礦物摻合料與增效劑對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響試驗(yàn)研究

潘帥

（中鐵二十局集團(tuán)市政工程有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

商品混凝土是混凝土與現(xiàn)代化施工工藝結(jié)合的高科技建材產(chǎn)品[1]。商品混凝土行業(yè)發(fā)展至今，各方面取得重大突破，其生產(chǎn)、施工及管理都比以前更為嚴(yán)格[2]。但是國(guó)內(nèi)外研究表明，常規(guī)環(huán)境下混凝土中有超過20%～30%的水泥水化反應(yīng)不充分，只起到填充作用，不能有效發(fā)揮水泥強(qiáng)度[3]。CTF混凝土增效劑的摻入能增強(qiáng)水泥的分散程度，使水泥水化更加充分。粉煤灰是一種蓬松粉末，含有Si、AL、Fe、Ca、Mg等元素氧化物，被稱為“第二膠凝材料”[4]。硅灰顆粒小，比表面積大，SiO2含量多，火山灰活性高。粉煤灰和硅灰是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的礦物摻和料，將其應(yīng)用于混凝土不僅會(huì)優(yōu)化混凝土的工作性能，提高混凝土強(qiáng)度，還會(huì)代替一定量的水泥，從而起到節(jié)約水泥、降低成本的作用。

董炳彬等[5]通過C100高強(qiáng)混凝土常規(guī)配合比與摻加CTF增效劑后的配合比的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比得出，在混凝土抗壓強(qiáng)度保持或超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度情況下，可減少7%～13%的水泥用量，表現(xiàn)出可觀的經(jīng)濟(jì)效益。陳景等[6]研究了增效劑對(duì)不同種類水泥及粉煤灰摻合料的混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，增效劑對(duì)不同種類水泥、粉煤灰等混凝土原材料的適應(yīng)性差異較大，選擇合適的膠凝材料體系和增效劑，在保證混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度前提下，可降低水泥用量30kg/m3以上。程臻赟[7]研究了CTF混凝土增效劑對(duì)兩種強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗?jié)B性和抗凍性的影響，結(jié)果表明，CTF混凝土增效劑能夠有效改善混凝土的抗?jié)B性和抗凍性能；同配合比條件下，可減少水泥用量10%；摻加0.6%CTF混凝土增效劑，可穩(wěn)定并提高混凝土的耐久性能。楊陽(yáng)等[8]研究了不同配合比以及CTF混凝土增效劑對(duì)強(qiáng)度等級(jí)大于C60的摻合料混凝土的工作性能和強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，CTF的摻入有利于改善高強(qiáng)混凝土的和易性，提高其強(qiáng)度，且可以保證在強(qiáng)度不降低的情況下節(jié)省基準(zhǔn)水泥用量，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。陳林[9]對(duì)摻CTF混凝土增效劑的混凝土進(jìn)行了工作性能、抗壓強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)效益的研究，結(jié)果表明，CTF混凝土增效劑能明顯改善混凝土的工作性能，后期抗壓強(qiáng)度高于基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度；能降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)、環(huán)保效益。截至目前，專門針對(duì)礦物摻合料復(fù)摻CTF混凝土增效劑對(duì)混凝土性能影響的研究很少，基于此，本文通過試驗(yàn)研究C30混凝土和C40混凝土在粉煤灰和硅灰以及增效劑復(fù)摻情況下的力學(xué)性能與增效劑節(jié)約水泥的情況。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)所用材料主要有水泥、粉煤灰、硅灰、粗骨料、細(xì)骨料、水、減水劑、增效劑。粗骨料和細(xì)骨料以及增效劑由星銳建材有限公司提供。水泥是混凝土中的膠結(jié)材料，其性能直接關(guān)系到混凝土試件的強(qiáng)度和性能，選擇合理的水泥品種和強(qiáng)度等級(jí)對(duì)混凝土的性能影響較大，本試驗(yàn)選用中材甘肅水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)如表1所示，根據(jù)GB/T176-2008《水泥化學(xué)分析方法》檢測(cè)的化學(xué)成分如表2所示。粉煤灰和硅灰的各項(xiàng)性能指標(biāo)如表3和表4所示。減水劑采用JF-2型聚羧酸高性能減水劑，其各項(xiàng)性能指標(biāo)如表5所示。

