不同養(yǎng)護(hù)溫度下超細(xì)礦物摻和料在水泥基體系中的強(qiáng)度貢獻(xiàn)差異

王月華 蔣睿 劉子科 何龍 翁智財 謝永江 胡建偉

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081

由于預(yù)應(yīng)力張拉、模具周轉(zhuǎn)等需求混凝土制品須具備較高的早期強(qiáng)度，故在其生產(chǎn)過程中多采用蒸汽養(yǎng)護(hù)。硅灰、礦粉、粉煤灰等工業(yè)副產(chǎn)品，最初因環(huán)保需求而消納在建筑材料中，如今已成為高性能混凝土必不可少的重要組分，對改善混凝土的工作性能、力學(xué)性能與耐久性發(fā)揮著積極作用。在新拌水泥混凝土中礦物摻和料的微填充效應(yīng)、形貌效應(yīng)、比重效應(yīng)及分散效應(yīng)可起到增塑減水作用［1］，其火山灰效應(yīng)則改善了混凝土中水泥石與集料之間的界面強(qiáng)度，降低了孔隙率，并使孔細(xì)化，同時生成更多C-S-H凝膠，提高了混凝土抗氯離子滲透能力［2］。超細(xì)磨粉煤灰、礦粉、硅灰三種摻和料中硅灰對水泥漿體密實(shí)性的改善效果最好［3］。粉煤灰、礦粉等在3 d前對混凝土抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)很小，但3 d后抗壓強(qiáng)度增長速率加快，有利于提升耐久性［4］。

除材料自身的物理化學(xué)特性外，養(yǎng)護(hù)條件對混凝土強(qiáng)度的發(fā)展同樣有著重要影響［5-6］。常壓90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下各種礦物摻和料的活性得以提高，水化反應(yīng)更加復(fù)雜，礦粉參與水化的程度高于粉煤灰［7］。對于粉煤灰、礦粉摻量均為50%的水泥砂漿，熱水轉(zhuǎn)空氣的養(yǎng)護(hù)方式可明顯改善砂漿的抗壓強(qiáng)度、吸水率與孔隙率［8］。

盡管相關(guān)研究已取得許多成果，但對水泥基體系試件在不同齡期的強(qiáng)度發(fā)展缺乏系統(tǒng)研究，且對單位用量摻和料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)尚無定量評價。為此，本文對摻有硅灰、超細(xì)礦粉、粉煤灰微珠的水泥砂漿分別在不同溫度條件下進(jìn)行早期養(yǎng)護(hù)，測試不同齡期試件強(qiáng)度，計算單位用量摻和料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)比，評價各材料在不同養(yǎng)護(hù)溫度下的強(qiáng)度貢獻(xiàn)差異，為混凝土養(yǎng)護(hù)條件的合理選擇、配合比的科學(xué)設(shè)計以及超細(xì)礦物摻和料的高質(zhì)化利用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥為海螺P·II 52.5級水泥（cement，C）。骨料為標(biāo)準(zhǔn)砂。超細(xì)礦物摻和料（簡稱摻和料）為北京江漢科技有限公司提供的硅灰（silica fume，SF）、山東盛世高鐵工程材料有限公司提供的超細(xì)礦粉（ultra-fine slag powder，US）、深圳道特科技有限公司提供的粉煤灰微珠（fly ash microsphere，F(xiàn)M）。粉體材料的物理化學(xué)性能見表1，C、US、FM的粒徑分布見圖1。

圖1 C、US、FM的粒徑分布

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)配合比見表2。SF系列中SF摻量分別為3%、5%，US與FM系列中US與FM摻量分別為5%、10%、15%、20%。為減少其他因素的影響，各系列采用統(tǒng)一的膠凝材料用量與水膠比，且不使用外加劑。

表2 試驗(yàn)配合比 g

1.3 養(yǎng)護(hù)方式

分別將各試件在20、40、60、80℃的蒸養(yǎng)箱中養(yǎng)護(hù)16 h后，移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度（20±2）℃，相對濕度不低于95%）中養(yǎng)護(hù)至7、28、56 d。蒸養(yǎng)箱升溫、降溫速率不大于15℃/h。測試各系列試件在8、16 h和7、28、56 d的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度。20℃條件下養(yǎng)護(hù)8 h試件強(qiáng)度過低，故強(qiáng)度測試從16 h開始。

