礦物摻合料對高性能混凝土性能的影響研究

劉 雍

(江西省交通運輸科學研究院有限公司,江西 南昌 330200)

0 引言

高性能混凝土是采用常規材料和工藝生產,具有混凝土結構所要求的各項力學性能,且具有高耐久性和高體積穩定性的混凝土[1]。我國西南地區云貴川渝三省一市按照“十四五”規劃正在大力發展高速公路建設,這些地區地形起伏大、地質災害多和不佳的環境條件,給施工帶來了很大的難度,并且對混凝土的耐久性帶來了不利影響。面對這一系列的問題,施工技術人員往往只是單純地提高水泥劑量或標號來保證混凝土的強度,事實證明這個方法對混凝土的耐久性有著很大的損害。高性能混凝土有著優異的工程穩定性、力學性能、耐久性能,并可以在工程中進行應用推廣,對于改善質量、減少工程造價和減少對環境的污染具有重大價值。

對于高性能混凝土的推行和使用,應該因地制宜,依據工程地區實際條件,選取合適類型的礦物摻合料以及摻配比例。[2]本文結合四川省九寨溝(甘川界)至綿陽高速公路中某施工合同段,以強度等級為C30的高性能混凝土做為主要研究目標,探討了改變礦物摻合料摻量對混凝土的力學性能和耐久性能的作用,以期能夠給實際公路橋梁工程提供參考。

1 原材料及配合比情況

1.1 原材料

水泥:采用文縣祁連山水泥有限公司P·O42.5水泥,其主要技術指標檢測結果見表1。

表1 水泥主要技術指標檢測結果表

粗集料:采用九寨溝縣建投建材銷售有限公司(黃陽砂石廠)生產的碎石,規格分別為5～10 mm、10～20 mm、16～25 mm,摻配比例為5～10 mm:10～20 mm:16～25 mm=15%∶50%∶35%,其主要技術指標檢測結果見表2。

表2 粗集料主要技術指標檢測結果表

細集料:采用九寨溝縣建投建材銷售有限公司(黃陽砂石廠)的機制砂,規格為0～4.75 mm,其主要技術指標檢測結果見表3。

表3 細集料主要技術指標檢測結果表

粉煤灰:選用大唐略陽發電有限責任公司生產的F類Ⅱ級粉煤灰,其主要技術指標檢測結果見表4。

表4 粉煤灰主要技術指標檢測結果表

礦渣粉:選用神話四川能源有限公司江油發電廠生產的S95級礦渣粉,其主要技術指標檢測結果見表5。

表5 礦渣粉主要技術指標檢測結果表

外加劑:選用貴州龍之源新材料有限公司生產的LZY-S2型聚羧酸高性能減水劑,其主要技術指標檢測結果見表6。

表6 外加劑主要技術指標檢測結果表

拌和用水:自來水。

1.2 混凝土配合比

混凝土配合比以C30強度等級設計,砂率為43%,水膠比為0.41,基準配合比參數見表7。

表7 基準配合比參數表

在基準混凝土配合比的基礎上,以粉煤灰、礦渣粉作為主要礦物填充料,采用以單摻和按配合比復摻等量替代原水泥的技術,探討主要礦物填充料對改善混凝土力學性能和耐久性能的作用。單摻粉煤灰的混凝土編號為B1～B3,等量替代水泥比例依次為10%、20%、30%;單摻礦渣粉的混凝土編號為C1～C3,等量替代水泥比例依次為10%、20%、30%;二者復摻的混凝土編號為D1～D3,其總摻量是30%,二者摻入比例分別為粉煤灰:礦渣粉=20%∶10%、粉煤灰:礦渣粉=15%∶15%、粉煤灰:礦渣粉=10%∶20%。摻入礦物摻合料混凝土配合比參數見表8。

表8 摻入礦物摻合料配合比參數表

2 試驗結果與分析

2.1 礦物摻合料對高性能混凝土抗壓強度的影響作用

未摻入礦物摻合料與摻入礦物摻合料的混凝土標準試件抗壓強度試驗結果見表9。

表9 高性能混凝土抗壓強度試驗結果表(MPa)

圖1 粉煤灰摻量與抗壓強度關系曲線圖

圖2 礦渣粉摻量與抗壓強度關系曲線圖

由圖1和圖2可以看出,在膠凝材料總量及水膠比相同的條件下,混凝土的抗壓強度隨著礦物摻合料摻量的增加而逐漸降低,特別是在混凝土的早期強度,而在齡期28～56 d,混凝土抗壓強度有較大幅度上升。這是因為粉煤灰和礦渣粉都必須與水泥熟料水化物Ca(OH)2產生化學反應,才能形成有膠凝性的水化物,而這種反應速度又低于混凝土水化速率。所以,當用粉煤灰、礦渣粉二種礦物填充料等量替代水泥時,可使膠凝體系的水化速度大大減緩[2]。

