对水泥性能的影响 篇2
普通硅酸盐水泥由于受到烧失量及后期强度的限制, 石灰石在其中的掺量通常不超过8%。对于石灰石硅酸盐水泥, 虽然石灰石掺量较大, 但水泥的后期强度较低, 往往只用于低标号的水泥, 石灰石粉作为混合材的应用存在较大的局限。为了充分发挥石灰石粉的优势, 伴随商品混凝土的发展与应用, 我校开发出一种以石灰石为主材料的新型混凝土掺合料, 本文在此基础上, 研究了石灰石粉的颗粒分布、掺量对水泥各项性能的影响, 旨在更好地发挥石灰石粉的作用, 减少优质水泥或混凝土的能耗。
1 原材料和试验方法
1.1 原材料
1) 将石灰石破碎后, 置于Φ500mm×500mm球磨机中粉磨, 制得5种细度的石灰石粉 (简写为LS) , 编号为LS1~LS5, 石灰石的化学成分见表1, 样品比表面积及颗粒分布见表2。
注:LS5的勃氏比表面积为参考值。
2) 闭路粉磨系统生产的海螺P·O42.5R水泥、开路粉磨系统生产的塔牌P·Ⅱ42.5R水泥以及广英P·O42.5R水泥, 编号分别为C1、C2和C3, 其比表面积及颗粒分布见表2。
3) 外加剂为柯杰牌高效萘系减水剂, 固含量30%。
1.2 试验方法
外加剂相容性试验按照Marsh筒法进行, 胶砂流动度和强度分别按照GB/T2419—1994《水泥胶砂流动度》和GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》进行检测, 胶砂干缩试验按照JC/T603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》进行, LS及水泥颗粒分布用BT-9300S型激光粒度分布仪检测。
2 试验结果与讨论
2.1 对外加剂相容性的影响
水泥的外加剂相容性是影响混凝土工作性能的重要因素, 若用Marsh筒法检测, 对常用饱和点、饱和点流动时间及其经时损失进行评价[1], 则饱和点掺量小、饱和点Marsh时间短、Marsh时间经时损失小及浆体泌水少时, 水泥与外加剂的相容性好[2]。试验分别将LS以30%的比例取代水泥, 检测水泥与外加剂的相容性。试验结果如图1、图2所示。
由图1可见, LS1~LS4掺入颗粒分布较窄的水泥中 (C1) , 外加剂饱和点掺量和纯水泥一致, 均为1.4%, 但饱和点的流动时间缩短, 由C1的24.28s缩短至掺LS4时的11.03s, 显著改善了胶凝材料的外加剂相容性;LS5掺入C1水泥中, 饱和点掺量增大至1.8%, 饱和点流动时间为14.75s, 胶凝材料的外加剂相容性变差。由图2可见, 除LS5以外, LS掺入颗粒分布较宽的水泥中 (C2) , 饱和点掺量及流动时间相差不大, 胶凝材料的外加剂相容性基本没有变化。由此可见, LS1~LS4明显改善C1水泥的外加剂相容性, 这主要是由于LS1~LS4样品的颗粒粒径分布范围宽, 掺入颗粒分布较窄的水泥中, 胶凝材料堆积密度增大, 所需要填隙水变少, 自由水增多, 流动性变好[3];LS5的颗粒粒径大都小于20μm, 颗粒分布集中, 比表面积巨大, 对外加剂的吸附作用增强, 因此掺入水泥中造成减水剂饱和点掺量增大。
2.2 对水泥胶砂流动度的影响
将LS分别取代C2水泥10%、20%和30%, 对比石灰石粉对水泥胶砂流动度的影响, 试验结果如图3所示。
从图3可见, 随着LS比表面积的增加, 胶砂流动度呈先增加后下降的趋势, LS3和LS4掺量为10%的胶砂流动度比纯水泥的大, LS2~LS4掺量为20%时对胶砂流动度也有改善。细颗粒过多的LS5明显降低水泥胶砂流动度。LS掺量不同时, C2LS2及C2LS3都表现出较好的水泥胶砂流动度。针对水泥的颗粒分布, LS2及LS3的颗粒分布比较合适, 颗粒细度搭配合理, 堆积密度适中, 流动性好;而LS5细颗粒过多, 掺入水泥中, 会导致表面吸附水增多, 自由水减少, 水泥砂浆的流动性能变差。
LS4的SEM照片见图4。由图4观察到, LS呈多边棱角状。在水灰比固定, 未掺外加剂的胶砂中, 粉体形态对其流动性起主要作用, 棱角状的颗粒会降低胶砂的流动性。因此, LS形貌作用较差, 对胶砂的流动度有不良的作用。细度越细的LS, 表面需水量越大, 胶砂流动度越小。
2.3 对水泥胶砂强度的影响
2.3.1 固定水灰比条件下对水泥胶砂强度的影响
1) 石灰石粉比表面积的影响
LS取代C2水泥20%, 水灰比0.5条件下, 胶砂强度试验结果见图5和图6。
由图5及图6可见, 与基准样C2相比, 掺入石灰石粉或粉煤灰后, 各龄期胶砂强度显著下降, 但随着LS比表面积的增大降幅减少。这主要是石灰石粉对水泥中C3S的水化起“晶核”作用, 对水泥的水化有促进作用[4,5], 石灰石粉越细小, 促进水化的效果越明显。
以水灰比0.5成型净浆, LS4取代30%C3水泥, 标准养护到不同龄期, 通过扫描电镜观察其水化产物种类及形貌, 见图7。取有代表性的点进行能谱分析, 石灰石粉-水泥体系水化早期的水化产物晶体尺寸较大, 结构较为密实, 其主要成分为CH、AFt以及高钙型的水化硅酸钙, 这与差热分析 (见图8) 的结果一致;后期水化产物中凝胶量较少, 晶体产物较多, 水化产物种类主要以团簇状的C-S-H凝胶、CH及针状产物, 结合差热分析数据, 推测针状产物为水化碳铝酸钙。
2) 石灰石粉掺量的影响
LS1及LS5分别取代C2水泥10%、20%和30%。由图9可见, 随着LS1掺量的增加, 不同龄期的水泥胶砂抗折强度均有下降, C2LS1胶砂抗压强度有较大幅度的下降。由图10可见, 随着LS5掺量的增加, C2LS5胶砂抗折强度略有下降, 抗压早期强度呈先下降后上升的趋势, 后期强度呈下降的趋势。由此可见, 石灰石粉掺量较小时 (10%) , 水泥胶砂强度下降幅度不大, C2LS5强度仍能达到50MPa, 仅比纯水泥砂浆低2MPa;石灰石粉掺量增大, 水泥胶砂强度都呈下降趋势, 这是因为石灰石粉是非活性材料。文献[6, 7]认为石灰石粉能延缓钙钒石转变成单硫盐, 生成早强型水化碳铝酸钙, 但水化碳铝酸钙生成量较小, 其生成量决定于水泥中铝酸盐矿物, 因此绝大部分的石灰石粉只起“晶核”作用, 不参与水化反应, 掺量增大稀释了水化产物浓度, C-S-H凝胶生成量少, 胶砂强度呈下降趋势。而掺入比表面积大的石灰石粉, 其胶砂强度随掺量增大的降幅减小, 这主要是因为比表面积大的石灰石粉的“晶核”作用更为突出。
2.3.2 相同胶砂流动度条件下对水泥胶砂强度的影响
相同流动度条件下 (180~190mm) 掺30%石灰石粉对C2水泥胶砂强度的影响见表3。
由表3可见, C2LS的水泥胶砂强度随着比表面积的增大呈现先下降后上升的趋势。含粗颗粒较多的石灰石粉配制的水泥胶砂通过降低水灰比, 可有效提高水泥胶砂强度;细颗粒较多的石灰石粉配制的胶砂达到相同的流动度时需水量较大, 胶砂水灰比高, 但由于含有较多的细颗粒对水泥胶砂强度有利, 因此其配制的水泥胶砂强度仍较高;C2LS2~C2LS4需水量较高, 水泥胶砂的水灰比大, 因此水泥胶砂强度较低。