1.4 測試和評價方法

參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》，采用尺寸為160 mm（長）×40 mm（寬）×40 mm（高）的棱柱體試件進(jìn)行強(qiáng)度測試。

蒲心誠教授［9］提出了水泥比強(qiáng)度的概念，即單位用量水泥熟料對水泥膠砂試件各齡期的強(qiáng)度貢獻(xiàn)。本文借鑒該思路，以不加入摻和料的各齡期試件中單位用量水泥的強(qiáng)度貢獻(xiàn)為基準(zhǔn)，計算摻有摻和料的各系列試件中單位用量摻和料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)，并通過其與單位用量水泥的強(qiáng)度貢獻(xiàn)之比，量化各摻和料在水泥膠砂試件中的火山灰活性大小。

采用基準(zhǔn)試件強(qiáng)度計算單位用量水泥的強(qiáng)度貢獻(xiàn)，計算公式為

在語文教學(xué)中，閱讀能力的掌握是學(xué)生掌握其他技能的重要基礎(chǔ)，只有對相關(guān)內(nèi)容有所理解，繼而才能夠更加高效地學(xué)習(xí)語文知識。甚至，學(xué)生的閱讀能力與其生活學(xué)習(xí)是息息相關(guān)的，也是其不可或缺的一部分。在以往的閱讀教學(xué)中，學(xué)生的主體性難以得到及時的發(fā)揮，并且無法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，因此教師必須積極轉(zhuǎn)變以往的教學(xué)方式，繼而可采用更加高效的教學(xué)方式進(jìn)行授課。

其中：Kc，t，a為早期養(yǎng)護(hù)溫度t、養(yǎng)護(hù)齡期a的基準(zhǔn)試件單位用量水泥的強(qiáng)度貢獻(xiàn)，MPa；Rc，t，a為基準(zhǔn)試件強(qiáng)度，MPa。

單位用量摻和料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)的計算公式為

其中：Ks，t，a為早期養(yǎng)護(hù)溫度t、養(yǎng)護(hù)齡期a的試件中單位用量摻和料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)，MPa；Rs，t，a為摻有摻和料的試件強(qiáng)度，MPa；mc為該體系中水泥用量占膠凝材料總量的比例，%；ms為摻和料用量占膠凝材料總量的比例，%。

單位用量摻和料強(qiáng)度貢獻(xiàn)與基準(zhǔn)試件中單位用量水泥的強(qiáng)度貢獻(xiàn)之比Ns，t，a為

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同養(yǎng)護(hù)溫度下各體系試件強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

各體系試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3?？梢钥闯觯孩僭缙陴B(yǎng)護(hù)溫度越高抗壓強(qiáng)度越高，但后期增幅降低。56 d時早期采用較低溫度養(yǎng)護(hù)的試件抗壓強(qiáng)度高于采用較高溫度養(yǎng)護(hù)的試件。②對于SF系列，摻量由3%提高至5%時，盡管采用40℃養(yǎng)護(hù)試件的早期抗壓強(qiáng)度略有降低，整體而言，不同養(yǎng)護(hù)溫度下?lián)?%SF試件抗壓強(qiáng)度較高。③對于US系列，盡管早期養(yǎng)護(hù)溫度不同，但28 d與56 d試件的抗壓強(qiáng)度總體上均隨US摻量增大而增大，除20℃養(yǎng)護(hù)試件外其他試件抗壓強(qiáng)度基本上高于未添加摻和料的基準(zhǔn)組試件。④對于FM系列，早期養(yǎng)護(hù)溫度為20、40℃時，16 h、7 d齡期試件的抗壓強(qiáng)度大致上隨FM摻量增大而降低；早期養(yǎng)護(hù)溫度為60℃時，僅8 h試件的抗壓強(qiáng)度隨FM摻量增大而降低；早期養(yǎng)護(hù)溫度升至80℃時FM的活性得到較好發(fā)揮，不同齡期試件的抗壓強(qiáng)度均隨FM摻量的增大而提高。

