不同復(fù)合摻合料對膠砂脆性的影響

高金平，蔣鶴，李佳佳，高超，周永祥，賀陽

（1.云南交投集團(tuán)公路建設(shè)有限公司，云南 昆明 650032；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；3.建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

0 引 言

礦物摻合料具有改善水泥砂漿和混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性能而得到廣泛應(yīng)用[1-3]，各種礦物摻合料由于化學(xué)組成和物理形態(tài)的不同而表現(xiàn)出性能的不同[4]，復(fù)合后將會由于粒度和活性的差異而發(fā)生疊加效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。復(fù)合摻合料在改善砂漿和混凝土抗壓強(qiáng)度的同時也改善其抗折強(qiáng)度，進(jìn)而影響其脆性和抗裂性能。已有學(xué)者進(jìn)行了礦物摻合料對砂漿和混凝土脆性的影響研究[5-13]，但大部分集中在單摻和少數(shù)的幾種復(fù)合情況。本研究采用6 種常用的礦物摻合料，根據(jù)礦物摻合料的種類、等級、摻量復(fù)合組合成24 組復(fù)合摻合料，研究復(fù)合摻合料水泥膠砂的7、28、56、90 d 抗壓和抗折強(qiáng)度，分析比較不同復(fù)合摻合料與純水泥對膠砂脆性的影響差異。試驗(yàn)結(jié)果為配制砂漿和混凝土選擇礦物摻合料的種類、等級、摻量提供一定的參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》附錄A《混凝土外加劑性能檢驗(yàn)用基準(zhǔn)水泥技術(shù)條件》要求的基準(zhǔn)水泥，其性能見表1。

表1 基準(zhǔn)水泥的物理力學(xué)性能

（2）砂：ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂。

（3）礦物摻合料：粉煤灰分別為符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求的Ⅰ級（F1）和Ⅱ級（F2）；礦渣粉分別為符合GB/T 18046—2017《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》要求的S105 級（Sl1）和S95 級（Sl2）；硅灰（Si）符合GB/T 27690—2011《砂漿和混凝土用硅灰》的要求，二氧化硅含量92%；石灰石粉符合JGJ/T 318—2014《石灰石粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的要求，45 μm 篩余分別為0（L1超細(xì)石灰石粉）和13%（L2 普通石灰石粉），MB 值分別為0.3、0.6；鋼渣粉（St）符合GBT 20491—2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》要求的二級，天然火山灰（P）符合JG/T 315—2011《水泥砂漿和混凝土用天然火山灰質(zhì)材料》的要求，28 d 活性指數(shù)67%。將上述不同種類和等級礦物摻合料配成復(fù)合摻合料，調(diào)整每一類復(fù)合摻合料的組分比例，復(fù)合摻合料摻量分別為0、30%和50%，水泥膠砂的膠凝材料組成見表2。

表2 復(fù)合摻合料水泥膠砂的膠凝材料組成 %

（4）水：自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

本文研究了粉煤灰-礦渣粉-硅灰（FSlSi）類、石灰石粉-礦渣粉-硅灰（LSlSi）類、粉煤灰-石灰石粉（FL）類、粉煤灰-礦渣粉-石灰石粉（FSlL）類、礦渣粉-石灰石粉（SlL）類、石灰石粉-鋼渣粉（LSt）類、石灰石粉-天然火山灰（LP）類復(fù)合摻合料對膠砂抗壓強(qiáng)度與脆性系數(shù)的影響。膠砂的抗壓和抗折強(qiáng)度按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》進(jìn)行測試，脆性系數(shù)為水泥膠砂抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的比值。

2 結(jié)果與討論

2.1 FSlSi 和LSlSi 類復(fù)合摻合料對膠砂性能的影響（見表3）

表3 FSlSi 和LSlSi 類復(fù)合摻合料對膠砂性能的影響

由表3 可見：

（1）摻FSlSi 和LSlSi 類復(fù)合摻合料在56 d 時膠砂抗壓強(qiáng)度均已超過純水泥，在90 d 時膠砂抗壓強(qiáng)度高出純水泥的幅度進(jìn)一步加大。