综上所述, 粉磨石灰石粉含细颗粒越多, 水泥胶砂强度越高;细颗粒较多的石灰石粉掺量为10%时, 水泥胶砂强度下降不明显;不同颗粒分布的石灰石粉没有二次水化能力, 掺入水泥胶砂中, 水泥胶砂强度随着掺量的增加呈下降趋势;因此, 以水泥胶砂强度为衡量标准, 细颗粒较多的石灰石粉作混凝土掺合料对混凝土的强度较为有利。
2.4 对水泥水化热的影响
净浆中的水化矿物相同时, 水化放热数值越大, 水泥水化程度越高, 水化速率越大[8]。将石灰石粉 (LS2和LS4) 取代C3水泥30%, 成型水泥净浆, 标准养护至1d、3d和7d, 对比复合体系与纯水泥的水化放热数据, 结果如图11所示。
由图11可见, 无论是1d、3d还是7d, 与0.7-C3相比, 掺有LS的水泥净浆水化放热较大, 随着LS比表面积的增大水化热增大, 且均大于0.7-C3的水化热, 说明LS的加入促进了水泥的水化, 且比表面积越大, 促进作用越显著。
2.5 对水泥胶砂体积稳定性的影响
按照标准试验方法测量3~120d的C2LS水泥胶砂干缩值, 结果见图12。
由图12可见, 干缩曲线呈现先直线上升, 再趋于稳定的规律;不同颗粒分布的LS掺入纯水泥胶砂中, 水泥胶砂干缩曲线基本重合, 相差不大。水化前20d的C2LS水泥胶砂干缩率与C2相近, 继续水化至120d, 其胶砂干缩曲线在纯水泥胶砂干缩曲线的下方, 距离相差较大, C2LS的胶砂干缩值明显小于纯水泥胶砂干缩值。由此可见, 掺入LS可明显降低水泥胶砂水化20d后的胶砂干缩值。从早期水化热数据可以看出, LS的加入促进了水泥的水化, 虽然LS的加入减少了可水化的熟料矿物, 但由于熟料矿物水化程度的提高, 早期样品中水化产物数量差异并不十分显著, 因此干缩曲线在20d前的差距不明显, 掺LS的样品干缩值略小于纯水泥样品;在水化后期, LS继续发挥惰性微细集料的作用, 显著减少了试件的收缩。
3 结论
1) 合适颗粒分布的石灰石粉 (LS1~LS4) 能够明显改善水泥的外加剂适应性, 特别是对颗粒粒径分布较窄的水泥。
2) 石灰石粉含细颗粒越多, 水泥胶砂强度越高, 水泥胶砂强度随着石灰石粉掺量增加呈下降趋势。
3) 水化热试验结果表明石灰石粉对水泥的早期水化有明显的促进作用。
4) 不同颗粒分布的石灰石粉均可显著降低水泥胶砂干缩, 尤其是水化后期的胶砂干缩值。
参考文献
[1]AgullóL, Toralles-Garbonari B, Gettu B, etc.Fluidity of cement pastes with mineral admixtures and superplasticizer-A study based on the Marsh cone test[J].Materials and Structures.1999, 32 (8～9) :479-485.
[2]吴笑梅.水泥与外加剂相容性的流变学与水泥工艺学研究[D].广州:华南理工大学, 2004.
[3]吴笑梅, 郭文瑛, 樊粤明.水泥颗粒分布对其使用性能的影响[J].水泥, 2004, (10) :10-14.
[4]Soroka I.Stern N.The effect of fillers on strength of cement mortars[J].Cem Concr Res.1997, 7 (4) :449-456.
[5]Bonavetti V.Limestone filler on strength of cement mortars Cement and concrete Research.1997, 7 (4) :449-456.
[6]Darweesh H H M.Limestone as an accelerator and filler in limestone-substituted alumina cement[J].Ceramics International.2004, 30 (2) :145-150.
[7]Kakali G, Tsivilis S, Aggeli E, etci.Hydration products of C3A, C3S and Portland cement in the presence of CaCO3.Cement and concrete Research.2000, 30 (7) :1073-1077.
水泥-石灰石粉 篇3
因此,本文主要研究了石灰石粉等量取代水泥熟料或粉煤灰或矿渣粉对水泥砂浆强度、收缩性的影响,为石灰石粉作为水泥混合材的实际生产应用提供可靠的理论依据。
1 试验
1.1 原材料
硅酸盐水泥熟料:济南山水水泥集团,80μm筛筛余3.7%,比表面积355 m2/kg,C3S含量55.30%,C2S含量22.90%,C3A含量8.04%,C4AF含量12.00%;粉煤灰:济南黄台电厂Ⅱ级灰,45μm筛筛余13.7%;矿渣粉:济南鲁新S95级;石灰石粉:人工砂生产中干法收尘而得的细粉,来自山东华森混凝土有限公司,80μm筛筛余3.4%;石膏:天然二水石膏;砂:ISO标准砂;水:饮用水。
水泥熟料、粉煤灰、矿渣粉和石灰石粉的化学成分见表1,粉煤灰、矿渣粉和石灰石粉的性能指标见表2。
%
1.2 试验方法
首先将水泥熟料用175型圆盘式破碎机进行初级破碎,破碎到粒度为0.5 mm左右,再放入QH-4H型球磨机中粉磨至一定细度;然后与一定比例石膏、石灰石粉、粉煤灰或矿渣粉再次粉磨混合后制得水泥,其细度控制在5%内(80μm筛筛余)。
本文按以下3种思路制得不同种类的水泥,并进行试验研究:首先用石灰石粉按0、10%、20%、30%、40%、50%、60%的比例等量取代水泥熟料,石膏5%等量取代水泥熟料;其次,以Ⅱ级粉煤灰取代30%或50%的水泥熟料,并用石灰石粉按0、20%、40%、60%、80%、100%的比例等量取代粉煤灰,石膏5%等量取代水泥熟料;最后,以S95级矿渣粉取代30%或50%的水泥熟料,并用石灰石粉按0、20%、40%、60%、80%、100%的比例等量取代矿渣粉,石膏5%等量取代水泥熟料。分别按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》、JCT 603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》测试了石灰石粉单掺或复掺作为水泥混合材对水泥胶砂强度和收缩性的影响。GB/T 17671—1999中,胶砂比为1∶3,水胶比为1∶2;JCT603—2004中,胶砂比为1∶2,用水量按胶砂流动度达到130~140 mm来确定。
