3種摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能影響試驗(yàn)分析

劉 玲，高 強(qiáng)

（1.長(zhǎng)春建筑學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春130607；2.河北省地礦局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德067000）

0 引 言

隨著綠色建筑概念的提出，新型建筑混凝土材料的研發(fā)成為當(dāng)下的熱點(diǎn)之一。石創(chuàng)等［1］以建筑混凝土為基材，并加入礦渣等摻合料測(cè)試了混凝土發(fā)泡保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱工性能。余海燕等［2］采用鋁粉發(fā)氣的方法制備加氣脫硫混凝土保溫材料。冀志江等［3］通過在浸漬乙炔炭黑的蜂窩結(jié)構(gòu)中填充混凝土，制備了具有蜂窩結(jié)構(gòu)的混凝土吸波材料。薛力梨等［4］將粉煤灰作為摻合料研制新型混凝土保溫材料。周瑜等［5］研究單摻激發(fā)劑對(duì)脫硫混凝土復(fù)合膠凝材料的水化放熱影響。江嘉運(yùn)等［6］研究了不同因素對(duì)其性能的影響。白錫慶等［7］通過摻加粉煤灰、石膏、礦渣粉等研究混凝土性能的演變規(guī)律。解帥等［8］采用紡織材料摻入混凝土中并測(cè)試其微波吸收功能。張伶俐等［9］研究了國(guó)內(nèi)外不同混凝土緩凝劑對(duì)混凝土的作用效果。吳蓉［10］將脫硫混凝土、秸稈、聚苯顆粒按一定比例組合并摻入適量外加劑加水拌合制成新型墻板。

上述學(xué)者通過摻入不同的礦物摻合料來制備新型混凝土材料。沸石粉是一種價(jià)格低廉、效果較好的摻合料，而碳纖維是一種紡織原料，由于其本身具備活性，在混凝土材料中能夠激發(fā)出混凝土的各種性能［11］。因此，本文選擇上述兩種材料和石膏作為添加材料，并以不同配比摻入混凝土中測(cè)試抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、吸水性和軟化性的演變趨勢(shì)。

1 材料與方法

1.1 材 料

本文所用的石膏由湖北龍?jiān)词嘤邢薰旧a(chǎn)，其基本性能：初凝6.3 min，終凝14.2 min，28 d 抗壓強(qiáng)度2.81 MPa，28 d 抗折強(qiáng)度1.64 MPa。石膏化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：SiO24.13，Al2O30.45，F(xiàn)e2O30.42，CaO 40.15，MgO 0.52，SO354.33。

硅酸鹽水泥摻入混凝土中能夠提高混凝土的力學(xué)強(qiáng)度和軟化性，該水泥由南昌市鵬洋水泥制品有限公司生產(chǎn)提供，其基本指標(biāo)：表面積320 m2/kg，28 d抗壓強(qiáng)度84 MPa，28 d抗折強(qiáng)度16 MPa。

當(dāng)在混凝土中摻入石膏時(shí)，其化學(xué)成分發(fā)生了相應(yīng)的變化?？梢钥闯?，石膏摻入混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定量的鈣礬石，從而改變混凝土材料性能。

建筑石膏遇水后會(huì)形成二水混凝土，因此石膏材料遇水后會(huì)造成結(jié)構(gòu)的破壞［12］。水分的控制非常重要，而沸石粉遇水后會(huì)發(fā)生水化效應(yīng)，因此沸石粉的摻入能夠提高混凝土材料的性能，本文實(shí)驗(yàn)中沸石粉由山東開普敦實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)，其性能指標(biāo)：密度2.27 g/cm3，比表面積4 426 cm2/g。

碳纖維是一種新型纖維材料，將其摻入混凝土中能夠填充復(fù)合材料之間的空隙，提高密實(shí)度，并進(jìn)一步提高混凝土的性能［13］。本文實(shí)驗(yàn)中碳纖維由深圳市盟禾科技有限公司生產(chǎn)，其性能指標(biāo)密度1.67 g/cm3，比表面積1 480 cm2/g。

1.2 方 法

根據(jù)GB17669-1999將混凝土試塊放入由濟(jì)南旭聯(lián)儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的壓力機(jī)中測(cè)試抗壓強(qiáng)度；在試塊養(yǎng)護(hù)完成后，稱其質(zhì)量，再將其放入塑料桶中用水浸泡1 d后，再次稱其質(zhì)量。兩質(zhì)量之差即為吸水質(zhì)量，并得到混凝土材料的吸水率［14］。將成型后的試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，飽和狀態(tài)下的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度與干燥狀態(tài)下的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度之比，即得到混凝土材料的軟化性［15］。

