粉煤灰摻量對(duì)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土抗壓強(qiáng)度影響研究

李建文, 鐘 菘,2,3, 李思源, 茍晨銘, 艾福斌, 甘國(guó)鑫

(1.攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，四川攀枝花 617000； 2.中材建設(shè)有限公司，北京 100176；3. 西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都 610039)

粉煤灰摻量對(duì)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土抗壓強(qiáng)度影響研究

李建文1, 鐘 菘1,2,3, 李思源1, 茍晨銘1, 艾福斌1, 甘國(guó)鑫1

(1.攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，四川攀枝花 617000； 2.中材建設(shè)有限公司，北京 100176；3. 西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都 610039)

為研究粉煤灰摻量對(duì)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律，本試驗(yàn)用粉煤灰代替水泥摻入量的0 %、5 %、10 %、15 %、20 %、25 %和30 %進(jìn)行研究，通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的7 d、14 d和28 d抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明：高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加，其強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減少的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰摻量為20 %時(shí)，高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值；當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)20 %時(shí)，高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)減小的發(fā)展規(guī)律。

高鈦型高爐渣； 粉煤灰； 抗壓強(qiáng)度

目前攀西地區(qū)用高鈦型高爐渣作混凝土骨料被認(rèn)為是綜合利用礦渣材料的有效途徑之一。這不僅解決了高鈦型高爐渣占用大量土地、污染環(huán)境等問(wèn)題，還節(jié)約大量的建筑材料，減少砂、石的大量開(kāi)采。高鈦型高爐渣混凝土在攀西地區(qū)的研究成果逐漸趨向成熟,工程建設(shè)的許多領(lǐng)域都開(kāi)始大量使用高鈦型高爐渣混凝土[1]。基于無(wú)砂混凝土被普遍運(yùn)用在道路、地基處理和邊坡支護(hù)等工程領(lǐng)域中，利用高鈦型高爐渣制備無(wú)砂混凝土具有以下幾點(diǎn)重要意義：可以較大幅度降低成本；拓寬高鈦型高爐渣的應(yīng)用領(lǐng)域；完善高鈦型高爐渣混凝土的系統(tǒng)性研究；具有明顯的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，有利于攀西地區(qū)城市建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的試驗(yàn)研究基本

處于空白階段，因此，對(duì)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的試驗(yàn)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)原材料

高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土是由水泥漿包裹高鈦型高爐渣碎石形成骨架孔隙結(jié)構(gòu)的混凝土材料。水泥、水和高鈦型高爐渣碎石是組成高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的主要成份。

1.1 水泥

水泥是高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的重要組成材料，本試驗(yàn)采用攀枝花市瑞豐建材公司生產(chǎn)的P.O.42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥。該水泥符合標(biāo)準(zhǔn)GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》的要求，其物理力學(xué)性能如表1所示。

1.2 高鈦型高爐渣碎石

高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土對(duì)集料顆粒的形狀、表觀情況、吸水率和顆粒級(jí)配等有一定的要求，本試驗(yàn)碎石采用攀枝花環(huán)業(yè)公司生產(chǎn)的高鈦型高爐渣碎石(圖1、圖2)，其形狀、表觀情況、吸水率和顆粒級(jí)配較普通碎石較差，對(duì)配制無(wú)砂混凝土有一定的影響。本實(shí)驗(yàn)骨料采用粒徑在4.75～19 mm的高鈦型高爐渣碎石，其基本性能如表2、表3所示。

1.3 粉煤灰

粉煤灰采用攀枝花市鋼城集團(tuán)綜合工業(yè)分公司生產(chǎn)粉煤灰，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4，該粉煤灰為F類Ⅰ級(jí)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 攪拌工藝

高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土不摻細(xì)骨料，在高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的攪拌過(guò)程中，需要特別注意材料間的添加順序，先將攪拌工具用水潤(rùn)濕，按固定的配合比設(shè)計(jì)，計(jì)算出每次試驗(yàn)所需原材料用量[3]。先將高鈦型高爐渣粗骨料放在混凝土攪拌機(jī)中，將20 %的水灑在粗骨料表面，開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)，讓粗骨料潤(rùn)濕，攪拌30 s后，停止攪拌機(jī)，摻入水泥及所需的粉煤灰，攪拌30 s后，倒入剩余的水，邊加水邊攪拌，攪拌時(shí)間為90 s后，停止攪拌，最后將拌合好的混合料裝入150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試模中。

