復摻高性能礦物摻合料對高強機制砂混凝土性能的影響

段承剛，孫永濤

(1.河北省高速公路延崇籌建處，張家口 075000；2.河北工業(yè)大學土木與交通學院，天津 300401)

0 引 言

隨著天然砂儲量及品質的逐漸降低，工程中對于機制砂的需求越來越廣泛。目前，各種高層和超高層建筑、大跨度橋梁和深海工程日益增多，這些大型工程對混凝土性能的需求也越來越高，因此對高強和高性能機制砂混凝土的研究是非常有必要的。同時高強機制砂混凝土可能會有和易性較差或干縮較大等情況發(fā)生，所以制備C80高強高性能機制砂混凝土已成為不可阻擋的趨勢。而國內外學者對于高強機制砂混凝土各方面性質的研究也逐漸深化。Pilegis等[1]采用機制砂全部取代天然砂制備混凝土，分析機制砂混凝土的和易性和抗壓強度的影響。結果表明，與天然砂相比，機制砂混凝土的和易性可以通過摻加外加劑得以改善。相同水灰比時，機制砂混凝土的抗壓強度要高于天然砂混凝土的抗壓強度。一些學者采用機制砂全部或部分替代天然砂制備高強混凝土，通過試驗結合理論分析研究其對高強混凝土綜合性能的影響，結果表明，與河砂相比，機制砂混凝土的強度更高，干縮性能略大于河砂混凝土，同時，機制砂中的石粉能夠有效改善界面過渡區(qū)的微觀結構，使混凝土結構更加致密[2-3]。目前，對于S105礦粉等高性能礦物摻合料在高強機制砂混凝土中共同作用的機理及其具體作用效果的研究尚未深入，特別是沒有對其工作性能、抗壓強度和干縮性能等進行綜合考慮。我國C80高強機制砂混凝土尚未普及，其各方面性質還有待進一步研究。如何使C80高強機制砂混凝土高性能化，需要廣大科研工作者進行不斷的探索。

在眾多的研究中，向機制砂混凝土中摻入各種活性礦物摻合料是提高其性能的主要方法之一。粉煤灰、硅灰、石粉等都較多地被應用于實際工程，其中礦粉與粉煤灰在一定摻量內可以很好地提高水泥基材料的工作性能和強度，且在適當的養(yǎng)護條件下其早期強度可進一步提高[4-5]。一些學者也使用過鋼渣微粉、磷渣粉、沸石超細粉、偏高嶺土超細粉、硼泥酸性浸渣、自制低溫稻殼灰等[6-7]，這些礦物摻合料對提高混凝土的性能均有一定促進。在各種礦物摻合料中，礦粉是一種高性能的粉體材料，一般具有顆粒較細、活性較高的特點，其原材料為水淬高爐礦渣。將其按一定配比加入混凝土中，可有效降低水化熱并抑制堿骨料反應，以達到提高質量和耐久性的目的[8]。一直以來，S95級礦粉是主要研究和應用的對象，S105級礦粉的實際工程使用及其參與共同作用的研究較少。而S105級礦粉具有更高的活性指數，其在提升混凝土強度以及改善其綜合性能等方面也有著更為優(yōu)越的表現(xiàn)[9]。目前，設備、工藝的進步，為S105級礦粉的廣泛應用提供了前提。

隨著低水膠比的高強混凝土在工程中不斷被推廣應用,其收縮引起的開裂更是引起了研究人員的高度重視。高強混凝土中膠凝材料用量較大，使得混凝土干燥收縮明顯，在其干燥失水的過程中，致密的結構會阻礙水分由內而外的擴散，形成更大的濕度梯度，同時由于高強混凝土較低的延性，使其易因干縮產生裂縫[10-11]。Güneyisi等[12]發(fā)現(xiàn)粉煤灰、礦粉均能降低混凝土的干縮，而硅灰則明顯增大混凝土的干縮；Mermerdas等[13]發(fā)現(xiàn)礦物摻合料的使用顯著影響混凝土的收縮性能，粉煤灰的火山灰反應較低會使早期的自體收縮率低。吳中偉院士[14]提出將復合材料的“超疊效應”原理應用于混凝土,即將不同種類的摻合料以適當的復合比率摻入混凝土中,則可以取長補短,減小收縮,提高耐久性,達到改善混凝土綜合性能的目的。因此，研究S105礦粉與不同礦物摻合料復摻對高強機制砂混凝土干燥收縮性能的影響具有重要意義。