2 试验结果及讨论
2.1 石灰石粉单掺等量取代水泥熟料对水泥砂浆强度和收缩性的影响
利用石灰石粉作为水泥混合材,等量取代水泥熟料,研究其石灰石粉掺量对水泥胶砂强度和收缩性的影响,试验结果见表3和表4。
从表3可以看出,当用石灰石粉等量取代水泥熟料时,随着石灰石粉掺量的增加,水泥胶砂早期及后期抗折、抗压强度逐渐降低,且掺量越高降低越明显;另外,对水泥胶砂强度活性指数而言,其3 d的明显大于相应28 d(特别是石灰石粉低掺量时),说明掺石灰石粉的水泥胶砂早期活性高,后期活性较差。
从表4可以看出,当用石灰石粉等量取代水泥熟料时,随着石灰石粉掺量的增加,水泥胶砂的28 d收缩率逐渐降低,即单掺石灰石粉可降低水泥胶砂的收缩率;当水泥胶砂流动度达到130~140 mm时,水泥胶砂用水量逐渐降低,说明在相同胶凝材料用量下,石灰石粉掺量越高,其水胶比越小。
综合石灰石粉对水泥胶砂强度和收缩性的影响可知,石灰石粉可作为混合材等量取代水泥熟料,但掺量不宜太高,宜控制在30%之内,最好低于25%。为了使石灰石粉在水泥中的应用更广泛,以及改善含石灰石粉水泥的各项性能,我们利用石灰石粉与粉煤灰或矿渣粉进行复掺,研究其复掺对水泥胶砂强度和收缩性的影响。
2.2 石灰石粉与粉煤灰复掺对水泥砂浆强度和收缩性的影响
首先用30%、50%的粉煤灰等量取代水泥熟料,然后利用石灰石粉等量取代不同比例的粉煤灰,石灰石粉与粉煤灰复掺对水泥胶砂强度和收缩性的影响见表5和表6。
从表5可以看出,在水胶比和胶砂比不变的情况下,当未加石灰石粉时,随着粉煤灰掺量的增加,水泥胶砂的早期或后期抗折、抗压强度都逐渐降低,尤其是50%粉煤灰的比较明显;当加入石灰石粉后,在两者总掺量不变的情况下,随着石灰石粉掺量的增加,其水泥胶砂早期或后期抗折、抗压强度先提高后降低,石灰石粉等量取代20%粉煤灰时效果最好,当石灰石粉掺量大于40%时,其水泥胶砂早期或后期抗折、抗压强度都低于单掺粉煤灰的,但高于单掺石灰石粉的。
对于强度活性指数而言,当粉煤灰与石灰石粉总掺量为30%时,其强度活性指数在70%左右,最高可达80.4%;而当粉煤灰与石灰石粉总掺量在50%时,其强度活性指数低于60%,且单掺石灰石粉的强度活性指数只达到40.1%,基本无活性。GB/T 12957—2005《用于水泥混合材的工业废渣活性试验方法》要求工业废渣的强度活性指数不低于70%,结合表5,粉煤灰与石灰石粉复掺作为混合材时,其总掺量宜控制在30%内,且石灰石粉等量取代粉煤灰的量应在50%内[4]。
从表6可以看出,在粉煤灰等量取代30%水泥熟料条件下,当石灰石粉等量取代粉煤灰时,随着石灰石粉掺量的增加,其水泥胶砂28 d收缩率先增大后逐渐降低,在石灰石粉掺量为60%时,其收缩率达到最大值;与石灰石粉单掺等量取代水泥熟料相同,当水泥胶砂流动度达到130~140 mm时,水泥胶砂用水量逐渐降低,说明在相同胶凝材料用量下,石灰石粉掺量越高,其水胶比越小。
综合石灰石粉与粉煤灰复掺时对水泥胶砂强度和收缩性的影响可知,石灰石粉和粉煤灰复掺时,其总掺量宜低于30%,石灰石粉取代粉煤灰的比例应小于50%。
2.3 石灰石粉与矿渣粉复掺对水泥砂浆强度和收缩性的影响
首先用30%、50%的矿渣粉等量取代水泥熟料,然后利用石灰石粉等量取代矿渣粉,研究其石灰石粉与矿渣粉复掺对水泥胶砂强度和收缩性的影响,结果见表7和表8。
从表7可以看出,在水胶比和胶砂比不变的情况下,当未加石灰石粉时,随着矿渣粉掺量的增加,其水泥胶砂的早期或后期抗折、抗压强度逐渐降低,但早期强度(3 d)变化比较明显,如掺矿渣粉30%、50%的水泥胶砂强度活性指数分别为83.1%和59.7%;而后期强度(28 d)变化不明显,如掺矿渣粉30%、50%的水泥胶砂强度活性指数分别为97.2%和96.0%,可知矿渣粉的掺量越高,其水泥胶砂早期活性指数越低,但后期活性指数相差不大。当加入石灰石粉时,在石灰石粉与矿渣粉总掺量为30%时,随着石灰石粉掺量的增加,其水泥胶砂早期或后期抗折、抗压强度逐渐降低,且掺量越高降低越明显,但对于强度活性指数而言,随着石灰石粉掺量的增加,其3 d的强度活性指数与28 d的强度活性指数差值逐渐缩小,即石灰石粉掺量越多其水泥胶砂早期强度或强度活性指数越高。在石灰石粉与矿渣粉总量为50%时,随着石灰石粉掺量的增加,其胶砂早期强度(3 d)抗折、抗压强度先增大后逐渐降低,且掺量越高降低越明显,而水泥胶砂后期强度(28 d)抗折、抗压强度逐渐降低,且掺量越高降低越明显。同样,对于强度活性指数而言,随着石灰石粉掺量的增加,其3 d的强度活性指数与28 d的强度活性指数差值逐渐缩小,即石灰石粉掺量越多其水泥胶砂早期强度或强度活性指数越高。根据GB/T12957—2005的要求,石灰石粉与矿渣粉可复掺作为水泥混合材,当石灰石粉与矿渣粉总掺量为30%时,其中石灰石粉所占混合材的比例可达80%;当石灰石粉与矿渣粉总掺量为50%时,其中石灰石粉所占混合材的比例可达40%[5,6]。
从表8可以看出,在矿渣粉等量取代30%水泥熟料条件下,当石灰石粉等量取代矿渣粉时,随着石灰石粉掺量的增加,水泥胶砂的28 d收缩率逐渐降低,说明石灰石粉等量取代矿渣粉时,可降低水泥胶砂的干缩;与石灰石粉单掺、石灰石粉与粉煤灰复掺等量取代水泥熟料相比,当水泥胶砂流动度达到130~140 mm时,水泥胶砂用水量基本不变,说明在相同胶凝材料用量下,石灰石粉与矿渣粉复掺对水胶比影响不大。
综合石灰石粉与矿渣粉复掺对水泥胶砂强度和收缩性的影响可知,石灰石粉和矿渣粉复掺时,在总掺量为30%,石灰石粉所占复掺量的比例可达80%;在总掺量为50%,石灰石粉所占复掺量的比例可达40%。
3 结语
(1)当石灰石粉单掺作为水泥混合材时,随着石灰石粉取代水泥熟料掺量的增加,水泥胶砂的强度不断降低,收缩率逐渐减小。
(2)当石灰石粉与粉煤灰复掺作为水泥混合材时,随着石灰石粉取代粉煤灰掺量的增加,水泥胶砂的早期或后期抗折、抗压强度先增大后降低,且在石灰石粉等量取代20%~40%粉煤灰的情况下效果最好;水泥胶砂的收缩率先增加后下降,当石灰石粉取代60%粉煤灰时,水泥胶砂的收缩达最大。
(3)当石灰石粉与矿渣粉复掺作为水泥混合材时,随着石灰石粉取代矿渣粉掺量的增加,水泥胶砂的强度不断降低,收缩率逐渐减小。
摘要：研究了人工砂副产物石灰石粉等量代替水泥熟料或粉煤灰或矿渣粉作为混合材对水泥胶砂强度和收缩性的影响。结果表明,在水泥生产中掺入15%30%的石灰石粉作为混合材是完全可行的,且对水泥的强度和收缩性影响不大,与单掺粉煤灰相比,石灰石粉与粉煤灰复掺作为混合材的效果较好;而与单掺矿渣粉相比,石灰石粉与矿渣粉复掺作为混合材的效果较差。
关键词：石灰石粉,混合材,粉煤灰,矿渣粉,强度,收缩性
参考文献
[1]张大康.高细石灰石粉用作水泥混合材料的试验研究[J].水泥,2005(7):7-11.