（2）FSlSi 和LSlSi 類復(fù)合摻合料膠砂及純水泥的脆性系數(shù)均在7 d 時最低，28 d 時最高，純水泥從28 d 至90 d 的脆性系數(shù)由6.4 逐漸降低至5.9；3FSlSi 復(fù)合摻合料從28 d 至90 d 膠砂的脆性系數(shù)由6.9 逐漸降低至5.8；FSlSi 類復(fù)合摻合料在50%摻量時從28～90 d 膠砂的脆性系數(shù)基本不變，為6.5～6.7；3Sl1SiL1 和5Sl1SiL1 復(fù)合摻合料膠砂脆性系數(shù)從28～90 d 均基本不變，分別為6.2～6.3 和6.5～6.7。隨著復(fù)合摻合料摻量的增加，脆性系數(shù)有一定程度的增大；5F1Sl1Si、3Sl1SiL1 和5Sl1SiL1 復(fù)合摻合料膠砂抗壓強(qiáng)度在56 d 和90 d 高于純水泥，但脆性系數(shù)也高于純水泥，而3F1Sl1Si復(fù)合摻合料膠砂抗壓強(qiáng)度在56 d 和90 d 高于純水泥，且脆性系數(shù)也低于純水泥。

2.2 FL 類復(fù)合摻合料對膠砂性能的影響（見表4）

由表4 可知：

（1）從7 d 至56 d，F(xiàn)1L1、F2L2、F1L2、F2L1 復(fù)合摻合料在30%和50%摻量下膠砂抗壓強(qiáng)度均低于純水泥。90 d 時，3F1L1和3F1L2 膠砂抗壓強(qiáng)度已達(dá)到或超過純水泥；5F1L1 和3F2L2膠砂抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到純水泥的93%、96%；其他4 組膠砂的抗壓強(qiáng)度顯著低于純水泥。

表4 FL 類復(fù)合摻合料對膠砂性能的影響

（2）FL 與FSlSi 和LSlSi 類復(fù)合摻合料相似，膠砂的脆性系數(shù)均在7 d 時最低，28 d 時較高；F1L1、F2L2、F1L2、F2L1 復(fù)合摻合料摻量從30%增加至50%時，膠砂各齡期脆性系數(shù)均有所降低；3F1L1 復(fù)合摻合料從28 d 至90 d 時膠砂的脆性系數(shù)整體呈下降趨勢，由6.0 降至5.7；5F1L1 復(fù)合摻合料從28 d至90 d 時膠砂的脆性系數(shù)有所增大，由4.9 增大至5.3；3F2L2 復(fù)合摻合料從28 d 至90 d 時膠砂的脆性系數(shù)基本不變，為5.4～5.5；5F2L2 復(fù)合摻合料從28 d 至90 d 時的膠砂脆性系數(shù)逐漸下降，由5.4 下降至4.5；3F1L2 復(fù)合摻合料從28 d 至90 d 時膠砂的脆性系數(shù)整體呈下降趨勢，由5.8 下降至5.6；5F1L2 復(fù)合摻合料從28 d 至90 d 時膠砂的脆性系數(shù)整體呈下降趨勢，由5.2 下降至4.9；3F2L1 復(fù)合摻合料從28 d至90 d 時膠砂的脆性系數(shù)基本不變，為5.4；5F2L1 復(fù)合摻合料從28 d 至90 d 時膠砂的脆性系數(shù)逐漸下降，由5.3 下降至4.7。3F1L1 與3F2L2、5F1L1 與5F2L2、3F1L2 與3F2L1、5F1L2與5F2L1 復(fù)合摻合料在各齡期膠砂的脆性系數(shù)相近，可見復(fù)合摻合料原材料的性能差別對抗壓性能影響較大，對脆性系數(shù)影響較?。浑S著復(fù)合摻合料摻量的增加，膠砂的脆性系數(shù)均有所降低。FL 類復(fù)合摻合料膠砂的脆性系數(shù)均低于純水泥，但3F1L1 和3F1L2 的90 d 膠砂抗壓強(qiáng)度達(dá)到或超過純水泥，5F1L1 和3F2L2 的90 d 膠砂抗壓強(qiáng)度接近純水泥。

