不同摻量礦粉對水工混凝土影響分析

繆 丹

（遼寧省湯河水庫管理局有限責任公司，遼寧 遼陽 111000）

礦粉是指鐵礦石中的雜質(zhì)、燃料中的灰粉和石灰石助熔劑，在高爐煉鐵1400～1500℃條件下熔融，用水快速冷卻再經(jīng)粉磨而形成的一種玻璃體散顆粒粉狀物料[1]。由于礦粉結(jié)構(gòu)潛在活性很大，一直處于不穩(wěn)定高能狀態(tài)，用于混凝土的活性摻合料或水泥的活性混合料具有比粉煤灰更高的活性。一般地，根據(jù)所煉生鐵種類、焦炭質(zhì)量、溶劑質(zhì)量以及鐵礦石成分不同，每生產(chǎn)1t 生鐵要排出0.3～1.0t 廢渣，這屬于一種面廣量大的工業(yè)廢渣。因潛在活性較好，礦粉逐漸成為工業(yè)活性混合材的主要來源，可以用于改善水泥抗蝕性、水泥品種等。混凝土中的礦粉具有火山灰、微晶核和微集料效應，有利于增強混凝土抗?jié)B性，減少水化熱以及溫升裂縫概率[2]。因此，摻礦粉摻合料可以改善混凝土整體性能。

目前，關(guān)于礦粉的研究應用主要集中于橋梁工程和商品混凝土等領(lǐng)域，研究內(nèi)容以礦粉混凝土凝結(jié)時間、拌合物和易性、抗裂性、干縮變形和抗壓強度等為主，不同試驗所選用的原材料性能和配合比參數(shù)具有較大差異，配制的拌合物性能也不盡相同，但摻入礦粉會延長凝結(jié)時間，增強后期強度[3]。針對水工混凝土中礦粉的研究較少，如楊華全等試驗研究了三峽工程大體積混凝土的極限拉伸值、抗壓強度、水化熱和膠砂強度，揭示了不同礦粉摻量對混凝土抗壓強度的影響規(guī)律。

本文結(jié)合水工結(jié)構(gòu)抗沖磨、耐久性等技術(shù)指標，通過室內(nèi)試驗探討了28d 齡期不同礦粉摻量水工混凝土的工作性能、力學性能、抗凍抗?jié)B、干縮變形以及抗沖磨性能，以期為水利工程中礦粉的應用提供一定支持。

1 原材料性能

1.1 水泥

采用遼東水泥集團生產(chǎn)的P·O 42.5 級中熱硅酸鹽水泥，經(jīng)抽樣檢測水泥物理性能指標見表1。

表1 水泥物理性能指標

1.2 礦渣微粉

采用遼寧礦渣微粉有限責任公司生產(chǎn)S95 級礦粉，按照粒化高爐礦渣粉有關(guān)要求抽樣檢測礦粉品質(zhì)，如表2 所示。

表2 礦渣品質(zhì)抽樣檢測

依據(jù)檢測結(jié)果，礦粉的含水量、燒失量、流動度比、密度和比表面積等性能指標均符合現(xiàn)行規(guī)范要求，7d 活性指數(shù)偏低小于75%，但28d 活性指數(shù)較高達到108%。早期活性指數(shù)偏低的原因是礦粉比表面積只有380m2/kg，雖然符合規(guī)范要求但處于下限范圍，無法充分釋放其早期活性，礦粉比表面積達到400m2/kg以上才能充分發(fā)揮其早期活性。

另外，活性指數(shù)、堿度系數(shù)、質(zhì)量系數(shù)、堿度等參數(shù)主要從化學組成上分析礦粉活性，但礦粉活性既與化學組成有關(guān)，還與粉磨細度、冷卻速度等因素有關(guān)，若將礦粉的工藝條件、微觀結(jié)構(gòu)、力學和其它物理參數(shù)結(jié)合起來分析，將會更加全面深入地認識礦粉的性能。

1.3 粗細骨料

采用小石∶中石=0.4∶0.6 混合而成的花崗巖碎石，表觀密度2810kg/m3，空隙率40%，含泥量0.1%，壓碎指標5.0%，針片狀含量6.4%，堆積密度1560kg/m3；采用天然河砂，表觀密度2670kg/m3，細度模數(shù)2.7，空隙率32%，含泥量1.5%，堆積密度1600kg/m3。