[2]杨华山,方坤河,涂胜金,等.石灰石粉在水泥基材料中的作用及其机理[J].混凝土,2006(6):32-35.
[3]林鹏,马桦红,吴笑梅,等.石灰石粉在水泥与混凝土中应用的研究进展[J].商品混凝土,2007(2):19-21.
[4]刘数华,阎培渝.石灰石粉对水泥浆体填充效应和砂浆孔结构的影响[J].硅酸盐通报,2008,36(1):69-73.
[5]文俊强,张文生,张建波.掺石灰石粉水泥的水化过程及微观结构[J].水泥,2010(8):13-16.
水泥-石灰石粉 篇4
废弃的大理石粉是切割大理石过程中产生的副产品。为降低生产成本, 部分石材加工企业会将废弃的石粉直接任意排放。废弃石粉对生态环境系统产生了严重的威胁, 为了有效地利用废弃的石粉, 彻底消除废弃石粉造成的污染, 各级政府和科研工作者都在积极想办法。目前, 废弃石粉的综合回收利用的研究已经开展了一段时间, 同时废弃石粉在工业生产中的应用已初见成效, 包括瓷砖制造、混凝土掺合料、改性粘合剂及新型墙体砖的生产[1]。福建南安是中国规模最大、种类最齐全的石材生产、出口基地, 其石材进出口占世界贸易总量40%, 随之每年也产生了200多万t的废弃大理石粉。本次研究主要是针对废弃大理石粉作为石灰石的替代品用于熟料生产, 希望能一次性解决废弃大理石粉污染的问题。石粉是指石灰岩或其它原岩经机械加工后的小于0.16mm的微细颗粒。通常情况下, 大理石作为水泥生料烧制熟料其易烧性较差, 希望能够利用大理石粉这种微细颗粒的特征, 得到较好的易烧性。近几年来, 已有欧洲、美洲及中国台湾的学者进行了少量大理石粉替代部分石灰石进行配料煅烧的研究。其结果显示:所烧制之各组环保水泥熟料, 其游离氧化钙量皆小于1%, 其矿物组成皆含有C3S、C2S、C3A及C4AF等晶相物种与波特兰水泥组成份相当。
1 试验部分
1.1 基本材料
大理石粉、大理石由泉州地区某石材加工企业提供, 石灰石由永安市某水泥企业提供。
1.2 样品处理
大理石粉在105℃下烘干后进行试验, 石灰石与大理石均磨至80μm筛余为10%～12%, 200μm筛余小于1.5%。
2 试验结果与讨论
2.1 基本材料的化学性能
试验方法参照GB/T 176-2008《水泥化学分析方法》, 试验结果见表1。
%
一般来说, 熟料是水泥的主要成分, 通过在1450℃下煅烧以一定比例混合的生料获得。硅酸盐水泥熟料中的主要成分是CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3四种氧化物, 它们在熟料中的总量在95%以上。从表1可以看出, 大理石粉中CaO含量为50.09%, 提供了水泥原料中所需的CaO;大理石粉的化学成分与石灰石的化学成分相近。
2.2 基本材料的物理性能及大理石粉的颗粒形貌
试验方法参照GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》, JC/T721-2006《水泥颗粒级配测定方法激光法》试验结果见表2、表3及图1。
%
生料的细度一般只控制80μm和0.2mm的筛余量, 大部分水泥厂的生料细度都控制在80μm筛筛余不超过10%～12%[2]。从表2可以看出, 大理石粉颗粒很细, 比表面积很大, 几乎都是小于80μm的颗粒。从表3、图1也可以看出, 大理石粉中小于10.00μm的颗粒累积达到了80.20%。
2.3 大理石粉电镜扫描及能谱分析
图2为大理石粉的颗粒形貌图片。从其形貌可以看出, 大理石粉基本上呈无规则几何结构, 多为小于10μm的颗粒。
从图3可以看出, 大理石粉中主要元素成分为CaO, 含有少量的镁、铝氧化物以及极少量的氧化硅。
2.4 大理石粉的放射性
参照GB 6566-2010《建筑材料放射性核素限量》, 试验结果见表4。
从表4可以看出, 大理石粉的内照射指数和外照射指数, 均符合GB 6566-2010中建筑主体材料中天然放射性核素镭-226、钍-232、钾-40的放射性比活度同时满足IRa≤1.0和Ir≤1.0的要求, 对人体无害, 可以用作水泥原材料生产。
2.5 易烧性试验
2.5.1 生料的易烧性
易烧性是指水泥生料通过煅烧形成水泥熟料的难易程度。原理为:按一定的煅烧制度对水泥生料进行煅烧后, 测定其游离氧化钙含量, 用游离氧化钙含量表示生料的易烧性。游离氧化钙越低, 易烧性越好。一般认为f-CaO<1.0%为优, f-CaO=1.0%～1.5%为良, f-CaO=1.5%～2.5%为一般, f-CaO>2.5%为差, 一般认为f-CaO≤1.5%时, 熟料为烧成。赵介山[3]认为影响生料易烧性的因素有生料的矿物组成、生料的化学组成、生料的颗粒组成、烧成制度、液相量和液相性质等。黄燕[4]认为石灰石的CaCO3晶体尺寸、SiO2含量及结晶程度对生料易烧性影响显著, 随着CaCO3晶体尺寸减小, 生料易烧性明显改善, 当石灰石中的SiO2含量很高, 且大部分呈游离石英形式存在时, 会严重恶化生料易烧性。晶体大小可分为巨晶 (>1000μm) 、粗晶 (500～1000μm) 、中晶 (300～500μm) 、细晶 (100～300μm) 、粉晶 (10～100μm) 、泥晶 (<10μm) 几大类。
2.5.2 易烧性试验
大理石粉、大理石、石灰石采用表5中三率值配制成生料, 用相应的化学试剂配入所需的SiO2、Al2O3、Fe2O3。大理石粉配制成三种不同的率值进行试验。大理石粉三个不同率值配制的生料编号分别为1#、2#、3#, 大理石粉配制的生料编号为4#, 石灰石配制的生料编号为5#。
参照GB/T 26566-2011《水泥生料易烧性试验方法》, 将配制好的生料经不同温度煅烧后, 测得的f-CaO含量见表6。
从表6可以看出这3种材料的易烧性最好的为石灰石, 其次为大理石粉, 最差的为大理石。这是因为石灰石的Ca CO3晶体较小, CaCO3晶体愈小, 分解出的CaO颗粒也越小, 分散度就越大, 在相等量熔体条件下, CaO颗粒与熔体的接触面就越大, 因此Ca O溶解及参与烧成反应的数量越多, 有利于烧成反应[5]。生料的细度和颗粒级配显著地影响生料的易烧性[4]。生料颗粒越细, 其表面积和反应活性也越大, 固相反应迅速, 烧结容易。而生料粗粒则会增加煅烧困难, 导致熟料中残存较高的f-CaO, 有过量的燃料消耗。大理石试样中的CaCO3晶体为极粗晶及粗晶, 远大于生料颗粒, 生料中Ca CO3晶粒的大小取决于粉磨细度。从表6可以看出大理石粉的易烧性要优于大理石, 主要是由于大理石粉的颗粒比大理石要细得多, 大理石粉的80μm筛余仅为0.31%, 远小于大理石的80μm筛余, 且大理石粉中小于10.00μm的泥晶占到了80.20%, 说明CaCO3晶体尺寸越小, 其易烧性越好。
