礦物摻合料對高性能混凝土抗壓強度的影響分析

趙立剛

(中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300000)

近些年，隨著我國經(jīng)濟和工程技術(shù)的飛速發(fā)展，公路、鐵路和城市軌道交通等工程難免遇到地質(zhì)條件復(fù)雜、環(huán)境惡劣、施工困難及工程維修難度大等工況[1-2]，對混凝土構(gòu)件的工作性、耐久性和穩(wěn)定性有更高的要求[3-4]?；谑┕し奖?，傳統(tǒng)提高混凝土強度的方法為提高混凝土中水泥含量和單方用水量[5-6]，但相關(guān)研究及工程實踐表明[7-8]，該方法不利于混凝土的耐久性[9]。高性能混凝土(HPC)[10-12]具有優(yōu)秀的耐久性、力學(xué)性能和拌和物性能[13]，提高HPC應(yīng)用性能的關(guān)鍵材料為外加劑和礦物摻合料[14]，礦物摻合料不僅可以提高HPC的力學(xué)性能和施工性能，還可大幅提高混凝土的耐久性[15]。目前國內(nèi)外對HPC的研究與應(yīng)用取得了較大進展[16]，但針對不同類型及含量礦物摻合料對HPC抗壓強度隨時間變化的規(guī)律研究較少?；诖耍疚脑O(shè)計了13組混凝土試件，研究粉煤灰、礦渣粉、石灰粉以及雙摻粉煤灰和礦渣粉在不同齡期對HPC抗壓強度的影響規(guī)律。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

本試驗水泥為42.5級硅酸鹽水泥，其28d抗壓和抗折強度分別為58.1MPa和8.90MPa，標(biāo)準(zhǔn)稠度和細度分別為27.4%和0.5%。粉煤灰選用火電廠粉煤灰，比表面積為360m2/kg，需水量為96.9%。礦渣微粉的比表面積為535m2/kg，流動度比為110%。粗集料為級配碎石，其粒徑在5.0～30.0mm之間，壓碎值3.5%，針片狀含量小于10%。細集料為江砂，屬于中砂，細度模數(shù)為2.65，無堿活性。外加劑為減水率大于26%的高效減水劑。水泥、粉煤灰和礦渣微粉的原材料的組成見表1。

表1 原材料化學(xué)成分組成

1.2 配合比設(shè)計

本文共設(shè)計了13組試件(設(shè)計配合比見表2)，其中A為對照組，其不摻入任何礦物摻合料。B1～B3分別為粉煤灰摻合料10%、20%和30%，研究不同含量粉煤灰對混凝土抗壓強度的影響。C1～C3分別為礦渣粉含量為30%、40%和50%，研究不同含量礦渣粉對混凝土抗壓強度的影響。D1～D3為摻合不同含量粉煤灰和礦渣粉，具體為：D1:粉煤灰摻量為20%，礦渣粉摻量為30%；D2:粉煤灰摻量為30%，礦渣粉摻量為20%；D3:粉煤灰摻量為10%，礦渣粉摻量為40%；研究雙摻粉煤灰和礦渣粉對混凝土試塊抗壓強度影響。E1～E3分別為石灰石粉摻合料為10%、20%和30%，研究石灰石粉對混凝土試塊抗壓強度影響。

表2 配合比設(shè)計

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

不同配合比的混凝土設(shè)計在3d、7d、14d、28d時，分析混凝土抗壓強度(見表3)。

表3 HPC抗壓強度試驗結(jié)果 (單位：MPa)

2.2 粉煤灰摻量對HPC抗壓強度的影響

不同齡期，粉煤灰摻量分別為10%、20%和30%時，分析混凝土抗壓強度(見圖1)。由圖1可知，與對照組A相比，摻入粉煤灰的B1～B3在3d和7d齡期的抗壓強度均較低，且粉煤灰含量越高，其對應(yīng)的抗壓強度越低，這說明粉煤灰的水化進程較為緩慢。但當(dāng)28d齡期時，由于粉煤灰摻入引起的強度損失顯著減小，其原因為粉煤灰中的Al2O3和SiO2與水泥中的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生硅鋁酸鈣，加速了水泥水化反應(yīng)。而且Ca(OH)2與粉煤灰表面結(jié)合，產(chǎn)生一層薄膜，由于薄膜的存在使得混凝土抗壓強度的增速減緩。但隨著水化反應(yīng)的持續(xù)發(fā)展，薄膜會被破壞，此時水泥水化物和粉煤灰顆粒間形成緊密、交叉結(jié)構(gòu)，可以顯著提高混凝土的抗壓強度。

