低溫條件下大摻量磨細(xì)礦渣混凝土力學(xué)性能研究

袁雪蓮，胡 杰

1.皖江工學(xué)院土木工程學(xué)院，安徽馬鞍山，243001;

2.馬鞍山市中鑫工程質(zhì)量檢測(cè)咨詢有限公司，安徽馬鞍山 243001

我國(guó)北部沿海地區(qū)冬季寒冷，氣溫最低可達(dá)-20 ℃以下，東三省冬期施工長(zhǎng)達(dá)3～6個(gè)月[1]，工程所占比重可達(dá)30%，寒冷地區(qū)混凝土建筑的施工安全越來(lái)越受到人們的重視[2]?；炷潦墙ㄖ?、橋梁、隧道、水工等工程領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種材料，施工溫度降到4℃以下，混凝土中水分受冷膨脹，孔隙內(nèi)自由水凍結(jié)，混凝土強(qiáng)度會(huì)隨著未凍結(jié)孔隙的減少和液相的固態(tài)轉(zhuǎn)變而提高，強(qiáng)度較低的混凝土產(chǎn)生破壞。因此，低溫下服役的混凝土力學(xué)性能會(huì)受到一定的影響。低溫下混凝土的力學(xué)性能主要表現(xiàn)為以下四個(gè)特征[3-8]：(1) 低溫會(huì)導(dǎo)致混凝土彈性模量增加、強(qiáng)度提高；(2)低溫時(shí)混凝土含水率越高則抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)越大，強(qiáng)度的增長(zhǎng)跟含水率呈線性關(guān)系；(3)自由水凍結(jié)有利于提高混凝土強(qiáng)度，但是研究顯示在-120 ℃時(shí)，冰的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如繼續(xù)降溫，混凝土的強(qiáng)度變化出現(xiàn)離散性；(4)反復(fù)凍融會(huì)降低混凝土在低溫時(shí)的強(qiáng)度。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)大摻量磨細(xì)礦渣混凝土低溫性能進(jìn)行了報(bào)道，許賢敏和曹德辰[9-10]由試驗(yàn)說(shuō)明可通過(guò)添加粉煤灰和硅灰等外加劑在低溫海水條件下提高高強(qiáng)混凝土的性能，并分析了在此條件下混凝土受破壞的主要原因；程智清[11]研究了低溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土早期強(qiáng)度，早強(qiáng)劑和礦渣的加入有助于混凝土早期強(qiáng)度的提高，而采用磨細(xì)礦渣與超細(xì)粉煤灰雙摻的辦法不僅可以有效地提高混凝土的早期強(qiáng)度，還能改善混凝土的和易性；劉軍等[12]研究了不同摻量礦物摻合料的混凝土在低溫條件下的強(qiáng)度發(fā)展情況。但是鮮有學(xué)者將低溫環(huán)境和大摻量磨細(xì)礦渣混凝土進(jìn)行耦合研究，本文系統(tǒng)地研究了低溫條件下大摻量磨細(xì)礦渣混凝土的力學(xué)性能，探明低溫條件下大摻量磨細(xì)礦渣混凝土的力學(xué)性能變化規(guī)律，為低溫環(huán)境大摻量磨細(xì)礦渣混凝土的工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所使用的水泥為海螺公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥；試驗(yàn)用粗骨料為10～20 mm小石， 20～40 mm中石，比例為3∶7，所用小石及中石都符合《建筑用卵石，碎石》(GB/T14685-2001)標(biāo)準(zhǔn)要求，均為Ⅱ類碎石。試驗(yàn)所用細(xì)骨料砂為市場(chǎng)所購(gòu)河砂，經(jīng)檢測(cè)細(xì)度模數(shù)2.3，為Ⅱ區(qū)Ⅱ類河砂，符合《建筑用砂》(GB/T14684-2001)標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)采用磨細(xì)礦渣作為摻合料，符合《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》(GB/T18046-2000)標(biāo)準(zhǔn)中S105級(jí)的要求。試驗(yàn)所用外加劑為江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的HLC高效減水劑，符合《混凝土外加劑》(GB8076-2008)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 配合比