表1 P.O42.5普通硅酸鹽水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)Tab.1 Performance indexes of P.O42.5 ordinary portland cement

表2 P.O42.5普通硅酸鹽水泥化學(xué)成分（%）Tab.2 Chemical composition of P.O42.5 ordinary portland cement (%)

表3 粉煤灰各項(xiàng)性能指標(biāo)Tab.3 Performance indexes of fly ash

表4 硅灰各項(xiàng)性能指標(biāo)Tab.4 Performance indexes of silica fume

表5 JF-2聚羧酸高性能減水劑各項(xiàng)性能指標(biāo)Tab.5 Properties of JF-2 polycarboxylic acid high performance water reducer

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與安排

本試驗(yàn)主要研究粉煤灰和硅灰以及增效劑共同摻加的情況下對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)了硅灰摻量為6%和9%、粉煤灰摻量為15%、20%和25%以及增效劑摻量為1%的C30和C40兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的20個(gè)配合比，如表6所示。為探究CTF增效劑節(jié)約水泥情況，分別減少7%、10%和15%的水泥用量來對(duì)比研究。根據(jù)該配合比成型試塊，每個(gè)配合比成型3組試塊，每組分別有3個(gè)試塊，試塊尺寸為100×100×100mm。試塊在24小時(shí)后拆模，然后放入養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定日期后測(cè)定7d、28d、60d力學(xué)性能，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行整理與分析。

2 結(jié)果分析

2.1 增效劑對(duì)混凝土力學(xué)性能影響結(jié)果分析

C30和C40混凝土試塊抗壓強(qiáng)度隨水泥減少量的不同而表現(xiàn)出的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 不同水泥減少量下增效混凝土力學(xué)性能變化Fig.1 Change of mechanical properties of reinforced concrete with different cement reduction

由圖1可知，摻加增效劑的C30混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度在水泥用量逐步減少的情況下呈增強(qiáng)趨勢(shì)，水泥減少量為10%時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，水泥減少量為15%時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度已低于基準(zhǔn)組試塊抗壓強(qiáng)度，但是此時(shí)抗壓強(qiáng)度值仍然可觀，60d齡期時(shí)強(qiáng)度超過40MPa。對(duì)于摻加增效劑的C40混凝土，齡期7d時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度隨水泥用量的減少呈先降后增的變化趨勢(shì)，齡期28d和60d時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度隨水泥用量的減少而一直保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。即使水泥用量已經(jīng)減少15%，但是抗壓強(qiáng)度依然高于基準(zhǔn)組試塊抗壓強(qiáng)度，此時(shí)摻加增效劑的C40混凝土試塊抗壓強(qiáng)度值已達(dá)到

52MPa。

由以上分析可知，當(dāng)增效劑摻加到混凝土中時(shí)，減少一定量的水泥并不會(huì)影響混凝土抗壓強(qiáng)度，反而會(huì)提高混凝土試塊抗壓強(qiáng)度。還可以看出，增效劑可以節(jié)約水泥用量10%～15%，降低了成本。增效劑的主要作用是提高了水泥顆粒以及混凝土分子的分散程度，高度利用了水泥的作用。增效劑還有使混凝土分子更加黏連以及通過增大膠體數(shù)量來提高混凝土密實(shí)度的作用，因此可以用來提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，優(yōu)化混凝土性能?；炷量箟簭?qiáng)度主要是由其水膠比來決定，摻加混凝土增效劑節(jié)約了一部分水泥，從表面上看改變了水膠比，但實(shí)際上參加水化反應(yīng)的水泥的量并沒有改變。

2.2 粉煤灰、硅灰與增效劑對(duì)混凝土力學(xué)性能影響分析

2.2.1 礦物摻和料對(duì)增效混凝土力學(xué)性能影響分析

當(dāng)硅灰摻量分別為6%和9%時(shí)，C30和C40混凝土抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的不同而表現(xiàn)出的變化規(guī)律如圖2和圖3所示。

