礦物摻和料對混凝土抗壓強(qiáng)度影響性研究

左宸嘉，李士洋，劉延波

(哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

0 引言

混凝土是主要建筑材料之一，除強(qiáng)度外，保證混凝土耐久性也是重中之重。摻入礦物摻和料是改善混凝土耐久性的常見措施。但研究發(fā)現(xiàn)，礦物摻和料會影響混凝土力學(xué)性能[1,2]。魯麗華[3]等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Ⅱ級粉煤灰摻量存在一個合理范圍，適量粉煤灰對混凝土性能有良好的改善作用。李紅輝[4]等研究表明，大摻量粉煤灰混凝土后期強(qiáng)度增長較快，其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于無摻和料混凝土。朱航[5]試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼渣礦渣粉的摻入不僅有利于提高新拌混凝土的工作性能，還可以抑制混凝土的經(jīng)時坍落度損失。袁航[6]等發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)增加石灰石粉的細(xì)度，能夠提升混凝土的早期強(qiáng)度，但當(dāng)石灰石粉替代水泥的比例大于20%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度值下降很快。目前，對于礦物摻和料對混凝土力學(xué)性能的研究多聚焦于單摻某種摻和料，但對各類礦物摻和料混摻的研究相對較少。

通過將粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉以不同比例摻入混凝土中進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，研究不同摻量礦物摻和料對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響及其變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

所有水泥采用亞泰集團(tuán)哈爾濱水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，主要性能見表1。粉煤灰選用雙達(dá)電力設(shè)備有限公司生產(chǎn)的I級粉煤灰，細(xì)度為2.5%。礦渣粉選用萬順石材鈣粉廠生產(chǎn)的S95級礦渣粉，細(xì)度為1.2%。石灰石粉由山林建筑材料有限公司提供，細(xì)度為20.8%。細(xì)骨料選取松花江河砂，細(xì)度模數(shù)2.21，含水量為8.3%。粗骨料為粒徑5～20 mm連續(xù)級配青石碎石。拌和與養(yǎng)護(hù)用水均為實(shí)驗(yàn)室自來水。

表1 水泥性能Tab.1 Cement performance

1.2 試驗(yàn)配合比

混凝土的設(shè)計強(qiáng)度等級為C30，水膠比0.5，砂率40%。粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉以單摻和混摻兩種方式摻入混凝土中。參照J(rèn)GJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，試驗(yàn)設(shè)計5組共14個混凝土配合比，具體如表2所示。

表2 混凝土試驗(yàn)配合比Tab.2 Mix properties of concrete test

1.3 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用150×150×150 mm立方體試件。根據(jù)GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》養(yǎng)護(hù)成型并進(jìn)行測試。測試設(shè)備采用HYE-3000型微機(jī)電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，儀器最大負(fù)荷為3 000 kN。試驗(yàn)過程保持勻速加載，加載速度0.5～0.8 MPa。每組試驗(yàn)設(shè)置3個試件，測試結(jié)果取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 粉煤灰對抗壓強(qiáng)度的影響

