復(fù)摻礦物摻合料混凝土性能試驗(yàn)研究

張小龍，曾馨花，張會(huì)蘋(píng)，張愛(ài)明，曹建軍

(1.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030;2.甘肅智通科技工程檢測(cè)咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730050)

復(fù)摻礦物摻合料混凝土性能試驗(yàn)研究

張小龍1，2，曾馨花2，張會(huì)蘋(píng)2，張愛(ài)明2，曹建軍2

(1.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030;2.甘肅智通科技工程檢測(cè)咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730050)

為研究礦物摻合料種類和摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性的影響規(guī)律，配制了基準(zhǔn)混凝土、單摻粉煤灰混凝土、單摻粒化高爐礦渣粉混凝土和雙摻粉煤灰和?；郀t礦渣粉的混凝土，進(jìn)行了不同齡期抗壓強(qiáng)度、早期干縮率、抗凍性、電通量、耐磨性等耐久性指標(biāo)的測(cè)試。結(jié)果表明:摻礦物摻合料的混凝土早期強(qiáng)度低于不摻礦物摻合料的基準(zhǔn)混凝土，但隨著礦物摻合料摻量的增大，后期強(qiáng)度呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢(shì);雙摻粉煤灰和?；郀t礦渣粉的混凝土后期強(qiáng)度明顯高于單摻粉煤灰或者單摻粒化高爐礦渣粉的混凝土。這是因?yàn)椴煌N類礦物摻合料雙摻會(huì)產(chǎn)生超疊加效應(yīng)，這種超疊加效應(yīng)優(yōu)化了混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，使得雙摻礦物摻合料的混凝土耐久性能得到顯著提高。

礦物摻合料 粉煤灰 礦粉 強(qiáng)度 試驗(yàn)研究

在混凝土內(nèi)摻入粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉等工業(yè)廢料取代部分水泥，由于粉煤灰和磨細(xì)礦渣粉的火山灰效應(yīng)和微骨料填充效應(yīng)，降低了混凝土內(nèi)部有害孔的數(shù)量，使混凝土的孔結(jié)構(gòu)得到了改善，從而提高了混凝土質(zhì)量［1-5］。但礦物摻合料在高性能混凝土中發(fā)揮作用的前提是摻入的礦物摻合料必須滿足質(zhì)量要求，否則會(huì)帶來(lái)混凝土黏聚性下降、離析、泌水凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，早期強(qiáng)度低等問(wèn)題。由于不同地區(qū)粉煤灰和礦渣粉的技術(shù)指標(biāo)和品質(zhì)不同，所以使混凝土獲得最佳的工作性、強(qiáng)度和耐久性時(shí)其摻量不同。鑒于此，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了礦物摻合料在公路橋梁混凝土中的應(yīng)用研究。秦鴻根等［6-7］進(jìn)行了雙摻粉煤灰和礦渣粉的混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，宋少民、田曉霞等［8-9］研究了石灰石粉在橋梁混凝土中的應(yīng)用，李強(qiáng)、李雁等［10-11］對(duì)礦物摻合料對(duì)混凝土抗凍性影響進(jìn)行了研究，趙井輝等［12］進(jìn)行了礦物摻合料水工混凝土抗氯離子侵蝕性能研究。由于甘肅地區(qū)處于西北欠發(fā)達(dá)地區(qū)，雖然粉煤灰和?；郀t礦渣粉產(chǎn)量巨大，但由于品質(zhì)較低和在廢渣利用方面的技術(shù)相對(duì)落后，目前國(guó)內(nèi)對(duì)甘肅地區(qū)的粉煤灰和礦渣粉摻量對(duì)混凝土性能影響的研究較少?；诖耍Y(jié)合甘肅地區(qū)使用的粉煤灰和?；郀t礦渣粉，對(duì)摻礦物摻合料混凝土的力學(xué)性能和耐久性能進(jìn)行了測(cè)試，以探討礦物摻合料的品種和摻量對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)原材料

1)水泥

試驗(yàn)采用甘肅平?jīng)銎钸B山水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥各項(xiàng)指標(biāo)符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的要求，其主要物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用水泥物理力學(xué)參數(shù)

2)粉煤灰

粉煤灰采用大唐甘肅發(fā)電有限公司西固熱電廠的Ⅰ級(jí)粉煤灰，粉煤灰各項(xiàng)指標(biāo)符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)的要求，粉煤灰的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用粉煤灰物理力學(xué)參數(shù)