以配合比(磨細(xì)礦渣摻量)和試驗(yàn)溫度為變量，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，研究大摻量磨細(xì)礦渣混凝土在低溫時(shí)的力學(xué)性能。試驗(yàn)樣品分為KF0、KF55、KF65、KF75四個(gè)配合比分組，溫度分組為20 ℃、-5 ℃、-20 ℃、-40 ℃四個(gè)分組，具體配合比如表1所示。

表1 大摻量磨細(xì)礦渣混凝土配合比

1.3 拌合物性能

本試驗(yàn)通過(guò)測(cè)量坍落度、坍落度損失、拌合物表觀密度來(lái)衡量混凝土拌合物的性能。試驗(yàn)結(jié)果如表2中數(shù)據(jù)，四組混凝土拌合物均有坍落度損失，最小5.3%，最大達(dá)到了7.5%?？梢园l(fā)現(xiàn)，混凝土中加入礦渣后，流動(dòng)性要好于未加礦渣的基準(zhǔn)參照組，原因主要是礦渣的微集料效應(yīng)。礦渣其比表面積比水泥大得多，因此顆粒也更加細(xì)小，當(dāng)?shù)V渣加進(jìn)混凝土后，其細(xì)小顆粒能有效地填充水泥顆粒之間的各種縫隙，使得水泥漿體更加緊密，漿體的級(jí)配更加連續(xù)完整，降低標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，在保持相同用水量的條件下可以提高拌合物的流動(dòng)性。

表2 混凝土拌合物性能

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

本文中硬化漿體性能測(cè)試按照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T 1346-2001)進(jìn)行，力學(xué)性能測(cè)試按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL352-2006)的要求進(jìn)行操作，試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的非標(biāo)準(zhǔn)試件，尺寸系數(shù)0.95。物相組成分析采用德國(guó)BRUKER D8 Advance型X射線衍射儀測(cè)定儀，顯微結(jié)構(gòu)分析采用日本HITACHI S3400-N型掃描電子顯微鏡。

本文測(cè)定選用維氏顯微硬度。試樣用凈漿攪拌機(jī)攪拌成型。分為四組：一組為不摻磨細(xì)礦渣的純水泥漿體，編號(hào)kf0，另三組分別為不同摻量磨細(xì)礦渣的水泥漿體，編號(hào)kf55、kf65、kf75，模具尺寸50 mm×50 mm×40 mm。恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d后取出，切割成尺寸為5 mm×5 mm×10 mm的試樣。試驗(yàn)前將測(cè)試面依次用240#、500#和1000#的金相砂紙進(jìn)行打磨至表面光滑，再用拋光機(jī)對(duì)測(cè)試表面進(jìn)行拋光，硬化水泥水泥表面反光度很低，因此，為了在測(cè)試時(shí)能夠清晰地看到壓痕的大小，需對(duì)測(cè)試表面進(jìn)行噴金處理。顯微硬度試驗(yàn)采用HDX-1000數(shù)顯顯微硬度儀，荷載大小為0.1 kgf，加壓時(shí)間15秒。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)不同礦渣粉摻量混凝土力學(xué)性能的影響

測(cè)試不同礦渣粉摻量混凝土的3 d、7 d、28 d、56 d抗壓強(qiáng)度、溫度對(duì)不同礦渣粉摻量混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同溫度條件下大摻量磨細(xì)礦渣混凝土的抗壓強(qiáng)度