将以大理石粉为原料的生料在1450℃下煅烧的后得到的熟料进行化学分析, 参照GB/T 176-2008, 试验数据见表7。
从表7可以看出, 根据1#、2#、3#样在1450℃下煅烧得到的熟料的化学成分计算出的1#样KH、n值基本满足要求, p值偏高, 2#、3#样的三率值均满足要求。熟料中的各种氧化物不是单独存在, 而是在高温下通过固相反应、固-液相反应后以矿物的形式存在, 因此在生产控制中, 不仅要控制熟料中各氧化物的含量, 还应控制各氧化物之间的比例即率值。一般生产控制KH在0.87～0.96之间、n在1.7～2.7之间、p在0.8～1.7之间[6]。从表7还可以大理石粉的易烧性随着KH的降低其易烧性变好, 其中3#样品的f-CaO含量为2.04, 表现出较好的易烧性, 而且这三个样品的Mg O含量都较高。
2.5 XRD分析
将以大理石粉为原料制备的生料在1450℃下煅烧后得到的样品进行X-射线衍射分析其矿物组成, 见图4。从图4可以看出, 以大理石粉为原料制备的生料在1450℃下煅烧得到的样品中含有C3S、C2S、C3A、C4AF等晶相物种与波特兰水泥组成份相当。
3 结语
(1) 以大理石粉替代石灰石作为原料烧制熟料其易烧性优于大理石, 原因是大理石粉的颗粒较小, 大部分都是小于10μm的颗粒, 比以大理石作为原料制备的生料磨细至80μm筛余为10%～12%要小得多。
(2) 依据XRD图谱, 以大理石粉作为原料制备的生料烧制的熟料中含有硅酸盐水泥熟料的矿物成分, 且其易烧性试验表现为一般, 可以用于水泥工业生产。
(3) 以大理石粉作为原料制备的生料烧制的熟料中Mg O的含量较高, 因此如用于工业化生产还应解决大理石粉中镁含量高的问题。另外由于大理石粉的来源广泛, 其稳定性、均匀性也是关注的要点。
参考文献
[1]Bdour, Ahmed N.;Al-Juhani, Mohammad S.Utilisation of waste marble powder in cement industry[J].International Journal of Environment and Waste Management, 2013, (11) :399-409.
[2]蒋永惠, 袁小林, 胡静, 徐培涛, 倪祥平.石英晶体的粒度和结构对水泥生料易烧性的影响[J].水泥技术, 2000 (, 03) .
[3]赵介山.水泥生料易烧性试验研究与评价[J].广东建材, 2002 (, 03) .
[4]黄燕, 关于水泥生产原材料选择问题的探讨[J].水泥, 1997, (12) .
[5]樊粤明, 吕辉, 郭志军, 钟景裕.石灰石品质对水泥生料易烧性的影响[J].水泥, 1996 (, 11) .
水泥-石灰石粉 篇5
石灰石粉、矿渣粉等矿物掺合料已成为水泥砂浆重要的组分, 他们能很大程度地改善砂浆的工作性能, 而且, 对于降低工程造价、减少环境污染等方面具有重大的现实意义。水泥的质量取决于和易性和均匀性, 它应该满足运输和浇筑的要求, 优良的工作性能可以加快施工进度、改善劳动条件。所以, 有必要研究单掺石灰石粉和矿渣后对胶砂流动度的影响, 以探讨石灰石粉、矿渣作为掺合料的用量。
1 试验方案
试验选取基准胶砂 (GL-0即水泥胶砂) 1组、石灰石粉-水泥二元胶凝材料胶砂3种比表面积共12组、矿渣-水泥二元胶凝材料胶砂4组, 总计17组, 分别对其进行流动度测试。
试验仪器包括胶砂搅拌机、水泥胶砂流动度测定仪、截锥圆模、模套、捣棒和小刀等。
试验方法如下:
(1) 跳桌在试验前先进行空转, 以检验各部位是否正常。
(2) 在制备胶砂的同时, 用潮湿棉布擦拭与胶砂接触的用具, 将试模放在跳桌台面中央并用潮湿棉布覆盖。
(3) 将搅拌好的胶砂分为两层装入试模, 第一层装到截锥圆模约2/3高处, 用小刀在垂直2个方向各划5次, 用捣棒由边缘至中心均匀捣压15次;随后, 装第二层胶砂, 装到高出截锥圆模约20 mm, 用小刀在相互垂直两个方向各划5次, 再用捣棒由边缘至中心均匀捣压10次, 捣压后胶砂应略高于试模。装胶砂和捣压时, 用手扶稳试模。
(4) 捣压完毕, 取下模套, 将小刀倾斜, 从中间向边缘分两次以近水平的角度抹去高出截锥圆模的胶砂, 并擦去落在桌面上的胶砂。将截锥圆模垂直向上轻轻提起。立刻开动跳桌, 以每秒钟1次的频率, 在25s±1s内完成25次跳动。
(5) 流动度试验, 从胶砂加水开始到测量扩散直径结束, 应在5min内完成。
跳动完毕后, 用卡尺测量胶砂底面互相垂直的两个方向直径, 计算平均值, 取整数, 单位为毫米。该平均值即为该水量的水泥胶砂流动度。
2 数据分析
2.1 石灰石粉—水泥二元复合胶砂流动性能
石灰石在自然中存在广泛, 磨细的石灰石粉作为掺合料, 可促进水泥水化, 降低水化热, 改善工作性能, 显著提高早期强度。合理地利用石灰石粉, 可以缓解矿物掺合料供应紧张局面, 为降低生产成本提供一个有效措施。
我们将试验数据统计如下 (详见表1所示) 。
由试验数据做成图1, 从图1可以得出, 随着石灰石粉掺量的增加, 砂浆的流动度增大, 表明加入石灰石粉可以改善需水性, 从而改善工作性能。
2.2 矿渣—水泥二元复合胶砂流动性能
我国2002年颁布的国家标准《高强、高性能水泥用矿物外加剂》中, 正式将矿渣纳入水泥第六组分, 并命名为“矿物外加剂”。矿渣是粒化高炉矿渣添加适量的石膏后, 经过粉磨得到的高细粉状产品。其主要化学成分为A1203, Ca O, Si O2。由于矿渣颗粒的直径很小, 碱性环境下能够保持很强的活性, 掺入到水泥后能够提升很多性能, 特别是改善了拌合物的和易性, 是实现环保化、节约化、高性能化的有效措施。我国每年产生的高炉矿渣数量巨大, 因此, 掺矿渣再生绿色水泥在我国的应用前景十分乐观。
表2为矿渣—水泥二元复合胶砂流动度试验的统计数据。由试验数据绘出图2。
从图2可知, 随着矿渣的掺入, 水泥胶砂的流动度增大, 说明矿渣可以有效改善水泥胶砂的流动性。
3 结语
综上所述, 可以得出如下结论:
(1) 石灰石粉对复合胶砂的流动度起到增大作用;
(2) 矿渣对胶砂的流动度也起到增大作用, 对于矿渣单掺:随着掺量的增大, 刚开始矿渣对胶砂流动度改善的增幅不太明显, 当掺量达到30%以后, 发现胶砂的流动度开始有了显著提高。
参考文献
[1]李步新, 陈峰.石灰石硅酸盐水泥力学性能研究[J].建筑材料学报, 1998, 1 (2) :186-191
[2]聂建国.钢一混凝土组合梁结构[M].北京:科学出版社, 2005:1-314.
