多摻合料對水工混凝土強度性能的影響探究

鐘 勝,李飛隼,韓云童

(1.安徽水安建設集團股份有限公司，安徽 合肥 230601； 2.湖北水利水電職業技術學院，湖北 武漢 430202)

0 引言

當前，我國政府正在實現碳達峰、碳中和的節能承諾。水泥行業由于受傳統原料結構和生產工藝的限制，是眾所周知的二氧化碳排放大戶，然而其作為主要膠凝材料又是工程項目建設過程中混凝土制配不可缺少的重要成分[1-2]。在保證混凝土各項性能前提下，眾多學者圍繞通過添加復合礦物摻合料降低水泥使用量等問題開展了豐富的實踐研究，同時也是適應社會低碳發展的必然要求[3-5]。

礦物摻合料應用于混凝土的生產，其主要目的是減少水泥用量，同時提升混凝土的部分性能指標。其中，粉煤灰和礦粉是常見的工業廢棄品，兩種材料均可用作混凝土摻合料，通過添加適量的粉煤灰或礦粉，可改善混凝土和易性、控制水泥水化放熱等，從而實現改善混凝土性能的目的[6]。但是，受產地資源環境的影響，摻合料的品質一般有較大差異，特別是摻料種類和用量比例對混凝土性能影響顯著[7]。本次試驗以某地所產粉煤灰和礦粉為摻合料，通過對多組水膠比環境下的不同齡期混凝土強度進行系列測試，探究多礦物摻合料對混凝土強度性能的影響。

1 試驗原材料

1.1 水泥

試驗采用安徽樅陽海螺水泥股份有限公司生產的P.O42.5水泥。水泥的物理性能品質檢驗結果見表1。檢測結果表明該水泥的受檢品質指標可滿足GB 175—2007通用硅酸鹽水泥標準的技術要求。

表1 水泥的物理性能檢測

1.2 粉煤灰

此次試驗采用銅陵電廠的F類Ⅱ級粉煤灰。粉煤灰品質檢驗結果見表2。檢測結果表明，銅陵粉煤灰滿足 GB/T 1596—2017用于水泥和混凝土中的粉煤灰中F類Ⅱ級粉煤灰的技術要求。

表2 粉煤灰品質檢驗結果

1.3 礦渣粉

采用銅陵市鵬泰超細礦粉有限責任公司生產的S95礦渣粉，其品質檢測結果見表3。檢測結果表明，該礦渣粉滿足GB/T 18046—2017用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉中S95礦渣粉的技術要求。

表3 礦渣粉品質檢驗結果

1.4 細骨料

選取鄱陽湖產天然河砂，細度模數檢測結果為2.49，符合SL 677—2014水工混凝土施工規范要求，鑒定為中砂，檢測結果見表4。

表4 砂品質檢驗結果

1.5 粗骨料

試驗粗骨料使用懷寧上峰石料廠和江西彭澤宏浩麻山礦業有限公司生產的人工碎石。經檢測懷寧上峰石料廠的16 mm～31.5 mm碎石和江西彭澤宏浩麻山礦業有限公司碎石生產的5 mm～10 mm，10 mm～20 mm兩種規格的碎石，顆粒級配符合JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準要求。其他部分檢測指標結果見表5，亦符合SL 677—2014水工混凝土施工規范要求。

表5 碎石檢測結果

1.6 外加劑

試驗使用安徽明達生產的YD-1引氣型聚羧酸減水劑，南京瑞迪的 HLC-IX 聚羧酸系高性能減水劑(引氣型)。減水劑摻量均為推薦值1.5%。檢測結果見表6。從受檢品質指標來看，減水劑品質指標滿足GB 8076—2008混凝土外加劑的要求。

表6 減水劑品質檢驗結果

2 配合比優化試驗

2.1 混凝土設計指標與配制強度

按SL 352—2006水工混凝土試驗規程規定，混凝土的配制強度按式(1)計算：

fcu,o=fcu,k+t

(1)

其中，fcu,o為混凝土的配制強度，MPa；fcu,k為混凝土設計齡期的強度標準值，MPa；t為概率度系數，依據保證率選定，見表7；σ為混凝土強度標準差，MPa，標準差選擇見表8。