圖3 不同礦物摻合料混凝土抗壓強度曲線圖

從圖3可以得知,兩種礦物質復摻的混凝土3 d、7 d、28 d、56 d齡期時的抗壓強度均要大于單摻其中一種礦物摻合料的混凝土。這是由于二者有較好的 “強度互補效應”。粉煤灰和礦渣粉復摻綜合利用還可以增加水泥混凝土的早期強度和后期強度。試驗資料也證實,當礦渣粉與Ⅱ型粉煤灰水泥的復合共取代水泥40%,當二者比值約為1∶2時,混凝土基料最致密,所表現的強度也最大[3]。所以在工程建設中,應該根據區域的不同、工程的特點和各種礦物摻合料實際生產情況,選擇最佳的摻配方式使混凝土配合比得到最大的優化,以提高工程質量[4]。

2.2 礦物摻合料對高性能混凝土抗氯離子滲透特性的影響作用

氯化物離子的入侵是造成混凝土中鋼筋腐蝕的主要因素,目前電通量法是測量鋼筋混凝土耐氯化物離子侵蝕特性的重要手段。基準配合比高性能混凝土與摻入礦物摻合料的高性能混凝土抗氯離子滲透性能檢測結果見表10。

表10 高性能混凝土電通量檢測結果表(C)

圖4 粉煤灰或礦渣粉單摻摻量與電通量關系曲線圖

圖5 粉煤灰與礦渣粉復摻摻量與電通量關系曲線圖

從圖4、圖5可以得知,隨著礦物摻合料摻量的增加,混凝土的電通量呈現不斷降低的趨勢,說明了礦物摻合料能夠有效地改善混凝土抗氯離子滲透性能,提高結構的耐久性能。這主要由于礦物填充料的數量增加后,不但填滿了混凝土中的毛細孔,還將毛細孔分割為一些細孔。隨著毛細孔總量的減少,孔隙和孔徑也相應減少,加上礦物填充料與水泥中的主要水化產物Ca(OH)2產生了二次水化,水化產物迅速填滿了孔隙,混凝土的緊密程度得以明顯改善,從而有助于改進混凝土的耐氯離子侵蝕特性[5]。

由圖5還可以看出,當膠凝材料總量和摻合料摻量不變的條件下,粉煤灰與礦渣粉復摻摻量比例為2:1時,混凝土電通量最低,而后隨著粉煤灰摻量的減少,混凝土電通量逐漸增加。兩種填充料摻比例的變化將使得膠凝材料出現不同的配和疊加效果,當膠凝體系級配出現最優情況時,混凝土的密實性可以達到最佳狀態,從而提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

2.3 礦物摻合料對高性能混凝土抗凍性能的影響

高性能混凝土抗凍性能試驗適用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)中的快凍法,各組試件每凍融循環25次測定一次動彈性模量和質量損失,混凝土的抗凍等級用相對動彈性模量下降至≥60%或者質量損失率≤5%時的最大凍融循環次數來確定,并用符號F表示[6]。混凝土質量損失率檢測結果見表11,相對動彈性模量試驗結果見表12。

表11 混凝土凍融循環質量損失率檢測結果表(%)

表12 混凝土凍融循環相對動彈性模量試驗結果表(%)

由表11和表12可以看出,基準配合比混凝土抗凍性能最佳,抗凍級別為F200。在礦物摻合料摻量相同的情況下,單摻其中一種礦物摻合料對混凝土抗凍特性的影響也基本一樣。當粉煤灰或礦渣粉摻量控制在10%時,混凝土試件能夠經受凍融循環200次,但混凝土的抗凍性能隨著礦物摻合料摻量的增加而漸漸下降。摻量在20%時,混凝土試件在凍融循環150次時出現了破壞,其中B2組混凝土試件凍融循環相對動彈性模量為56.3%、質量損失率為6.22%,C2組混凝土試件凍融循環相對動彈性模量為57.2%、質量損失率為5.44%。當礦物摻合料摻量增加至30%時,混凝土試件經受凍融循環次數也將相應降低。當粉煤灰與礦渣粉復摻總量控制在總膠凝材料的30%,二者摻配比例為2∶1時,混凝土試件最先被破壞,僅經受了75次凍融循環。

3 結語

(1)在膠凝材料總量及水膠比相同的條件下,混凝土的抗壓強度隨著礦物摻合料摻量的增加而逐漸降低,但后期強度基本與基準混凝土相同。兩者復摻時,各個齡期抗壓強度都要高于單摻時的強度。

(2)礦物摻合料的摻入可以提高混凝土耐氯離子特性,改善混凝土耐久性能。當粉煤灰和礦渣粉復摻比例為2∶1時,混凝土電通量最小,僅為847.7 C。

(3)隨著礦物填充料摻量的提高,混凝土的抗凍性越來越差。因此,混凝土的抗凍特性是必須經過嚴格的試驗才能確定礦物摻合料的摻量,必要時還需加入引氣性劑以改善混凝土的抗凍特性。