水泥-石灰石粉 篇6
石灰石粉作为一种新型的绿色矿物掺合料在混凝土中得到了越来越多的应用, 能够很好地解决用粉煤灰、矿渣等作为混凝土矿物掺合料资源短缺的问题, 科学、合理和安全地应用石灰石粉能达到节能利废并能产生良好的技术、经济和生态效益。国内外研究者针对水泥-石灰石粉胶凝材料的工作性、力学性能、耐久性能等做了大量的研究, 研究发现, 在混凝土中掺入磨细石灰石粉可以增加新拌混凝土的坍落度, 减少经时损失, 改善新拌混凝土的工作性能;石灰石粉的掺量在小掺量 (小于10%) 时能提高混凝土的抗压强度, 特别是早期强度, 但掺量大于10%时混凝土抗压强度会随石灰石粉的掺量增加而下降;石灰石粉掺入会使得混凝土抗氯离子渗透性下降, 一定程度上影响了其耐久性[1]。
开裂是混凝土材料的一个重要性能, 对混凝土结构的耐久性有着十分重要的影响。裂缝的产生与混凝土的收缩密切相关, 许多研究表明, 混凝土结构表面出现的各种网状表面裂缝绝大部分是由于干缩引起的。文献[2-5]研究发现, 水泥-石灰石粉胶凝材料的干缩随石灰石粉掺量的增大呈现先增大后减小的变化规律, 达到峰值时石灰石粉的掺量值在10%~20%之间。这说明虽然低掺量下石灰石粉能提高混凝土的强度, 但是对于混凝土的干缩和抗裂是不利的。研究如何解决这一矛盾以使石灰石粉得到更好地应用是十分必要的。研究发现, 粉煤灰对于混凝土的工作性能、力学性能和耐久性都有较好的改善[6]。文献[7-12]指出, 粉煤灰对于改善混凝土的早期收缩和干燥收缩有着较好的效果。粉煤灰能明显降低水泥基材料的开裂敏感性, 延迟初始开裂时间, 减小最大裂缝宽度和裂缝总面积[13,14]。为了探讨粉煤灰对水泥-石灰石粉胶凝材料干缩性能的影响规律, 分析粉煤灰对其开裂性能的影响, 本文对水泥-石灰石粉胶凝材料及掺入粉煤灰的水泥-石灰石粉胶凝材料的干缩和开裂性能进行了研究。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
水泥采用中国联合水泥集团有限公司生产的P·Ⅰ42.5级基准水泥;石灰石粉采用细度为1250目的重质碳酸钙粉, 主要化学成分Ca CO3, 平均粒径1.89μm, 比表面积1800m2/kg;粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰, 比表面积460m2/kg, 密度2.31g/cm3;减水剂采用东莞某公司生产的高效减水剂;水为普通自来水;砂采用细度模数2.4的河砂, 属Ⅱ区中砂。
1.2 试验方法
按表1制作尺寸为25mm×25mm×280mm的净浆试件, 每组3个。将拌和物浇筑于两端预埋测头的试模中, 置于 (20±2) ℃的试验室内, 20h龄期拆模;先用石蜡涂刷试件表面, 再用铝箔包裹密封;然后置于 (20±2) ℃、相对湿度 (60±2) %环境中约4h, 进行初长测试 (自加水后24h开始计时) ;初长测试后置于 (20±2) ℃、相对湿度 (60±2) %环境中, 每隔一定时间进行长度测试。净浆干缩的测定参考JC/T603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》标准。
胶砂开裂性能试验参考JC/T 951—2005《水泥砂浆抗裂性能试验方法》进行, 试验配合比如表2所示。测定试块3d的裂缝宽度和裂缝长度, 胶砂的开裂程度用开裂指数评价, 开裂指数按照下式 (1) 计算;胶砂的抗开裂能力用抗开裂性能比评价, 抗开裂性能比按照下式 (2) 计算:
式中, Wi为开裂指数, mm;Ai为权重值 (按裂缝宽度范围依规范取值) ;li为裂缝长度, mm。
式中, γ为抗开裂性能比 (正值表示提高、负值表示降低) , %;W1为开裂指数的平均值, mm;W0为基准砂浆的开裂指数的平均值, mm。
2 试验结果与讨论
2.1 水泥-石灰石粉胶凝材料干缩性能
图1为石灰石粉对水泥硬化浆体干缩性能的影响。
由图1可以看出, 水泥-石灰石粉硬化浆体在21d前干缩发展速度较快, 21~60d之间时其干缩发展速度逐渐减慢, 60d后其干缩发展趋于平缓。硬化浆体的干缩随石灰石粉掺量增加出现先增大后减小的规律, 石灰石粉掺量低于10%时, 各龄期硬化浆体的干缩随石灰石粉掺量增加而增大;石灰石粉掺量高于10%时, 各龄期硬化浆体的干缩随石灰石粉掺量增加而减少;石灰石粉掺量为10%时, 硬化浆体干缩达到最大值。石灰石粉掺量为15%的硬化浆体干缩率与不掺石灰石粉的硬化浆体干缩率相差不大;石灰石粉掺量20%的硬化浆体干缩率比不掺石灰石粉的硬化浆体干缩率在龄期7d、28d和60d时分别降低了16.67%、5.13%和2.98%, 各龄期都有较大程度的降低。
上述试验结果和S.Takami[2,3]等人的研究结果比较一致。文献[15]指出, 石灰石粉具有活性效应, 能改变水泥水化历程。石灰石粉中Ca CO3颗粒对C3S水化有明显的微晶核效应, 使C3S水化加速, 促进了水泥水化[16]。石灰石粉对水泥水化的促进作用使得水泥水化速度加快, 从而加快了硬化浆体内部水分的消耗, 使得硬化浆体内部相对湿度下降快。根据干缩产生的机理可知, 硬化浆体干缩随其内部相对湿度降低而增大[17]。当石灰石粉掺量较小 (小于10%) 时, 石灰石粉替代部分水泥带来的稀释作用不明显, 而石灰石粉对于水泥水化的促进作用随石灰石粉掺量的增加而增强。因此, 当石灰石粉掺量低于10%时, 硬化浆体干缩随石灰石粉掺量增加而增大。但随着石灰石粉掺量增加, 超过10%时, 虽然石灰石粉对水泥水化有促进作用, 而石灰石粉掺量过大使得水泥-石灰石粉水泥净浆中水泥含量降低较为明显, 所以水泥水化速度总体来说是下降的[18]。石灰石粉替代的水泥越多, 硬化浆体内凝胶体含量降低越多, 而干缩的产生主要与凝胶体有关。因此, 当石灰石粉掺量大于10%时, 硬化浆体干缩随石灰石粉掺量增加而减少。
石灰石粉由于细颗粒含量远大于水泥, 具有良好的填充效应:细粒填充在水泥颗粒之间以及界面的空隙中, 改善了胶凝材料的颗粒级配, 使水泥石结构和界面结构更为致密, 减少了体系内部泌水通道和集料表面的泌水孔隙, 在一定程度上减小了硬化浆体的干缩[19]。此外, 石灰石粉由于需水量较低, 能在相同水胶比情况下使水泥石中保留相对较多的自由水, 具有较好的减水效果, 能降低自收缩[20]。而填充效应、减水效应随掺量增加而表现明显, 这也在一定程度上解释了石灰石粉掺量大于10%时, 硬化浆体干缩会随石灰石粉掺量增加而减少。
2.2 粉煤灰对水泥-石灰石粉胶凝材料干缩性能的改善作用
