复掺矿物掺合料混凝土性能试验研究

张小龙，曾馨花，张会苹，张爱明，曹建军

(1.甘肃路桥建设集团有限公司，甘肃 兰州 730030;2.甘肃智通科技工程检测咨询有限公司，甘肃 兰州 730050)

复掺矿物掺合料混凝土性能试验研究

张小龙1，2，曾馨花2，张会苹2，张爱明2，曹建军2

(1.甘肃路桥建设集团有限公司，甘肃 兰州 730030;2.甘肃智通科技工程检测咨询有限公司，甘肃 兰州 730050)

为研究矿物掺合料种类和掺量对混凝土强度和耐久性的影响规律，配制了基准混凝土、单掺粉煤灰混凝土、单掺粒化高炉矿渣粉混凝土和双掺粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的混凝土，进行了不同龄期抗压强度、早期干缩率、抗冻性、电通量、耐磨性等耐久性指标的测试。结果表明:掺矿物掺合料的混凝土早期强度低于不掺矿物掺合料的基准混凝土，但随着矿物掺合料掺量的增大，后期强度呈现出先提高后降低的趋势;双掺粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的混凝土后期强度明显高于单掺粉煤灰或者单掺粒化高炉矿渣粉的混凝土。这是因为不同种类矿物掺合料双掺会产生超叠加效应，这种超叠加效应优化了混凝土内部孔隙结构，使得双掺矿物掺合料的混凝土耐久性能得到显著提高。

矿物掺合料 粉煤灰 矿粉 强度 试验研究

在混凝土内掺入粉煤灰、磨细矿渣粉等工业废料取代部分水泥，由于粉煤灰和磨细矿渣粉的火山灰效应和微骨料填充效应，降低了混凝土内部有害孔的数量，使混凝土的孔结构得到了改善，从而提高了混凝土质量［1-5］。但矿物掺合料在高性能混凝土中发挥作用的前提是掺入的矿物掺合料必须满足质量要求，否则会带来混凝土黏聚性下降、离析、泌水凝结时间长，早期强度低等问题。由于不同地区粉煤灰和矿渣粉的技术指标和品质不同，所以使混凝土获得最佳的工作性、强度和耐久性时其掺量不同。鉴于此，国内学者开展了矿物掺合料在公路桥梁混凝土中的应用研究。秦鸿根等［6-7］进行了双掺粉煤灰和矿渣粉的混凝土配合比优化设计，宋少民、田晓霞等［8-9］研究了石灰石粉在桥梁混凝土中的应用，李强、李雁等［10-11］对矿物掺合料对混凝土抗冻性影响进行了研究，赵井辉等［12］进行了矿物掺合料水工混凝土抗氯离子侵蚀性能研究。由于甘肃地区处于西北欠发达地区，虽然粉煤灰和粒化高炉矿渣粉产量巨大，但由于品质较低和在废渣利用方面的技术相对落后，目前国内对甘肃地区的粉煤灰和矿渣粉掺量对混凝土性能影响的研究较少。基于此，结合甘肃地区使用的粉煤灰和粒化高炉矿渣粉，对掺矿物掺合料混凝土的力学性能和耐久性能进行了测试，以探讨矿物掺合料的品种和掺量对混凝土性能的影响规律。

1 试验研究

1.1 试验原材料

1)水泥

试验采用甘肃平凉祁连山水泥有限公司生产的P.O42.5级普通硅酸盐水泥，水泥各项指标符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)的要求，其主要物理力学性能见表1。

表1 试验用水泥物理力学参数

2)粉煤灰

粉煤灰采用大唐甘肃发电有限公司西固热电厂的Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰各项指标符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)的要求，粉煤灰的主要性能指标见表2。

表2 试验用粉煤灰物理力学参数

3)粒化高炉矿渣粉

粒化高炉矿渣粉采用酒泉钢铁(集团)有限责任公司生产的S95级矿渣粉。粒化高炉矿渣粉各项指标符合《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T 18046—2008)的要求，粒化高炉矿渣粉的主要

