復摻礦物摻合料混凝土性能試驗研究

張小龍，曾馨花，張會蘋，張愛明，曹建軍

(1.甘肅路橋建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730030;2.甘肅智通科技工程檢測咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730050)

復摻礦物摻合料混凝土性能試驗研究

張小龍1，2，曾馨花2，張會蘋2，張愛明2，曹建軍2

(1.甘肅路橋建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730030;2.甘肅智通科技工程檢測咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730050)

為研究礦物摻合料種類和摻量對混凝土強度和耐久性的影響規(guī)律，配制了基準混凝土、單摻粉煤灰混凝土、單摻?；郀t礦渣粉混凝土和雙摻粉煤灰和?；郀t礦渣粉的混凝土，進行了不同齡期抗壓強度、早期干縮率、抗凍性、電通量、耐磨性等耐久性指標的測試。結果表明:摻礦物摻合料的混凝土早期強度低于不摻礦物摻合料的基準混凝土，但隨著礦物摻合料摻量的增大，后期強度呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢;雙摻粉煤灰和?；郀t礦渣粉的混凝土后期強度明顯高于單摻粉煤灰或者單摻?；郀t礦渣粉的混凝土。這是因為不同種類礦物摻合料雙摻會產(chǎn)生超疊加效應，這種超疊加效應優(yōu)化了混凝土內(nèi)部孔隙結構，使得雙摻礦物摻合料的混凝土耐久性能得到顯著提高。

礦物摻合料 粉煤灰 礦粉 強度 試驗研究

在混凝土內(nèi)摻入粉煤灰、磨細礦渣粉等工業(yè)廢料取代部分水泥，由于粉煤灰和磨細礦渣粉的火山灰效應和微骨料填充效應，降低了混凝土內(nèi)部有害孔的數(shù)量，使混凝土的孔結構得到了改善，從而提高了混凝土質量［1-5］。但礦物摻合料在高性能混凝土中發(fā)揮作用的前提是摻入的礦物摻合料必須滿足質量要求，否則會帶來混凝土黏聚性下降、離析、泌水凝結時間長，早期強度低等問題。由于不同地區(qū)粉煤灰和礦渣粉的技術指標和品質不同，所以使混凝土獲得最佳的工作性、強度和耐久性時其摻量不同。鑒于此，國內(nèi)學者開展了礦物摻合料在公路橋梁混凝土中的應用研究。秦鴻根等［6-7］進行了雙摻粉煤灰和礦渣粉的混凝土配合比優(yōu)化設計，宋少民、田曉霞等［8-9］研究了石灰石粉在橋梁混凝土中的應用，李強、李雁等［10-11］對礦物摻合料對混凝土抗凍性影響進行了研究，趙井輝等［12］進行了礦物摻合料水工混凝土抗氯離子侵蝕性能研究。由于甘肅地區(qū)處于西北欠發(fā)達地區(qū)，雖然粉煤灰和?；郀t礦渣粉產(chǎn)量巨大，但由于品質較低和在廢渣利用方面的技術相對落后，目前國內(nèi)對甘肅地區(qū)的粉煤灰和礦渣粉摻量對混凝土性能影響的研究較少?；诖?，結合甘肅地區(qū)使用的粉煤灰和粒化高爐礦渣粉，對摻礦物摻合料混凝土的力學性能和耐久性能進行了測試，以探討礦物摻合料的品種和摻量對混凝土性能的影響規(guī)律。

1 試驗研究

1.1 試驗原材料

1)水泥

試驗采用甘肅平?jīng)銎钸B山水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥各項指標符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的要求，其主要物理力學性能見表1。

表1 試驗用水泥物理力學參數(shù)

2)粉煤灰

粉煤灰采用大唐甘肅發(fā)電有限公司西固熱電廠的Ⅰ級粉煤灰，粉煤灰各項指標符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)的要求，粉煤灰的主要性能指標見表2。

表2 試驗用粉煤灰物理力學參數(shù)