2 石膏對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

石膏可以作為輔助摻料改善混凝土的強(qiáng)度、吸水率和軟化性。在混凝土中分別摻入0%、10%、20%、30%和40%的石膏，其對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響如圖1所示。

圖1 石膏摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

從圖1可以看出，當(dāng)石膏摻量為0%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為3.4 MPa，抗折強(qiáng)度為1.8 MPa；當(dāng)石膏摻量為10%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為4.2 MPa，抗折強(qiáng)度為1.9 MPa；當(dāng)石膏摻量為20%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為5.1 MPa，抗折強(qiáng)度為2.1 MPa；當(dāng)石膏摻量為30%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為6.25 MPa，抗折強(qiáng)度為2.3 MPa；當(dāng)石膏摻量為40%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為5.75 MPa，抗折強(qiáng)度為2.25 MPa。

石膏摻量在0% ～30%時(shí)，混凝土材料28 d強(qiáng)度隨石膏摻量增加而增加，這是因?yàn)槭嘧陨淼目箟簭?qiáng)度比混凝土的抗壓強(qiáng)度要大得多，隨著摻量的增加，混凝土復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度也即隨之加大。但當(dāng)石膏比例超過30%時(shí)，混凝土復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度相比之前有所降低，這是因?yàn)榛炷梁褪嘣诨旌蠑嚢柚袝?huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成鈣礬石。但過量的石膏和混凝土發(fā)生反應(yīng)還會(huì)生成石膏硬化體，使得混凝土復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度下降。

3 沸石粉對(duì)混凝土的影響

3.1 對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出，當(dāng)沸石粉摻量為0%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為3.4 MPa，抗折強(qiáng)度為1.8 MPa；當(dāng)沸石粉摻量為3%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為3.6 MPa，抗折強(qiáng)度為2.1 MPa；當(dāng)沸石粉摻量為6%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為4.2 MPa，抗折強(qiáng)度為2.3 MPa；當(dāng)沸石粉摻量為9%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為4.8 MPa，抗折強(qiáng)度為2.7 MPa；當(dāng)沸石粉摻量為12%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為5.1 MPa，抗折強(qiáng)度為2.9 MPa。

圖2 沸石粉摻量與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系

可見，隨著沸石粉摻量的增加，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度也逐漸增加。這是因?yàn)榉惺鄣膿饺肽軌蚓鶆蚍植嫉交炷羶?nèi)部孔隙中，提高混凝土材料的密實(shí)度，使得抗壓強(qiáng)度增大。

3.2 對(duì)吸水率的影響

從圖3可以得出，當(dāng)沸石粉摻量為0%時(shí)，混凝土復(fù)合材料吸水率為37.29%；當(dāng)沸石粉摻量為3%時(shí)，混凝土復(fù)合材料吸水率為36.47%；當(dāng)沸石粉摻量為6%時(shí)，混凝土復(fù)合材料吸水率為35.88%；當(dāng)沸石粉摻量為9%時(shí)，混凝土復(fù)合材料吸水率為34.14%；當(dāng)沸石粉摻量為12%時(shí)，混凝土復(fù)合材料吸水率為32.22%。

圖3 沸石粉與混凝土吸水率的關(guān)系

可見，隨著沸石粉摻量的增加混凝土復(fù)合材料的吸水率卻逐漸減小。這說明隨著沸石粉摻量的增加，試塊的孔隙率也逐漸變小，從而使得試塊內(nèi)部吸水量減少。當(dāng)沸石粉的摻量從6%增加到12%時(shí)，可以看出吸水率下降速率比低沸石粉摻量要快得多。這是因?yàn)榉惺垲w粒直徑比混凝土要小得多，能夠?qū)⒒炷量障短幪顫M，使得混凝土復(fù)合材料更為密實(shí)。

3.3 對(duì)軟化性的影響

從圖4可以看出，當(dāng)沸石粉摻量為0%時(shí)，混凝土復(fù)合材料的軟化系數(shù)為0.38；當(dāng)沸石粉摻量為3%時(shí)，混凝土復(fù)合材料的軟化系數(shù)為0.43；當(dāng)沸石粉摻量為6%時(shí)，混凝土復(fù)合材料的軟化系數(shù)為0.57；當(dāng)沸石粉摻量為9%時(shí)，混凝土復(fù)合材料的軟化系數(shù)為0.59；當(dāng)沸石粉摻量為12%時(shí)，混凝土復(fù)合材料的軟化系數(shù)為0.63。

圖4 沸石粉摻量與混凝土軟化性的關(guān)系

可見，隨著沸石粉摻量的增加混凝土復(fù)合材料的軟化系數(shù)也逐漸增加。這說明隨著沸石粉摻量的增加，試塊的孔隙率也逐漸變小，從而使得試塊內(nèi)部吸水量減少。這是因?yàn)榉惺垲w粒直徑比混凝土要小的多，能夠?qū)⒒炷量障短幪顫M，使得混凝土復(fù)合材料更為密實(shí)。

