礦物摻和料對高強混凝土性能的影響
| 摘要:試驗研究了粉煤灰與礦粉及其摻量對高強混凝土工作性、強度、體積穩(wěn)定性及耐久性的影響。結(jié)果表明：粉煤灰和礦粉可以顯著的改善高強混凝土的工作性能，提高后期強度，降低脆性系數(shù)，且礦粉對高強混凝土的脆性改善作用更加顯著。隨著粉煤灰和礦粉的加入及摻量的提高，高強混凝土的早期彈模降低，徐變增加，隨混凝土強度的逐漸發(fā)展，混凝土60d的齡期加荷的徐變及彈模接近于空白混凝土。粉煤灰與礦粉可以顯著提高高強混凝土的抗氯離子滲透性能，但對高強混凝土抗凍型影響不明顯，只有當(dāng)摻和料摻量較高時（達(dá)到36%），粉煤灰才會降低高強混凝土的抗凍性。 關(guān)鍵詞:高強混凝土 粉煤灰 礦粉 脆性 耐久性 隨著建筑業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代建筑工程逐漸向大跨度、重載、高聳結(jié)構(gòu)發(fā)展，工程上對混凝土強度和耐久性的要求越來越高。提高混凝土耐久性的最佳方法就是采用活性礦物摻和料取代部分水泥。在配制混凝土?xí)r，加入較大量礦物摻和料不僅能節(jié)約水泥，降低混凝土的水化熱溫升，而且由于摻合料的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)能改善混凝土工作性，增進混凝土的后期強度，改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高混凝土的抗裂性及耐久性的作用[1~4]，尤其是礦物摻和料對堿—集料反應(yīng)的抑制作用已引起國內(nèi)外專業(yè)人員的極大興趣[5]。因此，礦物摻和料又被稱為輔助性膠凝材料，是配制高性能混凝土不可缺少的組分。本文系統(tǒng)的研究了應(yīng)用最為廣泛的兩種礦物摻和料—粉煤灰、礦粉對高強高性能混凝土的工作性、強度、體積穩(wěn)定性及耐久性的影響，以期為礦粉、粉煤灰等礦物摻和料在高強高性能混凝土中應(yīng)用提供技術(shù)參考。 1. 試驗 1.1 原材料 葛洲壩水泥廠生產(chǎn)的52.5普通硅酸鹽水泥，粗集料為5～25 mm連續(xù)級配碎石，細(xì)集料為中粗河砂（細(xì)度模數(shù)為2.85），粉煤灰為武漢陽邏電廠Ⅰ級灰，礦渣粉為武鋼礦渣磨制。外加劑是武鋼浩源化工有限公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑FDN－9000。水泥、礦粉、粉煤灰的物理性質(zhì)分別見表1、表2。 表 1 水泥的物理性質(zhì)  1.2 試驗方法 ?、?拌合物性能按《普通混凝土拌和物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50080－2002）進行測試。 ?、?抗壓強度、靜力受壓彈性模量、抗折強度試驗按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081--2002）進行測試?；炷量箟涸嚰叽鐬?50 mm×150 mm×150 mm立方體；靜力受壓彈性模量試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm棱柱體，選用對面貼應(yīng)變片的方法測其變型；抗折試件尺寸采用150 mm×150 mm×550 mm棱柱體。 ③ 干縮和徐變性能按《水工混凝土試驗規(guī)程》（DL/T 5150--2001）進行測試。干縮采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，兩端埋設(shè)金屬測頭，測長采用弓形螺旋測微器測量。