由圖2可以看出，硅灰摻量為6%時(shí)，C30混凝土在齡期7d時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加呈先增后減的趨勢(shì)，粉煤灰摻量為15%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度值最高。齡期28d和60d時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)基本一致，粉煤灰摻量小于15%時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度和基準(zhǔn)組試塊抗壓強(qiáng)度相差不大，粉煤灰摻量為15%～20%時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，20%時(shí)達(dá)到峰值，粉煤灰摻量大于20%時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)，25%時(shí)甚至低于基準(zhǔn)組抗壓強(qiáng)度。對(duì)于C40混凝土，硅灰摻量6%，試塊抗壓強(qiáng)度在齡期7d時(shí)隨粉煤灰摻量增加的變化趨勢(shì)與C30混凝土在齡期7d時(shí)的變化趨勢(shì)基本相同。齡期28d時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度在粉煤灰摻量為15%之前呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，15%時(shí)達(dá)到峰值，之后隨著粉煤灰摻量的增加而持續(xù)下降。齡期60d時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度在粉煤灰摻量為20%之前呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，20%時(shí)達(dá)到峰值，粉煤灰摻量為25%時(shí)試塊強(qiáng)度低于15%和20%時(shí)的試塊強(qiáng)度，但是高于基準(zhǔn)組試塊抗壓強(qiáng)度。

圖2 不同粉煤灰摻量下增效混凝土力學(xué)性能變化（硅灰摻量6%）Fig.2 Change of mechanical properties of increased efficiency concrete with different fly ash content(silica fume content 6%)

由圖3可以看出，硅灰摻量為9%時(shí)，C30混凝土試塊抗壓強(qiáng)度在7d和28d齡期時(shí)隨粉煤灰摻量增加的變化趨勢(shì)基本相同，粉煤灰摻量為15%時(shí)，試塊強(qiáng)度達(dá)到峰值，摻量20%和25%時(shí)試塊強(qiáng)度甚至低于基準(zhǔn)組試塊抗壓強(qiáng)度。齡期60d時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度在粉煤灰摻量為20%時(shí)達(dá)到峰值，摻量25%時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度雖然低于基準(zhǔn)組試塊，但此時(shí)強(qiáng)度值已超過40MPa，完全滿足C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土的強(qiáng)度要求。對(duì)于C40混凝土，齡期7d、28d和60d時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，粉煤灰摻量為20%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到最低。齡期60d粉煤灰摻量為25%時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組試塊抗壓強(qiáng)度相差不大，雖然粉煤灰摻量20%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最低，但此時(shí)抗壓強(qiáng)度值已滿足C40強(qiáng)度等級(jí)混凝土所需的抗壓強(qiáng)度。

圖3 不同粉煤灰摻量下增效混凝土力學(xué)性能變化（硅灰摻量9%）Fig.3 Change of mechanical properties of increased efficiency concrete with different fly ash content(silica fume content 9%)

2.2.2 齡期對(duì)增效混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)影響分析

當(dāng)硅灰摻量分別為6%和9%時(shí)，C30和C40混凝土試塊抗壓強(qiáng)度在不同粉煤灰摻量時(shí)隨齡期變化規(guī)律如圖4和圖5所示：

由圖4可以看出，硅灰摻量為6%時(shí)，對(duì)于C30混凝土，粉煤灰摻量為20%和25%時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)組試塊抗壓強(qiáng)度，在7d到28d期間粉煤灰摻量20%時(shí)試塊強(qiáng)度增長(zhǎng)最快，28d后粉煤灰摻量20%時(shí)試塊強(qiáng)度高于其他組試塊強(qiáng)度。對(duì)于C40混凝土，粉煤灰摻量為20%和25%時(shí)齡期7d試塊強(qiáng)度低于基準(zhǔn)組試塊強(qiáng)度，但在7d后摻量20%的試塊強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較快，齡期60d時(shí)20%摻量的試塊強(qiáng)度達(dá)到最高。

圖4 不同齡期下增效混凝土力學(xué)性能變化（硅灰摻量6%）Fig.4 Mechanical properties change diagram of synergistic concrete in different age periods(silica fume content 6%)

