礦渣含量對高性能混凝土力學性能影響*

劉源 李大來 陳小芳

1. 福州理工學院 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、工作穩定性為主要指標而設計的新型混凝土。與普通混凝土相比，由于其良好的耐久性、和易性及力學性能，被廣泛使用與各類工程場合[1]。高性能混凝土各項性能的改善，可通過調整配比、添加外摻劑等方法得以實現。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良的外摻劑[2]。由于礦渣具有水化活性，參與水化反應，并且礦渣多為微粉，可填充混凝土內部孔隙，改善孔隙分布，增加密實度從而提高混凝土強度，因此高性能混凝土中礦渣的含量與混凝土各項性能密切相關，是決定其力學性能的重要指標[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行立方體抗壓強度試驗，分析立方體抗壓強度大小變化及抗壓強度速率變化，對不同礦渣含量下高性能混凝土力學性能進行研究。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

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 細骨料：河沙。

1.1.5 減水劑：高效聚羧酸減水劑，本試驗采用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 混凝土試驗配比表（kg/m3）

試驗按照礦渣含量不同，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，放置養護室養護，當養護時間分別達7d、28d、60d、90d時拆模，進行立方體抗壓試驗。

1.2 試驗方法

力學性能測試混凝土材料立方體抗壓強度，立方體抗壓強度試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[4]（GB/T5008-2011），制備尺寸大小為100mm×100mm×100m混凝土立方體試件。試件放置養護箱進行標準養護，養護時間分別達7d、28d、60d、90d時拆模，進行立方體抗壓強度試驗。試驗時，試件的上下受壓面取試件側面，以0.5MPa/s的加載速度施加荷載至試件破壞。

2 結果分析與討論

2.1 混凝土立方體抗壓強度

在養護齡期7-90d內，不同尾礦粉含量下，混凝土立方體抗壓強度試驗數據如圖1所示，由圖1可知。

圖1 混凝土立方體抗壓強度（MPa）

在相應養護齡期下，礦渣含量對混凝土強度產生的影響：

2.1.1 養護齡期7d。養護齡期在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，其立方體抗壓強度大小關系為：C＞SC20＞SC25＞SC30＞SC35＞SC40。礦渣混凝土SC的強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間的水化反應，因此礦渣混凝土的早期強度小。同時，礦渣的含量越高，早期水化過程中參與反應的膠凝物質含量越少，因此相同水灰比下，礦渣含量越高混凝土強度越小。

2.1.2 養護齡期28d。養護齡期在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，其立方體抗壓強度大小關系為：SC30＞ SC25＞ SC35＞SC20＞SC40＞C。礦渣混凝土SC強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度逐漸減小。28d時，礦渣開始產生活性，其內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，生成能增加混凝土強度的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質。

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

2.1.3 養護齡期60d。養護齡期在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，其立方體抗壓強度大小關系為：SC35＞ SC40＞ SC30＞SC25＞SC20＞C。礦渣混凝土SC強度均大于普通混凝土C。礦渣混凝土SC強度均大于普通混凝土C，且SC20、SC25、SC30強度相近。

在該齡期下，礦渣含量為35%以下的混凝土強度相近，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，不再繼續生成，且部分氫氧化鈣已與礦渣反應，因此強度增長速率降低。對于SC40，水泥并未完全水化，繼續生成活性氫氧化鈣，同時繼續與礦渣反應，因此強度增長速率高，且達到齡期60d時強度最高值。該現象說明，礦渣含量越高，膠凝材料水化反應越晚，混凝土強度提升速率越低，礦渣有推遲混凝土強度提升的作用。

2.1.4 養護齡期90d。養護齡期在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，其立方體抗壓強度大小關系為：SC35＞SC40＞SC25＞SC30＞SC20＞C。礦渣混凝土SC強度均大于普通混凝土C，且SC20、SC25、SC30強度相近。在該齡期下，混凝土礦渣含量為20%、25%、30%時的立方體抗壓強度相近，且都低于SC40。此時，各混凝土立方體抗壓強度大小變規律與60d相相似，產生該力學現象原因與養護齡期為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，繼續生成氫氧化鈣與礦渣反應，增加強度。