性能指标见表3。

表3 试验用粒化高炉矿渣粉物理力学参数

4)其他原材料

细集料采用陕西武功砂厂的水洗砂，细度模数为2.7，符合2区级配要求;粗骨料采用平凉小湾子碎石厂的碎石，符合连续级配5～25 mm要求;减水剂采用甘肃华鑫源化工材料有限责任公司生产的HXY-11聚羧酸高性能减水剂，减水率为26.5%;混凝土拌合用水为自来水。

1.2 试验方法

1)强度测定

制作150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体抗压试件，标准养护至规定的龄期进行测试，操作方法及结果处理参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)。

2)早期干缩性测试

混凝土的干缩性试验采用卧式混凝土收缩仪，依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)规定的接触法进行测试。

3)抗氯离子渗透性测试

采用GB/T 50082—2009中的电通量法，将标准养护28 d和56 d的150 mm×150 mm×150 mm混凝土切割成φ100 mm×50 mm的试样，采用NJ-DTL系列混凝土氯离子电通量测定仪测定6 h电通量，评价混凝土的抗氯离子渗透性能。

4)抗冻性测试

采用GB/T 50082—2009中快速冻融的试验方法，将标准养护28 d的100 mm×100 mm×400 mm混凝土试件进行冻融，每25次冻融循环后测试试件的横向基频，并计算冻融后试件的质量损失和相对动弹性模量损失，评定混凝土的抗冻性能。当混凝土的质量损失超过5%，相对动弹性模量降低至初始的60%以下，结束冻融试验，记录冻融循环最大次数。

5)耐磨性测试

依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)规定的水泥混凝土耐磨性试验方法，制作150 mm×150 mm×150 mm的混凝土试件，将试件放至耐磨试验机的水平转盘上(磨削面应与成型时的顶面垂直)，用夹具将其轻轻紧固。在200 N荷载下磨30转，然后取下试件刷净表面粉尘称重，记录剩余质量。整个磨损过程应将吸尘器对准试件磨损面，使磨下的粉尘被及时吸走。按规定的磨损方式磨削，以试件磨损面上单位面积的磨损量作为评定混凝土耐磨性的相对指标。

1.3 试验方案

本文以C50混凝土为研究对象，通过改变粉煤灰、粒化高炉矿渣粉的掺量，分别配制不掺矿物掺合料的基准混凝土、单掺粉煤灰的混凝土、单掺矿渣粉的混凝土和双掺两种矿物掺合料的优化混凝土，共配制了13种，通过调整砂率和减水剂掺量，混凝土坍落度均在160～200 mm，配合比见表4。为分析矿物掺合料对混凝土耐久性的影响程度和规律，选取了表4中的C-1，C-4和C-6三种混凝土进行了早期干缩变形、抗冻性、抗氯离子渗透性和耐磨性的试验。

表4 混凝土配合比与强度试验结果

2 试验结果与分析

2.1 混凝土强度

分析表4可知，掺矿物掺合料的混凝土早期强度，尤其是3 d强度普遍低于不掺矿物掺合料的基准混凝土。这是因为粉煤灰、粒化高炉矿渣粉本身与水反应速度较慢，需要在碱性激发剂或硫酸盐激发剂的激发作用下，才能跟水发生化学反应即发生二次水化反应，生成相应水化产物，但是水化早期，水泥熟料本身并未完全水化，生成的氢氧化钙量不多，因此粉煤灰、粒化高炉矿渣粉对混凝土早期强度贡献不大，表现出掺矿物掺合料的混凝土早期强度偏低。随着矿物掺合料总量的增大，掺矿物掺合料的混凝土后期强度呈现出先提高后降低的趋势。这是因为随着矿物掺合料的掺入，在后期矿物掺合料发生了二次水化反应，加上未反应的矿物掺合料起到微骨料效应，生成的大量水化产物和未反应的细小矿物掺合料，填堵混凝土内部微小孔隙，使得混凝土更加密实，强度提高。但当掺量超过某一数值后，由于没有足够的水泥水化形成氢氧化钙作为激发剂，粉煤灰和粒化高炉矿渣粉二次水化反应不充分，因此就发挥不了两者的作用。双掺粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的混凝土后期强度高于单掺粉煤灰或者单掺粒化高炉矿渣粉的混凝土。这是因为粉煤灰和粒化高炉矿渣粉虽然本身颗粒很细小，但是作为散粒结构，其自身也存在内部空隙，而复掺粉煤灰和粒化高炉矿渣粉使得两者可以互相填充，使得混凝土更加密实，强度更高。另外，由于试验采用的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，其活性更高，而粒化高炉矿渣粉为 S95级矿渣粉，相对粉煤灰活性指数偏低，因此无论单掺还是复掺，相同条件下粉煤灰掺量大的混凝土其强度偏高。

