礦物摻合料對(duì)膠砂力學(xué)性能試驗(yàn)研究

潘帥

（中鐵二十局集團(tuán)市政工程有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 前言

近十幾年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，混凝土用量不斷增加，僅2011年我國(guó)商品混凝土用量就達(dá)7.42億立方米，2011-2017年用量大幅增長(zhǎng)，平均增幅在20%以上，截止2017年底，商品混凝土用量已達(dá)18.68億立方米[1-2]。商品混凝土類(lèi)似，近年來(lái)混凝土用量也持續(xù)增長(zhǎng)，2011-2017年平均增幅7.8%，2017年更是達(dá)到28.94億立方米的極值?；炷劣昧康脑黾?，使得水泥用量也持續(xù)增加[3]，然而水泥的生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)大量消耗資源和能源的過(guò)程，同時(shí)大量排放 CO2氣體和粉塵，使大氣溫室效應(yīng)加劇，環(huán)境遭受?chē)?yán)重污染，這與當(dāng)前國(guó)家建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的戰(zhàn)略需求嚴(yán)重不符[4]。同時(shí)砼企日益增多，供給側(cè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整使得砼企行業(yè)利潤(rùn)壓縮，因此，混凝土企業(yè)必須依靠科技走向可持續(xù)發(fā)展道路，提高混凝土質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，增加企業(yè)利潤(rùn)[5-6]?；诖?，本文設(shè)計(jì)膠砂力學(xué)性能試驗(yàn)，研究分析硅灰和粉煤灰替代量對(duì)其抗壓、抗折強(qiáng)度的影響，以找出粉煤灰、硅灰的最佳摻量。

粉煤灰是從燃燒煤的鍋爐煙氣中收集的粒狀灰粒，又叫做“飛灰”亦或是“磨細(xì)燃料灰”[7]。粉煤灰對(duì)混凝土性能的的影響是其顆粒形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)共同作用的結(jié)果[8]。微硅粉又叫硅灰或稱(chēng)凝聚硅灰，是鐵合金在冶煉硅鐵和工業(yè)硅（金屬硅）時(shí)，礦熱電爐內(nèi)產(chǎn)生出大量揮發(fā)性很強(qiáng)的SiO2氣體，在氣體排放后與空氣迅速氧化冷凝沉淀而成[9]。硅灰顆粒小，比表面積大，二氧化硅含量多，火山灰活性高，硅灰使用于混凝土，一方面起超細(xì)填充料的作用，填充在水泥顆粒周?chē)?，使?jié){體更為緊密[10-11]；另一方面在早期水化過(guò)程中起晶核作用，并有高的火山灰活性，它與水泥水化生成的氫氧化鈣結(jié)合生成水化硅酸鈣凝膠，這些凝膠堵塞在毛細(xì)管中，使毛細(xì)孔變小且不連續(xù)[12-13]。

粉煤灰和硅灰的摻入，不僅降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)改善了混凝土相關(guān)性能，然而受到粉煤灰和硅灰性能等諸多材料方面的影響，使得礦物摻合料的摻量并不是一成不變的，且張駿等學(xué)者多從粉煤灰、硅灰單因素方面著手，使得成果應(yīng)用受到一定的限制[14-15]。因此，研究礦物摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響還是很有必要的。

2 原材料及試驗(yàn)過(guò)程

為充分研究粉煤灰與硅灰對(duì)混凝土膠接性能的影響，本文以膠砂基準(zhǔn)配合比為依據(jù)，在此基礎(chǔ)之上，用粉煤灰和硅灰替代部分水泥，其粉煤灰替代量分別為10%、15%、20%、25%及30%，粉煤灰替代量分別為3%、6%及9%，各材料具體用量如表1所示，其主要材料包括水泥、粉煤灰、硅灰、機(jī)制砂等，部分材料性能指標(biāo)如表2、表3所示。

根據(jù)表1配合比成型膠砂試件，成型后24h拆模，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度20±3℃；濕度RH≥95%）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待齡期分別為3d、7d、28d及56d時(shí)對(duì)其進(jìn)行抗壓和抗折強(qiáng)度測(cè)試。抗折強(qiáng)度用電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定，抗壓強(qiáng)度用微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，試驗(yàn)過(guò)程及所用設(shè)備如圖1所示。

表1 水泥基膠砂配合比設(shè)計(jì)

圖1 試驗(yàn)過(guò)程所用設(shè)備

表2 粉煤灰各項(xiàng)性能指標(biāo)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 硅粉單摻時(shí)摻量對(duì)膠砂力學(xué)性能影響結(jié)果分析

