多种复合掺料对混凝土抗压性能的影响

赵晨阳，陈征征

(宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

混凝土作为重要的建筑材料被广泛应用于各类建筑中，可是在混凝土生产过程中又伴随着能源消耗高和污染严重等问题。为响应国家节能低碳、保护环境的号召，粉煤灰作为重要的矿物掺合料被广泛应用于工程实践中。随着国家经济的发展与基础设施的不断完善，单一矿物掺合料已经满足不了工程实践的需要，寻找多种优质复合掺合料迫在眉睫。张忠哲等[1]研究了钢渣对混凝土抗压强度随不同养护方式的变化规律；王洪等[2]研究了硅灰对高强混凝土抗压强度的影响；赵爱根等[3]研究证明了粉煤灰可改善混凝土的耐久性能，作为掺合料能带来明显的经济效益；董维佳等[4]进行了矿渣微粉和粉煤灰在微观情况下的比较；焦卫峰等[5]研究证明了矿粉与粉煤灰双掺能提高体系的抗压强度和耐久性。在众多学者研究的基础上，课题组通过控制变量法研究了复合矿物掺合料在不同配比、不同龄期下代替水泥对混凝土抗压强度的影响。

1 实验

1.1 原材料

水泥:安徽海螺水泥厂生产的32.5级普通硅酸盐水泥。钢渣：灵寿县百丰矿产品加工厂生产的细度为38 μm的钢渣。粉煤灰：凤台县电厂提供，经实验室手磨后细度约为原来的20.6%。硅灰：兰州铁合金生产的SiO2含量≥92%的高品质硅灰。粗集料:采用级配连续的碎石，粒径为5～20 mm。细集料:宿州沱河河沙，表观密度为2 560 kg/m3。水:干净自来水。

1.2 实验配合比

实验以C30混凝土的配合比为基础，采用等量代替原则，钢渣、粉煤灰、硅灰与代替10%、20%、30%、40%的水泥作为混合料，并改变3种混合料的比例以寻求最优配比。同时设置强度为C30的纯水泥混凝土作为空白对照组，一共17组试件，每组3个试件，求得算术平均值以降低误差。实验配合比数据见表1。

表1 混凝土配合比 Tab.1 Proportions of concrete mixture

1.3 实验方法

参照GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能实验方法》[6]、GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法》[7]进行混凝土实验[8]。混凝土试件在制备完成经过气泵且脱模后，在标准实验室养护条件下进行不同龄期(7 d、14 d、28 d、56 d)的标准养护，保持室内温度为(20±2)℃，室内湿度≥95%。

2 结果与讨论

2.1 钢渣、粉煤灰作为代胶材料对混凝土的影响

钢渣是重要的工业废渣之一，如没有得到充分的二次利用会造成环境污染。钢渣的主要化学组成为2CaO·SiO2和3CaO·SiO2，有一定水化活性但活性较低。采用细度为38 μm的钢渣能够在一定程度上改善混凝土的流动性，并显著降低混凝土的水化温升。

通过实验发现钢渣可以作为矿物掺合料，但早龄期的钢渣晶体结构相对完整，相比水泥水化活性较低，所以导致混凝土强度较素混凝土略低。但在浇筑大体积混凝土时，钢渣有助于降低早期的水化热、减少混凝土内部裂纹的产生，是较为理想的代胶材料。不同龄期(7 d、14 d、28 d、56 d)时钢渣代替水泥抗压强度变化曲线与素混凝土抗压强度变化曲线的对比见图1。由图1可以看出，掺杂相同质量的钢渣并不能给混凝土强度带来明显改善，反而会使混凝土强度有所下降。原因是虽然钢渣会在一定条件下填补混凝土中的微小孔隙，但其不会与水产生水化反应，由此可以推断出若钢渣代替水泥过多，必然会导致混凝土抗压强度的降低。

粉煤灰作为优良的矿物掺合料已经被广泛应用于实践当中，在不同龄期时粉煤灰掺合料对混凝土抗压强度的影响见图2。由图2可以看出，粉煤灰早期活性需要在水泥水化反应后才能被激发，在早龄期(7 d)粉煤灰代替水泥对混凝土力学性能的影响并不明显，但当养护至28 d时，在抗压强度上粉煤灰代替水泥组较素混凝土组提高了3.5%。粉煤灰颗粒的特殊构造在后期发挥了微集料效益[9]，会在砂浆中起到润滑作用，填补了骨料中的孔隙，增强了混凝土的抗压性能。由于粉煤灰成分与水泥主要成分相似，反应活性主要来自活性玻璃体SiO2、Al2O3的水化作用，在一定碱性条件下生成了具有水印胶凝性质的化合物，从而发挥了代替水泥的作用，并在一定程度上改善了混凝土的抗压性能。

