大摻量礦物摻合料混凝土研究現狀

連志臻

(沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧 沈陽 110168)

在我國經濟高質量發展的帶動下，我國的房屋建筑和市政基礎設施規模不斷壯大。尤其是采用鋼筋混凝土作為材料的建筑結構越來越多，因此對混凝土的性能要求更嚴格。經研究發現，將某些固廢資源(例如：粉煤灰、礦渣粉等)作為摻合料加入混凝土的制作中，可以很好的解決這些問題。而這些固廢資源在工業廢料中的含量非常高，因此可將工業廢料作為礦物摻合料替代混凝土中其他的組分，可以變廢為寶，減少對環境的污染。

1 礦物摻合料

礦物摻合料是大摻量礦物摻合料混凝土不可缺少的一部分，混凝土的質量取決于各組分的質量。由此可見，在進行試驗之前，都要對相應的摻合料進行細度與成分的分析，為了改善混凝土的部分性能，一般選擇雙摻兩種不同類型的礦物摻合料，最常見的礦物摻合料就是粉煤灰和礦渣粉。筆者對國內所使用的一部分礦物摻合料的一些參數進行了總結，列于表1和表2中[1,11]。

表1 部分試驗所用礦物摻合料細度

表2 部分試驗礦物摻合料的化學成分

2 研究現狀

2.1 普通混凝土

畢弘毅等[1]通過水泥、粉煤灰、礦渣三種膠凝材料的顆粒匹配優化對混凝土抗硫酸鹽腐蝕的影響，利用凈漿流動度試驗來確定最優顆粒匹配。在礦物摻合料占膠凝材料總比例50%、60%、70%、80%中各取流動性最佳的4組進行制備混凝土。在雙摻磨細粉煤灰和S95礦渣粉的情況下，如果磨細粉煤灰處于一個較低的摻量，混凝土將具備更好的經濟效益，是制備大摻量礦物摻合料混凝土的良好選擇。隨著礦渣粉含量越高，抗硫酸鹽腐蝕效果越好，最佳摻量在40%。超過這一數值，抗硫酸腐蝕效果會下降，而且抗硫酸鹽腐蝕性會隨著礦物摻合料總摻量的增大而提升但力學性能在70%和80%時會大幅度降低。而且在減水作用方面，相同摻量二級粉煤灰和S115礦渣粉對比磨細粉煤灰和S95礦渣粉，少量磨細粉煤灰具有很好的減水效果，但是磨細礦渣粉卻不能實現良好的減水效果，因此磨細粉煤灰和S95礦渣粉雙摻具有經濟效益。劉文忠等[2]通過凈漿流動度試驗對混凝土各組分摻量進行測試，并得出最佳摻量的混凝土配合比進行混凝土試樣的制備。研究表明水膠比越大，抗凍性能越差，但是相應提升含氣量可以升高抗凍性能，且質量損失率可以更好的評價抗凍性。汪彬等[9]通過改變水膠比來配置混凝土。研究可得通過雙摻礦物摻合料配置中等強度的混凝土，可以具備良好的抗凍性能，并且降低水膠比可以提升抗凍性能。在礦物摻合料總量為60%時，粉煤灰：礦渣粉的比例為1∶3時取代水泥，制備的混凝土仍具備較好的抗凍性。這是由于混凝土中有較少的自由水，所以參加凍融破壞的自由水也會減少。由于礦物摻合料的加入，使得膠凝材料的顆粒集配進一步得到了完善，這樣就可以改善內部孔結構，使混凝土的致密性更好。從而參與凍融破壞的自由水含量降低，借此就可以提高抗凍性能。張蘋等[3]通過礦物摻合料總量為膠凝材料總比例的50%基礎上進行了單摻與復摻礦物摻合料進行平板開裂試驗。研究得出：粉煤灰復摻超細礦渣粉均比單摻開裂面積大。早期膠凝材料用量與開裂面積成正比，即用量越大，開裂面積越大，混凝土的抗裂性能越低。膠凝材料用量一定時，單摻粉煤灰要比單摻礦渣粉抗裂性能好，且單摻礦物摻合料均能減輕混凝土早期開裂。養護時減少水分蒸發可以增強抗裂性能。