【研究探索】多元復(fù)合礦物摻合料對混凝土性能的影響

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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第3期

多元復(fù)合礦物摻合料對混凝土性能的影響

韓宇超，童小根，荊彪，張翔，孟剛，張凱峰

［摘 要］本研究對不同礦物摻合料進(jìn)行搭配，研究了多元礦物摻合料不同搭配體系對混凝土性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，礦物摻合料進(jìn)行合理搭配后能夠顯著改善混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。通過對混凝土試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試、耐久性測試和顯微結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)合礦物摻合料的最佳配比，并且混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性均得到了可數(shù)據(jù)量化。因此，多元復(fù)合礦物摻合料體系是一種有效改善混凝土性能，實(shí)現(xiàn)廢物資源再利用的良好搭配。

［關(guān)鍵詞］多元復(fù)合礦物摻合料；混凝土性能；力學(xué)性能；耐久性

0 引言

混凝土是建筑工程中常用的材料之一，其性能對工程結(jié)構(gòu)的安全和耐久性具有重要影響。傳統(tǒng)的混凝土配制中常使用水泥、砂和石等原材料。隨著社會(huì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程，大量的固廢產(chǎn)生并帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。固廢的處理和處置已成為一個(gè)亟待解決的問題。因此將礦粉、粉煤灰等固廢材料用作混凝土、砂漿摻合料，不僅能有效減少廢棄物的排放，還能改善混凝土的性能。本文旨在研究不同比例礦物摻合料對混凝土性能的影響，并提供理論依據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

（1）水泥：陜西銅川聲威特種水泥有限公司生產(chǎn)的PO42.5級水泥，基本性質(zhì)見表1，化學(xué)成分見表2。

（2）粉煤灰：湖南鑫海環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)Ⅱ級粉煤灰，基本性質(zhì)見表2。

）礦粉：陜西德龍粉體工程材料有限公司生產(chǎn)的S95級礦粉，基本性質(zhì)見表

）砂：西安直鑫旺晟商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的的Ⅱ類天然中砂，外觀呈黃色顆粒狀，級配合格。砂的基本性質(zhì)見表

）碎石：西安直鑫旺晟商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的Ⅱ類碎石，外觀呈青灰色粉末狀，級配合格，粒徑2.3626.5mm，最大粒徑為26.5mm，基本性質(zhì)見表

）減水劑：中建新材料科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，固含量為47%，最佳摻量為1.5%，減水率為30%

（7）水：西安市鄠邑區(qū)市政用水。

1.2 試驗(yàn)方法

按照一定比例將礦物摻合料摻入凈漿、水泥膠砂與混凝土中，制備凈漿、水泥膠砂與混凝土試件。分別測試不同摻合料比例下凈漿、水泥膠砂與混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和耐久性等性能。

1.2.1 配合比

1.2.1.1凈漿配合比

根據(jù)混凝土的膠凝材料配比制定試驗(yàn)方案。試驗(yàn)設(shè)兩組，將礦粉—粉煤灰復(fù)合摻合料分別以40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%摻入水泥中，其中第一組粉煤灰和礦粉按照1:7、1:8、1:9、1:11、1:12、1:13配礦粉—粉煤灰復(fù)合摻合料，第二組為1:7、2:7、3:7、4:7、5:7、6:7、7:7配比。設(shè)置P·O42.5級水泥為空白組，一共15組試件，每組取平均值。試驗(yàn)配合比數(shù)據(jù)如表6所示^[1]

1.2.1.2水泥膠砂配合比

在原有方案與凈漿配比下，制定水泥膠砂配合比，設(shè)置C0為空白組，一共15組試件，每組取平均值。試驗(yàn)配合比數(shù)據(jù)如表7所示。

1.2.1.3混凝土配合比

本試驗(yàn)制備C30混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，所采用配合比為某攪拌站提供的常用C30混凝土的配比，每立方混凝土包括水泥240kg、礦粉60kg、粉煤灰80kg、砂850kg、碎石991kg、減水劑9.0kg、水170kg。本試驗(yàn)使用不同比例礦粉、粉煤灰逐步取代其膠凝材料總量進(jìn)行試驗(yàn)研究，在原有方案與膠砂比例下，加入碎石作為粗骨料，水膠比為0.45，設(shè)置空白組，一共15組試件每組取平均值。試驗(yàn)配合比數(shù)據(jù)如表8所示。

