礦渣粉對水泥混凝土抗裂性及強(qiáng)度的影響研究

李金京 劉占良

摘要：為了研究礦渣粉對優(yōu)化混凝土抗裂性及強(qiáng)度的影響問題，通過自制試驗(yàn)工具進(jìn)行礦渣粉摻量對混凝土抗裂性能影響的試驗(yàn)，同時對混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：礦渣粉對水泥混凝土的初始開裂時間和裂縫寬度都有較大影響，并且存在最佳摻量；礦渣粉的增加對于混凝土強(qiáng)度的影響有限。

關(guān)鍵詞：水泥混凝土；礦渣粉；抗壓強(qiáng)度；試驗(yàn)研究

中圖分類號：U414文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

近年來，水泥混凝土的生產(chǎn)技術(shù)不斷的進(jìn)步，其中如何使用高效添加劑優(yōu)化混凝土性能是一個重要的研究方向。通過使用不同性能的高效添加劑，設(shè)計人員可以使混凝土達(dá)到差異性的工程要求。另一方面，抗裂性一直是評價水泥混凝土性能優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)，因?yàn)橐话愕幕炷两Y(jié)構(gòu)物在施工一段時間后往往會出現(xiàn)大量的細(xì)微裂縫，這些裂縫受到腐蝕不僅會加速混凝土工作性能的退化，而且還會增加混凝土遭受其他病害的接觸面，使混凝土內(nèi)部的鋼筋受到腐蝕，加速了混凝土性能衰減[1]。因此，通過使用添加劑來優(yōu)化水泥混凝土的抗裂性就成為了一個重要的研究方向[23]。

礦渣粉作為選礦或冶煉后的殘余物，是目前最常用的礦物摻合料之一，已有的研究成果表明，摻入礦渣粉確實(shí)對水泥混凝土的抗裂性能具有重要的影響。

基于上述原因，本文擬對礦渣粉對水泥混凝土的抗裂性能及強(qiáng)度的影響進(jìn)行深入研究，以初始開裂時間和28 d的裂縫寬度為評價指標(biāo)，通過圓環(huán)開裂試驗(yàn)來探討不同摻量的礦渣粉對混凝土開裂性能的影響，并對其最佳摻量進(jìn)行確定。

1材料制備和試驗(yàn)方法設(shè)計

1.1原材料制備

水泥為“太行”牌42.5#普通硅酸鹽水泥，各種指標(biāo)見表1；石料采用5～20 mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石；沙料為河沙，級配良好，是細(xì)度模數(shù)為2.7的Ⅱ區(qū)中砂；礦渣為S95型礦渣粉，具體化學(xué)組分見表1；外加劑為江蘇產(chǎn)FDN萘系高效減水劑。

表1水泥、粉煤灰及礦渣的化學(xué)組分

品種化學(xué)組成/%

SiO2CaOAl2O3Fe2O3MgOK2OSO3其他燒失量

水泥21.4562.075.463.841.061.022.750.571.78礦渣34.7546.1510.520.931.040.591.432.73 1.86

1.2試驗(yàn)方法

本文采用圓環(huán)開裂試驗(yàn)來評價混凝土受約束后開裂的性能，圓環(huán)內(nèi)徑為245 mm，外徑為275 mm，高為150 mm。本試驗(yàn)采用無粗骨料混凝土，即混凝土拌和完畢后篩除粗集料，然后立即澆注。通過振動使混凝土密實(shí)，并用塑料膜覆蓋，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)（相對溫度為20 ℃，濕度在95%以上）。48 h后移除養(yǎng)護(hù)環(huán)模，并在混凝土環(huán)的上表面涂上水玻璃阻止水分揮發(fā)，然后將試件移至干燥室中（相對溫度為20 ℃，濕度在65%以上）進(jìn)行保護(hù)。采用25倍的顯微鏡觀察混凝土表面裂紋，在混凝土表面出現(xiàn)裂紋前每12 h觀察一次，并記錄初始開裂時間t。從試件移至干燥室算起，28 d后測量混凝土試件表面的裂紋寬度，測量方法是用25倍帶刻度顯微鏡沿高度方向均勻選取十個點(diǎn)測量裂縫寬度，并計算出平均值Wd。使用初始開裂時間t和裂縫寬度Wd作為表征不同配比混凝土抵抗約束開裂的能力?；炷翀A環(huán)開裂試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1試驗(yàn)裝置示意

1.3配合比

混凝土的配合比是影響其使用性能的一個重要因素，其設(shè)計的合理與否會對混凝土的施工性能產(chǎn)生重要的影響。為了使研究成果具有一般性，本文使用了規(guī)范推薦的級配[45]，具體如表2所示。

2試驗(yàn)方案制定及結(jié)果分析

本文為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和實(shí)用性，制定了如下試驗(yàn)方案。通過調(diào)整礦渣粉與水泥和礦渣粉混合量的比例來研究其對水泥混凝土抗裂性的影響，并且對礦渣粉的最佳摻量進(jìn)行確定；然后再對水泥混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，以分析礦渣粉摻量對其強(qiáng)度的影響。