在加入大量的礦物摻合料之后，由于其本身為細微顆粒，可以更好的優化膠凝材料之間的的顆粒集配，提高混凝土致密性，因而可以減輕混凝土早期開裂。尹航等[4]分別研究了水膠比為0.45、 0.55、 0.65，粉煤灰以三個不同的摻量替代膠凝材料。兩組為粉煤灰與礦渣粉雙摻，一組為單摻粉煤灰，最后一組為不摻礦物摻合料的混凝土，對以上制備的混凝土進行碳化試驗。通過試驗發現水膠比的變化對早期的混凝土的抗碳化性影響不大。但在28d的時候截然相反，水膠比在0.45～0.65之間時，碳化深度隨水膠比的增加而增加。在礦物摻合料總量一定時，抗碳化性能會隨著磨細礦渣粉的加入而得到改善，7d與28d的改善效果尤為顯著。且在水膠比也一定時，抗碳化性隨著抗碳化劑的加入而得到提高。混凝土的碳化深度隨著齡期的增長而變大，但養護齡期經歷14d以后，碳化速率會隨著時間的流逝而變緩。汪彬等[9]通過改變水膠比配置混凝土，研究可得碳化深度取決于水膠比的大小，當水膠比增大時，抗碳化能力將下降。這是由于水膠比增大的同時，自由水也隨之增多，所以內部孔隙連接起來，為二氧化碳的流動提供了通道，加快了碳化反應，降低了抗碳化的能力但是由于加入粒徑更細的磨細礦渣粉，而且火山灰活性更高，從而發生水化反應，可以使混凝土的結構更加密實減少碳化深度。水膠比一定時，氯離子擴散系數與養護時間成反比，當養護時間一定時，隨著水膠比降低氯離子擴散系數也會降低。黃辰玉等[6]通過1∶1雙摻粉煤灰和礦渣，以大比例替代水泥，以30%與50%的比例利用再生骨料代替粗骨料。在礦物摻合料含量一定時，隨著再生骨料取代比例的提升，混凝土強度方面體現出先增大后降低的趨勢。在總摻量不變時，兩種礦物摻合料等比例摻加到混凝土中，用再生骨料以30%的比例取代粗骨料來配置的混凝土強度要高于僅礦物摻合料取代水泥所制備的普通混凝土。再生粗骨料取代率為50%的混凝土強度雖然有所下降，但強度仍然可以達到55.1MPa。在兩種不同的取代率下，混凝土的碳化能力相近，均可以忽略不計。等比例復摻礦物摻合料而且含量不超過50%時，以30%的比例用再生骨料替代粗骨料時，混凝土既兼顧了較好的抗壓強度同時又具有很好的碳化性能。祝燁然等[5]利用粉煤灰與磨細礦渣粉單摻和復摻兩種方式按比例取代水泥，并用活性骨料制作砂漿，研究礦物摻合料對抑制堿-硅反應的影響，結果表明：無論是上述哪種摻入方式，均可以有效地抑制堿-硅反應，且試驗結果有規律可循。三種摻入方式對抑制堿-硅反應均隨著摻量的增加而提高。當單摻粉煤灰含量超過20%和單摻礦渣粉含量達到40%時，相較于未摻入組早期的膨脹均有大幅度降低，膨脹率降低75%以上。混凝土28d的膨脹都非常小，膨脹率小于0.100%。對于雙摻兩種礦物摻合料的,當共摻量達到40%時,其抑制效果顯而易見。在早期膨脹率同單摻40%礦渣粉一樣，均降低了75%以上,28d膨脹率更是小于0.027%。應該是因為隨著礦物摻合料的加入，利用其有火山灰活性組分中和一些來自于水泥水化過程中生成的堿，從而減少了堿-硅反應。張小龍等[10]通過復摻單摻粉煤灰與礦渣粉兩種不同的方式配制混凝土。研究表明在早期時，未摻礦物摻合料的混凝土強度要高于摻礦物摻合料的，但由于礦物摻合料的加入以及混凝土的二次水化，后期強度表現出先增大后減小的趨勢。而且由于兩種不同粒徑的礦物摻合料可以更好的改善膠凝材料的顆粒級配，會相應的減少可以損害混凝土自身的孔隙，以此來提高混凝土的耐久性。