图2为粉煤灰对水泥-石灰石粉硬化浆体干缩性能的影响。
图2表明, 随粉煤灰掺量增加, 水泥-石灰石粉硬化浆体的干缩随之明显下降。龄期7d、28d和60d时, 粉煤灰掺量分别为10%、20%、30%的水泥-石灰石粉胶凝材料硬化浆体干缩值比不掺粉煤灰的硬化浆体干缩值分别减少了6.8%、11.8%和25.4%, 3.6%、8.1%和12.2%, 5.5%、15.0%和18.5%。各龄期水泥-石灰石粉胶凝材料硬化浆体干缩随粉煤灰掺量增加而减少。
粉煤灰能够改善水泥-石灰石粉硬化浆体干缩性能是因为粉煤灰本身具有优良的形态效应、活性效应和微集料效应[21]。硬化浆体的干缩受用水量影响较大, 而粉煤灰由于细度较小及含有的玻璃微珠可以显著地降低用水量, 从而抑制混凝土的干缩。粉煤灰能改善浆体结构, 使其结构密实, 减少干缩发生;同时, 粉煤灰还具有较高的弹性模量, 未反应的粉煤灰颗粒能起到稳定和抑制浆体变形的骨架作用[11]。随着粉煤灰掺量增加, 粉煤灰上述效应更加明显, 对水泥-石灰石粉胶凝材料硬化浆体干缩改善增强。
2.3 水泥-石灰石粉胶凝材料开裂性能
图3为水泥-石灰石粉胶砂3d的开裂外观图片, 表3为水泥-石灰石粉胶砂3d开裂指数和抗开裂性能。
由图3和表3可知, 石灰石粉掺量低于10%时, 随石灰石粉掺量增加, 胶砂试块宏观表现为裂缝宽度由窄向宽, 裂缝深度由浅向深变化;胶砂的开裂指数逐渐增大, 抗开裂性能降低。石灰石粉掺量高于10%时, 变化规律与上述相反。水泥-石灰石粉胶凝材料的开裂性能随石灰石粉掺量变化的规律与其干缩性能较为一致。
裂缝的产生主要与收缩变形相关[22]。收缩应变会引起胶砂内弹性拉应力的产生, 拉应力超过胶砂抗拉强度将使其开裂。石灰石粉掺量较小 (小于10%) 时, 石灰石粉替代水泥对水泥水化速度产生了促进作用, 水化速度快使得胶砂内部湿度下降快, 凝胶体量增多, 干缩增大, 拉应力增加, 因此造成开裂增加。当石灰石粉掺量高于10%时, 虽然石灰石粉促进了水泥水化速度, 但掺量过大引起的稀释作用变得明显, 水泥水化速度总体还是下降的, 干缩减少, 拉应力降低, 相应的开裂减少。同时, 石灰石粉具有良好的填充效应使水泥石结构和界面结构更为致密, 增加抗拉强度;而抗拉强度越高, 开裂越不容易产生。这种效应在石灰石粉掺量较低时不明显, 在石灰石粉掺量高于10%时, 显著提高水泥-石灰石粉胶砂抗开裂性能, 且随掺量增加改善开裂效果增强。
2.4 粉煤灰对水泥-石灰石粉胶凝材料抗开裂性能的改善作用
图4为掺有粉煤灰的水泥-石灰石粉胶砂3d的开裂外观图片, 表4为掺有粉煤灰的水泥-石灰石粉胶砂3d开裂指数和抗开裂性能。
由图4和表4可知, 随着粉煤灰掺量的增加, 胶砂试块宏观表现为裂缝宽度由宽向窄变化, 相应的裂缝深度由深向浅变化;胶砂的开裂指数逐渐降低, 抗开裂性能提高。粉煤灰不仅减少了水泥-石灰石粉胶凝材料的干缩, 同时也提高了其抗开裂性能。
粉煤灰改善水泥-石灰石粉胶凝材料的开裂性能与粉煤灰的形态、活性、微集料这三大效应密切相关。粉煤灰可减少水泥-石灰石粉胶凝材料的干缩, 胡红梅[23]等认为粉煤灰的形态、活性、微集料这三大效应叠加起到了降低温升、增大水灰比、延缓水化速率的作用, 并在早期具有较强的徐变松弛能力, 早期弹性模量发展相对缓慢。这些对改善水泥-石灰石粉胶凝材料的开裂敏感性十分有利。粉煤灰中玻璃微珠能使水泥砂浆粘度和颗粒之间的摩擦力降低, 使水泥颗粒充分分散, 使混凝土粘聚性、保水性得到改善。其细微颗粒填充于混凝土中不够致密的孔隙中, 使胶凝体系的颗粒级配更趋合理, 使原本填充于孔隙中的水分得以释放出来, 降低混凝土的用水量。这些都有利于减少了收缩的产生, 改善水泥-石灰石粉的开裂性能。玻璃微珠粒分散在硬化水泥浆体中, 使水泥水化产物形成的网络逐渐填充致密, 同时与界面过渡区中疏松、易溶于水的大晶体Ca (OH) 2发生化学反应生成结构密实稳定的水化物, 改善界面过渡区, 增强抗拉强度, 减少开裂[24]。因此, 随粉煤灰掺量增加, 水泥-石灰石粉胶凝材料的抗开裂性能提高。
3 结论
(1) 水泥-石灰石粉硬化浆体的干缩随石灰石粉掺量的增加呈现先增加后降低的趋势, 石灰石粉掺量为10%时, 硬化浆体的干缩变形达到最大值。水泥-石灰石粉硬化浆体在21d前干缩发展速度较快, 21~60d时其干缩发展速度逐渐减慢, 60d后其干缩发展趋于平缓。
(2) 随粉煤灰掺量增加, 水泥-石灰石粉胶凝材料的干缩明显减少, 粉煤灰可以较好地改善水泥-石灰石粉胶凝材料的干缩性能。
(3) 水泥-石灰石粉胶凝材料的开裂性能随石灰石粉掺量的增加呈现先增大后减小的规律, 当石灰石粉掺量低于10%时, 随着石灰石粉掺量增加, 试块宏观表现为裂缝宽度由窄向宽、裂缝深度由浅向深的变化;胶砂的开裂指数逐渐增大, 抗开裂性能降低。当石灰石粉掺量高于10%时, 变化规律与上述相反。水泥-石灰石粉胶凝材料的开裂性能随石灰石粉掺量变化的规律与其干缩变化性能较为一致。
水泥-石灰石粉 篇7
碱激发矿渣水泥是由碱性激发剂激发矿渣的活性制备的一类新型胶凝材料,其具有生产工艺简单、水化热低、强度高、耐久性好等优点[1]。石灰石粉作为采石场生产过程中的附属品,主要指石灰岩经机械加工后颗粒<0.16mm的微细粉体,是一种容易得到且廉价的材料。目前,对石灰石粉的使用主要是将石灰石粉部分取代细骨料制备砂浆或将其作为混凝土或砂浆中的掺合料使用[2,3,4]。本文主要研究石灰石粉用于碱矿渣水泥砂浆,以期利用石灰石粉改善碱矿渣水泥砂浆的性能,揭示石灰石粉在碱胶凝材料中的作用机理,同时拓展石灰石粉的利用途径,减少石灰石粉产生的环境污染,也为碱矿渣水泥的推广应用和试验分析奠定理论基础。
1 试验
1.1 试验原材料
矿渣:重庆某公司S95级粒化高炉矿渣粉,密度2.88g/cm3,比表面积478m2/kg,其化学成分如表1所示;石灰石粉:重庆某公司生产石灰石碎石、制砂时筛出的石屑和细粉,磨细至比表面积525m2/kg,其化学成分如表1所示;砂:中砂,细度模数为2.4;水:自来水;水玻璃:重庆产,细度模数为3.17,Si O2含量为26%,Na2O含量为8.2%;Na OH:纯度≥96%的固体氢氧化钠试剂。
1.2 试验方法及配比
砂浆流动度根据GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行,砂浆的抗压、抗折强度参照GB/T 17671—1999《水泥砂浆强度检验方法(ISO法)》进行;运用SEM进行微观结构测定。