不同粉煤灰摻量混凝土的抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化如圖1所示。由圖1可知，粉煤灰的摻入對混凝土早期抗壓強(qiáng)度有降低作用，且隨著摻量的增加，抗壓強(qiáng)度降低幅度逐漸增大。與對照組C0相比，粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%時，混凝土3 d的抗壓強(qiáng)度分別下降了13.44%、33.87%和35.40%，7 d的抗壓強(qiáng)度分別下降了8.3%、27.67%和29.31%。這是由于粉煤灰的摻入使得水泥的用量減小，并且與水泥相比，粉煤灰的二次水化反應(yīng)緩慢，養(yǎng)護(hù)早期水化產(chǎn)物數(shù)量小于對照組，所以混凝土抗壓強(qiáng)度降低。當(dāng)齡期為28 d時，與C0組相比，粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%時，3 d的抗壓強(qiáng)度分別下降了10.03%、14.54%和19.24%，下降幅度小于齡期為3 d時。這是由于粉煤灰中的SiO2和Al2O3與水泥水化反應(yīng)析出的Ca(OH)2反應(yīng)生成硅鋁酸鈣，降低了混凝土中液相堿度，促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)。與此同時，Ca(OH)2會在粉煤灰顆粒表面形Ca(OH)2薄膜，薄膜與粉煤灰顆粒表面之間存在著一層水解層，因此當(dāng)鈣離子進(jìn)入到水解層內(nèi)與粉煤灰發(fā)生反應(yīng)后，由于薄膜層的存在并不會使混凝土的強(qiáng)度有較大的提升。然而，當(dāng)水解層被反應(yīng)物緊密填充后，粉煤灰顆粒與水泥水化產(chǎn)物之間相互交叉，形成緊密的結(jié)構(gòu)，可以在很大程度上提高混凝土的強(qiáng)度，所以摻入粉煤灰的混凝土早期強(qiáng)度較低，而后期強(qiáng)度會明顯提升[7,8]。

圖1 不同摻量粉煤灰對土抗壓強(qiáng)度的影響曲線Fig.1 Influence curve of different content of fly ash on the compressive strength of concrete

2.2 礦渣粉對抗壓強(qiáng)度的影響

不同礦渣粉摻量混凝土的抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化如圖2所示。從圖2中可以看出，礦渣粉的摻入對混凝土早期抗壓強(qiáng)度也有降低作用，大體上呈現(xiàn)摻量越高強(qiáng)度下降越明顯。與C0相比，礦渣粉摻量分別為30%、40%、50%和70%時，混凝土3 d的抗壓強(qiáng)度分別下降了28.49%、48.92%、48.39%和67.42%，7 d的抗壓強(qiáng)度分別下降了9.88%、17.00%、26.09%和22.53%。這是因?yàn)閾胶土系募尤胧鼓z凝材料中水泥的用量減小，而礦渣粉的火山灰效應(yīng)相對較慢，細(xì)集料作用對早期混凝土強(qiáng)度提升不明顯。隨著齡期的增長，摻入礦渣粉的混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸提升，當(dāng)齡期為14 d和28 d時，試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度均高于C0組。其中，礦渣粉摻量分別為30%、40%的試驗(yàn)組在齡期為14 d、28 d時，抗壓強(qiáng)度較同一齡期C0組提升13.25%、13.03%和5.82%、12.94%。礦渣粉摻量分別為50%、70%的試驗(yàn)組在齡期為14 d、28 d時，抗壓強(qiáng)度較同一齡期C0組提升3.15%、4.51%、5.76%和2.60%。這表明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，礦渣粉充分水化，水化產(chǎn)物數(shù)量逐漸增加，彌補(bǔ)了早期強(qiáng)度下降的缺陷，抗壓強(qiáng)度不斷提升。此外，試驗(yàn)結(jié)果表明，礦渣粉摻量為30%時最有利于混凝土強(qiáng)度的增長，在齡期為14 d時抗壓強(qiáng)度超過C0組，并保持著較高的抗壓強(qiáng)度增長速率。

圖2 不同摻量礦渣粉對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響曲線Fig.2 Influence curve of different content of slag powder on the compressive strength of concrete

2.3 石灰石粉對抗壓強(qiáng)度的影響

不同石灰石粉摻量混凝土的抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化如圖3所示。由圖3可知，石灰石粉的摻入不利于混凝土早期抗壓強(qiáng)度發(fā)展，且抗壓強(qiáng)度與摻量呈負(fù)相關(guān)。與C0組相比，石灰石粉摻量分別為4%、7%和10%時，混凝土3 d的抗壓強(qiáng)度分別下降了23.66%、29.56%和50.00%，28 d的抗壓強(qiáng)度分別下降了0.40%、18.78%和28.94%。這主要是因?yàn)槭沂凼且环N惰性材料，對水泥的水化無促進(jìn)作用，石灰石粉的摻入雖然增加了膠凝材料的級配，但同時也降低了水泥的含量，導(dǎo)致水化產(chǎn)物的含量降低，所以摻入石灰石粉的混凝土的抗壓強(qiáng)度會隨著石灰石粉摻量的上升而下降[9]。