1.4 外加劑

試驗選用蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高效減水劑和北京西奧興業(yè)生產(chǎn)的BK-16 高效引氣劑，減水劑固含量45%，減水率28%。

2 試驗方法與結(jié)果

2.1 新拌混凝土性能

試驗方案：配制二級配混凝土，按小石∶中石=0.4∶0.6配備粗骨料級配，砂率32%，水膠比0.38，各組PCA?-Ⅰ減水劑摻量均取0.7%，設計0%、10%、20%、30%、40%五種礦粉摻量，與摻20%粉煤灰對比，控制15min 含氣量4%～6%，15min坍落度7～9cm，試驗結(jié)果見表3。

表3 不同礦粉摻量配合比及拌合物性能

通過控制新拌混凝土15min 含氣量處于4%～6%，坍落度處于7～9cm 之間，結(jié)果顯示隨著礦粉摻量的增加混凝土單位用水量逐漸減小，未摻礦分組的單位用水量140kg/m3，而摻礦分組單位用水量處于132～135kg/m3范圍，這表明礦粉發(fā)揮著一定的減水效應；隨礦粉摻量的增加BK-16高效引氣劑用量逐漸增大，從0.005%逐漸提高到0.007%；未摻粉煤灰組的初凝、終凝時間最短，粉煤灰摻量越高混凝土的初凝、終凝時間越長，摻量從0%增加到40%時，混凝土初凝時間從10.5%延長到20.1h，終凝時間從15.2 延長到25.7h。

2.2 力學性能

為了探討水工混凝土力學性能受不同摻量礦粉的影響，按表3 中的配合比配制混凝土，試驗檢測各組試樣力學性能，檢測數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同礦粉摻量的混凝土力學性能

1）純水泥拌制組的早期強度均高于摻礦粉混凝土，并且礦粉摻量越高則試樣強度越低；28d 齡期時，混凝土強度對比關(guān)系出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，純水泥拌制組強度均低于摻20%～40%礦粉組，整體上摻30%礦粉組的強度最高；隨著礦粉摻量的逐漸增大，30%礦粉組28d 齡期極限拉伸值和彈性模量最大。

2）摻20%粉煤灰組與摻10%礦粉組相比，摻粉煤灰組早期強度明顯低于摻礦粉組，但28d 齡期相差不大；摻30%或40%礦粉組強度明顯大于摻20%粉煤灰組，提高率達到10%以上。

3）通過對比分析，混凝土各項性能指標隨著礦粉摻量的增加不具備單調(diào)特征，摻30%礦粉時出現(xiàn)極值，這是礦粉火山灰、微晶核和微集料效應共同作用的結(jié)果，摻30%礦粉時綜合效應得到充分發(fā)揮，三大效應的疊加作用達到最優(yōu)。

2.3 抗?jié)B與抗凍性能

試驗方案：配制二級配混凝土，按小石∶中石=0.4∶0.6配備粗骨料級配，砂率33%，水膠比0.42，各組PCA?-Ⅰ減水劑摻量均取0.7%，設計10%、20%、30%、40%四種礦粉摻量，引氣劑摻量和單位用水量按15min 含氣量4%～6%、15min 坍落度7～9cm 確定。水工混凝土抗?jié)B、抗凍試件的配制成型嚴格執(zhí)行《水工混凝土試驗規(guī)程》流程，測試各組試樣的抗?jié)B和抗凍性能。試驗采用一次加壓法測試水工混凝土抗?jié)B性能，該方法是維持恒定壓力24h，通過計算相對滲透系數(shù)判定混凝土的抗?jié)B性能，試驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 混凝土抗?jié)B性能(一次加壓法)和抗凍性能

從表5 可以看出，在相同水膠比條件下，礦粉摻量從10%逐漸提高到30%則相對滲透系數(shù)表現(xiàn)出逐漸減小趨勢，礦粉摻量從30%提高到40%時相對滲透系數(shù)又快速增大，表明摻30%礦粉時混凝土抗?jié)B性達到最優(yōu)。