在基準(zhǔn)膠砂配合比的基礎(chǔ)上，僅用硅灰代替部分水泥，其力學(xué)性能變化規(guī)律如圖2所示。從抗折強(qiáng)度圖上可以觀察到隨著硅灰摻量的增加，其抗折強(qiáng)度平穩(wěn)增加，以9%硅灰摻量時(shí)的抗折強(qiáng)度最高。同時(shí)，從不同齡期的抗折強(qiáng)度值中發(fā)現(xiàn)，9%硅灰摻量時(shí)的抗折值較未摻硅灰時(shí)的抗折強(qiáng)度值增加4.2%-12.65%之多，以3d和28d時(shí)增加的最多，效果最為明顯。從抗壓強(qiáng)度圖中看到，隨著硅灰摻量的增加，抗壓值都有不同程度的增加，其中3d和7d時(shí)增加較為平緩，28d和56d時(shí)增加較大，從后期強(qiáng)度變化之中可以明顯得到硅灰摻量的增加抗壓強(qiáng)度值增加較快。不同齡期下9%硅灰摻量抗壓值較未摻時(shí)增加10.12%-20.37%，表明硅灰的加入，明顯提高了試件的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)觀察兩幅圖可以看到，硅灰的摻入，提高了力學(xué)性能，且抗壓強(qiáng)度值變化較抗折強(qiáng)度值更加明顯與敏感。此外，對(duì)比不同礦粉摻量的膠砂力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，隨著齡期的增加，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均逐漸增加，且初期增加幅度較大，而28d以后增幅較小，表明膠凝材料水化主要在28d內(nèi)發(fā)生，后期水化減緩。

表3 硅灰各項(xiàng)性能指標(biāo)

3.2 礦物摻合料復(fù)摻時(shí)粉煤灰摻量對(duì)膠砂力學(xué)性能影響結(jié)果分析

圖2 不同硅灰摻量下膠砂力學(xué)性能圖

為研究粉煤灰摻量對(duì)膠砂力學(xué)性能的影響，在硅灰摻量一定的情況下，分別用粉煤灰替代部分水泥，其替代量分別為10%、15%、20%、25%、30%，其在不粉煤灰摻量下的強(qiáng)度值變化規(guī)律如圖3、圖4、圖5所示。

從圖3中可以觀察到，對(duì)于硅灰摻量為3%的膠砂試件，初期（3d、7d）抗折強(qiáng)度值隨著粉煤灰摻量的增加基本呈穩(wěn)定變化，3d強(qiáng)度值甚至略有降低，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，20%粉煤灰替代量的膠砂表現(xiàn)出了最高的抗折強(qiáng)度值，此后，粉煤灰量增加，抗折強(qiáng)度值減少，甚至低于低粉煤灰替代量的膠砂。從抗壓強(qiáng)度值來(lái)看，3d時(shí)的強(qiáng)度值持續(xù)降低，7d、28d及56d強(qiáng)度值呈現(xiàn)出波動(dòng)式變化，并在粉煤灰替代量為20%時(shí)出現(xiàn)波峰，但其波峰數(shù)值略低于10%粉煤灰替代量時(shí)的抗壓值。從兩類(lèi)力學(xué)性能指標(biāo)整體發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅灰替代量為3%時(shí)，粉煤灰替代量在20%出現(xiàn)峰值點(diǎn)，且10%-20%替代量之間的膠砂力學(xué)值要高于20%-30%之間的力學(xué)值。同時(shí)從齡期角度觀察，各膠砂力學(xué)值均隨著齡期的增加而增加，其中3d-7d時(shí)的抗壓、抗折強(qiáng)度值變化最大，及至28d后增加幅度減小，表明膠凝材料水化主要發(fā)生在28d之前。

從圖4中可以看到，當(dāng)膠砂中硅灰摻量為6%時(shí)，其抗折強(qiáng)度值變化較為波動(dòng)，3d的抗折值在20%粉煤灰替代量時(shí)達(dá)到最大，而7d時(shí)的抗折隨著粉煤灰替代量的增加持續(xù)降低，并在20%替代量時(shí)有一個(gè)較大的降低，齡期發(fā)展至28d時(shí)的抗折值已和56d齡期接近，都隨著粉煤灰摻量的增加而緩慢減小。從抗壓強(qiáng)度值變化來(lái)看，不同齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度值均隨著粉煤灰摻量的增加而降低，且降低幅度較為平穩(wěn)，10%替代量時(shí)抗壓強(qiáng)度值最高。對(duì)比兩類(lèi)力學(xué)值還可以觀察到，隨著齡期的增加，抗折強(qiáng)度值變化較大，抗壓強(qiáng)度值則較為平緩，但都在10%替代量時(shí)強(qiáng)度值最高，表明對(duì)于6%硅灰摻量的膠砂試件，粉煤灰摻量10%時(shí)最佳。