4 碳纖維對(duì)混凝土的影響

4.1 對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

從圖5可以看出，當(dāng)碳纖維摻量為0%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為3.4 MPa，抗折強(qiáng)度為1.8 MPa；碳纖維摻量為2%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為4.3 MPa，抗折強(qiáng)度為1.9 MPa；碳纖維摻量為4%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為4.8 MPa，抗折強(qiáng)度為2.3 MPa；碳纖維摻量為6%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為5.2 MPa，抗折強(qiáng)度為2.6 MPa；碳纖維摻量為8%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為5.4 MPa，抗折強(qiáng)度為2.8 MPa；碳纖維摻量為10%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為5.9 MPa，抗折強(qiáng)度為2.9 MPa。

圖5 碳纖維摻量與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系

可見隨著碳纖維摻量的增加，混凝土材料的抗壓、抗折強(qiáng)度也逐漸增加。這是因?yàn)檫m量的碳纖維能夠與混凝土中的水分發(fā)生反應(yīng)，生成物能夠填充到試塊的孔隙中，提高混凝土材料密實(shí)度，進(jìn)而提高強(qiáng)度。

4.2 對(duì)吸水率的影響

從圖6可以得出，當(dāng)碳纖維摻量為0%時(shí)，混凝土復(fù)合材料吸水率為37.29%；當(dāng)碳纖維摻量為2%時(shí)，混凝土復(fù)合材料吸水率為36.41%；當(dāng)碳纖維摻量為4%時(shí)，混凝土復(fù)合材料吸水率為35.97%；當(dāng)碳纖維摻量為6%時(shí)，混凝土復(fù)合材料吸水率為34.56%；當(dāng)碳纖維摻量為8%時(shí)，混凝土復(fù)合材料吸水率為32.16%；當(dāng)碳纖維摻量為10%時(shí)，混凝土復(fù)合材料吸水率為29.12%。

圖6 碳纖維摻量與混凝土吸水率的關(guān)系

隨著碳纖維摻量的增加混凝土復(fù)合材料的吸水率也逐漸減小?？梢娞祭w維在提高混凝土材料密實(shí)度方面有著明顯的作用，其機(jī)理與沸石粉摻合料類似，但效果比沸石粉要好。

4.3 對(duì)軟化性的影響

從圖7可以看出，當(dāng)碳纖維摻量為0%時(shí)，混凝土復(fù)合材料的軟化系數(shù)為0.38；當(dāng)碳纖維摻量為2%時(shí)，混凝土復(fù)合材料的軟化系數(shù)為0.41；當(dāng)碳纖維摻量為4%時(shí)，混凝土復(fù)合材料的軟化系數(shù)為0.44；當(dāng)碳纖維摻量為6%時(shí)，混凝土復(fù)合材料的軟化系數(shù)為0.49；當(dāng)碳纖維摻量為8%時(shí)，混凝土復(fù)合材料的軟化系數(shù)為0.56；當(dāng)碳纖維摻量為10%時(shí)，混凝土復(fù)合材料的軟化系數(shù)為0.62。

圖7 碳纖維摻量與混凝土軟化性的關(guān)系

可見，隨著碳纖維摻量的增加混凝土復(fù)合材料的軟化系數(shù)也逐漸增加。其機(jī)理與沸石粉摻合料類似，但碳纖維的表面積比沸石粉要小，因此其填充到混凝土中的體積就越多，混凝土材料的性能也就提高的越快。

5 結(jié) 論

（1）當(dāng)石膏摻量為0%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為3.4 MPa，抗折強(qiáng)度為1.8 MPa；當(dāng)石膏摻量為30%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為6.25 MPa，抗折強(qiáng)度為2.3 MPa；當(dāng)石膏摻量為40%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為5.75 MPa，抗折強(qiáng)度為2.25 MPa。

（2）當(dāng)沸石粉摻量為0%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為3.4 MPa，抗折強(qiáng)度為1.8 MPa；吸水率為37.29%；軟化系數(shù)為0.38。當(dāng)沸石粉摻量為12%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為5.1 MPa，抗折強(qiáng)度為2.9 MPa；吸水率為32.22%；軟化系數(shù)為0.63。

（3）當(dāng)碳纖維摻量為0%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為3.4 MPa，抗折強(qiáng)度為1.8 MPa；吸水率為37.29%；軟化系數(shù)為0.38。碳纖維摻量為10%時(shí)，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為5.9 MPa，抗折強(qiáng)度為2.9 MPa；吸水率為29.12%；軟化系數(shù)為0.62。