以質(zhì)量損失率超過5%或相對動彈模量減小到原來的60%作為混凝土抗凍試件被破壞的判定標準。結(jié)果表明，相同凍融循環(huán)次數(shù)下，礦粉摻量從10%提高到30%，隨礦粉摻量的增加混凝土質(zhì)量損失表現(xiàn)出不斷減小趨勢，相對動彈模量表現(xiàn)出增大趨勢，礦粉摻量從30%提高到40%時混凝土質(zhì)量損失快速增大，相對動彈模量逐漸減小，表明摻30%礦粉組的抗凍性能最優(yōu)。

2.4 抗沖磨性能

設計10%、20%、30%、40%四種礦粉摻量，按表3 配合比制備試樣，采用《水工混凝土試驗規(guī)程》推薦的圓環(huán)法和水下鋼球法進行抗沖磨性能試驗，試驗結(jié)果見表6。

表6 混凝土抗沖磨性能

圓環(huán)法試驗結(jié)果顯示，隨礦粉摻量的增大混凝土抗沖磨強度表現(xiàn)出增大趨勢；水下鋼球法試驗結(jié)果顯示，摻20%和30%礦粉時混凝土抗沖磨強度較高。因此，考慮力學性能試驗數(shù)據(jù)設計抗沖磨混凝土配合比時，以30%礦粉摻量最為合理。

2.5 干縮變形對比

按表3 配合比制備試樣，試驗檢測水工混凝土干縮變形性能，摻粉煤灰、純水泥和不同礦粉摻量混凝土的干縮率如圖1 所示。

圖1 混凝土干縮率變化曲線

結(jié)果表明，相同水膠比情況下，干縮率最大的是純水泥混凝土組，混凝土干縮率隨礦粉摻量的增加不斷減小，摻30%～40%礦粉組的干縮變形最小；摻20 粉煤灰與摻10%～20%礦粉組的干縮變形比較接近。總體而言，摻不同礦粉混凝土的28d 干縮率處于2.2×10-4～2.7×10-4范圍，56d 干縮率處于2.8×10-4～3.5×10-4范圍，84d 干縮率處于3.0×10-4～3.8×10-4范圍。

2.6 抗裂性能對比

為探討不同礦粉摻量的混凝土收縮開裂特點，設計10%、20%、30%、40%四種礦粉摻量，按表3 配合比制備試樣，采用圓環(huán)開裂法檢測混凝土抗裂性能。試驗裝置選用外徑305mm、內(nèi)徑275mm的鋼制圓環(huán)，混凝土成型圓環(huán)高140mm、外徑375mm、內(nèi)徑305mm。采用圓環(huán)成型時將粒徑超過5mm 的粗骨料剔除，室內(nèi)靜置24h 后拆除外模，并在表面涂刷一層水玻璃以防水分從上表面蒸發(fā)。將成型試樣置于溫度20±1℃、濕度50±5%環(huán)境中，按試驗要求完成養(yǎng)護和觀測。收縮過程中鋼環(huán)外部的混凝土受到鋼環(huán)約束會出現(xiàn)開裂，每隔12h用顯微鏡觀察開裂情況，并記錄裂縫寬度和開裂時間。開裂后定期觀測裂縫的變化趨勢，測試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 混凝土開裂變化曲線

從圖2 可以看出，相同水膠比條件下，混凝土裂縫出現(xiàn)時間隨礦粉摻量的提高而縮短，礦粉摻量越高最終形成的裂縫寬度越小。因此，在滿足施工和設計要求的情況下，應盡可能提高礦粉摻量，并重視混凝土施工養(yǎng)護控制。

3 結(jié)論

1）礦粉具有緩凝和減水作用，摻入適量的礦粉能夠減少4%～5%單位混凝土用水量；混凝土初凝、終凝時間隨著礦粉摻量的增大而延長，摻量從0%增加到40%時初、終凝時間會延長10h 左右。

2）摻20%～40%礦粉時，純水泥組強度低于摻礦粉混凝土組；摻10%礦粉混凝土強度與摻20%粉煤灰相差不大，但摻30%或40%礦粉混凝土強度高于摻20%粉煤灰組，增大幅度為10%～12%。

3）水膠比相同情況下，混凝土干縮變形隨礦粉摻量的提高而減小，礦粉摻量越高越有利于混凝土抗裂性能，相應的裂縫寬度也越小；摻30%礦粉時混凝土抗沖磨、抗?jié)B抗凍、極限拉伸值、彈性模量和強度等性能指標最優(yōu)，所以按30%礦粉摻量設計水工混凝土配合比科學合理。