圖3 不同粉煤灰摻量下膠砂力學(xué)性能圖（硅灰摻量3%）

圖4 不同粉煤灰摻量下膠砂力學(xué)性能圖（硅灰摻量6%）

硅灰摻量為9%時(shí)不同粉煤灰摻量的膠砂強(qiáng)度值變化如圖4，從圖中可以看到，7d時(shí)的抗折強(qiáng)度值在不同粉煤灰替代量時(shí)平穩(wěn)變化，并在20%-25%之間時(shí)略有增加，而3d、28d及56d時(shí)的抗折值呈現(xiàn)出先減小后增加最后降低的波動(dòng)式變化，在粉煤灰摻量15%時(shí)出現(xiàn)最小值，在20%-25%時(shí)出現(xiàn)峰值，且30%粉煤灰替代量與10%替代量抗折強(qiáng)度值接近，表明僅從抗折強(qiáng)度看，除15%替代量膠砂力學(xué)值較差外，其它粉煤灰替代量對(duì)膠砂力學(xué)值均有改善提高。從抗壓強(qiáng)度值來(lái)看，3d時(shí)的強(qiáng)度值隨著粉煤灰替代量的增加而降低，齡期增至7d以后，則表現(xiàn)出先降低后增加再緩慢減小的變化特點(diǎn)，其中15%替代量時(shí)抗壓強(qiáng)度值最低，及至20%時(shí)達(dá)到峰值點(diǎn)，且波峰值比波谷值高出20%以上，力學(xué)值有明顯的提高。同時(shí)，20%-30%替代量的抗壓強(qiáng)度值也明顯高于10%替代量時(shí)的強(qiáng)度值，表明當(dāng)硅灰摻量較大為9%時(shí)，粉煤灰替代量較大的膠砂力學(xué)性能優(yōu)于摻量較小的膠砂試件。從兩類(lèi)力學(xué)指標(biāo)整體變化中可以發(fā)現(xiàn)，28d之前強(qiáng)度發(fā)展較快，后期強(qiáng)度變緩，20%-25%時(shí)有較優(yōu)的力學(xué)值，且抗壓強(qiáng)度變化較抗折強(qiáng)度更敏感。

綜上所述，在硅灰摻量一定時(shí)，膠砂試件的抗壓、抗折強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增大而變化。當(dāng)硅灰摻量為3%時(shí)，粉煤灰摻量在10%-20%時(shí)具有更好的力學(xué)性能。當(dāng)硅灰摻量為6%時(shí)，粉煤灰摻量越多，力學(xué)性能越差，10%粉煤灰摻量膠砂強(qiáng)度值最大。當(dāng)硅灰摻量為9%時(shí)，在粉煤灰摻量為20%時(shí)力學(xué)性能最佳，且20%-30%具有較好的性能。從兩類(lèi)力學(xué)指標(biāo)值中發(fā)現(xiàn)，抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的變化基本上表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，且抗壓強(qiáng)度較抗折強(qiáng)度更敏感。

圖5 不同粉煤灰摻量下膠砂力學(xué)性能圖（硅灰摻量9%）

3.3 礦物摻合料復(fù)摻時(shí)硅灰摻量對(duì)膠砂力學(xué)性能影響結(jié)果分析

為研究硅灰摻量對(duì)膠砂力學(xué)性能的影響規(guī)律，在粉煤灰摻量一定時(shí)分別用硅灰替代部分水泥，替代量分別為3%、6%、9%，其在不同齡期下的強(qiáng)度變化規(guī)律如圖6、圖7、圖8所示。

從圖6中可以觀察到，對(duì)于7d時(shí)的強(qiáng)度值，不同粉煤灰摻量下的膠砂試件隨著硅灰摻量的變化表現(xiàn)出了不同的變化規(guī)律，其中10%-15%硅灰摻量的膠砂試件抗壓與抗折強(qiáng)度值隨著硅灰摻量的增加均呈現(xiàn)出先升后降的變化特點(diǎn)，在6%時(shí)強(qiáng)度值最高，且低硅灰摻量強(qiáng)度值高于高硅灰摻量的膠砂強(qiáng)度值。而20%-30%之間的抗壓與抗折強(qiáng)度值隨著硅灰摻量的增加表現(xiàn)出先降后升的波動(dòng)特點(diǎn)，6%摻量時(shí)力學(xué)性能最差。此外，對(duì)比兩類(lèi)力學(xué)值發(fā)現(xiàn)，9%摻量時(shí)的膠砂抗折強(qiáng)度低于3%摻量時(shí)的強(qiáng)度值，而從抗壓強(qiáng)度值看，20%、25%、30%粉煤灰替代量的膠砂在硅灰摻量為9%時(shí)的抗壓強(qiáng)度高于3%摻量時(shí)的值，但兩類(lèi)力學(xué)性能指標(biāo)值表現(xiàn)出了相似的變化規(guī)律。