由圖1可知，隨著溫度的降低，各組配比混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度隨之提高。不同配比的混凝土試樣，其抗壓強(qiáng)度都隨齡期的增長(zhǎng)而增大，但KF0早期強(qiáng)度(3 d、7 d)明顯要高于摻入礦渣的另三組，如3 d、-20 ℃時(shí)，KF0、KF55、KF65、KF75的強(qiáng)度為35 MPa>34.2 MPa >34 MPa>33.3 MPa。隨著齡期的發(fā)展，28 d時(shí)，后三組的強(qiáng)度追趕上甚至高于KF0。56 d時(shí)，幾乎所有摻入礦渣的試樣強(qiáng)度都要高于KF0，如56 d、-20 ℃時(shí)，KF0、KF55、KF65、KF75的強(qiáng)度為59.6 MPa、61.5 MPa、63.5 MPa、64.7 MPa。以28 d時(shí)KF65的抗壓強(qiáng)度為例，KF65在-5 ℃時(shí)強(qiáng)度提升24.3%，-20 ℃時(shí)提升27.3%，-40 ℃提升35.8%。同時(shí)，溫度越低，強(qiáng)度提升越明顯。以28 d時(shí)KF65的抗壓強(qiáng)度為例，-5 ℃、-20 ℃和-40 ℃的強(qiáng)度提升幅度為24.3%、27.3%、35.8%，溫度越低強(qiáng)度提升幅度越大。這是由于混凝土中存在的裂隙與微裂縫孔徑大小各異且連續(xù)分布，范圍很廣。然而在毛細(xì)作用的影響下，較小的孔隙先水飽和，然后過(guò)渡到大孔隙。由于彎曲液面的影響，孔隙水的液-固相變臨界溫度是隨孔徑的減小而降低。所以，低溫時(shí)先是混凝土內(nèi)較大的孔隙水凍結(jié)，溫度降低到較小孔隙的臨界溫度時(shí)，較小孔隙水才開(kāi)始凍結(jié)。所以當(dāng)混凝土試樣溫度降到零下時(shí)，較大的孔隙其內(nèi)部的水開(kāi)始凍結(jié)，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度起到提升的作用，如若溫度降至更低，較小的孔隙水也開(kāi)始凍結(jié)，更進(jìn)一步提高混凝土的強(qiáng)度。

2.2 溫度對(duì)不同礦渣粉摻量混凝土顯微硬度的影響

測(cè)試不同礦渣粉摻量混凝土的3 d、7 d、28 d、56 d顯微硬度、溫度對(duì)不同礦渣粉摻量混凝土微觀力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，四組的顯微硬度都隨溫度的降低而上升，例如KF65、28d時(shí)在20 ℃、-5 ℃、-20 ℃、-40 ℃的顯微硬度為75HV0.1、89 HV0.1、95 HV0.1、96 HV0.1。壓頭壓在硬化水泥漿體表面時(shí)，由于壓頭與漿體接觸的區(qū)域及其周圍有許多細(xì)小的孔隙，受壓漿體并非致密的整體，測(cè)試得到的硬度受孔隙應(yīng)力缺陷的削弱，不能真正代表漿體的硬度。而受低溫冷凍后，孔隙內(nèi)部水分凍結(jié)，將空洞撐滿，受壓時(shí)對(duì)孔隙起到一定的支撐作用，能顯著地提高受壓漿體的硬度。

圖2 不同溫度條件下大摻量磨細(xì)礦渣水泥漿體的顯微硬度

雖然顯微硬度隨著溫度的降低而升高，但總體趨勢(shì)趨于平緩。如t-20對(duì)于t-5的提升要大于t-40對(duì)于t-20的提升。這是因?yàn)榭紫对叫?，?nèi)部的水只有在更低溫度時(shí)才會(huì)凍結(jié)。t-20時(shí)，大部分的較大孔隙已經(jīng)凍結(jié)，而溫度降到t-40時(shí)，相比t-20只有少數(shù)細(xì)小孔隙的水分凍結(jié)，因此對(duì)受壓局部漿體硬度的提升不再那么明顯。但是四組顯微硬度均在t-5時(shí)有較大幅度的增長(zhǎng)，在0 ℃時(shí)大部分較大的孔隙中水分凍結(jié)，對(duì)硬度提升效果最明顯。

2.3 不同礦渣粉摻量混凝土微觀結(jié)構(gòu)