表2混凝土配合比

編號水膠比砂率/%

單方混凝土材料用量/（kg·m-3）

水泥礦渣石子砂水

基準(zhǔn)0.3050.3847001 050668139

20%0.3050.38375951 050668139

30%0.3050.383281421 050668139

40%0.3050.382811891 050668139

50%0.3050.382342361 050668139

60%0.3050.381872831 050668139

70%0.3050.381403281 050668139

注：外加劑用量按照混凝土坍落度控制在17～21 cm之間添加。

2.1礦渣粉對混凝土初始開裂時間的影響分析

從圖2可以得出，隨著礦渣粉摻量的增加，水泥混凝土初始開裂時間會出現(xiàn)先下降后增加再下降的倒“N”字型變化趨勢；當(dāng)混凝土中摻加的礦渣粉含量在20%～40%的范圍內(nèi)時，試件初始開裂時間低于基準(zhǔn)試件初試開裂時間；當(dāng)?shù)V渣粉摻量在40%時，試件初始開裂時間比基準(zhǔn)試件增加了035 d，提高了21%；當(dāng)?shù)V渣粉摻量超過40%時，試件初始開裂時間又出現(xiàn)縮短的現(xiàn)象，并低于基準(zhǔn)試件的初始開裂時間；當(dāng)?shù)V渣粉摻量在70%時，試件的初始開裂時間僅為基準(zhǔn)試件的55%。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加礦渣粉的含量在40%左右時，對于混凝土的初始開裂時間有一定的提高。

圖2混凝土初始開裂時間隨礦渣粉摻量的變化趨勢

當(dāng)?shù)V渣粉摻量在20%左右時，其初始開裂時間相對于基準(zhǔn)試件有明顯的縮短。這主要是因?yàn)榇藭r的礦渣摻量較少，對水泥混凝土的開裂抑制作用不明顯，而減少的水泥含量卻對混凝土早期強(qiáng)度產(chǎn)生較多的影響，所以導(dǎo)致了其初始開裂時間縮短。endprint

2.2礦渣粉對水泥混凝土裂縫寬度的影響分析

在混凝土圓環(huán)開裂試驗(yàn)中，隨著礦渣粉摻量的增加，水泥混凝土的裂縫寬度呈現(xiàn)出先減小后增大的“N”字型變化趨勢；當(dāng)?shù)V渣粉摻量在20%～40%時，裂縫寬度相較基準(zhǔn)變化不大；當(dāng)?shù)V渣粉摻量為40%左右時，裂縫寬度較基準(zhǔn)試件減小了14%；當(dāng)?shù)V渣粉量為70%時，較基準(zhǔn)試件增加了20%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，礦渣粉摻量對水泥混凝土裂縫寬度的影響存在一個極小值，即存在最佳摻量。試驗(yàn)證明，礦渣粉摻量為30%～40%左右時，裂縫開裂寬度可以被最大程度地減少，如圖3所示。

圖3混凝土裂縫寬度隨礦渣粉摻量的變化趨勢

2.3礦渣粉的摻量對混凝土對水泥混凝土抗壓強(qiáng)度的影響分析

隨著礦渣粉的摻入，水泥混凝土28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出類似初始開裂時間的變化趨勢，即先下降后增長再下降。這是由于隨著礦渣粉摻量的增長，水泥含量會相應(yīng)減少，而減少的礦渣粉含量又不足以對水泥混凝土強(qiáng)度的形成產(chǎn)生影響，所以其強(qiáng)度下降較大，為10.2%。當(dāng)?shù)V渣粉含量在30%～40%時，水泥混凝土強(qiáng)度會略有增加，其比基準(zhǔn)值增加了005%左右，這說明礦渣粉對混凝土強(qiáng)度起到了一定的積極作用；但是當(dāng)?shù)V渣粉含量大于40%時，水泥混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)了大幅度的下降，這主要是由于水泥含量減少的緣故，見圖4。所以僅從抗壓強(qiáng)度的角度看，礦渣粉的摻入量應(yīng)為30%～40%左右。

2.4礦渣粉的摻入對混凝土抗裂性及強(qiáng)度影響

當(dāng)混凝土中摻加礦渣粉時，礦渣對開裂的抑制作用比較明顯，且礦渣粉存在一個最佳摻量。在這個范圍內(nèi)，初始開裂時間開始延長，裂縫寬度也有所下降，同時其抗壓強(qiáng)度也沒有明顯的下降。根據(jù)本

圖4混凝土抗壓強(qiáng)度隨礦渣粉摻量的變化趨勢

課題的研究結(jié)果，最佳摻量應(yīng)為30%～40%左右。

3結(jié)語

通過對不同摻量礦渣粉的水泥混凝土圓環(huán)開裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)論。

（1） 隨礦渣粉摻量的增加，水泥混凝土的初始開裂時間會呈現(xiàn)先降低后增長再降低的倒“N”字型變化規(guī)律；并且當(dāng)摻量為40%時，初始開裂時間出現(xiàn)最大值。

（2） 隨礦渣粉摻量的增加，水泥混凝土的裂縫開裂寬度會呈現(xiàn)先增長后降低再增長的 “N”字型變化規(guī)律；并且當(dāng)摻量為30%～40%時，裂縫開裂寬度出現(xiàn)最小值。

（3） 隨礦渣粉摻量的增加，水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度會呈現(xiàn)先降低后增長再降低的倒“N”字型變化規(guī)律；并且當(dāng)摻量為30%～40%時，混凝土抗壓強(qiáng)度的降幅出現(xiàn)最小值。

（4） 通過對摻加礦渣粉的水泥混凝土的初始開裂時間、裂縫寬度和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，礦渣粉摻量為30%～40%時，水泥混凝土的綜合性能可以得到較大的提高。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]endprint