本文以前期研究中單摻S105礦粉的較優(yōu)比例為基礎[15]，以正交試驗確定的水膠比、砂率、膠凝材料總量為參考，研究機制砂混凝土中摻入S105礦粉的同時，以不同含量的微珠、超細礦粉、硅灰分別取代水泥對C80高強機制砂混凝土的和易性、抗壓強度及干燥收縮性能的影響。以期為S105礦粉應用于高強機制砂混凝土提供新的思路，在使高強機制砂混凝土具有較好的和易性和較高強度的同時，保證其具有良好的干燥收縮性能，從而為工程應用提供借鑒。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：選用邯鄲新峰公司生產的P·O 42.5級水泥，其性能見表1。

表1 水泥性能指標Table 1 Cement performance index

礦物摻合料主要包括三種：礦粉(包括S105礦粉和超細礦粉)、微珠和硅灰，選用的品種如下，其性能指標見表2。

表2 礦物摻合料的性能指標Table 2 Performance indicators of mineral admixtures

礦粉：選用邢臺金泰成粉體公司生產的S105礦粉與超細礦粉，是一種高性能的粉體材料，一般具有顆粒較細、活性較高的特點，其原材料為水淬高爐礦渣。對抑制堿骨料反應、水化放熱以及提高密實度有顯著效應。

微珠：選用鶴壁道特公司生產的微珠，其形狀為空心球狀，原材料為粉煤灰。

硅灰：選用石家莊百豐公司生產的硅灰，其SiO2含量可達總質量的95%，其原材料為硅的煉制過程中所產生的煙塵。

標準砂：選用廈門艾思歐公司生產的中國ISO標準砂。

粗骨料：邢臺金泰成公司生產的5～10 mm及10～25 mm碎石。

減水劑：選用上海巴斯夫公司生產的聚羧酸高性能減水劑。

拌合用水：采用純凈水進行膠砂試驗。

1.2 試驗方案

經前期的研究發(fā)現(xiàn)，加入質量分數25%的S105礦粉時，水泥基材料的活性效應處于較好的水平，即水泥與S105礦粉的質量比為3 ∶1時，其活性效果較好。水膠比、砂率、膠凝材料用量分別為0.25、37%、580 kg/m3時，高強高性能機制砂混凝土的性能較好，結合相關工程經驗，選取C80機制砂混凝土的容重為2 550 kg/m3，其混凝土配合比見表3。

表3 混凝土配合比Table 3 Concrete mix ratio /(kg·m-3)

試驗步驟如下：

(1)按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》和GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，在不同齡期(3 d、7 d、28 d、60 d)下，測定不同情況(礦物摻和料種類及含量變化)下混凝土的坍落度、擴展度、拌合物直觀表現(xiàn)和抗壓強度。每組進行3次試驗，試驗數據取其平均值，若某次試驗過程或數據出現(xiàn)異常，則進行補測。

(2)根據試驗數據，初步分析其和易性、抗壓強度的變化趨勢。

(3)通過綜合對比分析各種情況下混凝土的和易性和抗壓強度，得出較優(yōu)的礦粉及礦物摻合料比例。

1.3 干燥收縮性能試驗

試驗步驟如下：

(1)按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行干燥收縮測試，采用尺寸為100 mm×100 mm×515 mm 的標準棱柱體試塊。

(2)試塊成型后，在(20±5) ℃的環(huán)境中靜置24 h，拆模后立即放入溫度為(20±2) ℃、相對濕度為95%以上的標準養(yǎng)護室。

(3)養(yǎng)護至3 d齡期時(加水時間為起始時間),從標準養(yǎng)護室取出試塊，移入溫度(20±2) ℃、相對濕度(60±5)%的恒溫恒濕室，測量其初始長度L0和測量標距Lb。此后分別測量試塊在齡期為 1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、45 d、60 d(移入恒溫恒濕室內開始計時)時的長度Li。每組進行3次試驗，試驗數據取其平均值，若某次試驗過程或數據出現(xiàn)異常，則進行補測。混凝土干燥收縮率εsi計算如下式：

εsi=(L0-Li)/Lb

(1)

式中：L0為試塊長度的初始讀數，即移入恒溫恒濕室內的初始測量值，mm；Li為移入恒溫恒濕室后試塊相應齡期時的讀數，mm；Lb為試塊的測量標距，等于采用混凝土收縮儀測量時兩測頭內側的距離，mm。

