礦物摻合料對(duì)高性能混凝土力學(xué)和耐久性的影響分析

趙年全

(中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原 030024)

添加礦物摻合料可以有效改善混凝土的工作性和耐久性能，常用的礦物摻合料有粉煤灰、磨細(xì)礦渣、硅灰及其復(fù)合物等，主要是煤爐發(fā)電、高爐煉鐵、冶煉硅鐵合金等過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，屬于工業(yè)廢渣，合理地利用這些材料作為混凝土的摻合料，不但可以節(jié)省大量水泥熟料和生產(chǎn)成本，還可以減少對(duì)環(huán)境的污染，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

1 礦物摻合料的作用機(jī)理

高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土，在傳統(tǒng)的水泥、粗骨料、細(xì)骨料、水四組分基礎(chǔ)上增加了礦物摻合料和化學(xué)外加劑后成為六組分。以環(huán)境條件和工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為前提，以結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)為主要目標(biāo)，重點(diǎn)保證混凝土的工作性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等，具有易澆筑、振搗時(shí)不離析、結(jié)構(gòu)密實(shí)、抗?jié)B性和體積穩(wěn)定性好、水化熱低、在惡劣環(huán)境下有較長(zhǎng)的使用壽命等特點(diǎn)。當(dāng)前的客運(yùn)專線和高速鐵路建設(shè)中都提出了保證主體結(jié)構(gòu)使用壽命100年的質(zhì)量控制目標(biāo)，高性能混凝土的應(yīng)用則是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要手段。

礦物摻合料對(duì)高性能混凝土工作性、長(zhǎng)期性和耐久性的改善主要是由于其具有形態(tài)、微集料和活性效應(yīng)的作用[1]。

2 礦物摻合料對(duì)混凝土力學(xué)和耐久性能的影響

在混凝土中摻入一定比例的礦物摻合料，充分發(fā)揮其三大效應(yīng)的作用，能減少混凝土中的水泥用量，起到提高結(jié)構(gòu)的密實(shí)性和強(qiáng)度的作用，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，結(jié)合《客運(yùn)專線100年耐久性混凝土技術(shù)試驗(yàn)研究》課題，試驗(yàn)研究了不同摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性能的影響[2]。

2.1 原材料及配合比情況

2.1.1 原材料

1)水泥:安徽懷寧海螺牌P.O 32.5水泥，各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

2)粉煤灰:安徽淮南坪圩電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰，各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

3)礦粉:蕪湖朱家橋水泥有限公司生產(chǎn)的磨細(xì)礦粉，各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

4)外加劑:天津雍陽(yáng)減水劑廠生產(chǎn)的 UNF-5AST型聚羧酸高效減水劑，各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

5)粗骨料:金寨隧道石料場(chǎng)生產(chǎn)的 5～16 mm，16.0～31.5 mm二級(jí)配碎石，各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表5。

6)細(xì)骨料:金寨朝陽(yáng)砂場(chǎng)Ⅱ區(qū)中砂，各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表6。

7)水:飲用水。

2.1.2 混凝土配合比

混凝土配合比按C30強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，測(cè)試其各項(xiàng)性能指標(biāo)，摻入粉煤灰或礦粉時(shí)采取等量取代的方式，基準(zhǔn)配合比參數(shù)見(jiàn)表7，砂率為39%。

2.2 粉煤灰對(duì)混凝土長(zhǎng)期性和耐久性的影響

2.2.1 粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

摻粉煤灰混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)主要決定于粉煤灰的火山灰效應(yīng)，圖1和圖2是不同粉煤灰摻量和試驗(yàn)齡期時(shí)混凝土的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 粉煤灰性能指標(biāo)

表3 礦粉性能指標(biāo)

表4 外加劑性能指標(biāo)

表5 粗骨料性能指標(biāo)

表6 細(xì)骨料性能指標(biāo)

表7 混凝土基準(zhǔn)配合比 kg

圖1 不同粉煤灰摻量混凝土強(qiáng)度與齡期關(guān)系

圖2 不同齡期混凝土強(qiáng)度與粉煤灰摻量關(guān)系

由圖1和圖2中可以看出，粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有一定的影響，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，尤其是對(duì)早期強(qiáng)度影響較大，但28 d以后仍有一定的強(qiáng)度增長(zhǎng)空間，最終其56 d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)，對(duì)摻入粉煤灰的混凝土在28 d后仍要繼續(xù)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

2.2.2 粉煤灰對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響

氯鹽環(huán)境下混凝土劣化的最主要形式就是由于氯離子侵入所引起的鋼筋銹蝕，電通量法是目前評(píng)價(jià)混凝土抗氯離子滲透性的主要方法。

圖3是不同粉煤灰摻量對(duì)混凝土電通量的影響試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的電通量降低，抗氯離子滲透性能明顯增強(qiáng)。

圖3 不同齡期混凝土電通量與粉煤灰摻量關(guān)系

2.2.3 粉煤灰對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

混凝土的化學(xué)侵蝕包括硫酸鹽侵蝕、鹽類結(jié)晶侵蝕、酸性介質(zhì)侵蝕以及鎂鹽侵蝕等，其中硫酸鹽侵蝕是混凝土化學(xué)侵蝕中最常見(jiàn)的形式。采用不同粉煤灰摻量的膠凝材料膠砂試體浸泡在硫酸鈉溶液中，檢測(cè)其抗折強(qiáng)度與浸泡在潔凈的飲用水中的同齡期抗折強(qiáng)度之比計(jì)算抗蝕系數(shù)，可用來(lái)比較膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕的性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 粉煤灰摻量與混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果表明粉煤灰摻量為0～50%時(shí)，抗蝕系數(shù)均>0.80，其抗硫酸鹽侵蝕性能合格。粉煤灰摻量在0～40%范圍內(nèi)時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗腐蝕系數(shù)逐漸增加，當(dāng)摻量超過(guò)40%達(dá)到50%后，抗腐蝕系數(shù)減小，抗硫酸鹽侵蝕能力降低。

