礦粉質(zhì)量對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響

施妙泉

（舟山市豐翔預(yù)拌混凝土有限公司，浙江 舟山 316000）

0 前言

混凝土作為建筑結(jié)構(gòu)材料，生產(chǎn)質(zhì)量和澆筑質(zhì)量直接影響建筑工程的服役和耐久性，影響混凝土生產(chǎn)質(zhì)量的因素較多，水泥、礦物摻和料、砂石乃至拌和水、外加劑都會(huì)對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能造成影響，進(jìn)而影響混凝土的耐久性。

礦粉作為主要的礦物摻和料，含有較高活性的 SiO2和 Al2O3，可參與水泥發(fā)生二次水化[1]，使得混凝土密實(shí)度提高，空隙率降低，對(duì)混凝土后期強(qiáng)度和耐久性有利。礦粉根據(jù)自身活性特點(diǎn)，可分為 S105、S95、S75三個(gè)等級(jí)，三種等級(jí)的礦粉比表面積和活性大小不同，應(yīng)用于混凝土也會(huì)有差異[2,3]。當(dāng)前混凝土天然砂石緊缺，機(jī)制砂已普遍應(yīng)用于混凝土生產(chǎn)，通過生產(chǎn)控制可以達(dá)到優(yōu)于天然砂混凝土的和易性和力學(xué)性能[4]。研究不同質(zhì)量的礦粉在機(jī)制砂混凝土中的應(yīng)用特點(diǎn)，可以有效指導(dǎo)礦粉在不同領(lǐng)域及工程的應(yīng)用，對(duì)于機(jī)制砂混凝土的生產(chǎn)也有參考意義。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥采用 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標(biāo)見表 1。粉煤灰為Ⅱ級(jí)灰，需水比為 97%。礦粉取S105、S95、S75 三個(gè)等級(jí)，礦粉的技術(shù)指標(biāo)見表 2。

表1 試驗(yàn)水泥的技術(shù)指標(biāo)

表2 礦粉的技術(shù)指標(biāo)

細(xì)骨料采用機(jī)制砂，石灰石質(zhì)，石粉含量 10%，細(xì)度模數(shù) 2.9，MB 值 2.0。石子為 5～20mm 連續(xù)級(jí)配，壓碎值為 9%。

外加劑為聚羧酸外加劑，含固量 15.2%，推薦摻量1.0%～3.0%。

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)按 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

混凝土力學(xué)性能測(cè)試按 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用 100mm×100mm×100mm 混凝土試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，測(cè)試混凝土7d、28d 的抗壓強(qiáng)度。

1.3 試驗(yàn)配合比

采用 C30 混凝土，取礦粉摻量 0%、10%、20%、30%，混凝土配合比及原材料用量見表 3。

表3 混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 礦粉質(zhì)量對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響

混凝土施工需要混凝土滿足適宜的工作性能，坍落度和擴(kuò)展度是評(píng)價(jià)混凝土施工效率的重要指標(biāo)。測(cè)試了三種礦粉等級(jí)對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響，結(jié)果見表4。

表4 礦粉質(zhì)量對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響

表4 結(jié)果顯示，礦粉的摻量和摻入礦粉的質(zhì)量等級(jí)都會(huì)對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度造成影響。礦粉摻量 10%時(shí)，礦粉的加入使得混凝土坍落度和擴(kuò)展度增加，同時(shí)1h 損失后的坍落度和擴(kuò)展度均優(yōu)于基準(zhǔn)組，這是因?yàn)榈V粉的加入降低了水泥用量，水泥水化放熱速率降低，混凝土初始和易性和保坍性能都有所改善；礦粉摻量20% 時(shí)，S105 和 S95 礦粉加入后混凝土工作性能進(jìn)一步改善，且保坍性能較好，其中添加 S105 礦粉后的混凝土 1h 坍落度和擴(kuò)展度基本無損失；礦粉摻量 30%，S105、S95、S75 三種等級(jí)礦粉對(duì)混凝土保坍的正向作用降低，尤其是 S75 礦粉對(duì)混凝土工作性能的降低效應(yīng)明顯。

相同等級(jí)礦粉隨著摻量增加，工作性能先提高后降低，這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)牡V粉可以發(fā)揮顆粒效應(yīng)，使得混凝土包裹性和粘聚性都增加，而礦粉持續(xù)增加，單位面積的水泥量減少，參與水化反應(yīng)程度降低，從而使得混凝土和易性和保坍性能降低。同時(shí)低品質(zhì)的礦粉在用量增加后對(duì)混凝土坍損作用更大，而比表面積大于水泥的S95 和 S105 級(jí)礦粉相對(duì)敏感度較低。

2.2 礦粉質(zhì)量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

混凝土強(qiáng)度是評(píng)價(jià)建筑結(jié)構(gòu)承載力和服役安全性的重要指標(biāo)，混凝土原材料性能、施工水平和養(yǎng)護(hù)等都會(huì)影響混凝土強(qiáng)度發(fā)展。按照礦粉摻量 0%、10%、20%、30% 等量取代水泥，砂石、外加劑和用水量均不變，室內(nèi)攪拌成型，24h 拆模后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，測(cè)試混凝土 7d、28d 抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表 5、圖 1。

