多種復(fù)合摻料對(duì)混凝土抗壓性能的影響

趙晨陽，陳征征

(宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

混凝土作為重要的建筑材料被廣泛應(yīng)用于各類建筑中，可是在混凝土生產(chǎn)過程中又伴隨著能源消耗高和污染嚴(yán)重等問題。為響應(yīng)國家節(jié)能低碳、保護(hù)環(huán)境的號(hào)召，粉煤灰作為重要的礦物摻合料被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，單一礦物摻合料已經(jīng)滿足不了工程實(shí)踐的需要，尋找多種優(yōu)質(zhì)復(fù)合摻合料迫在眉睫。張忠哲等[1]研究了鋼渣對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度隨不同養(yǎng)護(hù)方式的變化規(guī)律；王洪等[2]研究了硅灰對(duì)高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響；趙愛根等[3]研究證明了粉煤灰可改善混凝土的耐久性能，作為摻合料能帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益；董維佳等[4]進(jìn)行了礦渣微粉和粉煤灰在微觀情況下的比較；焦衛(wèi)峰等[5]研究證明了礦粉與粉煤灰雙摻能提高體系的抗壓強(qiáng)度和耐久性。在眾多學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，課題組通過控制變量法研究了復(fù)合礦物摻合料在不同配比、不同齡期下代替水泥對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥:安徽海螺水泥廠生產(chǎn)的32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。鋼渣：靈壽縣百豐礦產(chǎn)品加工廠生產(chǎn)的細(xì)度為38 μm的鋼渣。粉煤灰：鳳臺(tái)縣電廠提供，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室手磨后細(xì)度約為原來的20.6%。硅灰：蘭州鐵合金生產(chǎn)的SiO2含量≥92%的高品質(zhì)硅灰。粗集料:采用級(jí)配連續(xù)的碎石，粒徑為5～20 mm。細(xì)集料:宿州沱河河沙，表觀密度為2 560 kg/m3。水:干凈自來水。

1.2 實(shí)驗(yàn)配合比

實(shí)驗(yàn)以C30混凝土的配合比為基礎(chǔ)，采用等量代替原則，鋼渣、粉煤灰、硅灰與代替10%、20%、30%、40%的水泥作為混合料，并改變3種混合料的比例以尋求最優(yōu)配比。同時(shí)設(shè)置強(qiáng)度為C30的純水泥混凝土作為空白對(duì)照組，一共17組試件，每組3個(gè)試件，求得算術(shù)平均值以降低誤差。實(shí)驗(yàn)配合比數(shù)據(jù)見表1。

表1 混凝土配合比 Tab.1 Proportions of concrete mixture

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法》[6]、GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能實(shí)驗(yàn)方法》[7]進(jìn)行混凝土實(shí)驗(yàn)[8]。混凝土試件在制備完成經(jīng)過氣泵且脫模后，在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行不同齡期(7 d、14 d、28 d、56 d)的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，保持室內(nèi)溫度為(20±2)℃，室內(nèi)濕度≥95%。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼渣、粉煤灰作為代膠材料對(duì)混凝土的影響

鋼渣是重要的工業(yè)廢渣之一，如沒有得到充分的二次利用會(huì)造成環(huán)境污染。鋼渣的主要化學(xué)組成為2CaO·SiO2和3CaO·SiO2，有一定水化活性但活性較低。采用細(xì)度為38 μm的鋼渣能夠在一定程度上改善混凝土的流動(dòng)性，并顯著降低混凝土的水化溫升。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋼渣可以作為礦物摻合料，但早齡期的鋼渣晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，相比水泥水化活性較低，所以導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度較素混凝土略低。但在澆筑大體積混凝土?xí)r，鋼渣有助于降低早期的水化熱、減少混凝土內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，是較為理想的代膠材料。不同齡期(7 d、14 d、28 d、56 d)時(shí)鋼渣代替水泥抗壓強(qiáng)度變化曲線與素混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線的對(duì)比見圖1。由圖1可以看出，摻雜相同質(zhì)量的鋼渣并不能給混凝土強(qiáng)度帶來明顯改善，反而會(huì)使混凝土強(qiáng)度有所下降。原因是雖然鋼渣會(huì)在一定條件下填補(bǔ)混凝土中的微小孔隙，但其不會(huì)與水產(chǎn)生水化反應(yīng)，由此可以推斷出若鋼渣代替水泥過多，必然會(huì)導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度的降低。