圖6 不同硅灰摻量下膠砂力學(xué)性能圖（7d）

硅灰摻量不同時(shí)膠砂試件在28d時(shí)的抗壓、抗折強(qiáng)度如圖7所示，從抗折強(qiáng)度圖中可以觀察到，除30%粉煤灰摻量外，其它各粉煤灰摻量的膠砂抗折強(qiáng)度隨著硅灰摻量增加呈現(xiàn)出先增加后降低的變化特點(diǎn)，且9%硅灰摻量的抗折強(qiáng)度值高于3%時(shí)的值，粉煤灰摻量最大的30%試件則隨著硅灰摻量增加而持續(xù)增加。從抗壓強(qiáng)度值來(lái)看，其變化規(guī)律與抗折強(qiáng)度有所不同，其中15%粉煤灰摻量的試件抗壓強(qiáng)度隨著硅灰摻量增加而持續(xù)降低，高粉煤灰摻量的20%、25%、30%則表現(xiàn)出先減小后增大的變化規(guī)律，6%時(shí)的強(qiáng)度最低，9%時(shí)的強(qiáng)度最高，整體來(lái)看，硅灰摻量越大，力學(xué)性能越好。

圖7 不同硅灰摻量下膠砂力學(xué)性能圖（28d）

56d時(shí)的力學(xué)性能指標(biāo)如圖8所示，從抗折圖中觀察到，粉煤灰摻量較大的25%、30%膠砂試件抗折強(qiáng)度值隨著硅灰摻量的增加而增加，而15%、20%的膠砂試件則隨著硅灰摻量增加而持續(xù)減少，且摻量越大，下降越快?？箟簭?qiáng)度變化則不同，20%-30%粉煤灰摻量時(shí)，硅灰增加時(shí)呈現(xiàn)出先降后升的變化特點(diǎn)，9%時(shí)的抗壓強(qiáng)度值最高，而10%、15%粉煤灰摻量的膠砂則隨著硅灰摻量的增加而緩慢降低，表明兩類(lèi)礦物摻合料摻量都較大時(shí)復(fù)合作用效果最好。

圖8 不同硅灰摻量下膠砂力學(xué)性能圖（56d）

綜上所述，當(dāng)粉煤灰摻量一定時(shí)，膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度值隨著硅灰摻量的變化而變化。對(duì)比不同齡期時(shí)的膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度值發(fā)現(xiàn)，抗壓強(qiáng)度變化較為相似，20%-30%粉煤灰摻量時(shí)膠抗壓強(qiáng)度值在9%硅灰摻量時(shí)性能最佳，10%和15%摻量的膠砂在6%硅灰摻量時(shí)性能較好?？拐蹚?qiáng)度值變化較為波動(dòng)，低粉煤灰摻量(10%-20%)時(shí)，以硅灰摻量為6%時(shí)較好，而對(duì)于高粉煤灰摻量的(25%-30%)膠砂，則以9%為最佳摻量。兩類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)中抗壓強(qiáng)度更穩(wěn)定，也更適合得到粉煤灰和硅灰的最佳摻量。

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

1）單摻硅灰時(shí)，膠砂力學(xué)性能得到提高，其抗壓和抗折強(qiáng)度均隨著硅灰摻量的增加而增加，且兩類(lèi)強(qiáng)度值均高于基準(zhǔn)膠砂，9%硅灰摻量時(shí)抗壓值較未摻時(shí)增加10.12%-20.37%，抗折強(qiáng)度值增加約4.2%-12.65%之多。

2）礦物摻合料復(fù)摻的情況下，當(dāng)硅灰摻量為3%時(shí)，粉煤灰摻量在10%-20%時(shí)具有更好的力學(xué)性能。當(dāng)硅灰摻量為6%時(shí)，粉煤灰摻量越多，力學(xué)性能越差，10%粉煤灰摻量膠砂強(qiáng)度值最大。當(dāng)硅灰摻量為9%時(shí)，在粉煤灰摻量為20%時(shí)力學(xué)性能最佳，且20%-30%具有較好的性能。

3）粉煤灰摻量一定時(shí)，膠砂抗壓強(qiáng)度變化較為相似，20%-30%粉煤灰摻量時(shí)膠抗壓強(qiáng)度值在9%硅灰摻量時(shí)性能最佳，10%和15%摻量的膠砂在6%硅灰摻量時(shí)性能較好?？拐蹚?qiáng)度值變化較為波動(dòng)，低粉煤灰摻量（10%-20%）時(shí)，以硅灰摻量為6%時(shí)較好，而對(duì)于高粉煤灰摻量的（25%-30%）膠砂，則以9%為最佳摻量。

4）從兩類(lèi)力學(xué)指標(biāo)值中發(fā)現(xiàn)，抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的變化基本上表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，且抗壓強(qiáng)度較抗折強(qiáng)度更穩(wěn)定，更適合得到粉煤灰和硅灰的最佳摻量。