表3 各體系試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

各體系試件抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表4?？梢钥闯觯孩僭缙陴B(yǎng)護(hù)溫度越高早期抗折強(qiáng)度越高，隨著齡期增長，抗折強(qiáng)度增幅逐漸減小。②不同養(yǎng)護(hù)溫度下添加摻和料試件的抗折強(qiáng)度整體上高于同條件養(yǎng)護(hù)的未添加摻和料的基準(zhǔn)試件，表明摻和料的加入有利于抗折強(qiáng)度的發(fā)展，該增強(qiáng)效果因摻和料種類與摻量的不同而存在差異。③對于SF系列，不同早期養(yǎng)護(hù)溫度下各齡期摻量5%試件的抗折強(qiáng)度總體上高于摻量3%的試件。對于US系列，在不同養(yǎng)護(hù)下試件抗折強(qiáng)度基本上隨US摻量增大而增大。對于FM系列，早期養(yǎng)護(hù)溫度在20、40℃時，試件早期抗折強(qiáng)度隨FM摻量增大而降低，早期養(yǎng)護(hù)溫度升至80℃時16 h及以上齡期試件的抗折強(qiáng)度總體上隨著FM摻量增大而提高。不僅如此，早期采用80℃養(yǎng)護(hù)后，US與FM摻量15%及以上試件的56 d抗折強(qiáng)度高于同條件養(yǎng)護(hù)的摻SF試件。

表4 各體系試件抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 養(yǎng)護(hù)溫度對SF強(qiáng)度貢獻(xiàn)比的影響

根據(jù)式（1）—式（3）計算得到單位用量摻和料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)比。不同齡期SF系列試件中SF的強(qiáng)度貢獻(xiàn)比隨早期養(yǎng)護(hù)溫度變化曲線見圖2。

圖2 不同齡期試件中SF強(qiáng)度貢獻(xiàn)比隨早期養(yǎng)護(hù)溫度變化曲線

由圖2（a）可知：①早期養(yǎng)護(hù)溫度升高，不同齡期試件中SF的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比大致上先增大后減小。以16 h齡期時摻量3%的試件為例，在20℃時，試件中SF的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比為1.48，這種增強(qiáng)作用主要來自SF的密實(shí)填充效應(yīng)；養(yǎng)護(hù)溫度升至40℃時，試件中SF的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比提高至4.77，SF的反應(yīng)活性開始發(fā)揮；養(yǎng)護(hù)溫度升至60℃時，試件中SF的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比進(jìn)一步提高至4.96，但養(yǎng)護(hù)溫度升至80℃時，SF抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比反而下降，這可能是由于過高的早期養(yǎng)護(hù)溫度下膠凝材料反應(yīng)速度過快，結(jié)構(gòu)密實(shí)度下降。②8 h齡期摻量由3%提高到5%時，40℃和60℃養(yǎng)護(hù)溫度下試件中SF的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比顯著降低；7 d齡期摻量5%的試件中SF的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比基本上高于摻量3%時。此外，早期養(yǎng)護(hù)溫度若采用80℃，不同齡期摻量5%的試件中SF的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比高于摻量3%時。③整體而言，適宜的養(yǎng)護(hù)溫度有助于激發(fā)SF的活性，綜合考慮不同齡期試件中SF的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比，SF系列的早期養(yǎng)護(hù)溫度以40℃為佳。

2.3 養(yǎng)護(hù)溫度對US強(qiáng)度貢獻(xiàn)比的影響

不同齡期US系列試件中US的強(qiáng)度貢獻(xiàn)比隨早期養(yǎng)護(hù)溫度變化曲線見圖3。

圖3 不同齡期試件中US強(qiáng)度貢獻(xiàn)比隨早期養(yǎng)護(hù)溫度變化曲線

由圖3（a）可知：①與SF系列試件類似，隨著早期養(yǎng)護(hù)溫度升高，不同齡期試件中US的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比大致上先增大后減小。對于8、16 h早齡期，早期養(yǎng)護(hù)溫度為60℃時試件中US的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比較高，而對于7、28、56 d中長齡期，早期養(yǎng)護(hù)溫度為40℃時試件中US的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比較高。②早期養(yǎng)護(hù)溫度相同，8、16 h早齡期試件中US的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比均隨摻量的提高而降低，而7、28、56 d中長齡期試件中US的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比均隨摻量的提高先增大后減小，整體上摻量10%的試件中US抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比較高。③綜合考慮不同齡期試件中US抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比的差異，建議US系列試件的早期養(yǎng)護(hù)溫度在40～60℃為宜。