圖1(a)為HSP-540型混凝土臥式收縮膨脹儀，圖1(b)為制備的部分試件。

圖1 干燥收縮設備及試件Fig.1 Drying shrinkage equipment and test pieces

2 高強機制砂混凝土的和易性及抗壓強度研究

2.1 S105礦粉與微珠復摻

在A1配合比基礎上，記B2、B3、B4、B5、B6為微珠取代水泥的質量分數分別是3%、6%、9%、12%、15%，分析其雙摻時混凝土的性能。混凝土配合比見表4，經過數據處理后得到表5和圖2，A1配合比時拌合物狀態(tài)如圖3(a)所示，B3配合比時拌合物狀態(tài)如圖3(b)所示。

表4 混凝土配合比Table 4 Concrete mix ratio /(kg·m-3)

表5 微珠取代水泥時混凝土的性能Table 5 Performance of concrete when microspheres replace cement

圖2 雙摻S105礦粉與微珠時混凝土的性能Fig.2 Performance of concrete when double-mixed S105 mineral powder and microspheres

圖3 雙摻S105礦粉與不同摻合料時混凝土的性能Fig.3 Performance of concrete when double-mixed S105 mineral powder and different admixtures

由表5和圖2(a)可知，隨著微珠取代水泥量的增加，混凝土的和易性變化不盡相同。當微珠摻量為9%，即取代量為12%，混凝土的和易性最佳，其坍落度和擴展度分別增長9.3%和7.4%；當微珠取代量由0%增加至6%時，混凝土拌合物流動性有所下降，粘聚性好；當微珠取代量增加至15%時，拌合物流動性有所下降。由于微珠達到一定摻量時，能夠產生“滾珠效應”，所以能在保證拌合物粘聚性較好的情況下，使其流動性有較大提升。而微珠又具有超高的比表面積，當其摻量過高或過低時，可能會使混凝土拌合物中的自由水含量降低，從而降低和易性。在微珠近似等量取代S105礦粉或水泥時，S105礦粉的比表面積大于水泥的比表面積，所以整體上來看，若微珠取代S105礦粉則可進一步提高混凝土拌合物的和易性。

由表5和圖2(b)可知，隨著微珠取代水泥量的增加，混凝土的抗壓強度呈先增后減的整體趨勢，可見隨著微珠在一定范圍內的增加，使得混凝土早期或后期抗壓強度均有所提高。當微珠取代量為6%時，混凝土3 d和60 d抗壓強度分別增長5.0%和2.9%，這是因為微珠的顆粒填充效應使混凝土結構更加密實，強度得以提高，而微珠摻量超過一定量時，混凝土的早期強度下降，后期強度則有所回升，如當微珠取代量為9%時，混凝土的3 d抗壓強度下降了8.8%，隨著齡期的增長，其強度逐漸回升至原有水平。通過前期研究中礦物摻合料對水泥基材料的性能及活性效應的研究可知，微珠對7 d之內水泥基材料活性效應的影響呈負增長，說明早期水化反應主要由水泥提供，而隨著齡期的不斷增長，微珠對水泥基體提供了不同程度的活性效應，并且影響顯著，從而出現(xiàn)混凝土早期抗壓強度下降、后期抗壓強度增長顯著的現(xiàn)象。

2.2 S105礦粉與超細礦粉復摻

在A1配合比基礎上，記C2、C3、C4、C5、C6為超細礦粉取代水泥的質量分數分別是3%、6%、9%、12%、15%，分析其雙摻時混凝土的性能。混凝土配合比見表6，經過數據處理后得到表7和圖4，C3配合比時拌合物狀態(tài)見圖3(c)。

表6 混凝土配合比Table 6 Concrete mix ratio /(kg·m-3)

表7 超細礦粉取代水泥時混凝土的性能Table 7 Performance of concrete when ultrafine mineral powder replaces cement

圖4 雙摻S105礦粉與超細礦粉時混凝土的性能Fig.4 Performance of concrete when double-mixed S105 mineral powder and ultrafine mineral powder