1.2.2 凈漿性能測試方法

按照GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》國家標(biāo)準(zhǔn)使用維卡儀測試膠凝材料摻量對凈漿性能的影響。

1.2.3 水泥膠砂性能測試方法

水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)按照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行，試件尺寸為40mm×40mm×160mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至7d、28d、56d后取出進(jìn)行抗折、抗壓強(qiáng)度測試。水泥膠砂流動(dòng)度試驗(yàn)按照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》進(jìn)行。

1.2.4 混凝土性能測試方法

按照試驗(yàn)配比，將原料進(jìn)行混料、澆筑、振實(shí)等步驟，制備成邊長為100mm的立方體混凝土試塊，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至3d、7d、14d、28d齡期，按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。混凝土抗水滲透性能試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)27天取出，并擦拭干凈晾干，第28天按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的電通量法測定氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合礦物摻合料對凈漿性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果見表9和圖1、2。

由圖1中可以看出，在粉煤灰固定摻5%組中，D1試塊56天后抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到49.1MPa，隨著礦粉比例增大，凈漿強(qiáng)度出現(xiàn)遞減的趨勢，在礦粉摻入60%之前強(qiáng)度均優(yōu)于空白組，摻入60%礦粉時(shí)可在達(dá)到空白組強(qiáng)度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最大化；在礦粉固定摻35%組中，隨著粉煤灰比例增大，凈漿強(qiáng)度出現(xiàn)遞減的趨勢，在粉煤灰摻入15%之前工作性能均優(yōu)于空白組，摻入15%礦粉時(shí)在達(dá)到空白組強(qiáng)度的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益最好^[2]

由圖2可以看出，隨著替換比例的增大，即粉煤灰和礦粉摻入量越高，凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量越小，凝結(jié)時(shí)間越大。凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量減小是因?yàn)榈V粉、粉煤灰細(xì)度小、比表面積較大，與水接觸表面積變大而且較完全，因而水化反應(yīng)速度就較快，同時(shí)礦粉能夠引發(fā)表面的水化反應(yīng)，進(jìn)而激發(fā)粉煤灰的水化，因此減少了需要的水量。凝結(jié)時(shí)間增大一方面是因?yàn)閺?fù)合膠凝材料中礦渣和鋼渣的水化放熱、反應(yīng)速度明顯低于水泥；另一方面是因?yàn)榈V粉、粉煤灰中的緩凝成分包括硅酸鹽、氧化鋁和鐵氧化物等化合物。這些成分可以在水泥水化過程中起到緩慢水化的作用，在二者的共同作用下延長了水泥的凝結(jié)時(shí)間^[3-4]

2.2 復(fù)合礦物摻合料對水泥膠砂性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果見表10和圖3～5。

由圖3和圖4中可以看出，適量摻入粉煤灰和礦粉可以提高水泥膠砂的長期強(qiáng)度。這是因?yàn)榉勖夯液偷V粉的微集料密實(shí)填充效應(yīng)能夠填充水泥基質(zhì)中的孔隙，粉煤灰和礦粉因相互激發(fā)使火山灰活性逐漸發(fā)揮^[5]，增強(qiáng)了水泥膠砂的強(qiáng)度。然而，過高的摻入比例會(huì)降低水泥膠砂的強(qiáng)度，因?yàn)檫^高的礦物摻合料含量會(huì)導(dǎo)致水泥基質(zhì)的凝結(jié)反應(yīng)受到抑制，粉煤灰會(huì)與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)，但是粉煤灰的活性較低，前期反應(yīng)過程中，生成的C-S-H凝膠的速度較慢，引起膠砂強(qiáng)度下降^[6]

由圖5中可以看出，適量的粉煤灰和礦粉的摻入可以改善水泥膠砂的流動(dòng)性。原因可能是當(dāng)摻合料較少時(shí)，摻合料起到微集料效應(yīng)，填充在水泥顆粒之間，使水分溢出，增加了流動(dòng)性；隨著摻量的增加，摻合料由于比表面積大，需水量更大，摻合料比表面積起了主導(dǎo)因素，砂漿流動(dòng)性有所降低^[7]

2.3 復(fù)合礦物摻合料對混凝土性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果見表11和圖6、7。

