不同礦物摻和料對混凝土抗拉性能的影響

李林香

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

混凝土中摻入礦物摻和料，不僅能降低生產(chǎn)成本，還能夠大幅改善混凝土工作性能及耐久性能［1-3］。礦物摻和料已成為高性能混凝土中不可或缺的組分之一。傳統(tǒng)礦物摻和料中用量最大的是粉煤灰和礦渣粉。隨著環(huán)保要求的提高，粉煤灰和礦渣粉資源日漸緊張，機制砂副產(chǎn)物石灰石粉的應(yīng)用逐漸增多［4-5］。

相關(guān)人員針對礦物摻和料對混凝土抗壓強度的影響進行了大量研究。史靜、邸云菲等［6-7］研究了粉煤灰對混凝土力學(xué)性能的影響及激發(fā)劑對大摻量粉煤灰混凝土強度的激發(fā)作用，發(fā)現(xiàn)混凝土抗壓強度隨粉煤灰摻量增加而降低。王朋、郝會娟等［8-9］研究發(fā)現(xiàn)礦渣粉混凝土的早期強度發(fā)展緩慢，后期強度增長較快，礦渣粉的最佳摻量可達30%。普通混凝土配合比是基于混凝土抗壓強度指標進行設(shè)計的，現(xiàn)場施工驗收也是根據(jù)混凝土抗壓強度進行評價的。然而，混凝土開裂大都是由于混凝土抗拉強度不足引起的，混凝土抗拉性能同樣重要。

本文選取了粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉3種礦物摻和料，研究不同礦物摻和料及摻量對混凝土抗壓強度、抗折強度和劈裂抗拉強度的影響，通過探討抗折強度和劈裂抗拉強度的相關(guān)性，分析其作為混凝土抗拉性能評價指標的適用性。

1 試驗概況

1.1 原材料

1）水泥：北京金隅集團生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，主要性能指標見表1。

表1 水泥的主要性能指標

2）粉煤灰：元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)，F(xiàn) 類Ⅰ級，主要性能指標見表2。

表2 粉煤灰的主要性能指標

3）礦渣粉：唐山唐龍新型建材有限公司生產(chǎn)，S95級，主要性能指標見表3。

表3 礦渣粉的主要性能指標

4）石灰石粉：貴州鐵建科技有限公司昌明骨料加工場生產(chǎn)，主要性能指標見表4。

表4 石灰石粉的主要性能指標

5）砂：天然河砂，細度模數(shù)2.6，含泥量0.4%。

6）碎石：5～20 mm連續(xù)級配，含泥量0.2%。

7）減水劑：河北三楷深發(fā)科技股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，減水率29.4%。

8）消泡劑：廣東龍湖科技股份有限公司生產(chǎn)的P841粉體消泡劑，有效組分42%。

1.2 配合比

TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》［10］中列出了不同環(huán)境下混凝土中礦物摻和料的摻量范圍，規(guī)定粉煤灰和礦渣粉的最大摻量在40%～50%，石灰石粉的最大摻量為30%。試驗中，粉煤灰摻量選取20%，40%；礦渣粉摻量選取20%，40%；石灰石粉摻量選取10%，20%，30%?；炷僚浜媳纫姳?。其中，外加劑的摻量未體現(xiàn)在表5 中，在混凝土拌制過程中根據(jù)混凝土狀態(tài)調(diào)整。

表5 混凝土配合比 kg·m-3

在混凝土拌制過程中，通過調(diào)整外加劑（減水劑和消泡劑）的摻量，控制各組混凝土的坍落度為（160±20）mm，含氣量為（3.0±0.5）%。

1.3 試驗內(nèi)容及方法

1）混凝土攪拌

采用強制式攪拌機。先將稱量好的水泥、礦物摻和料、砂、碎石放入攪拌機，干拌20 s，隨后加入外加劑和水再攪拌3 min。

2）混凝土拌和物性能測試

混凝土拌和物性能包括坍落度和含氣量，參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》［11］進行測試。混凝土攪拌出鍋后，立即測試坍落度和含氣量。如果坍落度不滿足（160±20）mm的要求，須調(diào)整減水劑的用量重新攪拌測試；如果混凝土含氣量不滿足（3.0±0.5）%的要求，須調(diào)整消泡劑的用量重新攪拌測試。直到坍落度和含氣量均滿足要求為止。

3）混凝土抗壓強度測試

參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》［12］進行測試?？箟簭姸仍囼灢捎贸叽鐬?00 mm×100 mm×100 mm的非標準試件，每組3塊。