2.2 成型工藝

高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土含有大量的孔隙，在成型過(guò)程中與普通混凝土有很大的區(qū)別。普通混凝土在制作成型過(guò)程中通常采用振動(dòng)成型，其目的是使混凝土密實(shí)，可以提高混凝土的強(qiáng)度及耐久性。但高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的結(jié)構(gòu)不同于普通混凝土，高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土粗骨料表面由水泥漿包裹嵌合而成，骨料間存在大量的孔隙，在成型制作過(guò)程中不宜采用振動(dòng)或插搗的方法，采用振動(dòng)的方法會(huì)使粗骨料表面的水泥漿被振失，水泥漿下滑會(huì)堵塞底部孔隙，不利于無(wú)砂混凝土的排水，同時(shí)粗骨料表面失去水泥漿，不利于骨料間的粘結(jié)，影響高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的抗壓強(qiáng)度；采用插搗的方法，同樣會(huì)由于插搗棒的沖擊力使粗骨料表面的水泥漿下滑，堵塞其下部孔隙，不利于無(wú)砂混凝土的排水，同時(shí)粗骨料表面失去水泥漿，不利于骨料間的粘結(jié)，影響高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的抗壓強(qiáng)度性能。所以高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土在成型制作過(guò)程中采用靜壓成型，靜壓成型的方法能更好的實(shí)現(xiàn)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土集料間的嵌合密實(shí)，同時(shí)水泥漿也不會(huì)下沉堵塞下部孔隙[4]。本試驗(yàn)的具體方法是將拌合好的高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土分兩層裝入標(biāo)準(zhǔn)試模中，拌合料高出試模沿10 mm左右。然后在拌合料上方放置一塊150 mm×150 mm×30 mm的壓板，尺寸與試模尺寸對(duì)應(yīng)，用試驗(yàn)壓力機(jī)以0.5 kN/s的速度施壓至30 kN，穩(wěn)定該壓力值1 min，然后卸壓，標(biāo)準(zhǔn)試塊成型制作完成。

2.3 試塊養(yǎng)護(hù)方法

高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土試塊在成型24 h后脫模，按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法：在相對(duì)濕度95 %、溫度20℃±2℃的環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2.4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法

高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)根據(jù)JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中T0553-2005的方法。試塊的加載速度以0.3～0.5 MPa/s的速度進(jìn)行加載，每組配合比分別測(cè)其7 d、14 d和28 d抗壓強(qiáng)度，以3個(gè)試塊測(cè)試值的算術(shù)平均值作為該組配合比的抗壓強(qiáng)度值，計(jì)算結(jié)果精確至0.01 MPa。

高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：fcu為試塊的抗壓強(qiáng)度(MPa)；F為試塊破壞時(shí)的最大壓力(N)；A為試塊的截面面積(mm2)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)用粉煤灰代替水泥摻入量的0 %、5 %、10 %、15 %、20 %、25 %和30 %進(jìn)行研究分析，配合比設(shè)計(jì)中水灰比為0.5，灰集比為1∶5，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的7 d、14 d和28 d抗壓強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)比分析，研究不同粉煤灰摻量對(duì)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5、圖3。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)摻入粉煤灰后，高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的早期強(qiáng)度偏低，后期強(qiáng)度表現(xiàn)為正常。這是因?yàn)榉勖夯翌w粒非常穩(wěn)定，表面致密，粉煤灰中的活性物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)進(jìn)行比較緩慢，反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠非常少，導(dǎo)致粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度偏低。當(dāng)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土養(yǎng)護(hù)到7 d左右時(shí)，混合物中的Ca(OH)2濃度開(kāi)始增大，并向孔隙中滲透，此時(shí)與粉煤灰顆粒開(kāi)始頻繁接觸，進(jìn)行水化反應(yīng)，生成的C-S-H凝膠物質(zhì)與水泥熟料水化生成穩(wěn)定的產(chǎn)物，進(jìn)而增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，因此，混凝土的中后期強(qiáng)度表現(xiàn)正常。同時(shí)，粉煤灰本身對(duì)混凝土具有改性作用，可以提高混凝土的強(qiáng)度。這是因?yàn)楦哜佇透郀t渣無(wú)砂混凝土粗骨料與水泥漿界面結(jié)合處堆積著大量的Ca(OH)2，造成界面結(jié)合處成為無(wú)砂混凝土的薄弱區(qū)域，而粉煤灰的火山灰可以與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝體，增強(qiáng)了粗骨料與水泥漿之間的粘結(jié)力，從而提高高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的整體強(qiáng)度。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：

(1)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰的增加其強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減少的發(fā)展趨勢(shì)。

(2)當(dāng)粉煤灰摻量為20 %時(shí)，高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，這是粉煤灰的火山灰與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，使生成C-S-H 凝膠的質(zhì)量得以提高，數(shù)量增多，水泥石與粗骨料的界面結(jié)構(gòu)得到大幅改善，使高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的強(qiáng)度提高。

(3)當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)20 %時(shí)，高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的抗壓強(qiáng)度慢慢減小，這是因?yàn)殡S著粉煤灰的增加，水泥和粉煤灰的水化反應(yīng)進(jìn)行較慢，水泥漿中存在大量沒(méi)有水化的粉煤灰，漿體中水泥的量比較少，從而導(dǎo)致無(wú)砂混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

[1] 黃雙華,陳偉,孫金坤.高鈦型高爐渣在混凝土材料中的應(yīng)用[J].新型建筑材料,2006(11):71-73.

[2] 刑振賢,張艷鴿.無(wú)砂大孔混凝土的生態(tài)性能[J].低溫建筑技術(shù),2010(12).

[3] 鄭木蓮.多孔混凝土排水基層研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2004.

[4] 陶新明.無(wú)砂大孔混凝土配合比設(shè)計(jì)、成型和養(yǎng)護(hù)[J].混凝土，2010(10):136-141.

獲得2016年攀枝花學(xué)院國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助(項(xiàng)目編號(hào):201611360028)

李建文(1997～)，女，專科，建筑工程技術(shù)專業(yè)。

鐘菘(1987～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程。

TU528.2

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[定稿日期]2017-03-12