礦物摻和料對混凝土抗壓強度影響性研究

左宸嘉，李士洋，劉延波

(哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001)

0 引言

混凝土是主要建筑材料之一，除強度外，保證混凝土耐久性也是重中之重。摻入礦物摻和料是改善混凝土耐久性的常見措施。但研究發現，礦物摻和料會影響混凝土力學性能[1,2]。魯麗華[3]等通過試驗發現，Ⅱ級粉煤灰摻量存在一個合理范圍，適量粉煤灰對混凝土性能有良好的改善作用。李紅輝[4]等研究表明，大摻量粉煤灰混凝土后期強度增長較快，其強度遠高于無摻和料混凝土。朱航[5]試驗結果表明，鋼渣礦渣粉的摻入不僅有利于提高新拌混凝土的工作性能，還可以抑制混凝土的經時坍落度損失。袁航[6]等發現，在一定范圍內增加石灰石粉的細度，能夠提升混凝土的早期強度，但當石灰石粉替代水泥的比例大于20%時，混凝土的抗壓強度值下降很快。目前，對于礦物摻和料對混凝土力學性能的研究多聚焦于單摻某種摻和料，但對各類礦物摻和料混摻的研究相對較少。

通過將粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉以不同比例摻入混凝土中進行抗壓試驗，研究不同摻量礦物摻和料對混凝土抗壓強度的影響及其變化規律。

1 試驗概況

1.1 原材料

所有水泥采用亞泰集團哈爾濱水泥有限公司生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，主要性能見表1。粉煤灰選用雙達電力設備有限公司生產的I級粉煤灰，細度為2.5%。礦渣粉選用萬順石材鈣粉廠生產的S95級礦渣粉，細度為1.2%。石灰石粉由山林建筑材料有限公司提供，細度為20.8%。細骨料選取松花江河砂，細度模數2.21，含水量為8.3%。粗骨料為粒徑5～20 mm連續級配青石碎石。拌和與養護用水均為實驗室自來水。

表1 水泥性能Tab.1 Cement performance

1.2 試驗配合比

混凝土的設計強度等級為C30，水膠比0.5，砂率40%。粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉以單摻和混摻兩種方式摻入混凝土中。參照JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》，試驗設計5組共14個混凝土配合比，具體如表2所示。

表2 混凝土試驗配合比Tab.2 Mix properties of concrete test

1.3 試驗方法

抗壓強度試驗采用150×150×150 mm立方體試件。根據GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》養護成型并進行測試。測試設備采用HYE-3000型微機電液伺服壓力試驗機，儀器最大負荷為3 000 kN。試驗過程保持勻速加載，加載速度0.5～0.8 MPa。每組試驗設置3個試件，測試結果取平均值。

2 試驗結果及分析

2.1 粉煤灰對抗壓強度的影響

不同粉煤灰摻量混凝土的抗壓強度隨齡期的變化如圖1所示。由圖1可知，粉煤灰的摻入對混凝土早期抗壓強度有降低作用，且隨著摻量的增加，抗壓強度降低幅度逐漸增大。與對照組C0相比，粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%時，混凝土3 d的抗壓強度分別下降了13.44%、33.87%和35.40%，7 d的抗壓強度分別下降了8.3%、27.67%和29.31%。這是由于粉煤灰的摻入使得水泥的用量減小，并且與水泥相比，粉煤灰的二次水化反應緩慢，養護早期水化產物數量小于對照組，所以混凝土抗壓強度降低。當齡期為28 d時，與C0組相比，粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%時，3 d的抗壓強度分別下降了10.03%、14.54%和19.24%，下降幅度小于齡期為3 d時。這是由于粉煤灰中的SiO2和Al2O3與水泥水化反應析出的Ca(OH)2反應生成硅鋁酸鈣，降低了混凝土中液相堿度，促進了水泥的水化反應。與此同時，Ca(OH)2會在粉煤灰顆粒表面形Ca(OH)2薄膜，薄膜與粉煤灰顆粒表面之間存在著一層水解層，因此當鈣離子進入到水解層內與粉煤灰發生反應后，由于薄膜層的存在并不會使混凝土的強度有較大的提升。然而，當水解層被反應物緊密填充后，粉煤灰顆粒與水泥水化產物之間相互交叉，形成緊密的結構，可以在很大程度上提高混凝土的強度，所以摻入粉煤灰的混凝土早期強度較低，而后期強度會明顯提升[7,8]。

圖1 不同摻量粉煤灰對土抗壓強度的影響曲線Fig.1 Influence curve of different content of fly ash on the compressive strength of concrete