由圖3（b）可知：①不同早期養(yǎng)護(hù)溫度下除8 h外各齡期試件中US的抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)比隨早期養(yǎng)護(hù)溫度變化曲線總體上較為平緩，且在不同摻量試件中US的抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)比差異較小。②對于8 h齡期試件，當(dāng)早期養(yǎng)護(hù)溫度由40℃升高至60℃時，不同摻量試件中US抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)比最大增幅高達(dá)360%，表明60℃時US的反應(yīng)活性已較好發(fā)揮。但當(dāng)早期養(yǎng)護(hù)溫度進(jìn)一步升高至80℃時，試件中US的抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)比降低。③考慮US在早齡期試件中的活性，及其在較長齡期試件中的抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)比，US系列的早期養(yǎng)護(hù)溫度在40～60℃為宜，US推薦摻量為10%～15%。

2.4 養(yǎng)護(hù)溫度對FM強(qiáng)度貢獻(xiàn)比的影響

不同齡期FM系列試件中FM的強(qiáng)度貢獻(xiàn)比隨早期養(yǎng)護(hù)溫度變化曲線見圖4。

圖4 不同齡期試件中FM強(qiáng)度貢獻(xiàn)比隨早期養(yǎng)護(hù)溫度變化曲線

由圖4（a）可知：①對于8 h齡期試件，當(dāng)早期養(yǎng)護(hù)溫度由60℃升高至80℃時，F(xiàn)M的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比顯著增大；而對于16 h齡期試件，早期采用60℃養(yǎng)護(hù)的FM的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比較高。②在8、16 h早齡期，同一早期養(yǎng)護(hù)溫度下試件中FM的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比隨摻量的增大而減小，摻量5%的試件中FM的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比較高。這可能是由于在早期FM的物理效應(yīng)占主導(dǎo)，其良好的顆粒形貌效應(yīng)與級配效應(yīng)改善了基體的勻質(zhì)性與密實(shí)度。隨著齡期的增長，至28、56 d長齡期時試件中FM的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比因摻量不同而產(chǎn)生的差異明顯縮小，摻量15%的試件中FM的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比較高。

由圖4（b）可知：①隨著早期養(yǎng)護(hù)溫度升高，8 h齡期時摻量5%試件中FM的抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)比有所降低，但仍維持在較高水平，摻量10%、15%與20%試件中FM的抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)比則逐漸增大；16 h齡期時試件中FM的抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)比先明顯減小而后略有增大，表明采用60～80℃養(yǎng)護(hù)有助于激發(fā)FM的反應(yīng)活性。②8、16 h早齡期時試件中FM的抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)比的變化幅度與其摻量密切相關(guān)，F(xiàn)M摻量越高，試件中FM的抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)比越低。隨著齡期的增長，因摻量不同引起的FM抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)比差異明顯縮小。從56 d齡期看，摻量15%、20%的試件中FM的抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)比較高。

3 結(jié)論

1）早期養(yǎng)護(hù)溫度越高，各系列試件的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度越高，但后續(xù)增幅減小?？傮w上早期養(yǎng)護(hù)溫度為20℃的試件長齡期強(qiáng)度略高。

2）SF的早期抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)比隨養(yǎng)護(hù)溫度升高先增大而后減小。綜合考慮不同齡期試件中SF的強(qiáng)度貢獻(xiàn)比，SF系列的早期養(yǎng)護(hù)溫度以40℃為宜。

3）根據(jù)不同摻量各齡期試件中US的強(qiáng)度貢獻(xiàn)比差異，US系列的早期養(yǎng)護(hù)溫度在40～60℃為宜，且US推薦摻量為10%～15%。

4）FM的早期強(qiáng)度貢獻(xiàn)比與其摻量密切相關(guān)。FM系列在60～80℃養(yǎng)護(hù)有助于激發(fā)FM的反應(yīng)活性。