試件成型標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護1d后移入干縮恒溫室立即測定基準(zhǔn)長度，試件的干縮齡期以測基準(zhǔn)長度后算起，分別為1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、180 d。干縮恒溫室內(nèi)的溫度為20±2 ℃，相對濕度為60±5 %。徐變采用采用規(guī)格為ф150mm×450mm的試件，試件中心埋沒DI--25型電阻應(yīng)變計觀測變形。徐變加荷應(yīng)力取試件抗壓強度的30%。徐變試件抗壓強度近似取150 m×150 mm×150 mm試件強度的80%。試件加荷后，由于產(chǎn)生壓縮變性會造成應(yīng)力松弛，即當(dāng)荷載變化大于2％時，進行壓力調(diào)整。 ④ 氯離子擴散系數(shù)采用清華大學(xué)基于Nernst-Einstein方程開發(fā)的NEL型混凝土快速真空保鹽裝置及混凝土滲透性電測儀測試[6, 7]。試件尺寸100 mm×100 mm×50 mm，NaCl溶液濃度為4 mol/L。 ?、?抗凍融耐久性：按《水工混凝土試驗規(guī)程》（DL/T 5150－2001）進行測試。試件尺寸100 mm×100 mm×400 mm，測試齡期為28d，到達(dá)齡期前4d，將試件在20±3℃的水中浸泡4d。受凍和融化終了時，試件中心溫度保持在（－17±2）℃和（8±2）℃。凍融循環(huán)試驗機為北京燕科公司生產(chǎn)的TRD1型混凝土凍融試驗設(shè)備，動彈性模量測試采用天津建筑儀器廠生產(chǎn)的DT－8W動彈儀。 2. 試驗結(jié)果與分析 2.1 粉煤灰與礦粉對混凝土工作性和強度的影響 粉煤灰與礦粉對高強高性能混凝土工作性的影響見表3。  表3 粉煤灰與礦粉對混凝土工作性的影響 從表3新拌混凝土的工作性可以看出，粉煤灰和礦粉的加入可以改善了混凝土的工作性，且隨粉煤灰和礦粉的加入這種改善作用更加明顯，同時，粉煤灰和礦粉的加入，降低了混凝土的坍落度損失，尤其是粉煤灰的作用效果更加明顯。粉煤灰和礦粉都屬于玻璃態(tài)物質(zhì)，能使水泥顆粒的絮凝結(jié)構(gòu)解絮，降低新拌混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粘度和顆粒之間的內(nèi)摩擦力。礦物摻和料的視密度一般小于水泥，等質(zhì)量取代水泥時能使混凝土漿體體積增加，增加漿體的潤滑作用，改善混凝土的工作性。礦物摻和料還具有微集料效應(yīng)，與水泥顆粒進行相互填充，使顆粒間的空隙減少，空隙水量降低，自由水量增加，進而也可提高混凝土的工作性。 同時，隨礦物摻和料加入，新拌混凝土的坍落度損失也得到了明顯的改善，尤其是加入粉煤灰，坍落度損失控制的作用效果更加顯著，使混凝土的在60 min內(nèi)的坍落度損失保持在10～20 mm范圍。 表4 粉煤灰與礦粉對混凝土抗壓強度和抗折強度的影響  表4列出了上述6個不同粉煤灰和礦渣摻量配合比的混凝土在不同齡期的抗壓和抗折強度。結(jié)果顯示，隨礦物摻和料的加入，混凝土的早期強度具有不同程度的降低，尤其是粉煤灰的加入，對混凝土早期（7 d）強度降低的作用更加明顯。28d時，低摻量礦物摻和料的混凝土（B、E組）強度已經(jīng)接近空白混凝土強度，而當(dāng)混凝土齡期達(dá)到90d時，中低摻量混凝土（B、C、E和F組）強度均已趕上并超過空白組混凝土的強度。只有當(dāng)摻和料摻量較大時（粉煤灰摻量為36%時），混凝土的抗壓強度略低于空白混凝土的強度。同時，無論是從早期還是后期混凝土強度的發(fā)展效果來看，磨細(xì)礦粉的增強效果要優(yōu)于粉煤灰的增強效果。 摻加礦物摻和料的混凝土的抗折強度的變化規(guī)律與抗壓強度相同，即礦物摻和料的加入均降低了混凝土早期的抗折強度，但后期強度增長較快，低摻量（14%）的混凝土28d強度接近空白試樣，而達(dá)到90d時，摻加礦物摻和料的混凝土強度均以接近空白混凝土的抗折強度，尤其是摻加礦粉的混凝土，增長更加迅速，14%和25%摻量的混凝土均超過了空白的試樣的強度。 