礦渣含量對高性能混凝土力學(xué)性能影響*

劉源 李大來 陳小芳

1. 福州理工學(xué)院 福建 福州 350506；

2. 福建筑啟輝煌建筑工程有限公司 福建 福州 350000

引言

高性能混凝土是一種以耐久性、工作穩(wěn)定性為主要指標(biāo)而設(shè)計(jì)的新型混凝土。與普通混凝土相比，由于其良好的耐久性、和易性及力學(xué)性能，被廣泛使用與各類工程場合[1]。高性能混凝土各項(xiàng)性能的改善，可通過調(diào)整配比、添加外摻劑等方法得以實(shí)現(xiàn)。其中礦渣為高性能混凝土在制備過程中最常用的外摻劑。

礦渣摻和料由于顆粒細(xì)度與水泥相近，可代替水泥，同時，礦渣摻和料可以降低水化熱，減少混凝土內(nèi)部微裂縫，從而提高混凝土耐久性、和易性，是高性能混凝土中優(yōu)良的外摻劑[2]。由于礦渣具有水化活性，參與水化反應(yīng)，并且礦渣多為微粉，可填充混凝土內(nèi)部孔隙，改善孔隙分布，增加密實(shí)度從而提高混凝土強(qiáng)度，因此高性能混凝土中礦渣的含量與混凝土各項(xiàng)性能密切相關(guān)，是決定其力學(xué)性能的重要指標(biāo)[3]。

本文將礦渣按一定比率替代水泥，通過對礦渣含量為20%、25%、30%、35%、40%的礦渣混凝土和普通混凝土對照組進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析立方體抗壓強(qiáng)度大小變化及抗壓強(qiáng)度速率變化，對不同礦渣含量下高性能混凝土力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 水泥：普通硅酸鹽水泥P.O42.5。

1.1.2 礦渣粉：S95級礦渣粉，比表面積400m2/kg。

1.1.3 粗骨料：粒徑6~18mm碎石顆粒。

1.1.4 細(xì)骨料：河沙。

1.1.5 減水劑：高效聚羧酸減水劑，本試驗(yàn)采用1%的摻用量，即每立方米減水劑用量為4.75 kg。

材料水灰比為0.38，混凝土配合比按表1。

表1 混凝土試驗(yàn)配比表（kg/m3）

試驗(yàn)按照礦渣含量不同，將混凝土分為六組，礦渣按一定比率替代水泥。普通混凝土編號為C，將礦渣摻量為20%、25%、30%、35%、40%的礦渣混凝土依次編號為礦渣混凝土SC20、礦渣混凝土SC25、礦渣混凝土SC30、礦渣混凝土SC35、礦渣混凝土SC40。試件制備完成后，放置養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間分別達(dá)7d、28d、60d、90d時拆模，進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

力學(xué)性能測試混凝土材料立方體抗壓強(qiáng)度，立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[4]（GB/T5008-2011），制備尺寸大小為100mm×100mm×100m混凝土立方體試件。試件放置養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間分別達(dá)7d、28d、60d、90d時拆模，進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)時，試件的上下受壓面取試件側(cè)面，以0.5MPa/s的加載速度施加荷載至試件破壞。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

在養(yǎng)護(hù)齡期7-90d內(nèi)，不同尾礦粉含量下，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1所示，由圖1可知。

圖1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（MPa）

在相應(yīng)養(yǎng)護(hù)齡期下，礦渣含量對混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生的影響：

2.1.1 養(yǎng)護(hù)齡期7d。養(yǎng)護(hù)齡期在7d時，普通混凝土C、礦渣混凝土SC20、礦渣混凝土SC25、礦渣混凝土SC30、礦渣混凝土SC35、礦渣混凝土SC40，其立方體抗壓強(qiáng)度大小關(guān)系為：C＞SC20＞SC25＞SC30＞SC35＞SC40。礦渣混凝土SC的強(qiáng)度均小于普通混凝土C。

7d時，隨著礦渣含量的增加，礦渣混凝土的強(qiáng)度逐漸減小。這是由于早期水化過程中，礦渣并不參與膠凝物質(zhì)間的水化反應(yīng)，因此礦渣混凝土的早期強(qiáng)度小。同時，礦渣的含量越高，早期水化過程中參與反應(yīng)的膠凝物質(zhì)含量越少，因此相同水灰比下，礦渣含量越高混凝土強(qiáng)度越小。