如表7和圖4(a)所示，當超細礦粉取代水泥量為3%時，混凝土的坍落度和擴展度有所改善，分別提高了2.3%和10.5%，在此之后，隨著取代量的增加，混凝土的和易性先變差后逐漸改善，當超細礦粉取代水泥量增加至9%時，混凝土的和易性最差，此時拌合物出現(xiàn)粘稠、流動性差以及粘底等現(xiàn)象。而隨著超細礦粉取代水泥量的進一步增加，混凝土的和易性開始得到改善。這是因為超細礦粉需水量大，導致混凝土和易性變差，而超細礦粉取代水泥量的持續(xù)增長，可能彌補了水泥與S105礦粉之間的空隙，導致空隙水量減少，自由水量增加，從而使拌合物流動性增加，混凝土的和易性也越來越好。

如表7和圖4(b)所示，當超細礦粉取代水泥量增加至12%時，試塊28 d抗壓強度也出現(xiàn)了強度倒縮現(xiàn)象，并且當超細礦粉取代水泥量為3%時，抗壓強度相對較高，其3 d和60 d抗壓強度分別增長3.1%和5.1%。其原因是膠凝材料進行水化反應時，水泥會先發(fā)生水化反應，生成硅酸鈣和游離的Ca(OH)2，Ca(OH)2會與超細礦粉內部的活性因子發(fā)生二次水化反應，充分發(fā)揮了其活性效應。綜合和易性和抗壓強度可知，當超細礦粉取代水泥量為3%時，即水泥與S105礦粉和超細礦粉的質量比為33 ∶11 ∶1時，高強機制砂混凝土的性能處于較好水平。

2.3 S105礦粉與硅灰復摻

在A1配合比基礎上，記D2、D3、D4、D5、D6為硅灰取代水泥的質量分數分別是3%、6%、9%、12%、15%，分析其雙摻時混凝土的性能。混凝土配合比見表8，因此經過數據處理后得到表9和圖5，D5配合比時拌合物狀態(tài)見圖3(d)。

表8 混凝土配合比Table 8 Concrete mix ratio /(kg·m-3)

表9 硅灰取代水泥時混凝土的性能Table 9 Performance of concrete when micro-silica replaces cement

圖5 雙摻S105礦粉與硅灰時混凝土的性能Fig.5 Performance of concrete when double-mixed S105 mineral powder and micro-silica

由表9和圖5(a)可以得知，混凝土的和易性隨著硅灰取代水泥量的增加而逐漸變差，坍落度和擴展度均大幅度減小，其下降幅度較為均勻，硅灰取代量每增加1%，坍落度平均下降10 mm，擴展度平均下降18 mm，且漿體越來越粘稠，最后發(fā)展成為塑性混凝土，無流動性可言。

由表9和圖5(b)可以得知，當水泥基材料為三相混合體系時，水泥、S105礦粉、硅灰的摻量要適宜，若摻合料的量過多，水泥摻量的減少會直接影響水泥生成Ca(OH)2的量，活性效應也會有所下降，如當硅灰取代水泥量為9%時，混凝土60 d抗壓強度增長2.3%，而取代量為12%時，其60 d抗壓強度則下降了3.5%。其原因是硅灰的量過多導致水泥生成Ca(OH)2的量減少，二次反應減少，從而混凝土的抗壓強度下降[16]。

3 高強機制砂混凝土的干燥收縮研究

通過選取和易性及抗壓強度研究中微珠、硅灰、超細礦粉取代水泥的配比進行試驗，對C80高強機制砂混凝土的干燥收縮進行了研究，其混凝土配合比如表10所示。

表10 干燥收縮試驗的混凝土配合比Table 10 Concrete mix ratio of drying shrinkage test /(kg·m-3)

表11為混凝土收縮試驗結果。圖6為雙摻S105礦粉與不同摻合料時高強機制砂混凝土干縮率。如表11和圖6所示，隨著養(yǎng)護齡期的延長，高強機制砂混凝土的干燥收縮率不斷增加，其早期干燥收縮率增長幅度大于后期，齡期為0～28 d的混凝土干縮曲線增長幅度較大，干燥收縮率變化較大，而齡期為28～60 d的混凝土干縮曲線增長幅度較小，干燥收縮率變化相對較小。