由圖6中可以看出，粉煤灰固定摻5%時(shí)，隨著礦粉摻入礦粉比例較少（不超過35%）強(qiáng)度有所增強(qiáng)。這是因?yàn)榈V粉的火山灰反應(yīng)在水泥水化初期就開始了，與粉煤灰相比，礦粉的活性更主要體現(xiàn)在對水泥水化不但沒有影響反而還有促進(jìn)作用。礦粉固定摻35%、粉煤灰比例不超過15%時(shí)，粉煤灰的微集料效應(yīng)使混凝土早期強(qiáng)度增加，隨著粉煤灰摻入量的增大，混凝土前期強(qiáng)度呈現(xiàn)遞減趨勢，這是因?yàn)榉勖夯业幕鹕交曳磻?yīng)緩慢，造成了混凝土早期強(qiáng)度的大幅度降低^[8]

由圖7中可知，適量的粉煤灰和礦粉摻入可以增強(qiáng)混凝土的流動(dòng)性，從而提高擴(kuò)展度。但是過高的摻量導(dǎo)致混凝土的擴(kuò)展度降低。各組拌合物擴(kuò)展度均530mm，這表明新拌混凝土具有較好的流動(dòng)性和黏聚性；空白對照組具有較大的經(jīng)時(shí)損失，初始坍落度170mm，60min后只有130mm，損失率達(dá)到23.5%；礦粉、粉煤灰能夠明顯提高混凝土坍落度初始值，有效改善了坍落度保持性，隨著礦粉、粉煤灰摻量的增加，坍落度開始減小，這是因?yàn)榉勖夯液偷V粉具有較高的細(xì)度，會(huì)減少混凝土顆粒間的潤濕性和黏著性，從而降低混凝土的流動(dòng)性^[9]。試驗(yàn)結(jié)果說明摻入適量范圍的粉煤灰與礦粉能夠降低坍落度損失，有效改善拌合物性能，其工作性能隨摻量的增加逐漸改善^[10]

2.4 耐久性

試驗(yàn)測定不同摻量礦粉—粉煤灰混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，并進(jìn)一步分析影響規(guī)律，如表12和圖8所示。

摻礦粉、粉煤灰組相較于空白組#0的氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯較低，說明礦粉、粉煤灰的摻入會(huì)使混凝土抗氯離子滲透能力上升。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，#1、#3、#5、#7組混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著礦粉與粉煤灰摻量的增加而增大，#8、#10、#12、#14組混凝土也表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，這是因?yàn)樵谀z凝材料中水泥粒徑最大，礦粉與粉煤灰次之，經(jīng)過適當(dāng)比例的混合后會(huì)使其在拌水前形成良好的微集料級配，達(dá)到緊密堆積狀態(tài)。水化過程中不同粒徑的膠凝材料顆粒相互填充減少了顆粒間的空隙，從而進(jìn)一步減少了復(fù)合膠凝材料體系凝結(jié)硬化后的總孔隙率，改善了孔結(jié)構(gòu)以及二次水化產(chǎn)物的增加使混凝土的密實(shí)度提高，抗?jié)B性和耐久性增大^[11]

3 結(jié)論

通過對不同比例礦物摻合料對混凝土性能的影響進(jìn)行研究，我們得出結(jié)論：適量的礦物摻合料能夠顯著改善混凝土的力學(xué)性能、耐久性。

（1）礦粉、粉煤灰的摻入可以明顯提高新拌混凝土坍落度初始值，有效改善拌合物坍落度保持性，降低坍落度損失，摻入適量的礦粉、粉煤灰可增強(qiáng)混凝土流動(dòng)性，提高擴(kuò)展度。

（2）礦粉摻入35%時(shí)，粉煤灰摻入不超過15%可在達(dá)到強(qiáng)度的同時(shí)經(jīng)濟(jì)效益最高；其次是粉煤灰摻入5%，礦粉摻入不超過15%也可實(shí)現(xiàn)。

（3）耐久性方面，摻入適當(dāng)?shù)牡V粉、粉煤灰可提高混凝土的抗氯離子滲透性，耐久性由礦粉、粉煤灰摻入比例的增加而得到改善，推薦最佳摻量為粉煤灰5%，礦粉35%。

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供稿人：韓宇超，童小根

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

【標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》行標(biāo)

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術(shù)規(guī)程》CECS

《預(yù)拌混凝土使用說明書》團(tuán)標(biāo)

《砂漿和混凝土用石屑》團(tuán)標(biāo)

《預(yù)拌混凝土產(chǎn)品質(zhì)量追溯規(guī)范》團(tuán)標(biāo)

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