2.1.2 養(yǎng)護(hù)齡期28d。養(yǎng)護(hù)齡期在28d時，普通混凝土C、礦渣混凝土SC20、礦渣混凝土SC25、礦渣混凝土SC30、礦渣混凝土SC35、礦渣混凝土SC40，其立方體抗壓強(qiáng)度大小關(guān)系為：SC30＞ SC25＞ SC35＞SC20＞SC40＞C。礦渣混凝土SC強(qiáng)度均大于普通混凝土C。在該齡期下，礦渣含量為30%混凝土強(qiáng)度最高，在礦渣含量低于30%時，隨著礦渣含量的增加混凝土強(qiáng)度逐漸增大，在礦渣含量高于30%時，隨著礦渣含量的增加混凝土強(qiáng)度逐漸減小。28d時，礦渣開始產(chǎn)生活性，其內(nèi)部含有的活性氧化硅、活性氧化鋁與水泥水化生成的氫氧化鈣反應(yīng)，生成能增加混凝土強(qiáng)度的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)。

在整個反應(yīng)過程中，礦渣與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)，因此其膠凝物質(zhì)的生成與水泥的含量及水泥水化反應(yīng)程度有關(guān)。在礦渣含量低于30%時，礦渣含量越高，水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣與其反應(yīng)越充分，生成的膠凝物質(zhì)越多，混凝土強(qiáng)度越大。在礦渣含量高于30%時，礦渣含量越高，水泥含量越少，該養(yǎng)護(hù)齡期下水泥水化生成的氫氧化鈣含量越少，礦渣與其反應(yīng)生成的膠凝物質(zhì)越少，混凝土強(qiáng)度減小。養(yǎng)護(hù)齡期在28d，水灰比為0.38時，礦渣含量30%為立方體抗壓強(qiáng)度增加臨界值。

2.1.3 養(yǎng)護(hù)齡期60d。養(yǎng)護(hù)齡期在60d時，普通混凝土C、礦渣混凝土SC20、礦渣混凝土SC25、礦渣混凝土SC30、礦渣混凝土SC35、礦渣混凝土SC40，其立方體抗壓強(qiáng)度大小關(guān)系為：SC35＞ SC40＞ SC30＞SC25＞SC20＞C。礦渣混凝土SC強(qiáng)度均大于普通混凝土C。礦渣混凝土SC強(qiáng)度均大于普通混凝土C，且SC20、SC25、SC30強(qiáng)度相近。

在該齡期下，礦渣含量為35%以下的混凝土強(qiáng)度相近，且都低于SC40。此時，對于SC20、SC25、SC30混凝土中水泥水化過程接近完全，部分水泥已生成氫氧化鈣，不再繼續(xù)生成，且部分氫氧化鈣已與礦渣反應(yīng)，因此強(qiáng)度增長速率降低。對于SC40，水泥并未完全水化，繼續(xù)生成活性氫氧化鈣，同時繼續(xù)與礦渣反應(yīng)，因此強(qiáng)度增長速率高，且達(dá)到齡期60d時強(qiáng)度最高值。該現(xiàn)象說明，礦渣含量越高，膠凝材料水化反應(yīng)越晚，混凝土強(qiáng)度提升速率越低，礦渣有推遲混凝土強(qiáng)度提升的作用。

2.1.4 養(yǎng)護(hù)齡期90d。養(yǎng)護(hù)齡期在90d時，普通混凝土C、礦渣混凝土SC20、礦渣混凝土SC25、礦渣混凝土SC30、礦渣混凝土SC35、礦渣混凝土SC40，其立方體抗壓強(qiáng)度大小關(guān)系為：SC35＞SC40＞SC25＞SC30＞SC20＞C。礦渣混凝土SC強(qiáng)度均大于普通混凝土C，且SC20、SC25、SC30強(qiáng)度相近。在該齡期下，混凝土礦渣含量為20%、25%、30%時的立方體抗壓強(qiáng)度相近，且都低于SC40。此時，各混凝土立方體抗壓強(qiáng)度大小變規(guī)律與60d相相似，產(chǎn)生該力學(xué)現(xiàn)象原因與養(yǎng)護(hù)齡期為60d時分析原因相同，高礦渣含量混凝土中水泥并未完全水化，繼續(xù)生成氫氧化鈣與礦渣反應(yīng)，增加強(qiáng)度。

2.2 混凝土立方體抗壓增長速率

在養(yǎng)護(hù)齡期7-90d內(nèi)，不同尾礦粉含量下，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度增長速率如圖2所示，由圖可知：

圖2 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度增長速率圖

在整個養(yǎng)護(hù)齡期下，礦渣含量對混凝土強(qiáng)度增長速率產(chǎn)生的影響：

2.2.1 礦渣含量不同。普通混凝土C，在養(yǎng)護(hù)齡期7-28d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為6.89%。在養(yǎng)護(hù)齡期28-60d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為13.84%。在養(yǎng)護(hù)齡期60-90d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為1.68%。在整個養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)，普通混凝土C強(qiáng)度增長速率呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。