圖1 粉煤灰摻量對HPC抗壓強度的影響規(guī)律

2.3 礦渣粉摻量對HPC抗壓強度的影響

不同齡期，粉煤灰摻量分別為30%、40%和50%時，分析混凝土抗壓強度(見圖2)。

圖2 礦渣粉摻量對HPC抗壓強度的影響規(guī)律

由圖2可知，與對照組A相比，C1～C3在3d和7d齡期混凝土抗壓強度下降分別為28.51%和9.91%、48.89%和16.98%、48.41%和26.10%，因此礦渣粉含量越高，強度下降越顯著，其原因為礦渣粉相較于水泥，其火山灰效應(yīng)緩慢。但14d和28d齡期，摻入礦渣粉的混凝土試件抗壓強度均比對照組A高，其中的粉煤灰摻量為30%時抗壓強度增幅最大。因此摻入礦渣粉的混凝土前期強度較低，隨著齡期的延長，礦渣粉水化反應(yīng)更為完全，可較為顯著地提高混凝土強度，其中礦渣粉為30%時對混凝土抗壓強度的增加最有利。

2.4 雙摻粉煤灰和礦渣粉對HPC抗壓強度的影響

不同齡期，粉煤灰和礦渣粉不同摻量時，分析混凝土的抗壓強度(見圖3)。

圖3 雙摻對HPC抗壓強度的影響規(guī)律

由圖3可知，與對照組A相比，3d齡期3組抗壓強度降幅均大于50%，可知，礦物摻合料對混凝土早期的抗壓強度影響非常大。隨著齡期的增加，D1～D3的抗壓強度與對照組A差距越來越小，其原因為隨著時間的推移，礦物摻合料的火山灰效應(yīng)逐漸增強了混凝土的強度。28d齡期時，D3的抗壓強度最低，D1和D2與對照組A較為接近，其中D1與A對應(yīng)試件的抗壓強度僅差0.35%，因此盡管礦渣粉和粉煤灰的加入會引起前期混凝土強度的下降，但當(dāng)?shù)V渣粉和粉煤灰比例合適時，可較好地發(fā)揮火山灰效應(yīng)，兩者相互結(jié)合，具體為礦渣粉的加入可以減緩由于粉煤灰加入造成的前期混凝土強度降低的現(xiàn)象，而粉煤灰的二次水化反應(yīng)又可以隨著齡期的推移使混凝土強度持續(xù)增大。

2.5 石灰石粉摻量對HPC抗壓強度的影響

不同齡期，石灰石粉摻量分別為5%、8%和10%時，分析混凝土抗壓強度(見圖4)。

圖4 石灰石粉摻量對HPC抗壓強度的影響規(guī)律

由圖4可知，與對照組A相比，E1～E3在3d齡期和28d齡期混凝土抗壓強度分別下降了24.01%和0.39%、29.49%和18.81%、49.87%和28.88%。由此可知，石灰石粉摻量越高，混凝土抗壓強度越低，其原因為石灰石粉的加入雖然增加了膠凝材料含量，但降低了水泥的含量，石灰石粉作為惰性材料，加入后會減緩水泥水化，因此，形成了石灰石粉摻量越高，混凝土強度越低的規(guī)律。

3 結(jié) 論

混凝土摻入粉煤灰，會對混凝土早期的抗壓強度發(fā)展產(chǎn)生不良影響，當(dāng)粉煤灰摻量為10%時，在各齡期其與對照組抗壓強度差別較?。浑S著礦渣粉摻量的增加，混凝土強度先增大后減小，其中礦渣粉為30%時對混凝土抗壓強度的提高最有利，摻入礦渣粉可大幅提高混凝土的后期強度；雙摻礦渣粉和粉煤灰時，前期混凝土抗壓強度顯著下降，但后期其抗壓強度介于單摻礦渣粉和單摻粉煤灰之間；石灰石粉為惰性材料，其摻入雖然增加了膠凝材料含量，但減緩了水泥的水化作用，降低混凝土強度，且摻量越高，混凝土強度下降幅度越大。