圖3 石灰石粉對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響曲線Fig.3 Influence curve of limestone powder on the compressive strength of concrete

2.4 混摻粉煤灰和礦渣粉對抗壓強(qiáng)度的影響

粉煤灰和礦渣粉混摻混凝土在不同摻量下抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化如圖4所示。從圖中可以看出，大量內(nèi)摻礦物摻和料對混凝土的早期強(qiáng)度有較大影響。粉煤灰和礦渣粉混摻混凝土的抗壓強(qiáng)度較C0組降低50%以上，其中當(dāng)粉煤灰和礦渣粉摻量為10%、40%時，抗壓強(qiáng)度降低幅度最大，達(dá)62.37%。

圖4 混摻粉煤灰和礦渣粉對抗壓強(qiáng)度的影響曲線Fig.4 Influence curve of mixed fly ash and slag powder on the compressive strength of concrete

但隨著齡期的增長，混摻粉煤灰和礦渣粉混凝土抗壓強(qiáng)度與C0組的差距逐漸減小，這表明此時礦物摻和料的火山灰效應(yīng)發(fā)揮作用，一定程度上彌補(bǔ)了早期由于水泥用量減少而導(dǎo)致的強(qiáng)度損失。與C0組相比，粉煤灰和礦渣粉摻量分別為10%、40%時，混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度降幅最大，達(dá)11.8%，而當(dāng)粉煤灰和礦渣粉摻量分別為30%、20%和20%、30%時，28 d的抗壓強(qiáng)度相差不大，僅下降了3.56%和0.38%。由此可見，盡管混摻粉煤灰和礦渣粉會引起早期混凝土強(qiáng)度的大幅下降，但隨著齡期的增長，礦物摻和料的火山灰效應(yīng)和細(xì)集料效應(yīng)逐步發(fā)揮作用，礦渣粉早期提供的強(qiáng)度也在一定程度上彌補(bǔ)了摻入粉煤灰后混凝土早期強(qiáng)度下降的缺陷，形成了優(yōu)勢互補(bǔ)效應(yīng)，與此同時，粉煤灰的二次水化反應(yīng)又可以使強(qiáng)度繼續(xù)增長[10]，所以養(yǎng)護(hù)后期混摻粉煤灰和礦渣粉混凝土的強(qiáng)度與未摻礦物摻和料的混凝土相差不大。試驗(yàn)結(jié)果表明，在三種不同摻量中，當(dāng)粉煤灰和礦渣粉的摻量為30%、20%時，混凝土養(yǎng)護(hù)后期的抗壓強(qiáng)度損失最少。

3 結(jié)論

粉煤灰的摻入不利于混凝土早期抗壓強(qiáng)度發(fā)展，但10%摻量粉煤灰混凝土在各個齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度與未摻礦物摻和料的混凝土相差不大。

混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著礦渣粉摻量的增加先上升后下降，其中礦渣粉摻量為30%時，混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度最高，對結(jié)構(gòu)的改善效果最好。

石灰石粉的摻入會降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，且隨著摻量的增加，降幅增大。

混摻粉煤灰和礦渣粉的混凝土在養(yǎng)護(hù)早期抗壓強(qiáng)度會出現(xiàn)大幅下降，但由于粉煤灰與礦渣粉之間的優(yōu)勢互補(bǔ)效應(yīng)，養(yǎng)護(hù)后期抗壓強(qiáng)度值介于單摻粉煤灰與單摻礦渣粉混凝土之間。