表11 混凝土收縮試驗結果Table 11 Concrete drying shrinkage test results

如圖6(a)所示，隨著微珠摻量的增加，高強機制砂混凝土干燥收縮率逐漸減小，與單摻S105礦粉的試樣相比，微珠取代水泥的質量百分率分別為 3%、9%、15%時，高強機制砂混凝土的60 d干燥收縮率分別減小5.8%、13.0%和18.5%，說明雙摻S105礦粉和微珠時，增加微珠摻量對減小混凝土的干燥收縮有益。在高強機制砂混凝土中，微珠具有微集料填充效應，能使混凝土結構越發(fā)密實，混凝土抵抗收縮變形的能力增強。此外，水泥顆粒和水泥水化產物顆粒的彈性模量比微珠顆粒的彈性模量小[17]，其支撐作用限制混凝土較大的收縮變形；同時，微珠一定程度的增加會使體系中自由水含量增加，從而減小混凝土的干燥收縮。對低水膠比混凝土而言，在較大的摻合料摻量下，S105礦粉與微珠復摻可以抑制干燥條件下的失水收縮,充分利用微珠與礦粉的“超疊效應”,這也說明復摻對水泥基材料的收縮體積穩(wěn)定性更加有益。

如圖6(b)所示，與單摻S105礦粉的試樣相比，雙摻S105礦粉與超細礦粉時，超細礦粉取代水泥的質量百分率分別為3%、9%、15%時，高強機制砂混凝土的60 d干燥收縮率分別減小4.0%、8.9%和 12.7%，說明雙摻S105礦粉與超細礦粉有利于減小高強機制砂混凝土的干燥收縮。這可能是因為超細礦粉的比表面積比S105礦粉的比表面積大，超細礦粉顆粒可以填充S105礦粉顆粒和水泥顆粒間的空隙，使高強機制砂混凝土空隙減少，加上超細礦粉水化活性比S105礦粉的水化活性更高，其水化產物填充于混凝土的空隙之中，改善了高強機制砂混凝土的孔結構，從而減小高強機制砂混凝土的干燥收縮。

如圖6(c)所示，與單摻S105礦粉的試樣相比，雙摻S105礦粉與硅灰會增加高強機制砂混凝土的干燥收縮率，且隨著硅灰摻量的增加而增加。當硅灰取代水泥的質量百分率分別為3%、9%、15%時，高強機制砂混凝土的60 d干燥收縮率分別增加6.6%、18.8%和28.6%。硅灰含有大量的活性SiO2，其會與水泥水化產生的Ca(OH)2迅速發(fā)生水化反應，生成C-S-H凝膠[18]，同時硅灰參加水化反應的程度較大，會加速消耗高強機制砂混凝土內部的水分，因此，相比單摻S105礦粉，雙摻S105礦粉與硅灰時，高強機制砂混凝土的干燥收縮會隨著硅灰摻量的增加而增加。

圖6 雙摻S105礦粉與不同摻合料時高強機制砂混凝土干縮率Fig.6 Drying shrinkage rate of high strength manufactured-sand concrete with double-mixed S105 mineral powder and different admixtures

綜上，隨著微珠和超細礦粉的增加，混凝土的干燥收縮率逐漸減小；而隨著硅灰的增加，混凝土的干燥收縮率則逐漸增大。在摻入微珠和超細礦粉的情況下，和易性和干燥收縮性能并無顯著關聯(lián)，因此在選擇合適的摻量時應綜合考慮和易性和干燥收縮性能兩方面因素；在摻入硅灰的情況下，隨著硅灰摻量增加，和易性和干燥收縮性能同時變差，說明與S105礦粉復摻時，硅灰只能在一定摻量下提升混凝土的強度，但會對混凝土和易性和干燥收縮性能產生不良影響。

4 結 論

(1)與S105礦粉共同作用時，在和易性方面，以適量的微珠取代水泥對和易性的改善作用最為明顯。微珠和超細礦粉在適當范圍內增加會使高強機制砂混凝土的強度得到有效提升，而硅灰則無法穩(wěn)定地提高其強度。

(2)與S105礦粉共同作用時，在干燥收縮性能方面，微珠和超細礦粉均能夠有效減小高強機制砂混凝土的干燥收縮，而硅灰則會增加其干燥收縮率。

(3)在保證混凝土和易性和干燥收縮性能良好的條件下，相比于單摻S105礦粉， S105礦粉與不同礦物摻合料雙摻對于提高后期強度有更顯著的作用。其中， 綜合和易性、抗壓強度和干燥收縮性能可知，當超細礦粉取代水泥的質量分數為3%時，即水泥與S105礦粉和超細礦粉的質量比為33 ∶11 ∶1時，高強機制砂混凝土的性能處于較好水平，其粘聚性和流動性均有顯著改善，其3 d和60 d抗壓強度分別增長3.1%和5.1%，其干燥收縮率則減小了4.0%。