试验中采用氢氧化钠将水玻璃的模数调至1.0,固定胶砂比为1∶3,水胶比0.38,石灰石粉依次以5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%的量取代矿渣,研究不同石灰石粉掺量时碱激发矿渣-石灰石粉的流动性、力学性能。
2 试验结果分析
2.1 流动性
不同石灰石粉掺量对碱矿渣水泥砂浆流动度的影响如图1所示。
%
从图1可知,当石灰石粉的掺量为5%~50%时,随着石灰石粉掺量的增加,碱矿渣水泥砂浆的流动性也增加,而当石灰石粉的掺量为0~10%时,砂浆流动度变化较小,说明低掺量的石灰石粉主要用来填充细骨料间的空隙,此时砂浆流动度主要取决于浆体自身的流动性,当石灰石粉的掺量超过10%时,砂浆流动度随着石灰石粉掺量的增加而持续增大,且比较明显,当石灰石粉掺量为50%时,流动度较基准组增加了27.2%,这是因为随着石灰石粉掺量增大,石灰石粉能和矿渣粉、水形成柔软的浆体,增加砂浆的浆量,从而改善砂浆的和易性[5]。同时,石灰石粉能减少浆体水化初期产物的搭接,在水化初期,石灰石粉颗粒包裹在矿渣表面,阻止矿渣颗粒互相接近以及对水化产物产生隔离作用,从而提高砂浆流动性[6]。
2.2 抗压强度
不同掺量的石灰石粉对碱矿渣水泥砂浆抗压强度的影响如图2所示。
由图2可知,当石灰石粉掺量为5%~20%时,砂浆各龄期的抗压强度都有不同程度的提高,且随着石灰石粉掺量的增加,抗压强度的提高也加大。当石灰石粉掺量为20%时,砂浆的3d、7d和28d的抗压强度较基准组的抗压强度分别提高了3.1%、4.5%、9.0%;但当石灰石粉的掺量超过20%时,砂浆的强度开始下降,当石灰石粉掺量为50%时,砂浆的3d、7d、28d的抗压强度分别下降了29.3%、21.7%、10.3%,因此,过多掺量的石灰石粉对碱矿渣水泥砂浆的抗压强度发展是不利的。
2.3 抗折强度
图3为不同掺量的石灰石粉对碱矿渣水泥砂浆抗折强度的影响。
从图3可以看出,当掺入5%~50%石灰石粉时,砂浆3d、7d的抗折强度有所减小,且随着掺量的增加,抗折强度降低幅度也增大,当石灰石粉的掺量为50%时,石灰石粉的3d、7d、28d抗折强度分别下降33.8%、18.9%、8.6%,说明随着龄期的延长,28d砂浆的抗折强度发展较快,且当石灰石粉的掺量在30%以内时,28d抗折强度随着石灰石粉掺量的增加而增大。当石灰石粉掺量为20%时,对28d抗折强度的贡献最大,其较基准组提高10.0%,可见,石灰石粉的掺入,降低了碱矿渣水泥砂浆的早期抗折强度,但对后期抗折强度贡献较大。
综合以上试验结果可知,在碱矿渣水泥砂浆中掺入20%的石灰石粉对强度是最为有利的。
2.4 SEM分析
图4为碱矿渣水泥砂浆中掺入10%石灰石粉的3d、28d的SEM图。
从图4可以看出,碱矿渣水泥砂浆中掺入10%的石灰石粉水化3d时,在较密实的水化产物表面分散着少量白色点状、球状石灰石粉末与水化产物完整结合,说明水化3d时,石灰石粉主要以填充作用为主,相关研究也表明[7],在胶凝材料中加入少量的石灰石粉,石灰石粉只起到一定的填充作用,且前期水化过程比较缓慢,因此,砂浆早期的强度较低。但随着水化龄期的延长,白色的石灰石粉消失,和水化产物完整密实地融合在一起,说明后期的石灰石粉已发生一定量的水化反应,和矿渣的水化产物融合在一起,这是因为石灰石粉在碱性环境下能瓦解矿渣颗粒表面的酸性膜,加速矿渣水化进程并提供了矿渣水化所需Ca2+,生成大量水化产物,从而使其后期强度增大[8,9,10]。
3 结论
(1)碱矿渣水泥砂浆中掺入5%~50%的石灰石粉时,能增大砂浆的流动性,且随着石灰石粉掺量的增加,碱矿渣水泥砂浆的流动性也不断增加,当石灰石粉掺量为50%时,流动度较基准组增加了27.2%,说明石灰石粉的掺入有助于改善碱激发矿渣水泥砂浆的流动性。
(2)当石灰石粉掺量为5%~20%时,砂浆各龄期的抗压强度都有不同程度的提高,且随着石灰石粉掺量的增加,抗压强度提高也增多。当石灰石粉掺量为20%时,砂浆的3d、7d和28d的抗压强度较基准组的抗压强度分别提高3.1%、4.5%、9.0%,28d抗折强度提高10.0%,即在碱矿渣水泥砂浆中掺入20%的石灰石粉对强度是最为有利的。
(3)碱矿渣水泥砂浆中掺入10%的石灰石粉,水化3d时,石灰石粉主要以填充作用为主,但随着水化龄期的延长,到28d时,石灰石粉已发生了水化反应,和矿渣的水化产物融合在一起,且水化产物数量增加,造成砂浆的密实性和后期强度提高。
参考文献
[1]中国建筑材料联合会信息部,中国建材数量经济监理学会.2011年水泥产量和产能统计分析报告[J].中国水泥,2012(3):11-13.
[2]ZHANG Fengchen,WU Shengxing.Attack of Limestone Cement-based Material Exposed to Magnesium Sulfate Solution at Low Temperature[J].Journal of Wuhan University of Technology-Mater,2014,29(3):508-511.
[3]LIU Shuhua,YAN Peiyu.Effect of Limestone Powder on Microstructure of Concrete[J].Journal of Wuhan University of Technology-Mater,2010,25(2):328-331.
[4]史才军.碱-激发水泥与混凝土[M].北京:化学工业出版社,2008.
[5]胡曙光,李悦,陈卫军.石灰石混合材掺量对水泥性能的影响[J].水泥工程,1996(2):22-24.
[6]白学松,王亭强,吴健.浅谈石灰石粉和矿渣对水泥胶砂流动性能的影响[J].建材发展导向(下),2015,13(6):62-63.
[7]徐巍.新型石灰石矿渣水泥水化机理及性能的研究[D].武汉:武汉理工大学,2010:33-35.
[8]K De,Weerdt M,Ben Haha.The effect of temperature on the hydration of composite cements containing limestone powder and fly ash[J].Materials and Structures,2012(45):1109-1112.
[9]邓德华,肖佳,元强,等.石灰石粉对水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性的影响及其机理[J].硅酸盐学报,2006,34(10):1243-1248.