3)?；郀t礦渣粉

?；郀t礦渣粉采用酒泉鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣粉。?；郀t礦渣粉各項(xiàng)指標(biāo)符合《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》(GB/T 18046—2008)的要求，?；郀t礦渣粉的主要

性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)用粒化高爐礦渣粉物理力學(xué)參數(shù)

4)其他原材料

細(xì)集料采用陜西武功砂廠的水洗砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，符合2區(qū)級(jí)配要求;粗骨料采用平?jīng)鲂匙铀槭瘡S的碎石，符合連續(xù)級(jí)配5～25 mm要求;減水劑采用甘肅華鑫源化工材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HXY-11聚羧酸高性能減水劑，減水率為26.5%;混凝土拌合用水為自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

1)強(qiáng)度測(cè)定

制作150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期進(jìn)行測(cè)試，操作方法及結(jié)果處理參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)。

2)早期干縮性測(cè)試

混凝土的干縮性試驗(yàn)采用臥式混凝土收縮儀，依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)規(guī)定的接觸法進(jìn)行測(cè)試。

3)抗氯離子滲透性測(cè)試

采用GB/T 50082—2009中的電通量法，將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d和56 d的150 mm×150 mm×150 mm混凝土切割成φ100 mm×50 mm的試樣，采用NJ-DTL系列混凝土氯離子電通量測(cè)定儀測(cè)定6 h電通量，評(píng)價(jià)混凝土的抗氯離子滲透性能。

4)抗凍性測(cè)試

采用GB/T 50082—2009中快速凍融的試驗(yàn)方法，將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的100 mm×100 mm×400 mm混凝土試件進(jìn)行凍融，每25次凍融循環(huán)后測(cè)試試件的橫向基頻，并計(jì)算凍融后試件的質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈性模量損失，評(píng)定混凝土的抗凍性能。當(dāng)混凝土的質(zhì)量損失超過(guò)5%，相對(duì)動(dòng)彈性模量降低至初始的60%以下，結(jié)束凍融試驗(yàn)，記錄凍融循環(huán)最大次數(shù)。

5)耐磨性測(cè)試

依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)規(guī)定的水泥混凝土耐磨性試驗(yàn)方法，制作150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試件，將試件放至耐磨試驗(yàn)機(jī)的水平轉(zhuǎn)盤(pán)上(磨削面應(yīng)與成型時(shí)的頂面垂直)，用夾具將其輕輕緊固。在200 N荷載下磨30轉(zhuǎn)，然后取下試件刷凈表面粉塵稱重，記錄剩余質(zhì)量。整個(gè)磨損過(guò)程應(yīng)將吸塵器對(duì)準(zhǔn)試件磨損面，使磨下的粉塵被及時(shí)吸走。按規(guī)定的磨損方式磨削，以試件磨損面上單位面積的磨損量作為評(píng)定混凝土耐磨性的相對(duì)指標(biāo)。

1.3 試驗(yàn)方案

本文以C50混凝土為研究對(duì)象，通過(guò)改變粉煤灰、?；郀t礦渣粉的摻量，分別配制不摻礦物摻合料的基準(zhǔn)混凝土、單摻粉煤灰的混凝土、單摻礦渣粉的混凝土和雙摻兩種礦物摻合料的優(yōu)化混凝土，共配制了13種，通過(guò)調(diào)整砂率和減水劑摻量，混凝土坍落度均在160～200 mm，配合比見(jiàn)表4。為分析礦物摻合料對(duì)混凝土耐久性的影響程度和規(guī)律，選取了表4中的C-1，C-4和C-6三種混凝土進(jìn)行了早期干縮變形、抗凍性、抗氯離子滲透性和耐磨性的試驗(yàn)。