3)?；郀t礦渣粉

?；郀t礦渣粉采用酒泉鋼鐵(集團)有限責任公司生產(chǎn)的S95級礦渣粉。?；郀t礦渣粉各項指標符合《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》(GB/T 18046—2008)的要求，粒化高爐礦渣粉的主要

性能指標見表3。

表3 試驗用?；郀t礦渣粉物理力學參數(shù)

4)其他原材料

細集料采用陜西武功砂廠的水洗砂，細度模數(shù)為2.7，符合2區(qū)級配要求;粗骨料采用平?jīng)鲂匙铀槭瘡S的碎石，符合連續(xù)級配5～25 mm要求;減水劑采用甘肅華鑫源化工材料有限責任公司生產(chǎn)的HXY-11聚羧酸高性能減水劑，減水率為26.5%;混凝土拌合用水為自來水。

1.2 試驗方法

1)強度測定

制作150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體抗壓試件，標準養(yǎng)護至規(guī)定的齡期進行測試，操作方法及結果處理參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)。

2)早期干縮性測試

混凝土的干縮性試驗采用臥式混凝土收縮儀，依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)規(guī)定的接觸法進行測試。

3)抗氯離子滲透性測試

采用GB/T 50082—2009中的電通量法，將標準養(yǎng)護28 d和56 d的150 mm×150 mm×150 mm混凝土切割成φ100 mm×50 mm的試樣，采用NJ-DTL系列混凝土氯離子電通量測定儀測定6 h電通量，評價混凝土的抗氯離子滲透性能。

4)抗凍性測試

采用GB/T 50082—2009中快速凍融的試驗方法，將標準養(yǎng)護28 d的100 mm×100 mm×400 mm混凝土試件進行凍融，每25次凍融循環(huán)后測試試件的橫向基頻，并計算凍融后試件的質量損失和相對動彈性模量損失，評定混凝土的抗凍性能。當混凝土的質量損失超過5%，相對動彈性模量降低至初始的60%以下，結束凍融試驗，記錄凍融循環(huán)最大次數(shù)。

5)耐磨性測試

依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2005)規(guī)定的水泥混凝土耐磨性試驗方法，制作150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試件，將試件放至耐磨試驗機的水平轉盤上(磨削面應與成型時的頂面垂直)，用夾具將其輕輕緊固。在200 N荷載下磨30轉，然后取下試件刷凈表面粉塵稱重，記錄剩余質量。整個磨損過程應將吸塵器對準試件磨損面，使磨下的粉塵被及時吸走。按規(guī)定的磨損方式磨削，以試件磨損面上單位面積的磨損量作為評定混凝土耐磨性的相對指標。

1.3 試驗方案

本文以C50混凝土為研究對象，通過改變粉煤灰、粒化高爐礦渣粉的摻量，分別配制不摻礦物摻合料的基準混凝土、單摻粉煤灰的混凝土、單摻礦渣粉的混凝土和雙摻兩種礦物摻合料的優(yōu)化混凝土，共配制了13種，通過調整砂率和減水劑摻量，混凝土坍落度均在160～200 mm，配合比見表4。為分析礦物摻合料對混凝土耐久性的影響程度和規(guī)律，選取了表4中的C-1，C-4和C-6三種混凝土進行了早期干縮變形、抗凍性、抗氯離子滲透性和耐磨性的試驗。