表5 礦粉質(zhì)量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

圖1a) 混凝土 7d 試驗(yàn)結(jié)果顯示，添加 10% S105 和S95 礦粉后的混凝土 7d 抗壓強(qiáng)度略高于未摻礦粉混凝土，添加 S75 礦粉的混凝土都隨摻量增加而降低，這是因?yàn)榈V粉摻量增加，水泥量降低，水化生成的水化產(chǎn)物被礦粉和粉煤灰顆粒包裹，進(jìn)一步水化的阻力增加，使得混凝土早期強(qiáng)度下降。S105 和 S95 顆粒較細(xì)，自身的填充效應(yīng)抵消了水泥量降低的影響。

圖1 礦粉質(zhì)量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

圖1b) 結(jié)果顯示，S105 和 S95 礦粉在摻量 20% 以內(nèi)時(shí)，混凝土 28d 強(qiáng)度都高于基準(zhǔn)組，其中 S105 和S95 級(jí)礦粉在 20% 時(shí)混凝土強(qiáng)度最高，隨后摻量增加混凝土強(qiáng)度下降，而 S75 級(jí)礦粉各個(gè)摻量的混凝土 28d強(qiáng)度都會(huì)有所降低，這是因?yàn)?S105 和 S95 礦粉比表面積大、活性較高，參與二次水化后能生成致密的水化產(chǎn)物[5]，從而對(duì)混凝土骨架形成有力支撐，使得混凝土強(qiáng)度提高。

2.3 礦粉質(zhì)量對(duì)混凝土折壓比的影響

混凝土折壓比在一定程度上反映了混凝土的抗裂能力[6]，混凝土主要承受壓力荷載，剛性較大，相對(duì)拉伸強(qiáng)度較低。提高混凝土的韌性，改善混凝土的抗裂性能是提高混凝土服役壽命的重要途徑。研究了礦粉質(zhì)量對(duì)混凝土 28d 折壓比的影響，測(cè)試結(jié)果見表 6、圖 2。

表6 礦粉質(zhì)量對(duì)混凝土折壓比和碳化深度的影響

圖2 結(jié)果顯示隨著礦粉摻量增加，混凝土 28d 折壓比均有不同程度的上升，且隨著礦粉質(zhì)量提升，混凝土折壓比提高越明顯。混凝土界面過渡區(qū)相對(duì)較為薄弱，漿體與骨料的粘接能力反映了混凝土強(qiáng)度優(yōu)劣[7]。礦粉質(zhì)量提升，參與水泥二次水化生成的水化產(chǎn)物增多，混凝土界面過渡區(qū)增強(qiáng)，從而使得混凝土抵抗開裂的能力提高。

圖2 礦粉質(zhì)量對(duì)混凝土 28d 折壓比的影響

2.4 礦粉質(zhì)量對(duì)混凝土碳化深度的影響

混凝土工程長(zhǎng)期暴露在空氣當(dāng)中，容易受到空氣中的 CO、SOx等酸性氣體侵蝕，發(fā)生由表及里的碳化反應(yīng)，使得混凝土堿度下降，對(duì)鋼筋的保護(hù)作用降低[8]，因此碳化性能也是混凝土耐久性的重要指標(biāo)。礦粉加入后，混凝土后期的火山灰反應(yīng)，使得混凝土水化產(chǎn)物增多，對(duì)混凝土碳化必定具有一定作用。測(cè)試了加入礦粉后混凝土 28d 碳化深度，測(cè)試結(jié)果見表 6、圖 3。

圖3 結(jié)果所示，礦粉摻量提高對(duì)混凝土碳化深度的影響與礦粉質(zhì)量密切相關(guān)，S75 礦粉摻量增加，混凝土碳化深度增加，而 S95 和 S105 礦粉由于活性更高，生成較多的水化產(chǎn)物，使得混凝土密實(shí)程度增加，混凝土抗碳化性能提高。

圖3 礦粉摻量對(duì)混凝土碳化的影響

3 結(jié)論

（1）礦粉等級(jí)和摻入比例對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度造成影響，同摻量時(shí) S105、S95 級(jí)礦粉可以提高混凝土初始坍落度和擴(kuò)展度，混凝土保坍性能增加。相同等級(jí)礦粉，相同等級(jí)礦粉隨著摻量增加工作性能先提高后降低。

（2）添加礦粉后的混凝土 7d 抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相比無增長(zhǎng)，S105 和 S95 礦粉摻量 20% 以內(nèi)時(shí)混凝土 28d 強(qiáng)度都高于基準(zhǔn)組，其中 S105 和 S95 級(jí)礦粉在20% 時(shí)混凝土強(qiáng)度最高，而 S75 級(jí)礦粉在各個(gè)摻量混凝土 28d 強(qiáng)度都會(huì)有所降低。

（3）質(zhì)量?jī)?yōu)良的礦粉摻量提升，混凝土折壓比增加，抵抗混凝土開裂的能力增強(qiáng)。

（4）礦粉摻量提升，S95 和 S105 礦粉混凝土碳化深度降低，而 S75 級(jí)礦粉摻量增加會(huì)加深混凝土碳化。