表4 混凝土配合比與強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土強(qiáng)度

分析表4可知，摻礦物摻合料的混凝土早期強(qiáng)度，尤其是3 d強(qiáng)度普遍低于不摻礦物摻合料的基準(zhǔn)混凝土。這是因?yàn)榉勖夯?、?；郀t礦渣粉本身與水反應(yīng)速度較慢，需要在堿性激發(fā)劑或硫酸鹽激發(fā)劑的激發(fā)作用下，才能跟水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)即發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成相應(yīng)水化產(chǎn)物，但是水化早期，水泥熟料本身并未完全水化，生成的氫氧化鈣量不多，因此粉煤灰、?；郀t礦渣粉對(duì)混凝土早期強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大，表現(xiàn)出摻礦物摻合料的混凝土早期強(qiáng)度偏低。隨著礦物摻合料總量的增大，摻礦物摻合料的混凝土后期強(qiáng)度呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著礦物摻合料的摻入，在后期礦物摻合料發(fā)生了二次水化反應(yīng)，加上未反應(yīng)的礦物摻合料起到微骨料效應(yīng)，生成的大量水化產(chǎn)物和未反應(yīng)的細(xì)小礦物摻合料，填堵混凝土內(nèi)部微小孔隙，使得混凝土更加密實(shí)，強(qiáng)度提高。但當(dāng)摻量超過(guò)某一數(shù)值后，由于沒(méi)有足夠的水泥水化形成氫氧化鈣作為激發(fā)劑，粉煤灰和粒化高爐礦渣粉二次水化反應(yīng)不充分，因此就發(fā)揮不了兩者的作用。雙摻粉煤灰和?；郀t礦渣粉的混凝土后期強(qiáng)度高于單摻粉煤灰或者單摻粒化高爐礦渣粉的混凝土。這是因?yàn)榉勖夯液土；郀t礦渣粉雖然本身顆粒很細(xì)小，但是作為散粒結(jié)構(gòu)，其自身也存在內(nèi)部空隙，而復(fù)摻粉煤灰和?；郀t礦渣粉使得兩者可以互相填充，使得混凝土更加密實(shí)，強(qiáng)度更高。另外，由于試驗(yàn)采用的粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰，其活性更高，而?；郀t礦渣粉為 S95級(jí)礦渣粉，相對(duì)粉煤灰活性指數(shù)偏低，因此無(wú)論單摻還是復(fù)摻，相同條件下粉煤灰摻量大的混凝土其強(qiáng)度偏高。

2.2 早期干縮性

圖1為3組混凝土不同齡期的干燥收縮率?？梢钥闯?，C-1基準(zhǔn)混凝土的各齡期干縮率均大于單摻粉煤灰的C-4混凝土或復(fù)摻粉煤灰和?；郀t礦渣粉的C-6混凝土。C-1基準(zhǔn)混凝土28d的干燥收縮率為0.20%，而單摻粉煤灰的C-4混凝土28d的干燥收縮率為0.18%，為C-1混凝土的90%，而復(fù)摻粉煤灰和粒化高爐礦渣粉的 C-6混凝土 28d干燥收縮率為0.16%，僅為C-1混凝土的80%。這是因?yàn)榉勖夯液土；郀t礦渣粉的摻入改變了混凝土的水化進(jìn)程，使得水化產(chǎn)物和孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變了凝膠孔水、吸附水、層間水之間的比例，并最終導(dǎo)致早期收縮。另一方面，由于粉煤灰和?；郀t礦渣粉的摻入延緩了水化進(jìn)程，也會(huì)減少收縮。復(fù)摻粉煤灰和粒化高爐礦渣粉的C-6混凝土干燥收縮率較C-4混凝土還小的原因是粉煤灰和?；郀t礦渣粉的疊加效應(yīng)，使得混凝土更加密實(shí)，水分更不易向外散失。

圖1 3組混凝土各齡期干燥收縮率

2.3 抗凍性

圖2為3組混凝土凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化率曲線。分析圖2可以看出，C-1基準(zhǔn)混凝土在凍融循環(huán) 100次時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率達(dá)到了45.7%，即已經(jīng)被凍壞，而單摻粉煤灰的C-4混凝土在凍融循環(huán) 225次時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率為39.6%，混凝土試件被凍壞，而復(fù)摻粉煤灰和?；郀t礦渣粉的C-6混凝土在凍融循環(huán)300次后，相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)H損失6%，沒(méi)有被凍壞。說(shuō)明粉煤灰和?；郀t礦渣粉的微骨料效應(yīng)和二次水化作用可以優(yōu)化混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，降低混凝土內(nèi)部開(kāi)口孔隙比例，增加細(xì)小封閉孔隙比例，提高混凝土的密實(shí)度，從而改善混凝土抗凍能力，因此，摻礦物摻合料的混凝土抗凍性能優(yōu)于普通混凝土。