4）混凝土抗拉性能測試

混凝土抗拉性能采用抗折強度和劈裂抗拉強度表征，參照GB/T 50081—2019進行測試?？拐蹚姸仍囼灢捎贸叽鐬?00 mm×100 mm×400 mm 的非標準試塊，每組3 塊；劈裂抗拉強度試驗采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標準試件，每組3塊。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同礦物摻和料對混凝土抗壓強度的影響

不同礦物摻和料混凝土抗壓強度隨齡期的變化規(guī)律見圖1。

圖1 不同礦物摻和料對混凝土抗壓強度的影響

由圖1（a）可知：當(dāng)粉煤灰摻量從20%增加到40%時，混凝土抗壓強度明顯降低；抗壓強度降低幅度隨齡期逐漸減小。FA40 比FA20 的3 d 抗壓強度降低了39%，而56 d抗壓強度降低了14%。

由圖1（b）可知：當(dāng)?shù)V渣粉摻量從20%增加到40%時，混凝土抗壓強度降低，但比摻粉煤灰的混凝土降低幅度?。豢箟簭姸冉档头入S齡期逐漸減小。SL40比SL20 的3 d 抗壓強度降低了21%，而二者56 d 抗壓強度幾乎相當(dāng)。

由圖1（c）可知：隨著石灰石粉摻量增加，混凝土抗壓強度降低；抗壓強度降低幅度隨齡期逐漸減小。SHS20比SHS10的3 d抗壓強度降低了13%，而56 d抗壓強度降低了7%；SHS30 比SHS10 的3 d 抗壓強度降低了31%，而56 d抗壓強度降低了22%。

由圖1（d）可知：當(dāng)粉煤灰、礦渣粉和石灰石粉的摻量均為20%時，對于混凝土3 d 抗壓強度，摻石灰石粉的最大，摻礦渣粉的次之，摻粉煤灰的最??；對于混凝土56 d 抗壓強度，摻粉煤灰的最大，摻礦渣粉的次之，摻石灰石粉的最小。石灰石粉對提高混凝土早期強度的作用較顯著，原因是石灰石粉中CaCO3顆粒的異相成核作用使得水泥水化產(chǎn)物優(yōu)先成核和結(jié)晶［13-14］。在水化后期石灰石粉的活性指數(shù)較低，因此長齡期時摻石灰石粉的混凝土抗壓強度較低。

另外，由圖1 可知，當(dāng)粉煤灰摻量為40%、石灰石粉摻量為30%時，混凝土抗壓強度降低顯著，不宜采取FA40和SHS30的配合比。

2.2 不同礦物摻和料對混凝土抗折強度的影響

不同礦物摻和料混凝土抗折強度隨齡期的變化規(guī)律見圖2。

圖2 不同礦物摻和料對混凝土抗折強度的影響

由圖2（a）可知：當(dāng)粉煤灰摻量從20%增加到40%時，混凝土抗折強度降低，但與抗壓強度的變化規(guī)律不同的是，抗折強度的降低幅度隨齡期變化不大。FA40 比FA20 的3 d，7 d，28 d，56 d 抗折強度分別降低了17%，23%，8%，17%。

由圖2（b）可知：當(dāng)?shù)V渣粉摻量從20%增加到40%時，混凝土抗折強度降低。SL40 比SL20 的3 d，7 d，28 d，56 d抗折強度分別降低了16%，15%，15%，6%。

由圖2（c）可知：當(dāng)石灰石粉摻量分別為10%和20%時，混凝土抗折強度差別不大；當(dāng)摻量為30%時，抗折強度明顯降低，比20%摻量時降低了約20%。因此，從抗折強度的發(fā)展規(guī)律來看，不宜選取SHS30 的配合比。

由圖2（d）可知：當(dāng)粉煤灰、礦渣粉和石灰石粉的摻量均為20%時，混凝土的抗折強度在各個齡期都是摻礦渣粉的最大，摻石灰石粉的次之，摻粉煤灰的最??；摻礦渣粉的混凝土56 d 抗折強度比摻粉煤灰的高15%，比摻石灰石粉的高6%。可見，礦渣粉對提高混凝土抗折強度的作用最顯著。

2.3 不同礦物摻和料對混凝土劈裂抗拉強度的影響

不同礦物摻和料混凝土劈裂抗拉強度隨齡期的變化規(guī)律見圖3。

圖3 不同礦物摻和料對混凝土劈裂抗拉強度的影響

由圖3（a）可知：當(dāng)粉煤灰摻量從20%增加到40%時，混凝土劈裂抗拉強度降低；劈裂抗拉強度降低幅度隨齡期逐漸減小。FA40 比FA20 的3 d，7 d，28 d 劈裂抗拉強度分別降低了25%，16%，7%，而二者56 d 劈裂抗拉強度幾乎相當(dāng)。

