礦物摻合料對膠砂力學性能試驗研究

潘帥

（中鐵二十局集團市政工程有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 前言

近十幾年來，我國經濟高速發展，混凝土用量不斷增加，僅2011年我國商品混凝土用量就達7.42億立方米，2011-2017年用量大幅增長，平均增幅在20%以上，截止2017年底，商品混凝土用量已達18.68億立方米[1-2]。商品混凝土類似，近年來混凝土用量也持續增長，2011-2017年平均增幅7.8%，2017年更是達到28.94億立方米的極值。混凝土用量的增加，使得水泥用量也持續增加[3]，然而水泥的生產過程是一個大量消耗資源和能源的過程，同時大量排放 CO2氣體和粉塵，使大氣溫室效應加劇，環境遭受嚴重污染，這與當前國家建設資源節約型和環境友好型的戰略需求嚴重不符[4]。同時砼企日益增多，供給側結構的調整使得砼企行業利潤壓縮，因此，混凝土企業必須依靠科技走向可持續發展道路，提高混凝土質量，降低生產成本，增加企業利潤[5-6]。基于此，本文設計膠砂力學性能試驗，研究分析硅灰和粉煤灰替代量對其抗壓、抗折強度的影響，以找出粉煤灰、硅灰的最佳摻量。

粉煤灰是從燃燒煤的鍋爐煙氣中收集的粒狀灰粒，又叫做“飛灰”亦或是“磨細燃料灰”[7]。粉煤灰對混凝土性能的的影響是其顆粒形態效應、微集料效應和火山灰效應共同作用的結果[8]。微硅粉又叫硅灰或稱凝聚硅灰，是鐵合金在冶煉硅鐵和工業硅（金屬硅）時，礦熱電爐內產生出大量揮發性很強的SiO2氣體，在氣體排放后與空氣迅速氧化冷凝沉淀而成[9]。硅灰顆粒小，比表面積大，二氧化硅含量多，火山灰活性高，硅灰使用于混凝土，一方面起超細填充料的作用，填充在水泥顆粒周圍，使漿體更為緊密[10-11]；另一方面在早期水化過程中起晶核作用，并有高的火山灰活性，它與水泥水化生成的氫氧化鈣結合生成水化硅酸鈣凝膠，這些凝膠堵塞在毛細管中，使毛細孔變小且不連續[12-13]。

粉煤灰和硅灰的摻入，不僅降低了生產成本，同時改善了混凝土相關性能，然而受到粉煤灰和硅灰性能等諸多材料方面的影響，使得礦物摻合料的摻量并不是一成不變的，且張駿等學者多從粉煤灰、硅灰單因素方面著手，使得成果應用受到一定的限制[14-15]。因此，研究礦物摻合料對混凝土力學性能的影響還是很有必要的。

2 原材料及試驗過程

為充分研究粉煤灰與硅灰對混凝土膠接性能的影響，本文以膠砂基準配合比為依據，在此基礎之上，用粉煤灰和硅灰替代部分水泥，其粉煤灰替代量分別為10%、15%、20%、25%及30%，粉煤灰替代量分別為3%、6%及9%，各材料具體用量如表1所示，其主要材料包括水泥、粉煤灰、硅灰、機制砂等，部分材料性能指標如表2、表3所示。

根據表1配合比成型膠砂試件，成型后24h拆模，置于標準養護室（溫度20±3℃；濕度RH≥95%）進行養護，待齡期分別為3d、7d、28d及56d時對其進行抗壓和抗折強度測試。抗折強度用電動抗折試驗機進行測定，抗壓強度用微機控制壓力試驗機測定，試驗過程及所用設備如圖1所示。

表1 水泥基膠砂配合比設計

圖1 試驗過程所用設備

表2 粉煤灰各項性能指標

3 試驗結果分析

3.1 硅粉單摻時摻量對膠砂力學性能影響結果分析

在基準膠砂配合比的基礎上，僅用硅灰代替部分水泥，其力學性能變化規律如圖2所示。從抗折強度圖上可以觀察到隨著硅灰摻量的增加，其抗折強度平穩增加，以9%硅灰摻量時的抗折強度最高。同時，從不同齡期的抗折強度值中發現，9%硅灰摻量時的抗折值較未摻硅灰時的抗折強度值增加4.2%-12.65%之多，以3d和28d時增加的最多，效果最為明顯。從抗壓強度圖中看到，隨著硅灰摻量的增加，抗壓值都有不同程度的增加，其中3d和7d時增加較為平緩，28d和56d時增加較大，從后期強度變化之中可以明顯得到硅灰摻量的增加抗壓強度值增加較快。不同齡期下9%硅灰摻量抗壓值較未摻時增加10.12%-20.37%，表明硅灰的加入，明顯提高了試件的抗壓強度。同時觀察兩幅圖可以看到，硅灰的摻入，提高了力學性能，且抗壓強度值變化較抗折強度值更加明顯與敏感。此外，對比不同礦粉摻量的膠砂力學性能發現，隨著齡期的增加，抗壓強度和抗折強度均逐漸增加，且初期增加幅度較大，而28d以后增幅較小，表明膠凝材料水化主要在28d內發生，后期水化減緩。