2.2 混凝土立方體抗壓增長速率

在養護齡期7-90d內，不同尾礦粉含量下，混凝土立方體抗壓強度增長速率如圖2所示，由圖可知：

圖2 混凝土立方體抗壓強度增長速率圖

在整個養護齡期下，礦渣含量對混凝土強度增長速率產生的影響：

2.2.1 礦渣含量不同。普通混凝土C，在養護齡期7-28d內，強度增長速率為6.89%。在養護齡期28-60d內，強度增長速率為13.84%。在養護齡期60-90d內，強度增長速率為1.68%。在整個養護時間內，普通混凝土C強度增長速率呈現出先增大后減小的規律。

礦渣混凝土SC20，在養護齡期7-28d內，強度增長速率為16.45%。在養護齡期28-60d內，強度增長速率為15.02%。在養護齡期60-90d內，強度增長速率為10.53%。在整個養護時間內，礦渣混凝土SC20強度增長速率呈現出逐漸減小的規律。

礦渣混凝土SC25，在養護齡期7-28d內，強度增長速率為22.34%。在養護齡期28-60d內，強度增長速率為12.39%。在養護齡期60-90d內，強度增長速率為10.83%。在整個養護時間內，礦渣混凝土SC25強度增長速率呈現出逐漸減小的規律。

礦渣混凝土SC30，在養護齡期7-28d內，強度增長速率為31.02%。在養護齡期28-60d內，強度增長速率為9.51%。在養護齡期60-90d內，強度增長速率為10.23%。在整個養護時間內，礦渣混凝土SC30強度增長速率在28d以后減小，28-60d、60-90d內強度增長速率相近。

礦渣混凝土SC35，在養護齡期7-28d內，強度增長速率為29.23%。在養護齡期28-60d內，強度增長速率為17.29%。在養護齡期60-90d內，強度增長速率為11.72%。在整個養護時間內，礦渣混凝土SC35強度增長速率呈現出逐漸減小的規律。

礦渣混凝土SC40，在養護齡期7-28d內，強度增長速率為30.89%。在養護齡期28-60d內，強度增長速率為21.73%。在養護齡期60-90d內，強度增長速率為11.71%。在整個養護時間內，礦渣混凝土SC35強度增長速率呈現出逐漸減小的規律。

2.2.2 養護齡期不同。在養護齡期7-28d內，隨著礦渣含量的增大，混凝土強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，使得混凝土早期水化強度過小，而當28d礦渣開始產生活性，參與水化反應后，混凝土強度迅速增長，且隨著礦渣含量越高，強度增長速率越大。

在養護齡期28-60d內，礦渣含量為30%以下，隨著礦渣含量增大，混凝土強度增長速率逐漸減小。礦渣含量高于30%時，隨著礦渣含量繼續增大，混凝土強度增長速率逐漸增大。

在養護齡期60-90d內，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強度增長速率相近，且都遠大于普通混凝土C強度增長速率。這主要是由于礦渣的存在，使得混凝土水化強度在60d后繼續增長，礦渣有推遲混凝土強度提升的作用。

在整個養護齡期內，普通混凝土C強度增長速率呈現出先增大后減小的規律。礦渣混凝土強度增長速率規律相近，大致呈現隨養護齡期增長強度逐漸減小。

3 結束語

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行立方體抗壓試驗，并對試驗結果進行對比分析，研究礦渣含量對高性能混凝土力學性能的影響，結論如下：①在混凝土水化早期（養護時間7d），礦渣混凝土強度小于普通混凝土，且隨著礦渣含量越高混凝土早期強度越小。②在養護時間為28d，0.38水灰比下，礦渣含量為30%時，混凝土強度最大。③礦渣有延遲混凝土水化強度提升的作用，礦渣含量越高，強度增長速率越低。④礦渣混凝土強度增長速率隨養護齡期增長逐漸減小。