粉煤灰作為優(yōu)良的礦物摻合料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中，在不同齡期時(shí)粉煤灰摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖2。由圖2可以看出，粉煤灰早期活性需要在水泥水化反應(yīng)后才能被激發(fā)，在早齡期(7 d)粉煤灰代替水泥對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響并不明顯，但當(dāng)養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)，在抗壓強(qiáng)度上粉煤灰代替水泥組較素混凝土組提高了3.5%。粉煤灰顆粒的特殊構(gòu)造在后期發(fā)揮了微集料效益[9]，會(huì)在砂漿中起到潤滑作用，填補(bǔ)了骨料中的孔隙，增強(qiáng)了混凝土的抗壓性能。由于粉煤灰成分與水泥主要成分相似，反應(yīng)活性主要來自活性玻璃體SiO2、Al2O3的水化作用，在一定堿性條件下生成了具有水印膠凝性質(zhì)的化合物，從而發(fā)揮了代替水泥的作用，并在一定程度上改善了混凝土的抗壓性能。

圖1 在不同齡期時(shí)鋼渣摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 The influence of different ages of steel slag admixture on the compression strength of concrete

圖2 在不同齡期時(shí)粉煤灰摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 The influence of different ages of coal ash admixture on the compression strength of concrete

當(dāng)水泥取代率為10%時(shí)雙摻對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖3，當(dāng)水泥取代率為20%時(shí)雙摻對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖4。由圖3可以看出，在雙摻情況下，當(dāng)水泥取代率為10%時(shí)，A3比A2的抗壓強(qiáng)度提升了5.4%，比素混凝土組有所增強(qiáng)。由圖4可以看出抗壓強(qiáng)度增長趨勢(shì)與圖3大致相似，但就抗壓強(qiáng)度增幅來說，B2、B3優(yōu)于A2、A3，故在工程實(shí)踐中混凝土配合比優(yōu)先選用B3組更加經(jīng)濟(jì)高效。由此，可說明礦物摻合料可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。混凝土是多孔不均勻材料，其內(nèi)部有許多孔隙與微裂縫。若想要改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，首先要填補(bǔ)其內(nèi)部的孔隙，可以將多種礦物摻合料復(fù)合使用，使多種礦物摻合料發(fā)生集合作用。本實(shí)驗(yàn)中鋼渣、粉煤灰雙摻表現(xiàn)出很好的超疊加效應(yīng)，可使混凝土的抗壓性能有所提高。

圖3 當(dāng)水泥取代率為10%時(shí)雙摻對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 The influence of double mixing on the compression strength of concrete at the cement substitution rate of 10%

圖4 當(dāng)水泥取代率為20%時(shí)雙摻對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 The influence of double mixing on the compression strength of concrete at the cement substitution rate of 20%

2.2 鋼渣、粉煤灰、硅灰復(fù)合摻料作為助膠材料對(duì)混凝土的影響

相比其他礦物摻合料，硅灰的優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的火山灰活性。硅灰和水泥混合時(shí)才可體現(xiàn)出自身的優(yōu)勢(shì)，硅灰會(huì)立即與水泥反應(yīng)產(chǎn)生水化產(chǎn)物，水化產(chǎn)物之一的Ca(OH)2會(huì)發(fā)生二次水化反應(yīng)(即火山灰反應(yīng))，生成C—S—H凝膠體，這樣既消耗了水化水泥漿體里的Ca(OH)2，又使C—S—H凝膠體(火山灰反應(yīng)的生成物)增多。此外，硅灰表面光滑密實(shí)，它在與水泥、粗骨料、細(xì)骨料混合后可以起到潤滑作用，而且可以填補(bǔ)混凝土中的細(xì)微裂縫，從而起到提升混凝土強(qiáng)度的效果。