2.2 早期干缩性

图1为3组混凝土不同龄期的干燥收缩率。可以看出，C-1基准混凝土的各龄期干缩率均大于单掺粉煤灰的C-4混凝土或复掺粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的C-6混凝土。C-1基准混凝土28d的干燥收缩率为0.20%，而单掺粉煤灰的C-4混凝土28d的干燥收缩率为0.18%，为C-1混凝土的90%，而复掺粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的 C-6混凝土 28d干燥收缩率为0.16%，仅为C-1混凝土的80%。这是因为粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的掺入改变了混凝土的水化进程，使得水化产物和孔结构发生变化，从而改变了凝胶孔水、吸附水、层间水之间的比例，并最终导致早期收缩。另一方面，由于粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的掺入延缓了水化进程，也会减少收缩。复掺粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的C-6混凝土干燥收缩率较C-4混凝土还小的原因是粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的叠加效应，使得混凝土更加密实，水分更不易向外散失。

图1 3组混凝土各龄期干燥收缩率

2.3 抗冻性

图2为3组混凝土冻融循环后的相对动弹性模量变化率曲线。分析图2可以看出，C-1基准混凝土在冻融循环 100次时，相对动弹性模量损失率达到了45.7%，即已经被冻坏，而单掺粉煤灰的C-4混凝土在冻融循环 225次时，相对动弹性模量损失率为39.6%，混凝土试件被冻坏，而复掺粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的C-6混凝土在冻融循环300次后，相对动弹性模量仅损失6%，没有被冻坏。说明粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的微骨料效应和二次水化作用可以优化混凝土内部的孔隙结构，降低混凝土内部开口孔隙比例，增加细小封闭孔隙比例，提高混凝土的密实度，从而改善混凝土抗冻能力，因此，掺矿物掺合料的混凝土抗冻性能优于普通混凝土。

图2 混凝土动弹性模量变化率曲线

2.4 抗氯离子渗透性

分析图3可知，C-1基准混凝土的电通量较高，28 d电通量为1 642 C，56 d电通量为1 450 C。这是由于基准混凝土未掺入任何矿物掺合料，砂颗粒之间的空隙只能依靠水泥来填充，由于水泥本身也为散粒材料，颗粒间也存在空隙，这部分空隙在基准混凝土中仅能靠水填充，当水化完成后，多余的水分向外散失，导致混凝土内部形成大量的过水通道，使得混凝土的密

实性差，混凝土内部与外界联通孔隙多，其抗氯离子渗透性就差。单掺粉煤灰的C-4混凝土电通量有明显的降低，28 d电通量为1 027 C，56 d电通量为821 C，低于基准混凝土的电通量，这是因为在水泥的基础上，又添加了一种细粒径的材料，使得砂颗粒之间的空隙靠两种不同细度的粉体来填充，可以较好发挥颗粒不同粒径的填充效果，使得密实度较高，电通量较小。复掺粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的C-6混凝土28 d电通量为784 C，56 d电通量651 C，电通量明显降低。这是由于不同粒径材料的填充显著提高混凝土结构的密实度，改善混凝土内部孔隙结构。因此要配制抗氯离子渗透性能优良的混凝土，一定要提高混凝土的密实性。