2.3 FSlL 類復(fù)合摻合料對砂膠性能的影響（見表5）

表5 FSlL 類復(fù)合摻合料對膠砂性能的影響

由表5 可知：

（1）從7 d 至28 d，F(xiàn)1Sl1L1 與F2Sl2L2 復(fù)合摻合料在30%和50%摻量下膠砂抗壓強(qiáng)度均低于純水泥，隨著齡期的延長，F(xiàn)1Sl1L1 與F2Sl2L2 復(fù)合摻合料的膠砂抗壓強(qiáng)度增長較快，90 d 時3F1Sl1L1、5F1Sl1L1 和3F2Sl2L2 復(fù)合摻合料的膠砂抗壓強(qiáng)度已明顯超過純水泥。

（2）FSllL 與FL 類復(fù)合摻合料相似，膠砂的脆性系數(shù)均在7 d 時最低，28 d 時較高；F1Sl1L1 復(fù)合摻合料摻量從30%增加至50%時，膠砂7 d、90 d 的脆性系數(shù)有所減小，28 d、56 d 的脆性系數(shù)有所增大；F2Sl2L2 復(fù)合摻合料摻量從30%增加至50%時，膠砂各齡期的脆性系數(shù)均有所減小。3F1Sl1L1 復(fù)合摻合料從28～90 d 時膠砂脆性系數(shù)基本不變，為5.9～6.0；5F1Sl1L1復(fù)合摻合料從28 d 至56 d 時，膠砂的脆性系數(shù)由6.2 增加至6.7，至90 d 時又降低至5.8；3F2Sl2L2 復(fù)合摻合料從28 d 至90 d 時膠砂的脆性系數(shù)逐漸增大，由5.8 增大至6.6；5F2Sl2L2復(fù)合摻合料從28 d 至90 d 時膠砂脆性系數(shù)逐漸減小，由5.6 減小至5.4。與FL 類復(fù)合摻合料規(guī)律相同，3F1Sl1L1 與3F2Sl2L2、5F1Sl1L1 與5F2L2 復(fù)合摻合料在各齡期時膠砂的脆性系數(shù)相近，同樣可見復(fù)合摻合料原材料的性能差別對抗壓性能影響較大，對脆性系數(shù)影響較?。浑S著復(fù)合摻合料摻量的增加，膠砂的脆性系數(shù)均有所減小。90 d 膠砂抗壓強(qiáng)度高于純水泥，同時脆性系數(shù)低于純水泥的為3F1Sl1L1 和5F1Sl1L1。

2.4 SlL 類復(fù)合摻合料對砂膠性能的影響（見表6）

表6 SlL 類復(fù)合摻合料對膠砂對膠砂性能的影響

由表6 可知：

（1）與Sl2L2 相比，Sl1L1 早期活性較高，3S11L1、5S11L1在7 d 時膠砂抗壓強(qiáng)度已分別達(dá)到純水泥的97%、103%，Sl1L1 從28～90 d 膠砂抗壓強(qiáng)度均已超過純水泥，3S11L1 和5S11L1 從7～90 d 膠砂抗壓強(qiáng)度均低于純水泥。

（2）SlL 與FL 類復(fù)合摻合料相似，膠砂的脆性系數(shù)均在7 d 時最低，28 d 時較高；Sl1L1 與Sl2L2 復(fù)合摻合料摻量從30%增加至50%時，膠砂各齡期的脆性系數(shù)均有所增大。3S11L1 和5S11L1 從28～90 d 膠砂的脆性系數(shù)均有所減小，但仍然略高于純水泥；3Sl2L2 從28～90 d 膠砂的脆性系數(shù)有所增大，90 d 時高于純水泥；5Sl2L2 從28～90 d 的脆性系數(shù)基本不變，為6.5～6.7，均遠(yuǎn)高于純水泥。與FL 類復(fù)合摻合料規(guī)律相同，3Sl1L1 與3Sl2L2、5Sl1L1 與5Sl2L2 復(fù)合摻合料在各齡期膠砂的脆性系數(shù)相近，同樣可見復(fù)合摻合料原材料的性能差別對抗壓性能影響較大，對脆性系數(shù)影響較?。浑S著復(fù)合摻合料摻量的增加，脆性系數(shù)均有所增大。SlL 類復(fù)合摻合料均不能符合90 d 膠砂抗壓強(qiáng)度高于純水泥，同時脆性系數(shù)低于純水泥的條件。