表7 保證率和概率度系數關系

表8 混凝土強度標準差σ值 MPa

此次試驗設計大體積混凝土指標為 C25W4F100，依據相關規范規定，計算其配制強度為31.6 MPa，混凝土設計參數見表9。

表9 混凝土的設計指標與配制強度

2.2 混凝土參數優化

2.2.1 水膠比

根據SL 352—2006水工混凝土試驗規程要求，強度試驗可在適宜范圍內選擇3個～5個水膠比，通過前期試配建立強度與水膠比的回歸方程式，確定此次研究采用 0.38，0.40，0.45三組水膠比進行試驗。

2.2.2 粗骨料級配

懷寧上峰石料廠的16 mm～31.5 mm 碎石，江西彭澤宏浩麻山礦業有限公司生產的5 mm～10 mm和10 mm～20 mm規格的碎石，經篩分試驗，顆粒級配符合JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準要求。對不同組合的粗骨料緊密密度試驗，檢測結果見表10。

表10 骨料組合緊密密度試驗結果

從表10中試驗結果可看出，D組骨料的緊密密度最大，空隙率最小。為提升混凝土拌和質量，試驗確定取用該組合比例為粗骨料級配，即5 mm～10 mm∶10 mm～20 mm∶16 mm～31.5 mm=20∶35∶45。

2.2.3 砂率

參考JGJ/T 10—2011混凝土泵送施工技術規程規定：泵送混凝土砂率宜為35%～45%。根據試拌情況，確定水膠比為0.40時，最優砂率為40%，混凝土單位用水量為140 kg/m3，和易性滿足施工要求。

2.2.4 摻合料摻量

GB 50496—2018大體積混凝土施工標準中第4.3.1條規定：粉煤灰摻量不宜大于膠凝材料的50%，礦渣粉摻量不宜大于膠凝材料的40%，粉煤灰和礦渣粉的摻量總和不宜大于膠凝材料的50%。本次試驗采用混凝土配合比中粉煤灰摻入量為30%，礦渣粉的摻量為20%，符合規范要求。同時，增加選取20%粉煤灰摻量+20%礦渣粉的組合進行混凝土強度性能對比試驗。

2.3 試驗配合比

根據2.2.3節研究結果，首先確定混凝土單位用水量為 140 kg/m3，最優砂率為 40%。結合試拌結果，調整、優化混凝土配合比組合的水膠比等參數如表11所示。按照SL 352—2006水工混凝土試驗規程中混凝土配合比計算要求，砂石料的含水狀態以飽和面干狀態為基準，砂石料計算按“絕對體積法”計算，得到單方混凝土中各材料的用量如表12所示。

表11 混凝土試驗配合比的參數

表12 試驗配合比單方混凝土中各原材料的用量 kg/m3

3 混凝土抗壓與劈拉強度

試驗按SL 352—2006水工混凝土試驗規程進行，混凝土成型150 mm×150 mm×150 mm立方體試件，分別對標準養護條件下3 d，7 d，28 d和90 d齡期混凝土進行抗壓以及劈拉強度測試，試驗結果見表13，計算混凝土抗壓強度增長率如表14所示。

表13 混凝土的抗壓強度與劈拉強度

表14 混凝土抗壓強度增長率 %

試驗結果表明：1)雙摻合料混凝土的強度亦隨齡期增加不斷增長，并且早期強度增長較快。3 d齡期混凝土的抗壓強度為28 d標準齡期強度的63.9%～69.2%，7 d齡期混凝土的抗壓強度占28 d強度增長的78.1%～82.7%，因此對雙摻合料混凝土而言，雖減少了一定水泥用量,但其早期強度仍然可以快速提高。2)從標準齡期的強度試驗結果可知，不同水膠比條件下的雙摻料混凝土在28 d齡期時力學性能均能滿足相應設計要求。3)當水膠比為0.45時各齡期混凝土強度可達到設計要求，同時較其他水膠比的混凝土強度增長更平穩。

4 結語

雙摻合料混凝土強度與普通混凝土的強度變化特征具有相似性，即強度增長主要體現在早齡期階段，其后逐漸減緩直至達到設計強度標準值，外摻料不會改變混凝土強度增長的總體規律。此外，通過選擇合適的水膠比，混凝土中加入一定量的粉煤灰、礦粉等外摻料，可減少水泥用量、降低水化熱，從而在滿足設計強度要求的同時達到使混凝土強度增長速率更趨平穩的目的，對于大體積早強混凝土的抗裂保護具有積極效應。