图3 混凝土电通量测试值

2.5 耐磨性

表5给出了3组混凝土单位面积上的磨耗损失量。分析可知，C-1基准混凝土耐磨性最差，复掺粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的C-6混凝土耐磨性最好。这是因为虽然3种混凝土的最终水化产物的种类相同，但是由于粉煤灰和粒化高炉矿渣粉在激发剂的作用下将发生二次水化反应，反应过程中氢氧化钙作为激发剂被大量消耗的同时，生成大量的水化硅酸钙凝胶，所以掺掺合料的混凝土中凝胶含量高于基准混凝土。由于氢氧化钙晶体生长具有一定的定向性，影响混凝土的强度和耐久性，而掺矿物掺合料的混凝土削弱了这种影响，且使氢氧化钙晶体细化。另外，由于二次水化反应混凝土中水化硅酸钙凝胶的微观结构也将由纤维状转换为网络状，使混凝土内部孔隙得到进一步细化，从而使得对混凝土性能产生危害的大孔的比例大大降低;掺矿物掺合料后小孔径的孔隙率增加。这是因为反应中形成的凝胶是微观多孔物质，它们填充进大的毛细孔隙，将一个含有大的毛细孔隙的体系转化成包含无数微孔的体系，使得结构致密。对提高混凝土耐磨性非常有益。

表5 混凝土单位面积磨耗量

3 结论

1)掺矿物掺合料的混凝土早期强度低于不掺矿物掺合料的基准混凝土，但随着二次水化反应和矿物掺合料掺量的增大，后期强度普遍呈现出先提高后降低的趋势。

2)不同矿物掺合料双掺，由于粒径不同会相互填充，从而产生超叠加效应。这种超叠加效应有效降低了混凝土的孔隙率，使有害的粗大连通孔转变为细小封闭的无害孔或者少害孔，优化了混凝土内部孔隙结构，使得掺矿物掺合料的混凝土抗冻性、抗氯离子渗透性、耐磨性等耐久性能均得到显著提高。

［1］刘爱新.粉煤灰混凝土的性能及其应用［J］.混凝土，2001 (12):6-8，15.

［2］张粉芹，王海波，王起才.掺合料和引气剂对混凝土孔结构与性能影响的研究［J］.水力发电学报，2010，29(1):180-185.

［3］周立霞，王起才，张粉芹.矿物掺合料和孔结构对混凝土抗渗性的影响［J］.水力发电学报，2010，29(3):196-201.

［4］HASSAN K E，CABRERA J G，MALIEHE R S.The Effect of Mineral Admixtures on the Properties of High Performance Concrete［J］.Cement and Concrete Composites，2000，22(4): 267-271.

［5］MUCTEBA U，KEMALETTIN Y，METIN I.The Effect of Mineral Admixtures on Mechanical Properties，Chloride Ion Permeability and Impermeability ofSelf-compacting Concrete［J］.Construction and Building Materials，2012，27(1):263-270.

［6］秦鸿根，王伦，庞超明，等.崇启大桥承台混凝土配合比设计及性能研究［J］.世界桥梁，2011(4):57-60.

［7］刘冠国，马爱斌，秦鸿根，等.崇启大桥C45墩身混凝土配合比设计与优化［J］.混凝土与水泥制品，2014(11):11-16.

［8］宋少民，王东方，陈晓芳，等.石灰石粉复合矿物掺合料对桥梁工程混凝土性能的影响［J］.公路，2013(11):197-201.

［9］田晓霞，董瑞.石灰石粉作为矿物掺合料在桥梁工程中的应用［J］.混凝土，2013(10):148-150.

［10］李强.矿物掺合料对混凝土抗盐冻性的影响［J］.硅酸盐通报，2015，34(3):882-886.

［11］李雁，吕恒林，殷惠光，等.单掺及双掺高强混凝土抗冻融性能试验研究［J］.工业建筑，2015，45(2):1-4.

［12］赵井辉，武义馨，刘福胜，等.矿物掺合料水工混凝土抗氯离子侵蚀性能研究［J］.混凝土与水泥制品，2015(3):87-90.

(责任审编 葛全红)

TU528

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.34

2015-05-22;

:2015-07-20

甘肃省建设科技攻关项目(JK2013-52)

张小龙(1975— )，男，甘肃陇西人，高级工程师。

1003-1995(2015)09-0121-04