2.2 礦渣粉對抗壓強度的影響

不同礦渣粉摻量混凝土的抗壓強度隨齡期的變化如圖2所示。從圖2中可以看出，礦渣粉的摻入對混凝土早期抗壓強度也有降低作用，大體上呈現摻量越高強度下降越明顯。與C0相比，礦渣粉摻量分別為30%、40%、50%和70%時，混凝土3 d的抗壓強度分別下降了28.49%、48.92%、48.39%和67.42%，7 d的抗壓強度分別下降了9.88%、17.00%、26.09%和22.53%。這是因為摻和料的加入使膠凝材料中水泥的用量減小，而礦渣粉的火山灰效應相對較慢，細集料作用對早期混凝土強度提升不明顯。隨著齡期的增長，摻入礦渣粉的混凝土抗壓強度逐漸提升，當齡期為14 d和28 d時，試驗組抗壓強度均高于C0組。其中，礦渣粉摻量分別為30%、40%的試驗組在齡期為14 d、28 d時，抗壓強度較同一齡期C0組提升13.25%、13.03%和5.82%、12.94%。礦渣粉摻量分別為50%、70%的試驗組在齡期為14 d、28 d時，抗壓強度較同一齡期C0組提升3.15%、4.51%、5.76%和2.60%。這表明隨著養護齡期的增長，礦渣粉充分水化，水化產物數量逐漸增加，彌補了早期強度下降的缺陷，抗壓強度不斷提升。此外，試驗結果表明，礦渣粉摻量為30%時最有利于混凝土強度的增長，在齡期為14 d時抗壓強度超過C0組，并保持著較高的抗壓強度增長速率。

圖2 不同摻量礦渣粉對混凝土抗壓強度的影響曲線Fig.2 Influence curve of different content of slag powder on the compressive strength of concrete

2.3 石灰石粉對抗壓強度的影響

不同石灰石粉摻量混凝土的抗壓強度隨齡期的變化如圖3所示。由圖3可知，石灰石粉的摻入不利于混凝土早期抗壓強度發展，且抗壓強度與摻量呈負相關。與C0組相比，石灰石粉摻量分別為4%、7%和10%時，混凝土3 d的抗壓強度分別下降了23.66%、29.56%和50.00%，28 d的抗壓強度分別下降了0.40%、18.78%和28.94%。這主要是因為石灰石粉是一種惰性材料，對水泥的水化無促進作用，石灰石粉的摻入雖然增加了膠凝材料的級配，但同時也降低了水泥的含量，導致水化產物的含量降低，所以摻入石灰石粉的混凝土的抗壓強度會隨著石灰石粉摻量的上升而下降[9]。

圖3 石灰石粉對混凝土抗壓強度的影響曲線Fig.3 Influence curve of limestone powder on the compressive strength of concrete

2.4 混摻粉煤灰和礦渣粉對抗壓強度的影響

粉煤灰和礦渣粉混摻混凝土在不同摻量下抗壓強度隨齡期的變化如圖4所示。從圖中可以看出，大量內摻礦物摻和料對混凝土的早期強度有較大影響。粉煤灰和礦渣粉混摻混凝土的抗壓強度較C0組降低50%以上，其中當粉煤灰和礦渣粉摻量為10%、40%時，抗壓強度降低幅度最大，達62.37%。

圖4 混摻粉煤灰和礦渣粉對抗壓強度的影響曲線Fig.4 Influence curve of mixed fly ash and slag powder on the compressive strength of concrete

但隨著齡期的增長，混摻粉煤灰和礦渣粉混凝土抗壓強度與C0組的差距逐漸減小，這表明此時礦物摻和料的火山灰效應發揮作用，一定程度上彌補了早期由于水泥用量減少而導致的強度損失。與C0組相比，粉煤灰和礦渣粉摻量分別為10%、40%時，混凝土28 d的抗壓強度降幅最大，達11.8%，而當粉煤灰和礦渣粉摻量分別為30%、20%和20%、30%時，28 d的抗壓強度相差不大，僅下降了3.56%和0.38%。由此可見，盡管混摻粉煤灰和礦渣粉會引起早期混凝土強度的大幅下降，但隨著齡期的增長，礦物摻和料的火山灰效應和細集料效應逐步發揮作用，礦渣粉早期提供的強度也在一定程度上彌補了摻入粉煤灰后混凝土早期強度下降的缺陷，形成了優勢互補效應，與此同時，粉煤灰的二次水化反應又可以使強度繼續增長[10]，所以養護后期混摻粉煤灰和礦渣粉混凝土的強度與未摻礦物摻和料的混凝土相差不大。試驗結果表明，在三種不同摻量中，當粉煤灰和礦渣粉的摻量為30%、20%時，混凝土養護后期的抗壓強度損失最少。

3 結論

粉煤灰的摻入不利于混凝土早期抗壓強度發展，但10%摻量粉煤灰混凝土在各個齡期內抗壓強度與未摻礦物摻和料的混凝土相差不大。

混凝土的抗壓強度隨著礦渣粉摻量的增加先上升后下降，其中礦渣粉摻量為30%時，混凝土28 d的抗壓強度最高，對結構的改善效果最好。

石灰石粉的摻入會降低混凝土的抗壓強度，且隨著摻量的增加，降幅增大。

混摻粉煤灰和礦渣粉的混凝土在養護早期抗壓強度會出現大幅下降，但由于粉煤灰與礦渣粉之間的優勢互補效應，養護后期抗壓強度值介于單摻粉煤灰與單摻礦渣粉混凝土之間。