2.2.4 粉煤灰對(duì)水泥水化熱的影響

水泥的水化反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量能使混凝土達(dá)到相當(dāng)高的溫度。由于混凝土導(dǎo)熱性能差，大體積混凝土在澆筑初期容易造成內(nèi)外溫差;隨著齡期增長(zhǎng)，混凝土又會(huì)逐漸降溫而發(fā)生體積收縮，這樣的溫度變化會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土發(fā)生裂縫。用粉煤灰代替一部分水泥，能降低混凝土的內(nèi)部溫度，有利于控制混凝土內(nèi)外溫差，減少裂縫的發(fā)生。

圖5和圖6分別是不同摻量粉煤灰的時(shí)間—放熱速率曲線和時(shí)間—熱量曲線，可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，不但水泥的單位放熱量降低，而且放熱速率向后推移，最大放熱速率值也明顯降低，說(shuō)明摻入粉煤灰后降低了水泥的水化放熱量，摻量越大，降低的越多，有利于減少因溫差產(chǎn)生的溫度裂縫，提高耐久性。

圖5 不同摻量粉煤灰的時(shí)間—放熱速率曲線

圖6 不同摻量粉煤灰的時(shí)間—熱量曲線

2.3 粉煤灰和礦粉配伍對(duì)混凝土力學(xué)和耐久性的影響

圖7、圖8是不同粉煤灰—礦粉配伍比例對(duì)混凝土力學(xué)性能和電通量的影響曲線?？梢钥闯?，礦粉的摻入也有利于改善混凝土的力學(xué)性能和抗氯離子滲透性能，并且在一定的比例范圍內(nèi)，隨著礦粉比例的增加，粉煤灰比例的減少，混凝土的抗壓強(qiáng)度有所增加，電通量逐漸降低。達(dá)到一定比例后，礦粉摻量的變化對(duì)強(qiáng)度的影響不大，而電通量又逐漸增大，可見(jiàn)二者有一個(gè)最佳摻配比例，在試配時(shí)應(yīng)通過(guò)多次比選，以使其力學(xué)和耐久性能達(dá)到最佳。

圖7 礦粉—粉煤灰的比例對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

圖8 礦粉—粉煤灰比例對(duì)混凝土電通量的影響

2.4 不同種類礦物摻合料對(duì)混凝土力學(xué)和耐久性的影響分析

以純硅酸鹽水泥為全部膠凝材料的配合比為基準(zhǔn)，在分別采取單摻和復(fù)合摻加粉煤灰、礦粉和硅灰的條件下進(jìn)行力學(xué)和耐久性試驗(yàn)，比較其不同齡期時(shí)的力學(xué)性能和抗氯離子滲透性能，配合比數(shù)據(jù)見(jiàn)表8，試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖9、圖10。

表8 不同礦物摻合料的混凝土配合比

圖9 不同礦物摻合料混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖10 不同礦物摻合料對(duì)混凝土電通量的影響

圖9是不同類型礦物摻合料的混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件在7 d、28 d和56 d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，摻有礦物摻合料的混凝土較基準(zhǔn)混凝土早期抗壓強(qiáng)度低并且發(fā)展緩慢，而后期強(qiáng)度(56 d)增長(zhǎng)較大，復(fù)合摻加礦物摻合料的PS-F組和PS-F-S組混凝土的各齡期抗壓強(qiáng)度均比單摻礦粉(PSL)或粉煤灰(PFA)的高，說(shuō)明施工時(shí)可以結(jié)合工程特點(diǎn)和各種材料供應(yīng)情況，采取不同礦物摻合料配和的方式優(yōu)化混凝土配合比。

圖10是不同類型礦物摻合料混凝土的電通量試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，與基準(zhǔn)純水泥混凝土相比，摻有礦物摻合料的各組混凝土的電通量都有不同程度的降低，因此不同礦物摻合料的摻入都能有效地改善混凝土的抗氯離子滲透性能，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

3 結(jié)語(yǔ)

在混凝土中摻入一定比例的礦物摻合料，能夠提高其抗侵蝕能力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性。摻入礦物摻合料有利于延遲水化熱峰值時(shí)間、降低水化熱，減少溫度裂縫的發(fā)生。在施工中結(jié)合工程特點(diǎn)和各種材料供應(yīng)情況，采取不同的礦物摻合料配伍方式優(yōu)化混凝土配合比，能夠?yàn)槠髽I(yè)創(chuàng)造良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1] 趙國(guó)堂，李化建.高速鐵路高性能混凝土應(yīng)用管理技術(shù)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

[2] 安文漢，黃直久，趙年全，等.客運(yùn)專線100年耐久性混凝土技術(shù)試驗(yàn)研究［R］.太原:中鐵十二局集團(tuán)有限公司，2007.

[3] 譚鹽賓，李化建，謝永江，等.燒失量和細(xì)度對(duì)粉煤灰漿體流變特性的影響［J］.鐵道建筑，2010(2):127-130.