沸石是一种架状结构的铝硅酸盐材料,常被用作水泥混凝土的辅助性胶凝材料。实验结果表明:沸石粉早期火山灰活性较硅灰低,但其后期活性较好。沸石粉混凝土需水量较大,含气量稍高,拌合物的粘聚性好,不易泌水和离析。沸石粉混凝土的早期强度稍低,后期强度较高。沸石粉混凝土结构更加密实,吸水率、氯离子渗透系数大幅度降低,电阻率显著增大。掺加10~20%的沸石粉可有效控制碱集料反应引起的有害膨胀,说明沸石粉混凝土具有较好的耐久性。

一、背景阐述

由于我国建筑规模巨大,造成了硅灰、矿渣、粉煤灰等辅助性胶凝材料的价格越来越高。沸石粉是天然沸石岩经磨细后形成的一种火山灰质材料,具有很大内外比表面积(35~45m2/g),含有大量活性SiO2和Al2O3,可与水泥水化放出的Ca(OH)2反应生成更多的C-S-H凝胶和水化铝酸盐,从而很好的改善了硬化水泥浆体的微观结构。虽然大部分火山灰质材料(硅灰、粉煤灰等)是玻璃体或无定形体,但具有晶体结构的天然沸石也同样具有火山灰性,其火山灰活性仅次于硅灰,优于粉煤灰和矿渣。大量资料表明沸石粉可增大混凝土的粘度,从而消除了离析和泌水,通过沸石粉的填充效应和火山灰反应,可减小了混凝土总空隙率,改善水泥浆体与集料间的界面过渡区,大幅度提高混凝土力学性能。

二、试验分析

将沸石粉(硅灰)按1∶1与Ca(OH)2混合均匀,以0.5的水固比搅拌均匀,置于60℃的水浴环境中。养护至一定龄期,取少量样品,并用无水乙醇终止水化。通过热重分析(TG)测定浆体中Ca(OH)2剩余量,以单位质量胶凝材料消耗的Ca(OH)2量表征其火山灰活性。

以沸石粉分别替代5%、10%、15%、20%水泥,达到相同坍落度(170mm)时,沸石粉混凝土的减水剂掺量高于参比样和硅灰混凝土,且随沸石粉掺量的增加,沸石粉混凝土所需减水剂掺量大幅度增加。与参比样相比,沸石粉混凝土的含气量较高,且随沸石粉掺量的增加,混凝土的含气量逐渐增加。其原因在于沸石粉具有多孔架状结构和巨大的内比表面积,可吸附较多拌合水和外加剂,甚至比硅灰的吸附量还高。因此,沸石粉混凝土需水量较大,拌合物的粘聚性好,含气量较高,不易泌水和离析,非常适合配制泵送混凝土。

水化后期沸石粉(硅灰)参与了火山灰反应生成大量水化产物,使混凝土孔隙率更低、更密实。钢筋混凝土发生腐蚀破坏后,钢筋腐蚀速率主要受混凝土的电阻率影响。混凝土电阻率越大,钢筋腐蚀速率越低。文献表明当混凝土电阻率超过20kΩ/cm[8,9]时,钢筋腐蚀速率非常低。当沸石粉掺量为15%时,养护42天后沸石粉混凝土的电阻可超过20kΩ/cm,表明沸石粉可大大降低钢筋腐蚀速率。

沸石粉早期火山灰活性较硅灰低,但其后期活性较好,水化28天后沸石粉结合Ca(OH)2量几乎与硅灰相当。因此,沸石粉混凝土的早期强度较低,后期强度较高。沸石粉具有多孔架状结构和巨大的内比表面积,可吸附大量的拌合水和外加剂,导致沸石粉混凝土需水量较大,含气量稍高,拌合物的粘聚性好,不易泌水和离析。通过沸石粉的吸附作用、离子交换作用和二次水化作用,掺加10~20%的沸石粉可有效控制碱集料反应引起的有害膨胀。