從脆性系數(shù)大小可以看出，與空白樣比較，摻入粉煤灰或礦粉后，混凝土各齡期的壓折比值下降，且隨粉煤灰或礦粉摻量增加，下降趨勢越明顯，即粉煤灰和礦粉的摻入減小了混凝土的脆性。相比而言，礦粉對脆性的改善更明顯些。 粉煤灰和礦粉對混凝土的長期抗壓、抗折強度具有較好的改善作用，且摻加礦物摻和料的混凝土脆性降低?？赡苁怯捎诘V物摻和料微集料效應(yīng)，改善了膠凝材料體系的顆粒分布，是系統(tǒng)顆粒堆積更加緊密。同時，礦物摻和料的火山灰效應(yīng)，即礦物摻和料水化形成新的水化產(chǎn)物。礦物摻和料水化時，消耗了大量的Ca(OH)2，限制了Ca(OH)2的取向生長，提高粘結(jié)力，降低微裂紋的數(shù)量，從而改善了過渡層的性質(zhì)，提高混凝土的后期強度。且礦物摻和料消耗Ca(OH)2，限制Ca(OH)2的取向生長，提高粘結(jié)力，降低微裂紋的數(shù)量，對混凝土的抗折強度提高作用更加明顯。因此，礦物摻和料的加入可以降低混凝土的脆性。 2.2 粉煤灰與礦粉對混凝土體積穩(wěn)定性的影響 2.2.1 粉煤灰與礦粉對混凝土彈性模量的影響 表5 粉煤灰與礦粉對混凝土抗壓強度和彈性模量的影響  從表5中可以看出，混凝土的抗壓彈模與抗壓強度的變化規(guī)律相似。到60d齡期時，當(dāng)摻加礦物摻和料的混凝土抗壓強度增長與空白混凝土強度相當(dāng)時，混凝土的彈性模量也基本趨于一致?？梢姡瑥椥阅Ａ康淖兓?guī)律與強度的規(guī)律相似。 2.2.2 粉煤灰與礦粉對混凝土干縮性能的影響 從圖1中可以看到，摻有粉煤灰、礦粉的混凝土干縮在28d齡期后逐漸趨于穩(wěn)定，但基準(zhǔn)樣的干縮還有較大的增長；在60d齡期后基準(zhǔn)樣的干縮明顯高于摻有粉煤灰或礦粉混凝土的干縮；摻粉煤灰混凝土的干縮在各齡期要小于摻礦粉混凝土的干縮，且粉煤灰混凝土的干縮隨粉煤灰摻量的增加而逐漸減小。   2.2.3 粉煤灰與礦粉對混凝土徐變的影響 從圖2~4可以看出，摻加粉煤灰或礦粉混凝土的徐變特性和普通混凝土沒有太大的差異?；炷良雍沙跗诘男熳冚^大，但隨加荷齡期的延長，混凝土的徐變逐漸趨于穩(wěn)定。對于不同養(yǎng)護齡期的混凝土，當(dāng)粉煤灰摻量從14%增加到25%時，混凝土的徐變增加。當(dāng)混凝土中摻加礦粉時，混凝土的早期強度好于粉煤灰混凝土強度，因此礦粉混凝土的徐變小于粉煤灰混凝土的徐變值，接近于基準(zhǔn)混凝土的徐變。當(dāng)混凝土的加荷齡期為60d時，由于粉煤灰后期強度已經(jīng)與基準(zhǔn)混凝土、礦粉混凝土基本相同，因此取代量同為14％的礦粉和粉煤灰混凝土徐變與基準(zhǔn)混凝土基本相同，只有當(dāng)粉煤灰的摻量為36%時，由于早期和后期混凝土的強度較其他組配比強度低，其徐變值較大。摻加粉煤灰和礦粉的混凝土徐變主要受混凝土強度發(fā)展的影響，因此強度發(fā)展較快的礦粉混凝土的早期徐變接近與基準(zhǔn)混凝土的徐變值，而后期由于粉煤灰混凝土強度的逐漸趕上，粉煤灰混凝土的徐變也接近與基準(zhǔn)混凝土和礦粉混凝土。 2.3 粉煤灰和礦粉對混凝土耐久性的影響 試驗對比研究粉煤灰和礦粉對高強高性能混凝土抗氯離子滲透系數(shù)和抗凍融性的影響。 2.3.1 粉煤灰與礦粉對混凝土抗氯離子滲透系數(shù)的影響 表6 粉煤灰與礦粉對高強混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響   圖3混凝土受壓徐變的經(jīng)時發(fā)展(養(yǎng)護28d后) 圖4 混凝土受壓徐變的經(jīng)時發(fā)展(養(yǎng)護60d后) 從表6和圖3中可以看出，所有試樣的氯離子擴散系數(shù)均較小（均小于3 E–08 cm2/s）。