表3 硅灰各項性能指標

3.2 礦物摻合料復摻時粉煤灰摻量對膠砂力學性能影響結果分析

圖2 不同硅灰摻量下膠砂力學性能圖

為研究粉煤灰摻量對膠砂力學性能的影響，在硅灰摻量一定的情況下，分別用粉煤灰替代部分水泥，其替代量分別為10%、15%、20%、25%、30%，其在不粉煤灰摻量下的強度值變化規律如圖3、圖4、圖5所示。

從圖3中可以觀察到，對于硅灰摻量為3%的膠砂試件，初期（3d、7d）抗折強度值隨著粉煤灰摻量的增加基本呈穩定變化，3d強度值甚至略有降低，隨著養護齡期的增加，20%粉煤灰替代量的膠砂表現出了最高的抗折強度值，此后，粉煤灰量增加，抗折強度值減少，甚至低于低粉煤灰替代量的膠砂。從抗壓強度值來看，3d時的強度值持續降低，7d、28d及56d強度值呈現出波動式變化，并在粉煤灰替代量為20%時出現波峰，但其波峰數值略低于10%粉煤灰替代量時的抗壓值。從兩類力學性能指標整體發現，當硅灰替代量為3%時，粉煤灰替代量在20%出現峰值點，且10%-20%替代量之間的膠砂力學值要高于20%-30%之間的力學值。同時從齡期角度觀察，各膠砂力學值均隨著齡期的增加而增加，其中3d-7d時的抗壓、抗折強度值變化最大，及至28d后增加幅度減小，表明膠凝材料水化主要發生在28d之前。

從圖4中可以看到，當膠砂中硅灰摻量為6%時，其抗折強度值變化較為波動，3d的抗折值在20%粉煤灰替代量時達到最大，而7d時的抗折隨著粉煤灰替代量的增加持續降低，并在20%替代量時有一個較大的降低，齡期發展至28d時的抗折值已和56d齡期接近，都隨著粉煤灰摻量的增加而緩慢減小。從抗壓強度值變化來看，不同齡期時的抗壓強度值均隨著粉煤灰摻量的增加而降低，且降低幅度較為平穩，10%替代量時抗壓強度值最高。對比兩類力學值還可以觀察到，隨著齡期的增加，抗折強度值變化較大，抗壓強度值則較為平緩，但都在10%替代量時強度值最高，表明對于6%硅灰摻量的膠砂試件，粉煤灰摻量10%時最佳。

圖3 不同粉煤灰摻量下膠砂力學性能圖（硅灰摻量3%）

圖4 不同粉煤灰摻量下膠砂力學性能圖（硅灰摻量6%）

硅灰摻量為9%時不同粉煤灰摻量的膠砂強度值變化如圖4，從圖中可以看到，7d時的抗折強度值在不同粉煤灰替代量時平穩變化，并在20%-25%之間時略有增加，而3d、28d及56d時的抗折值呈現出先減小后增加最后降低的波動式變化，在粉煤灰摻量15%時出現最小值，在20%-25%時出現峰值，且30%粉煤灰替代量與10%替代量抗折強度值接近，表明僅從抗折強度看，除15%替代量膠砂力學值較差外，其它粉煤灰替代量對膠砂力學值均有改善提高。從抗壓強度值來看，3d時的強度值隨著粉煤灰替代量的增加而降低，齡期增至7d以后，則表現出先降低后增加再緩慢減小的變化特點，其中15%替代量時抗壓強度值最低，及至20%時達到峰值點，且波峰值比波谷值高出20%以上，力學值有明顯的提高。同時，20%-30%替代量的抗壓強度值也明顯高于10%替代量時的強度值，表明當硅灰摻量較大為9%時，粉煤灰替代量較大的膠砂力學性能優于摻量較小的膠砂試件。從兩類力學指標整體變化中可以發現，28d之前強度發展較快，后期強度變緩，20%-25%時有較優的力學值，且抗壓強度變化較抗折強度更敏感。

綜上所述，在硅灰摻量一定時，膠砂試件的抗壓、抗折強度均隨著粉煤灰摻量的增大而變化。當硅灰摻量為3%時，粉煤灰摻量在10%-20%時具有更好的力學性能。當硅灰摻量為6%時，粉煤灰摻量越多，力學性能越差，10%粉煤灰摻量膠砂強度值最大。當硅灰摻量為9%時，在粉煤灰摻量為20%時力學性能最佳，且20%-30%具有較好的性能。從兩類力學指標值中發現，抗壓強度與抗折強度隨著粉煤灰摻量的變化基本上表現出相同的變化規律，且抗壓強度較抗折強度更敏感。