表4 混凝土配合比與強度試驗結果

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土強度

分析表4可知，摻礦物摻合料的混凝土早期強度，尤其是3 d強度普遍低于不摻礦物摻合料的基準混凝土。這是因為粉煤灰、?；郀t礦渣粉本身與水反應速度較慢，需要在堿性激發(fā)劑或硫酸鹽激發(fā)劑的激發(fā)作用下，才能跟水發(fā)生化學反應即發(fā)生二次水化反應，生成相應水化產(chǎn)物，但是水化早期，水泥熟料本身并未完全水化，生成的氫氧化鈣量不多，因此粉煤灰、?；郀t礦渣粉對混凝土早期強度貢獻不大，表現(xiàn)出摻礦物摻合料的混凝土早期強度偏低。隨著礦物摻合料總量的增大，摻礦物摻合料的混凝土后期強度呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢。這是因為隨著礦物摻合料的摻入，在后期礦物摻合料發(fā)生了二次水化反應，加上未反應的礦物摻合料起到微骨料效應，生成的大量水化產(chǎn)物和未反應的細小礦物摻合料，填堵混凝土內(nèi)部微小孔隙，使得混凝土更加密實，強度提高。但當摻量超過某一數(shù)值后，由于沒有足夠的水泥水化形成氫氧化鈣作為激發(fā)劑，粉煤灰和?；郀t礦渣粉二次水化反應不充分，因此就發(fā)揮不了兩者的作用。雙摻粉煤灰和?；郀t礦渣粉的混凝土后期強度高于單摻粉煤灰或者單摻粒化高爐礦渣粉的混凝土。這是因為粉煤灰和?；郀t礦渣粉雖然本身顆粒很細小，但是作為散粒結構，其自身也存在內(nèi)部空隙，而復摻粉煤灰和?；郀t礦渣粉使得兩者可以互相填充，使得混凝土更加密實，強度更高。另外，由于試驗采用的粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，其活性更高，而粒化高爐礦渣粉為 S95級礦渣粉，相對粉煤灰活性指數(shù)偏低，因此無論單摻還是復摻，相同條件下粉煤灰摻量大的混凝土其強度偏高。

2.2 早期干縮性

圖1為3組混凝土不同齡期的干燥收縮率?？梢钥闯?，C-1基準混凝土的各齡期干縮率均大于單摻粉煤灰的C-4混凝土或復摻粉煤灰和?；郀t礦渣粉的C-6混凝土。C-1基準混凝土28d的干燥收縮率為0.20%，而單摻粉煤灰的C-4混凝土28d的干燥收縮率為0.18%，為C-1混凝土的90%，而復摻粉煤灰和?；郀t礦渣粉的 C-6混凝土 28d干燥收縮率為0.16%，僅為C-1混凝土的80%。這是因為粉煤灰和粒化高爐礦渣粉的摻入改變了混凝土的水化進程，使得水化產(chǎn)物和孔結構發(fā)生變化，從而改變了凝膠孔水、吸附水、層間水之間的比例，并最終導致早期收縮。另一方面，由于粉煤灰和粒化高爐礦渣粉的摻入延緩了水化進程，也會減少收縮。復摻粉煤灰和粒化高爐礦渣粉的C-6混凝土干燥收縮率較C-4混凝土還小的原因是粉煤灰和?；郀t礦渣粉的疊加效應，使得混凝土更加密實，水分更不易向外散失。

圖1 3組混凝土各齡期干燥收縮率

2.3 抗凍性

圖2為3組混凝土凍融循環(huán)后的相對動彈性模量變化率曲線。分析圖2可以看出，C-1基準混凝土在凍融循環(huán) 100次時，相對動彈性模量損失率達到了45.7%，即已經(jīng)被凍壞，而單摻粉煤灰的C-4混凝土在凍融循環(huán) 225次時，相對動彈性模量損失率為39.6%，混凝土試件被凍壞，而復摻粉煤灰和?；郀t礦渣粉的C-6混凝土在凍融循環(huán)300次后，相對動彈性模量僅損失6%，沒有被凍壞。說明粉煤灰和?；郀t礦渣粉的微骨料效應和二次水化作用可以優(yōu)化混凝土內(nèi)部的孔隙結構，降低混凝土內(nèi)部開口孔隙比例，增加細小封閉孔隙比例，提高混凝土的密實度，從而改善混凝土抗凍能力，因此，摻礦物摻合料的混凝土抗凍性能優(yōu)于普通混凝土。