2.5 LP 和LSt 類復(fù)合摻合料對砂膠性能的影響（見表7）

表7 LP 和LSt 類復(fù)合摻合料對膠砂性能的影響

由表7 可知：

（1）L2P 與L2St 復(fù)合摻合料在30%和50%摻量下各個齡期的膠砂抗壓強(qiáng)度均明顯低于純水泥，隨著復(fù)合摻合料摻量的增加，膠砂抗壓強(qiáng)度明顯降低。

（2）3L2P 脆性系數(shù)在各齡期基本保持不變，為5.5～5.7；5L2P 從7 d 至90 d 時脆性系數(shù)由5.2 逐漸減小至4.2；3L2St從7 d 至90 d 時脆性系數(shù)由5.6 逐漸減小至4.9；5L2St 從7 d至90 d 時脆性系由4.7 逐漸減小至4.2。隨著復(fù)合摻合料摻量的增加，膠砂脆性系數(shù)均有所減小。L2P 和L2St 類復(fù)合摻合料膠砂的脆性系數(shù)在7 d 時略高于純水泥，28～90 d 時均低于純水泥。

2.6 機(jī)理分析

礦物摻合料都具有“微集料效應(yīng)”，起到填充水泥顆?？紫蹲饔茫芨纳扑h(huán)境，促進(jìn)水泥水化進(jìn)程，提高水泥水化程度[14]；活性摻合料還具有“火山灰效應(yīng)”，能與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)，改善界面過渡區(qū)的微結(jié)構(gòu)，細(xì)化硬化漿體內(nèi)部孔隙，降低孔隙率[15-18]。礦物摻合料復(fù)合后的水化進(jìn)程更為復(fù)雜：復(fù)合后膠凝材料粉體顆粒級配更優(yōu)化；不同礦物摻合料的火山灰效應(yīng)發(fā)揮時效不同，復(fù)合后增強(qiáng)了火山灰效應(yīng)；不同礦物摻合料的水化產(chǎn)物之間互相誘導(dǎo)激發(fā)。隨著齡期的延長，復(fù)合礦物摻合料的膠砂抗壓和抗折強(qiáng)度均穩(wěn)定提高，不同復(fù)合摻合料對膠砂抗壓強(qiáng)度的提高幅度與抗折強(qiáng)度的提高幅度不同，導(dǎo)致對脆性系數(shù)的影響也不同，已有研究表明[10，12]，硅灰、超細(xì)礦渣粉對抗壓強(qiáng)度的提高作用大于對抗折強(qiáng)度的提高作用，而粉煤灰對抗壓強(qiáng)度的提高作用小于對抗折強(qiáng)度的提高作用。本文對不同種類、不同等級、不同摻量的礦物摻合料復(fù)合后膠砂脆性的研究結(jié)果也表明，硅灰、礦粉等早期火山灰活性較高的摻合料對抗壓強(qiáng)度的提高作用大于對抗折強(qiáng)度的提高作用，粉煤灰、鋼渣粉、火山灰等早期幾乎沒有火山灰活性，后期才發(fā)生火山灰反應(yīng)的摻合料對抗壓強(qiáng)度的提高作用小于對抗折強(qiáng)度的提高作用。

3 結(jié) 論

（1）F1Sl1Si 和L1Sl1Si 類復(fù)合摻合料在30%、50%摻量下膠砂的56 d 和90 d 抗壓強(qiáng)度均高于純水泥，其中F1Sl1Si 復(fù)合摻合料在30%摻量下膠砂的脆性系數(shù)低于純水泥，其他組的脆性系數(shù)高于純水泥。

（2）FL 類復(fù)合摻合料膠砂的脆性系數(shù)均低于純水泥，其中F1L1、F1L2、F2L2 在30%摻量下膠砂的90 d 抗壓強(qiáng)度接近或超過純水泥，F(xiàn)1L1 在50%摻量下膠砂的90 d 抗壓強(qiáng)度接近純水泥。

（3）FSlL 類復(fù)合摻合料膠砂的90 d 抗壓強(qiáng)度高于純水泥、同時脆性系數(shù)低于純水泥的為F1Sl1lL1。

（4）SlL 類復(fù)合摻合料膠砂的脆性系數(shù)均高于純水泥。

（5）L2P 和L2St 類復(fù)合摻合料膠砂的脆性系數(shù)和抗壓強(qiáng)度均低于純水泥。