其中，粉煤灰摻量分別為14%、25%、36%的B、C、D三個試樣的氯離子擴散系數(shù)，均較空白試樣A降低，且隨粉煤灰摻量增加，氯離子擴散系數(shù)逐漸下降。對比摻加粉煤灰和摻加礦粉的混凝土擴散系數(shù)還可以看出，摻加礦粉的混凝土氯離子擴透系數(shù)比同摻量的粉煤灰混凝土更小，抗氯離子滲透性能進一步提高。主要原因是：礦物摻和料的加入可以改善混凝土的孔徑分布、孔的幾何形狀；礦物摻和料水化產(chǎn)生CSH凝膠可以堵塞擴散通道，造成氯離子擴散系數(shù)下降。同時，粉煤灰中的鐵相有助于降低Cl－的擴散速度，礦渣中較高的C3A等礦物成分能夠捕捉從混凝土表面滲透的氯離子，生成所謂的Friedel鹽，即C3A•CaCl2•10H2O，且礦粉的活性優(yōu)于粉煤灰，礦粉的對于降低混凝土抗氯離子滲透性能更加顯著[8, 9]。 2.3.2 粉煤灰和礦粉對混凝土抗凍性的影響 表7 粉煤灰和礦粉對高強混凝土抗凍性的影響  由表7結(jié)果可以看出，無論摻與不摻摻合料混凝土的抗凍性均很好，當(dāng)凍融300次循環(huán)后，混凝土的動彈模量均大于80％，即混凝土抗凍等級均遠(yuǎn)超高F300。其中，摻礦粉的混凝土抗凍性稍好于摻粉煤灰的，并且隨粉煤灰摻量或礦粉摻量增加，相對動彈性摸量略有下降，不過當(dāng)粉煤灰摻量或礦粉摻量14%和25%時，相對動彈性摸量下降幅度不明顯，只是在粉煤灰摻量達(dá)到36%時，相對動彈性模量才顯得下降較多。主要是高強混凝土本身結(jié)構(gòu)較為致密，強度較高，混凝土具有較好的抗凍性。對于摻加粉煤灰和礦粉混凝土，由于粉煤灰和礦粉的二次水化作用，使得混凝土強度更加致密，且28d強度達(dá)到空白混凝土的水平，使其也具有了較高的抗凍性，但當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到36％時，由于粉煤灰摻量較大，水泥相對數(shù)量較少，使得混凝土28d強度不高，使得該組混凝土較其它組抗凍性略差。 4. 結(jié)論 a. 粉煤灰和礦粉可以顯著的改善混凝土的工作性能，隨粉煤灰和礦粉摻量的增加改善效果增強，且粉煤灰對混凝土工作性的改善效果更加顯著。 b. 粉煤灰和礦粉可以較為顯著的提高混凝土的后期抗壓和抗折強度，且礦粉具有更高的活性，對混凝土的早期和后期強度發(fā)展更加有利。同時，粉煤灰和礦粉均可以降低混凝土 的脆性，且礦粉對混凝土脆性降低作用更加明顯。 c. 摻加粉煤灰和礦粉的混凝土彈性模量略有降低，但后期增長迅速，28 d、60 d抗壓彈模與基準(zhǔn)樣相近；摻加粉煤灰和礦粉后，混凝土的干縮降低，在相同摻量(14%)下，粉煤灰混凝土的干縮小于礦粉混凝土的干縮，當(dāng)粉煤灰摻量增加，混凝土的干縮減?。环勖夯一炷恋男熳冸S粉煤灰摻量的增加而增大，在相同摻量(14%)下，早齡期加荷的粉煤灰混凝土徐變大于礦粉混凝土，但60d齡期加荷的粉煤灰混凝土與礦粉混凝土基本相同，均接近于空白混凝土的徐變值。 d. 隨著粉煤灰和礦粉等摻合料摻量的增加，混凝土抗氯離子滲透性能提高，且礦粉比粉煤灰可以更好的提高混凝土的抗氯離子滲透性能；當(dāng)粉煤灰和礦粉摻量低于25％時，礦物摻合料對混凝土抗凍性無不良影響，但當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到36％時，混凝土抗凍性能有所下降。 參考文獻(xiàn) [1] 沈旦申, 張蔭劑. 粉煤灰效應(yīng)的探討[J].硅酸鹽學(xué)報, 1981,9(1): 57~63 [2] Aiqin Wang, Chengzhi Zhang, Wei Sun. 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| 原作者： 王稷良 周明凱 孫立群 柯國炬 |
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