由圖3（b）可知：當(dāng)?shù)V渣粉摻量從20%增加到40%時，混凝土劈裂抗拉強度降低；劈裂抗拉強度降低幅度隨齡期逐漸減小。SL40 比SL20 的3 d，7 d，28 d 劈裂抗拉強度分別降低了10%，7%，5%，而二者56 d 劈裂抗拉強度幾乎相當(dāng)。

由圖3（c）可知：隨著石灰石粉摻量增加，混凝土劈裂抗拉強度降低；劈裂抗拉強度降低幅度隨齡期逐漸減小。SHS20 比SHS10 的3 d 劈裂抗拉強度降低了14%，而56 d 劈裂抗拉強度降低了2%；SHS30 比SHS10的3 d劈裂抗拉強度降低了23%，而56 d劈裂抗拉強度降低了14%。

可見，3 種礦物摻和料混凝土的劈裂抗拉強度隨齡期的變化規(guī)律與抗折強度均不相同。

由圖3（d）可知：當(dāng)粉煤灰、礦渣粉和石灰石粉的摻量均為20%時，對于混凝土3 d 劈裂抗拉強度，摻礦渣粉的最大，摻石灰石粉的次之，摻粉煤灰的最??；對于混凝土56 d 劈裂抗拉強度，摻石灰石粉的最大，摻礦渣粉的次之，摻粉煤灰的最小。摻石灰石粉的混凝土56 d 劈裂抗拉強度比摻粉煤灰的高10%，比摻礦渣粉的高2%。

2.4 抗折強度與劈裂抗拉強度的相關(guān)性分析

圖4 抗折強度和劈裂抗拉強度相關(guān)性分析

抗折強度和劈裂抗拉強度均可評價混凝土的抗拉性能，二者的相關(guān)性見圖4。可知，摻粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉的混凝土抗折強度和劈裂抗拉強度之間的線性擬合優(yōu)度分別為0.763 9，0.908 8，0.836 8。這說明礦物摻和料不同，混凝土抗折強度和劈裂抗拉強度的相關(guān)性也有顯著不同，其中摻礦渣粉的混凝土二者相關(guān)性最高，但擬合優(yōu)度也僅僅接近0.91。整體上來說，混凝土抗折強度和劈裂抗拉強度的線性相關(guān)性不高。

抗折強度指的是小梁試件承受彎矩作用折斷破壞時混凝土表面所承受的極限拉應(yīng)力；劈裂抗拉強度指的是立方體或圓柱體試件上下表面中間承受均布壓力劈裂破壞時，混凝土在豎向平面內(nèi)產(chǎn)生近似均布的極限拉應(yīng)力［12］。因此，從抗折強度和劈裂抗拉強度定義來看，采用抗折強度還是劈裂抗拉強度來評價混凝土的抗拉性能，要根據(jù)混凝土在結(jié)構(gòu)中所處的部位和受力情況來決定。如果混凝土結(jié)構(gòu)是條狀或板狀，主要承受彎矩作用，則采用抗折強度來評價混凝土的抗拉性能，比如路面混凝土、梁體混凝土等；如果混凝土結(jié)構(gòu)是體積較大的塊狀結(jié)構(gòu)，主要承受均布壓力作用，則采用劈裂抗拉強度來評價混凝土的抗拉性能，比如墩臺混凝土、大壩混凝土等。

3 結(jié)論

1）粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉的摻量增加時，混凝土抗壓強度均有所降低。

2）粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉的摻量增加時，混凝土抗折強度均有所降低。礦渣粉提高混凝土抗折強度的作用最顯著。當(dāng)摻量為20%時，摻礦渣粉的混凝土56 d 抗折強度比摻粉煤灰的高15%，比摻石灰石粉的高6%。

3）粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉的摻量增加時，混凝土的劈裂抗拉強度均有所降低。從整個齡期看，礦渣粉提高混凝土劈裂抗拉強度的作用較顯著。當(dāng)摻量為20%時，摻石灰石粉的混凝土56 d 劈裂抗拉強度比摻粉煤灰的高10%，比摻礦渣粉的高2%。

4）當(dāng)粉煤灰摻量為40%或石灰石粉摻量為30%時，混凝土抗壓強度降低顯著，且石灰石粉摻量為30%的混凝土抗折強度比摻量為20%時大幅降低，因此不宜采取這兩種配合比。

5）抗折強度和劈裂抗拉強度的線性相關(guān)性不高，須根據(jù)混凝土在結(jié)構(gòu)中所處的部位、受力情況等因素來選擇混凝土抗拉性能的評價指標。條狀或板狀混凝土結(jié)構(gòu)，采用抗折強度來評價；體積較大的塊狀混凝土結(jié)構(gòu)，采用劈裂抗拉強度來評價。