礦渣混凝土SC20，在養(yǎng)護(hù)齡期7-28d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為16.45%。在養(yǎng)護(hù)齡期28-60d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為15.02%。在養(yǎng)護(hù)齡期60-90d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為10.53%。在整個養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)，礦渣混凝土SC20強(qiáng)度增長速率呈現(xiàn)出逐漸減小的規(guī)律。

礦渣混凝土SC25，在養(yǎng)護(hù)齡期7-28d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為22.34%。在養(yǎng)護(hù)齡期28-60d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為12.39%。在養(yǎng)護(hù)齡期60-90d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為10.83%。在整個養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)，礦渣混凝土SC25強(qiáng)度增長速率呈現(xiàn)出逐漸減小的規(guī)律。

礦渣混凝土SC30，在養(yǎng)護(hù)齡期7-28d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為31.02%。在養(yǎng)護(hù)齡期28-60d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為9.51%。在養(yǎng)護(hù)齡期60-90d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為10.23%。在整個養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)，礦渣混凝土SC30強(qiáng)度增長速率在28d以后減小，28-60d、60-90d內(nèi)強(qiáng)度增長速率相近。

礦渣混凝土SC35，在養(yǎng)護(hù)齡期7-28d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為29.23%。在養(yǎng)護(hù)齡期28-60d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為17.29%。在養(yǎng)護(hù)齡期60-90d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為11.72%。在整個養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)，礦渣混凝土SC35強(qiáng)度增長速率呈現(xiàn)出逐漸減小的規(guī)律。

礦渣混凝土SC40，在養(yǎng)護(hù)齡期7-28d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為30.89%。在養(yǎng)護(hù)齡期28-60d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為21.73%。在養(yǎng)護(hù)齡期60-90d內(nèi)，強(qiáng)度增長速率為11.71%。在整個養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)，礦渣混凝土SC35強(qiáng)度增長速率呈現(xiàn)出逐漸減小的規(guī)律。

2.2.2 養(yǎng)護(hù)齡期不同。在養(yǎng)護(hù)齡期7-28d內(nèi)，隨著礦渣含量的增大，混凝土強(qiáng)度增長速率逐漸增大。這主要是由于礦渣早期不參與水化反應(yīng)，使得混凝土早期水化強(qiáng)度過小，而當(dāng)28d礦渣開始產(chǎn)生活性，參與水化反應(yīng)后，混凝土強(qiáng)度迅速增長，且隨著礦渣含量越高，強(qiáng)度增長速率越大。

在養(yǎng)護(hù)齡期28-60d內(nèi)，礦渣含量為30%以下，隨著礦渣含量增大，混凝土強(qiáng)度增長速率逐漸減小。礦渣含量高于30%時，隨著礦渣含量繼續(xù)增大，混凝土強(qiáng)度增長速率逐漸增大。

在養(yǎng)護(hù)齡期60-90d內(nèi)，礦渣混凝土SC20、礦渣混凝土SC25、礦渣混凝土SC30、礦渣混凝土SC35、礦渣混凝土SC40強(qiáng)度增長速率相近，且都遠(yuǎn)大于普通混凝土C強(qiáng)度增長速率。這主要是由于礦渣的存在，使得混凝土水化強(qiáng)度在60d后繼續(xù)增長，礦渣有推遲混凝土強(qiáng)度提升的作用。

在整個養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，普通混凝土C強(qiáng)度增長速率呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。礦渣混凝土強(qiáng)度增長速率規(guī)律相近，大致呈現(xiàn)隨養(yǎng)護(hù)齡期增長強(qiáng)度逐漸減小。

3 結(jié)束語

通過對不同礦渣含量的礦渣混凝土，及對照組普通混凝土進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，研究礦渣含量對高性能混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)論如下：①在混凝土水化早期（養(yǎng)護(hù)時間7d），礦渣混凝土強(qiáng)度小于普通混凝土，且隨著礦渣含量越高混凝土早期強(qiáng)度越小。②在養(yǎng)護(hù)時間為28d，0.38水灰比下，礦渣含量為30%時，混凝土強(qiáng)度最大。③礦渣有延遲混凝土水化強(qiáng)度提升的作用，礦渣含量越高，強(qiáng)度增長速率越低。④礦渣混凝土強(qiáng)度增長速率隨養(yǎng)護(hù)齡期增長逐漸減小。