复掺矿物掺合料混合骨料混凝土微观抗冻性研究

李琛

（陕西盛泰混凝土工程有限责任公司，陕西 710061）

0 引言

近年来混合骨料混凝土日益得到广泛研究和应用，尤其在改善混凝土结构的耐久性方面有突出贡献。将矿物掺合料复掺作为辅助胶凝材料加入到混凝土中，不仅可取代部分水泥和有效利用工业废渣，而且不同矿物掺合料优势互补，能够充分利用各自不同特性，可提高混凝土各项性能，使混凝土获得最佳耐久性能。所以将复掺矿物掺合料推广应用于工程实际中是必然趋势。青藏铁路建设中在混凝土中双掺硅灰和粉煤灰的方法改善了混凝土耐久性[1]。在混凝土中复掺矿粉和粉煤灰时的抗冻性优于纯水泥和单掺矿粉或粉煤灰[2]。前期已对矿物掺合料混合骨料混凝土的抗冻、抗渗等耐久性能进行了研究[3,4]。本课题主要针对浮石混合骨料混凝土在粉煤灰分别与石粉、矿粉复掺情况下进行微观结构研究，从而得出在冻融循环作用下矿物掺合料的最优组合，为寒冷地区混凝土材料的使用提供理论和实践的指导。

1 试验材料及配合比

粗骨料：普通碎石，粒径范围为 5～25mm，连续级配，表观密度为 2660kg/m3，含泥量为 0.8%，压碎指标为 5.4%；浮石替代普通碎石的比率为 30%，粒径范围为 5～25mm，连续级配，表观密度为 1593kg/m3，每小时吸水率为 16.44%，压碎指标为 39.6%。

细骨料：采用颗粒级配良好的天然河砂作细骨料，细度模数为 2.5，含泥量为 2%，表观密度为 2650kg/m3，堆积密度为 1465kg/m3。采用 P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥，拌合用水采用普通自来水；采用 FDN-Y 型引气减水剂，减水率 16%，含气量 1.2%。水泥及矿物掺合料的化学组成见表1。试验采用 20% 掺量的粉煤灰分别与掺量为 10% 的石粉、矿粉复掺，对浮石体积替代率为 30% 的混合骨料混凝土冻融前后的 SEM图像进行比较和分析，配合比详见表2。

表1 水泥及各矿物掺合料的化学组成 %

表2 浮石混合骨料混凝土的配合比

2 试验与分析

2.1 扫描电镜试验

本试验对标准养护至 56d 的混合骨料混凝土标准试件进行扫描电镜试验，选取含浮石－水泥石界面，样品的规格应尽量小而薄，样品表面要平整，确保样品干燥后进行电镜试验。对试样表面进行喷金处理之后，将试样置于扫描电镜下观察放大不同倍数后混凝土的微观界面结构和水化产物。实验仪器是由内蒙古工业大学微观实验室提供的 S-3400N 型扫描电子显微镜。

2.2 试验分析

界面过渡区是组成混凝土最薄弱的环节，混凝土的强度、抗冻、抗渗等性能常常是因为骨料—水泥石的界面上存在缺陷而引起的破坏。本试验通过 SEM 分析界面过渡区的微观结构研究矿物掺合料复掺对混合骨料混凝土抗冻性能的影响。

图1 CS组骨料—水泥石界面SEM照片

图2 CK 组骨料—水泥石界面 SEM 照片

图1 为掺 20% 粉煤灰与 10% 石粉混合骨料混凝土（CS）的骨料—水泥石界面 SEM 图片，冻前界面区结构密实，且浮石的多孔、吸水特性降低了周围水泥浆的水灰比，使其与水泥浆结合更加紧密，水化产物以硅酸钙凝胶为主，几乎无针状钙矾石晶体存在。冻后的骨料与水泥浆的界面变得疏松，针状钙矾石晶体富集，且尺寸较大，相互缠绕。由于石粉具有微晶核效应，掺石粉的界面及水泥石中大颗粒Ca(OH)2晶体含量极少。骨料和水泥石的界面疏松，有很多孔隙、微裂纹，界面结构严重劣化，抗冻性能显著降低，主要原因是石粉中的活性成份较少，主要以 CaO 为主，二次水化反应很弱，石粉中的非活性成分分散于水泥石中后，对水泥石及界面的粘结性能有一定的影响，并且加入石粉后形成的孔隙为钙矾石晶体的生长创造了条件，所以粉煤灰与石粉复掺对界面结构的劣化严重，混合骨料混凝土的抗冻耐久性极低，不适宜用于高抗冻性要求的工程中。

图2 为掺 20% 粉煤灰与 10% 矿粉混合骨料混凝土（CK）的骨料—水泥石界面SEM图片，冻前界面以 C-S-H 凝胶为主，针状 AFt 含量极少，界面粘结牢固。冻后界面局部存在较多的针状钙矾石晶体，水化产物仍以云絮状 C-S-H 凝胶为主，界面结构疏松，出现微裂缝。界面结构虽有劣化，但与掺 20% 粉煤灰和 10% 石粉的混凝土（图1）相比界面结构得到了改善，矿粉进行二次水化反应消耗 Ca(OH)2，使界面区的 Ca(OH)2含量降低，片状晶体的尺寸减小，无明显Ca(OH)2趋向层，骨料与水泥石的粘结性增强，界面结构较密实。此外，矿粉中含有较多的 CaO，使混凝土水化产物不会由于过度缺少 Ca(OH)2而处于低碱度环境中，因此矿粉与粉煤灰复掺比石粉与粉煤灰复掺对混合骨料混凝土界面结构和抗冻性能的改善更加有利。

3 结论

（1）以 20% 粉煤灰与 10% 矿粉复掺替代水泥的混合骨料混凝土界面结构劣化较少，抗冻性能较好；20% 粉煤灰与10% 石粉复掺的界面劣化较严重，抗冻性能较差。

（2）复掺粉煤灰和矿粉的混合骨料混凝土中，粉煤灰和矿粉的微集料效应和活性效应相互促进，使其不仅具有较强抗冻性能，而且还充分利用了矿粉和粉煤灰工业废渣，减少了水泥用量，起到环保的功效，因此将其用于生产实践中具有现实意义。

[1] 马强，朋改非，谢永江等.双掺硅灰、粉煤灰对青藏铁路用高性能混凝土性能的影响[J].混凝土，2004,3: 45-48.

[2] 张亚航，周智鹏，万惠文.矿物掺合料提高桥梁混凝土耐久性的研究[J].混凝土，2012,10(276) : 60-62.

[3] 霍俊芳，李伟玲，宋的添，李金帅.矿物超细粉混合骨料混凝土抗冻性能试验研究[J].内蒙古工业大学学报，2012,31(3): 48-51.

[4] 霍俊芳，宋的添，李伟玲，李金帅.矿物掺合料对混合骨料混凝土抗渗性能的影响[J].内蒙古工业大学学报，2012,31(4): 64-68.