當(dāng)水泥取代率為30%時(shí)不同齡期的復(fù)合摻料混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比見圖5。由圖5可以發(fā)現(xiàn)：在早齡期單摻及雙摻礦物摻合料對(duì)混凝土抗壓性能的提升沒有幫助，反而可能略低于素混凝土組，原因在于礦物摻合料部分活性小于水泥活性；在7 d時(shí)C1組抗壓強(qiáng)度較素混凝土組下降了9.4%，C2組抗壓強(qiáng)度較素混凝土組下降了2.8%，C3組抗壓強(qiáng)度可基本與素混凝土組持平，C4組抗壓強(qiáng)度較素混凝土組下降了2.2%；在混凝土試塊養(yǎng)護(hù)至標(biāo)準(zhǔn)28 d或更長齡期時(shí)，雙摻及復(fù)合摻料可以發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)并互補(bǔ)促進(jìn)，克服了單一礦物摻合料的諸多不足，顯現(xiàn)出一加一大于二的效果，相比單獨(dú)使用，混凝土的抗壓性能有所提高；試塊養(yǎng)護(hù)至56 d時(shí)，C2組、C3組、C4組的抗壓強(qiáng)度分別較素混凝土組提升了5.78%、8.32%、5.24%，但C1組較素混凝土組略微下降了1.39%，可證實(shí)在鋼渣代替30%的水泥時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度下降。

圖5 當(dāng)水泥取代率為30%時(shí)不同齡期復(fù)合摻料混凝土的抗壓強(qiáng)度對(duì)比Fig.5 Comparison of compression strength of composite admixture concrete at different ages with cement substitution rate of 30%

圖6 當(dāng)水泥取代率為40%時(shí)不同齡期復(fù)合摻料混凝土的抗壓強(qiáng)度對(duì)比Fig.6 Comparison of compression strength of composite concrete at different ages with cement substitution rate of 40%

當(dāng)水泥取代率為40%時(shí)不同齡期的復(fù)合摻料混凝土的抗壓強(qiáng)度對(duì)比見圖6。由圖6可知，在水泥取代率為40%時(shí)，在早齡期無論是雙摻還是三摻，對(duì)混凝土的抗壓性能均起不到優(yōu)化的作用，甚至出現(xiàn)比素混凝土對(duì)照組強(qiáng)度略低的情況。隨著水泥取代率的增加，鋼渣、粉煤灰、硅灰三摻組出現(xiàn)了先增后降的情況。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，D1組、D2組已經(jīng)出現(xiàn)較素混凝土組抗壓強(qiáng)度下降的現(xiàn)象，分別下降了7.53%、5.42%。當(dāng)試塊養(yǎng)護(hù)至56 d時(shí)，D3組、D4組的抗壓強(qiáng)度分別較素混凝土組提升了5.1%、3.64%。與56 d齡期C3組、C4組抗壓強(qiáng)度的增幅對(duì)比，可以推斷若繼續(xù)增加取代水泥的比例，勢(shì)必導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度下降，所以在追求經(jīng)濟(jì)化的同時(shí)要注意水泥取代率。

3 結(jié)論

(1)從A1～D4組均可發(fā)現(xiàn)，由于礦渣礦物結(jié)晶比較完整，在早齡期其相比水泥活性較低，會(huì)導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度較素混凝土略微降低。

(2)單摻鋼渣、雙摻鋼渣、粉煤灰礦物摻合料都會(huì)因?yàn)榈V物早期活性較差而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度略低于素混凝土，雙摻鋼渣、粉煤灰會(huì)在養(yǎng)護(hù)至28 d及更長齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度略高于素混凝土，A3組、B3組的抗壓強(qiáng)度在28 d時(shí)分別較素混凝土組提高2.56%、4.1%，故合理范圍內(nèi)摻多種礦物摻合料可提升混凝土的抗壓性能。

(3)在硅灰固定代替15%的水泥時(shí)，鋼渣與粉煤灰比值為0.3∶0.2，此時(shí)對(duì)混凝土抗壓性能的提升最佳，在56 d時(shí)C3組較素混凝土組提升8.32%。但在高齡期，當(dāng)水泥取代率為40%時(shí)，D1組、D2組卻出現(xiàn)了抗壓強(qiáng)度下降的現(xiàn)象，即隨著水泥取代率的提升其后期抗壓強(qiáng)度有下降趨勢(shì)。