2.2 自密實混凝土

周聰聰等[7]通過研究單摻粉煤灰、單摻礦粉、復摻礦粉和粉煤灰對自密實混凝土工作性能的影響。兩種礦物摻合料的加入均能改善混凝土膠凝材料的流動性能，二者可以進一步優化顆粒級配。通過凈漿和砂漿流動性試驗，可以看出當單摻粉煤灰時，將其以30%比例替代水泥時，兩者的流動度最大，流動性能為最佳的狀態；當單摻礦渣粉時，將其以10%的比例替代水泥時，凈漿和砂漿的流動度最大，流動性能最好，單摻比例為30%的粉煤灰以及單摻比例為10%的礦渣粉，均能使混凝土的流動度達到理想狀態；當粉煤灰與礦渣粉為3∶1的比例復摻時，混凝土的流動度即可達到理想狀態。鄭建嵐等[8]通過單摻粉煤灰和復摻粉煤灰與礦渣粉制備自密實混凝土。研究其碳化性能，結果表明以20%的比例加入粉煤灰時，兩種混凝土在相同的齡期碳化深度均為0。摻入比例達到30%～40%時，碳化深度仍然較小，但摻量比例大于40%之后抗碳化能力迅速下降。在復摻粉煤灰與礦渣粉含量在30%時，碳化深度與單摻粉煤灰含量20%時一樣，各齡期碳化深度均為0。復摻總含量為60%(粉煤灰與礦渣粉比例為1∶1)時，效果最好，碳化深度小于單摻粉煤灰含量30%的自密實混凝土。

3 結 論

(1)在普通混凝土中，結果如下。

(a)抗硫酸鹽腐蝕方面，當礦物摻合料總摻量小于70%且礦渣粉摻量大于40%時，混凝土既有較好的強度，同時磨細粉煤灰和S95礦渣粉雙摻具有經濟效益也具有社會效益。

(b)抗凍性能方面，在大量加入礦物摻合料時，當水膠比或凍融循環次數增大時，混凝土的抗凍性能會下降，但隨著含氣量的上升抗凍性能會變好。

(c)抗裂性能方面，單摻粉煤灰或礦粉混凝土的開裂面積與膠凝材料的用量成正比，且在膠凝材料用量超過430kg/m3時，開裂面積的增長速度會突然變大。單摻條件下，摻入粉煤灰的混凝土抗裂性能優于礦粉的。

(d)抗碳化性能方面，水膠比對早期的碳化深度影響不大，后期時水膠比每增加0.1碳化深度加深35.4%。相較于粉煤灰，礦渣粉的加入可以很好地改善碳化性能。早期碳化速率增長較快，14d之后速率會變緩。

(e)抑制堿-硅反應方面，抑制效果與摻量呈正比，單摻20%的粉煤灰或單摻40%的礦渣粉相較于未摻組早期膨脹都大幅度降低，28d的膨脹率只有0.100%。 在雙摻礦物摻合料含量在40%時，早期與單摻40%礦渣粉相同，28d膨脹率小于0.027%。

(2)在自密實混凝土中，結果如下。

(a)流動度方面,當單摻比例為30%的粉煤灰以及單摻比例為10%的礦渣粉或當粉煤灰與礦渣粉為3∶1的比例復摻時， 混凝土的流動度即可達到理想狀態。

(b)抗碳化性能方面，復摻總含量為60%(粉煤灰與礦渣粉比例為1∶1)時，效果最好，碳化深度小于單摻粉煤灰含量30%的自密實混凝土。