2.3.1 XRD衍射分析

從圖3中可以很明顯地看出，摻入礦渣后水化產(chǎn)物中Ca(OH)2的含量明顯變少。摻入礦渣的水泥加入水后，熟料與水反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣和氫氧化鈣。整個(gè)漿體為堿性環(huán)境，Ca(OH)2作為礦渣的堿性激發(fā)劑，能夠解離礦渣里的玻璃體結(jié)構(gòu)，釋放SiO2和Al2O3進(jìn)入溶液，發(fā)生二次反應(yīng)生成更多的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，使集料界面區(qū)Ca(OH)2晶粒變小，降低了孔隙率，提高了界面處的黏結(jié)力，提高了漿體的物理性能。

圖3 純水泥(SN)和摻入礦渣的水泥(KF)漿體圖譜

2.3.2 SEM掃描電鏡分析

由圖4對(duì)比可直觀看出，不摻磨細(xì)礦渣的純水泥漿體和摻入礦渣的水泥漿體在500倍時(shí)沒(méi)有太大區(qū)別，可見(jiàn)礦渣的摻入對(duì)硬化漿體中較大的孔隙沒(méi)有起到明顯的作用。在5 000倍時(shí)，摻入礦渣的硬化水泥漿體要比不摻磨細(xì)礦渣的純水泥漿體致密些，水化產(chǎn)物間膠結(jié)更緊密，沒(méi)有松散的片狀晶體結(jié)構(gòu)。細(xì)小孔隙減少了漿體內(nèi)部的應(yīng)力缺陷，提高了硬化漿體的強(qiáng)度。從圖4中可明顯看出，不摻磨細(xì)礦渣的純水泥漿體硬化后孔洞內(nèi)部有大量的鈣礬石針狀晶體，而摻入礦渣的漿體孔洞處較為致密平整。礦渣的加入大大地減少了鈣礬石數(shù)量，硬化漿體更加致密，水化更加完全，強(qiáng)度更高。礦渣的作用是與氫氧化鈣(Ca(OH)2)發(fā)生二次水化反應(yīng)，從而消耗大部分的氫氧化鈣，從XRD分析可以看出加入礦渣后漿體中氫氧化鈣數(shù)量驟減，抑制了水化鋁酸四鈣的形成，最終減少鈣礬石的生成。因此，SEM圖譜中摻入礦渣的硬化水泥漿體中幾乎找不到鈣礬石的存在，礦渣作用明顯。

圖4 純水泥(SN)和摻入礦渣的水泥(KF)漿體SEM圖譜

3 結(jié) 論

本文研究了大摻量磨細(xì)礦渣混凝土在低溫時(shí)的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)混凝土立方體抗壓試驗(yàn)、硬化水泥漿體XRD和SEM試驗(yàn)和顯微硬度試驗(yàn)，得出結(jié)論如下：

(1)低溫能提高混凝土的抗壓性能。低溫能將混凝土中的孔隙水凍結(jié)，凍結(jié)后的水填滿孔隙和裂縫，在混凝土受壓破壞時(shí)，對(duì)孔隙和裂縫起到一定的支撐粘結(jié)作用，延緩了裂紋的擴(kuò)大和發(fā)展，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度；

(2)低溫能提高硬化水泥漿體的顯微硬度。低溫能凍結(jié)受壓局部漿體的內(nèi)部孔隙水，凍結(jié)的孔隙水在孔隙受壓時(shí)能起支撐作用，從而提高整體受壓局部漿體的硬度。添加礦渣后使得硬化漿體的致密度更高、孔隙率更低，受壓局部漿體更加密實(shí)，從而提高顯微硬度。

(3)礦渣的摻入能有效降低硬化水泥漿體中氫氧化鈣(Ca(OH)2)的含量，減小氫氧化鈣晶粒的大小，從而大大地減少鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)的生成，使得松散的針狀鈣礬石晶體幾乎不存在，提高了硬化水泥漿體的密實(shí)度，減小孔隙率，提高界面強(qiáng)度。