由圖5可以看出，硅灰摻量為9%時(shí)，對(duì)于C30混凝土，粉煤灰摻量為20%和25%時(shí)在齡期7d后試塊抗壓強(qiáng)度以較快速度增長(zhǎng)，齡期60d時(shí)粉煤灰摻量15%和20%的試塊強(qiáng)度高于其他組試塊強(qiáng)度。對(duì)于C40混凝土，無(wú)論粉煤灰摻量多少，試塊抗壓強(qiáng)度都低于基準(zhǔn)組試塊強(qiáng)度，但是在齡期60d時(shí)抗壓強(qiáng)度最低組的試塊抗壓強(qiáng)度值也達(dá)到45MPa，滿足C40強(qiáng)度混凝土要求的強(qiáng)度值。

圖5 不同齡期下增效混凝土力學(xué)性能變化（硅灰摻量9%）Fig.5 Change of mechanical properties of increased efficiency concrete at different ages (silica fume content 9%)

對(duì)比圖4和圖5可知，在粉煤灰、硅灰以及CTF混凝土增效劑復(fù)摻于混凝土的情況下，硅灰摻量為6%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度得到最好的優(yōu)化。

由以上分析，在水泥用量減少10%的情況下再用粉煤灰和硅灰代替一定量的水泥，此時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度不僅不會(huì)因?yàn)樗嗟臏p少而降低，反而有所提升。粉煤灰和硅灰在混凝土中的作用可以概括為物理作用和化學(xué)作用。物理作用主要是作為微集料起填充作用，化學(xué)作用主要是火山灰效應(yīng)，而粉煤灰和硅灰對(duì)強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn)為其火山灰效應(yīng)。曹健等[10]指出粉煤灰摻加于混凝土必定是水泥水化、粉煤灰發(fā)生效應(yīng)及水泥-粉煤灰膠凝材料形成體系等多因素耦合共同作用的過程。粉煤灰火山灰效應(yīng)反應(yīng)過程大致為成型混凝土?xí)r水泥先水化生成Ca(OH)2，粉煤灰再與Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠。湯青青[11]指出Ca(OH)2是一種難溶化學(xué)物質(zhì)，低溶解度造成溶液中Ca2+和OH-較少，很大程度上限制了粉煤灰的激發(fā)，造成早期粉煤灰混凝土強(qiáng)度低，這也就是粉煤灰摻量越大而前期強(qiáng)度越低的原因。硅灰與粉煤灰有所不同，硅灰由于其粒徑相較于水泥顆粒來說非常小，是水泥粒徑的1/50～1/100[12]，且分散度很高，因此當(dāng)混凝土中摻加硅灰時(shí)，前期混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)高于未摻加硅灰的混凝土強(qiáng)度。前期硅灰提高混凝土強(qiáng)度主要是其所起的物理作用，而后期硅灰對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要來自于其火山灰效應(yīng)。李建權(quán)等[13]指出，28d后硅灰中大量活性二氧化硅在常溫下與水泥水化生成的氫氧化鈣發(fā)生二次反應(yīng)（火山灰效應(yīng)）生成具有膠凝性的低堿性水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，這不僅降低了高堿性水化硅酸鈣在混凝土中的含量，且生成的產(chǎn)物會(huì)很好地填充在混凝土孔隙中，因而混凝土孔隙率大大降低，使得混凝土抗壓強(qiáng)度提高。

3 結(jié)論

1）CTF混凝土增效劑摻加于混凝土，不僅能節(jié)約水泥用量，降低成本，而且當(dāng)水泥減少量為10%～15%時(shí)增效劑的增效效果最明顯，此時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度得到了很大的提高。

2）粉煤灰、硅灰以及增效劑復(fù)摻于混凝土?xí)r，試塊抗壓強(qiáng)度值高于基準(zhǔn)組試塊抗壓強(qiáng)度值，且此時(shí)由于增效劑的作用以及粉煤灰和硅灰的代替，節(jié)約了大量水泥。結(jié)果表明，這種情況下粉煤灰最佳摻量為20%左右，硅灰摻量為6%左右。