圖2 混凝土動(dòng)彈性模量變化率曲線

2.4 抗氯離子滲透性

分析圖3可知，C-1基準(zhǔn)混凝土的電通量較高，28 d電通量為1 642 C，56 d電通量為1 450 C。這是由于基準(zhǔn)混凝土未摻入任何礦物摻合料，砂顆粒之間的空隙只能依靠水泥來(lái)填充，由于水泥本身也為散粒材料，顆粒間也存在空隙，這部分空隙在基準(zhǔn)混凝土中僅能靠水填充，當(dāng)水化完成后，多余的水分向外散失，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部形成大量的過(guò)水通道，使得混凝土的密

實(shí)性差，混凝土內(nèi)部與外界聯(lián)通孔隙多，其抗氯離子滲透性就差。單摻粉煤灰的C-4混凝土電通量有明顯的降低，28 d電通量為1 027 C，56 d電通量為821 C，低于基準(zhǔn)混凝土的電通量，這是因?yàn)樵谒嗟幕A(chǔ)上，又添加了一種細(xì)粒徑的材料，使得砂顆粒之間的空隙靠?jī)煞N不同細(xì)度的粉體來(lái)填充，可以較好發(fā)揮顆粒不同粒徑的填充效果，使得密實(shí)度較高，電通量較小。復(fù)摻粉煤灰和粒化高爐礦渣粉的C-6混凝土28 d電通量為784 C，56 d電通量651 C，電通量明顯降低。這是由于不同粒徑材料的填充顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。因此要配制抗氯離子滲透性能優(yōu)良的混凝土，一定要提高混凝土的密實(shí)性。

圖3 混凝土電通量測(cè)試值

2.5 耐磨性

表5給出了3組混凝土單位面積上的磨耗損失量。分析可知，C-1基準(zhǔn)混凝土耐磨性最差，復(fù)摻粉煤灰和粒化高爐礦渣粉的C-6混凝土耐磨性最好。這是因?yàn)殡m然3種混凝土的最終水化產(chǎn)物的種類相同，但是由于粉煤灰和?；郀t礦渣粉在激發(fā)劑的作用下將發(fā)生二次水化反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中氫氧化鈣作為激發(fā)劑被大量消耗的同時(shí)，生成大量的水化硅酸鈣凝膠，所以摻摻合料的混凝土中凝膠含量高于基準(zhǔn)混凝土。由于氫氧化鈣晶體生長(zhǎng)具有一定的定向性，影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性，而摻礦物摻合料的混凝土削弱了這種影響，且使氫氧化鈣晶體細(xì)化。另外，由于二次水化反應(yīng)混凝土中水化硅酸鈣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)也將由纖維狀轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)狀，使混凝土內(nèi)部孔隙得到進(jìn)一步細(xì)化，從而使得對(duì)混凝土性能產(chǎn)生危害的大孔的比例大大降低;摻礦物摻合料后小孔徑的孔隙率增加。這是因?yàn)榉磻?yīng)中形成的凝膠是微觀多孔物質(zhì)，它們填充進(jìn)大的毛細(xì)孔隙，將一個(gè)含有大的毛細(xì)孔隙的體系轉(zhuǎn)化成包含無(wú)數(shù)微孔的體系，使得結(jié)構(gòu)致密。對(duì)提高混凝土耐磨性非常有益。

表5 混凝土單位面積磨耗量

3 結(jié)論

1)摻礦物摻合料的混凝土早期強(qiáng)度低于不摻礦物摻合料的基準(zhǔn)混凝土，但隨著二次水化反應(yīng)和礦物摻合料摻量的增大，后期強(qiáng)度普遍呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢(shì)。

2)不同礦物摻合料雙摻，由于粒徑不同會(huì)相互填充，從而產(chǎn)生超疊加效應(yīng)。這種超疊加效應(yīng)有效降低了混凝土的孔隙率，使有害的粗大連通孔轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小封閉的無(wú)害孔或者少害孔，優(yōu)化了混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，使得摻礦物摻合料的混凝土抗凍性、抗氯離子滲透性、耐磨性等耐久性能均得到顯著提高。

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(責(zé)任審編 葛全紅)

TU528

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.34

2015-05-22;

:2015-07-20

甘肅省建設(shè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(JK2013-52)

張小龍(1975— )，男，甘肅隴西人，高級(jí)工程師。

1003-1995(2015)09-0121-04