六盤水地區礦渣粉煤灰復合摻料對混凝土性能的影響

朱加亮，吉卓禮*，梁小輝，王建文，陳萬勝，王育坤

（1.六盤水師范學院，貴州六盤水 553000；2.陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司，陜西神木 719300）

隨著我國改革開放和現代化進程的加快，我國的建設規模日益增大，為了適應建筑技術的不斷進步和環境的可持續發展，混凝土材料在現代社會被賦予更高的要求，并且作為新型高技術的材料成為工程界的關注。最近幾年來在土木工程材料領域的研究，已然變成利用活性的礦物摻合料來配置混凝土[1-2]。目前高性能混凝土越來越多地應用于高速鐵路、跨海大橋、高層建筑等工程中。由于高性能混凝土出現的時間不是很長，雖然目前對其已經進行了大量試驗研究，但對其長期性能的了解還不是很充分，致使在將高性能混凝土用于大跨度橋梁、改善橋梁性能的同時，也出現了多種問題，其中比較突出的是特大跨橋梁結構混凝土開裂和箱梁過度下撓及并發癥。高強混凝土能夠減輕地基負荷和減少結構的斷面。因為剛度大和變形小的特點可以施加較大的預應力和更早地施加預應力。但高強混凝土也有不利的條件，例如對原材料的質量要求更加嚴格，延性差、脆性大等。混凝土由相對水泥質量10%的FBCC 添加劑制作而成[3]。

1 配合比計算

根據規范JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》[4]，通過計算和試拌來確定本試驗所制備C60 混凝土強度的配合比。試驗將六盤水地區的礦渣粉煤灰復合摻合料分別替代水泥的20%、30%、40%，其中復合摻和料中礦渣與粉煤灰的比例按照0∶100%、30%∶70%、50%∶50%、70%∶30%和100%∶0 的比例配制混凝土。抗壓性能測試和抗拉性能測試各做16 組試件，其中2 組為基準水泥混凝土（不摻礦渣與粉煤灰）試件，用來做對比試驗。配合比的計算步驟見表1—4。

表1 基準混凝土配合比

表2 總摻量20%混凝土配合比

表3 總摻量30%混凝土配合比

表4 總摻量40%混凝土配合比

2 混凝土立方體抗壓強度試驗

測定混凝土抗壓強度的目的是檢驗混凝土的抗壓強度是否滿足設計要求。由公式（1）進行試驗結果計算

式中：fcu為混凝土立方體抗壓強度，MPa；F為立方體抗壓破壞荷載，kN；A為試件受壓面積，mm2。

礦渣和粉煤灰復摻總量為20%、30%、40%的混凝土試件的抗壓強度值如圖1—3 所示。

如圖1 所示，在礦渣和粉煤灰總摻量為20%時，對照空白組67.94 MPa 可知，在礦渣與粉煤灰5 種摻比中的比例為50%∶50%、0∶100%、100%∶0 時混凝土的抗壓強度值都有所提高，其中在比例50%∶50%時抗壓強度值最高為81.76 MPa。而在礦渣與粉煤灰比例為30%:70%和70%:30%時，混凝土的抗壓強度值對照空白組有所降低，其中在比例為30%∶70%時抗壓強度值最低64.37 MPa。

如圖2 所示，在礦渣和粉煤灰總摻量為30%時，由基準混凝土67.94 MPa 可知，在礦渣與粉煤灰的5 種摻比中，混凝土所得的抗壓強度值都高于空白組，其中礦渣與粉煤灰比例為50%:50%時混凝土的抗壓強度值最高為79.64 MPa，在礦渣與粉煤灰比例為0:100%時混凝土的抗壓強度值最低為69.45 MPa。

圖2 總摻量為30%抗壓強度值

如圖3 所示，當礦渣和粉煤灰的總摻量為40%時，對照空白組67.94 MPa 可知，在5 種摻比的混凝土中，礦渣與粉煤灰的比例為50%∶50%和100%∶0時，混凝土的抗壓強度值分別為73.04 MPa 和71.42 MPa，對照空白組是升高的。其他3 種摻比的混凝土的抗壓強度值分別為60.08、62.15、66.98 MPa，對比空白組有所降低。對比這5 種摻比的混凝土的抗壓強度值來看，在礦渣與粉煤灰的比例為50%∶50%時混凝土的抗壓強度值最大為73.04 MPa，比例為30%∶70%時的混凝土的抗壓強度值最小且低于空白組為60.08 MPa。

圖3 總摻量為40%抗壓強度值

如圖4 所示，單從礦渣與粉煤灰的占比來看，在礦渣和粉煤灰總摻量為20%時，礦渣與粉煤灰所占的比例為50%∶50%、0∶100%、100%∶0 的抗壓強度值較空白對照組來看都有提升，故總摻量為20%時，這3 種摻比的混凝土都適宜，且比例為50%∶50%時為最佳。但是比例為30%∶70%和70%∶30%的混凝土的抗壓強度值相較于空白對照組有所降低。故礦渣與粉煤灰的比例不適宜控制在這2 個比例中。在礦渣和粉煤灰總摻量為30%時，這5 種比例的混凝土的抗壓強度值都較空白對照組來說都有提升，故總摻量為30%時，這5 種摻比的混凝土都適宜，且比例為50%∶50%時為最佳。在礦渣和粉煤灰總摻量為40%時，礦渣與粉煤灰所占的比例為50%∶50%和100%∶0 這2 個比例的混凝土相較于空白對照組有所提高，其他3 個比例的混凝土的抗壓強度值有所下降，故在礦渣和粉煤灰總摻量為40%時，礦渣與粉煤灰的比例控制在50%∶50%和100%∶0 較適宜。

圖4 同比例不同摻量的抗壓強度值

3 結論

本文主要研究礦渣與粉煤灰以不同比例等量取代20%、30%、40%的硅酸鹽水泥，同時研究在同一個總摻量的前提下，礦渣和粉煤灰的不同比例即0∶100%、30%∶70%、50%∶50%、70%∶30%和100%∶0 的混凝土的性能試驗。并與基準混凝土（不摻復合摻合料純硅酸鹽水泥混凝土）進行對比。試驗結果表明，單摻礦渣、單摻粉煤灰、雙摻礦渣與粉煤灰對混凝土性能的影響有著差異性。其主要結論有以下幾點。

1）礦渣和粉煤灰復合摻合料等量取代普通硅酸鹽水泥，可以配制出力學性能良好的膠凝材料，且取代量較高。這樣的取代量對工業廢渣的廢物利用起到了很好的經濟效益和社會效益，并且對環境也有很大的保護作用。利用工業廢渣到混凝土中可以有效地減少水泥的用量，也可以降低水泥工業的成本，還能對產生的工業廢渣再生利用，大幅度減少能源和資源消耗，同時還能夠改善膠凝材料的力學性能。

2）當礦渣與粉煤灰復合摻合料總量為30%時，礦渣與粉煤灰復合配制的5 種摻比混凝土都可達到基準混凝土的強度指標。當礦渣與粉煤灰復合摻合料總量為40%時，礦渣與粉煤灰復合配制的5 種摻比混凝土的強度指標相對于總摻量20%、30%時有所降低。

3）礦渣和粉煤灰等摻合料，復合摻合到混凝土中，能夠與水泥中的水化物氫氧化鈣及高堿度的水化硅酸鈣等在有水條件下發生二次化學反應，產生良好的效果，如火山灰效應。發生反應生成的物質能填充混凝土內部的孔隙，使混凝土更加密實。火山灰活性較低導致混凝土早期的強度低[5]。