圖2 混凝土動彈性模量變化率曲線

2.4 抗氯離子滲透性

分析圖3可知，C-1基準混凝土的電通量較高，28 d電通量為1 642 C，56 d電通量為1 450 C。這是由于基準混凝土未摻入任何礦物摻合料，砂顆粒之間的空隙只能依靠水泥來填充，由于水泥本身也為散粒材料，顆粒間也存在空隙，這部分空隙在基準混凝土中僅能靠水填充，當水化完成后，多余的水分向外散失，導致混凝土內(nèi)部形成大量的過水通道，使得混凝土的密

實性差，混凝土內(nèi)部與外界聯(lián)通孔隙多，其抗氯離子滲透性就差。單摻粉煤灰的C-4混凝土電通量有明顯的降低，28 d電通量為1 027 C，56 d電通量為821 C，低于基準混凝土的電通量，這是因為在水泥的基礎上，又添加了一種細粒徑的材料，使得砂顆粒之間的空隙靠兩種不同細度的粉體來填充，可以較好發(fā)揮顆粒不同粒徑的填充效果，使得密實度較高，電通量較小。復摻粉煤灰和?；郀t礦渣粉的C-6混凝土28 d電通量為784 C，56 d電通量651 C，電通量明顯降低。這是由于不同粒徑材料的填充顯著提高混凝土結構的密實度，改善混凝土內(nèi)部孔隙結構。因此要配制抗氯離子滲透性能優(yōu)良的混凝土，一定要提高混凝土的密實性。

圖3 混凝土電通量測試值

2.5 耐磨性

表5給出了3組混凝土單位面積上的磨耗損失量。分析可知，C-1基準混凝土耐磨性最差，復摻粉煤灰和?；郀t礦渣粉的C-6混凝土耐磨性最好。這是因為雖然3種混凝土的最終水化產(chǎn)物的種類相同，但是由于粉煤灰和?；郀t礦渣粉在激發(fā)劑的作用下將發(fā)生二次水化反應，反應過程中氫氧化鈣作為激發(fā)劑被大量消耗的同時，生成大量的水化硅酸鈣凝膠，所以摻摻合料的混凝土中凝膠含量高于基準混凝土。由于氫氧化鈣晶體生長具有一定的定向性，影響混凝土的強度和耐久性，而摻礦物摻合料的混凝土削弱了這種影響，且使氫氧化鈣晶體細化。另外，由于二次水化反應混凝土中水化硅酸鈣凝膠的微觀結構也將由纖維狀轉換為網(wǎng)絡狀，使混凝土內(nèi)部孔隙得到進一步細化，從而使得對混凝土性能產(chǎn)生危害的大孔的比例大大降低;摻礦物摻合料后小孔徑的孔隙率增加。這是因為反應中形成的凝膠是微觀多孔物質，它們填充進大的毛細孔隙，將一個含有大的毛細孔隙的體系轉化成包含無數(shù)微孔的體系，使得結構致密。對提高混凝土耐磨性非常有益。

表5 混凝土單位面積磨耗量

3 結論

1)摻礦物摻合料的混凝土早期強度低于不摻礦物摻合料的基準混凝土，但隨著二次水化反應和礦物摻合料摻量的增大，后期強度普遍呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢。

2)不同礦物摻合料雙摻，由于粒徑不同會相互填充，從而產(chǎn)生超疊加效應。這種超疊加效應有效降低了混凝土的孔隙率，使有害的粗大連通孔轉變?yōu)榧毿》忾]的無害孔或者少害孔，優(yōu)化了混凝土內(nèi)部孔隙結構，使得摻礦物摻合料的混凝土抗凍性、抗氯離子滲透性、耐磨性等耐久性能均得到顯著提高。

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(責任審編 葛全紅)

TU528

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.34

2015-05-22;

:2015-07-20

甘肅省建設科技攻關項目(JK2013-52)

張小龍(1975— )，男，甘肅隴西人，高級工程師。

1003-1995(2015)09-0121-04