圖5 不同粉煤灰摻量下膠砂力學性能圖（硅灰摻量9%）

3.3 礦物摻合料復摻時硅灰摻量對膠砂力學性能影響結果分析

為研究硅灰摻量對膠砂力學性能的影響規律，在粉煤灰摻量一定時分別用硅灰替代部分水泥，替代量分別為3%、6%、9%，其在不同齡期下的強度變化規律如圖6、圖7、圖8所示。

從圖6中可以觀察到，對于7d時的強度值，不同粉煤灰摻量下的膠砂試件隨著硅灰摻量的變化表現出了不同的變化規律，其中10%-15%硅灰摻量的膠砂試件抗壓與抗折強度值隨著硅灰摻量的增加均呈現出先升后降的變化特點，在6%時強度值最高，且低硅灰摻量強度值高于高硅灰摻量的膠砂強度值。而20%-30%之間的抗壓與抗折強度值隨著硅灰摻量的增加表現出先降后升的波動特點，6%摻量時力學性能最差。此外，對比兩類力學值發現，9%摻量時的膠砂抗折強度低于3%摻量時的強度值，而從抗壓強度值看，20%、25%、30%粉煤灰替代量的膠砂在硅灰摻量為9%時的抗壓強度高于3%摻量時的值，但兩類力學性能指標值表現出了相似的變化規律。

圖6 不同硅灰摻量下膠砂力學性能圖（7d）

硅灰摻量不同時膠砂試件在28d時的抗壓、抗折強度如圖7所示，從抗折強度圖中可以觀察到，除30%粉煤灰摻量外，其它各粉煤灰摻量的膠砂抗折強度隨著硅灰摻量增加呈現出先增加后降低的變化特點，且9%硅灰摻量的抗折強度值高于3%時的值，粉煤灰摻量最大的30%試件則隨著硅灰摻量增加而持續增加。從抗壓強度值來看，其變化規律與抗折強度有所不同，其中15%粉煤灰摻量的試件抗壓強度隨著硅灰摻量增加而持續降低，高粉煤灰摻量的20%、25%、30%則表現出先減小后增大的變化規律，6%時的強度最低，9%時的強度最高，整體來看，硅灰摻量越大，力學性能越好。

圖7 不同硅灰摻量下膠砂力學性能圖（28d）

56d時的力學性能指標如圖8所示，從抗折圖中觀察到，粉煤灰摻量較大的25%、30%膠砂試件抗折強度值隨著硅灰摻量的增加而增加，而15%、20%的膠砂試件則隨著硅灰摻量增加而持續減少，且摻量越大，下降越快。抗壓強度變化則不同，20%-30%粉煤灰摻量時，硅灰增加時呈現出先降后升的變化特點，9%時的抗壓強度值最高，而10%、15%粉煤灰摻量的膠砂則隨著硅灰摻量的增加而緩慢降低，表明兩類礦物摻合料摻量都較大時復合作用效果最好。

圖8 不同硅灰摻量下膠砂力學性能圖（56d）

綜上所述，當粉煤灰摻量一定時，膠砂抗壓、抗折強度值隨著硅灰摻量的變化而變化。對比不同齡期時的膠砂抗壓、抗折強度值發現，抗壓強度變化較為相似，20%-30%粉煤灰摻量時膠抗壓強度值在9%硅灰摻量時性能最佳，10%和15%摻量的膠砂在6%硅灰摻量時性能較好。抗折強度值變化較為波動，低粉煤灰摻量(10%-20%)時，以硅灰摻量為6%時較好，而對于高粉煤灰摻量的(25%-30%)膠砂，則以9%為最佳摻量。兩類評價指標中抗壓強度更穩定，也更適合得到粉煤灰和硅灰的最佳摻量。

4 結論

通過上述研究結果，可得到以下結論：

1）單摻硅灰時，膠砂力學性能得到提高，其抗壓和抗折強度均隨著硅灰摻量的增加而增加，且兩類強度值均高于基準膠砂，9%硅灰摻量時抗壓值較未摻時增加10.12%-20.37%，抗折強度值增加約4.2%-12.65%之多。

2）礦物摻合料復摻的情況下，當硅灰摻量為3%時，粉煤灰摻量在10%-20%時具有更好的力學性能。當硅灰摻量為6%時，粉煤灰摻量越多，力學性能越差，10%粉煤灰摻量膠砂強度值最大。當硅灰摻量為9%時，在粉煤灰摻量為20%時力學性能最佳，且20%-30%具有較好的性能。

3）粉煤灰摻量一定時，膠砂抗壓強度變化較為相似，20%-30%粉煤灰摻量時膠抗壓強度值在9%硅灰摻量時性能最佳，10%和15%摻量的膠砂在6%硅灰摻量時性能較好。抗折強度值變化較為波動，低粉煤灰摻量（10%-20%）時，以硅灰摻量為6%時較好，而對于高粉煤灰摻量的（25%-30%）膠砂，則以9%為最佳摻量。

4）從兩類力學指標值中發現，抗壓強度與抗折強度隨著粉煤灰摻量的變化基本上表現出相同的變化規律，且抗壓強度較抗折強度更穩定，更適合得到粉煤灰和硅灰的最佳摻量。