图1 在不同龄期时钢渣掺合料对混凝土抗压强度的影响Fig.1 The influence of different ages of steel slag admixture on the compression strength of concrete

图2 在不同龄期时粉煤灰掺合料对混凝土抗压强度的影响Fig.2 The influence of different ages of coal ash admixture on the compression strength of concrete

当水泥取代率为10%时双掺对混凝土抗压强度的影响见图3，当水泥取代率为20%时双掺对混凝土抗压强度的影响见图4。由图3可以看出，在双掺情况下，当水泥取代率为10%时，A3比A2的抗压强度提升了5.4%，比素混凝土组有所增强。由图4可以看出抗压强度增长趋势与图3大致相似，但就抗压强度增幅来说，B2、B3优于A2、A3，故在工程实践中混凝土配合比优先选用B3组更加经济高效。由此，可说明矿物掺合料可以优势互补。混凝土是多孔不均匀材料，其内部有许多孔隙与微裂缝。若想要改善混凝土内部结构，首先要填补其内部的孔隙，可以将多种矿物掺合料复合使用，使多种矿物掺合料发生集合作用。本实验中钢渣、粉煤灰双掺表现出很好的超叠加效应，可使混凝土的抗压性能有所提高。

图3 当水泥取代率为10%时双掺对混凝土抗压强度的影响Fig.3 The influence of double mixing on the compression strength of concrete at the cement substitution rate of 10%

图4 当水泥取代率为20%时双掺对混凝土抗压强度的影响Fig.4 The influence of double mixing on the compression strength of concrete at the cement substitution rate of 20%

2.2 钢渣、粉煤灰、硅灰复合掺料作为助胶材料对混凝土的影响

相比其他矿物掺合料，硅灰的优点是具有较强的火山灰活性。硅灰和水泥混合时才可体现出自身的优势，硅灰会立即与水泥反应产生水化产物，水化产物之一的Ca(OH)2会发生二次水化反应(即火山灰反应)，生成C—S—H凝胶体，这样既消耗了水化水泥浆体里的Ca(OH)2，又使C—S—H凝胶体(火山灰反应的生成物)增多。此外，硅灰表面光滑密实，它在与水泥、粗骨料、细骨料混合后可以起到润滑作用，而且可以填补混凝土中的细微裂缝，从而起到提升混凝土强度的效果。

当水泥取代率为30%时不同龄期的复合掺料混凝土抗压强度对比见图5。由图5可以发现：在早龄期单掺及双掺矿物掺合料对混凝土抗压性能的提升没有帮助，反而可能略低于素混凝土组，原因在于矿物掺合料部分活性小于水泥活性；在7 d时C1组抗压强度较素混凝土组下降了9.4%，C2组抗压强度较素混凝土组下降了2.8%，C3组抗压强度可基本与素混凝土组持平，C4组抗压强度较素混凝土组下降了2.2%；在混凝土试块养护至标准28 d或更长龄期时，双掺及复合掺料可以发挥各自的优点并互补促进，克服了单一矿物掺合料的诸多不足，显现出一加一大于二的效果，相比单独使用，混凝土的抗压性能有所提高；试块养护至56 d时，C2组、C3组、C4组的抗压强度分别较素混凝土组提升了5.78%、8.32%、5.24%，但C1组较素混凝土组略微下降了1.39%，可证实在钢渣代替30%的水泥时混凝土的抗压强度下降。

图5 当水泥取代率为30%时不同龄期复合掺料混凝土的抗压强度对比Fig.5 Comparison of compression strength of composite admixture concrete at different ages with cement substitution rate of 30%

图6 当水泥取代率为40%时不同龄期复合掺料混凝土的抗压强度对比Fig.6 Comparison of compression strength of composite concrete at different ages with cement substitution rate of 40%

当水泥取代率为40%时不同龄期的复合掺料混凝土的抗压强度对比见图6。由图6可知，在水泥取代率为40%时，在早龄期无论是双掺还是三掺，对混凝土的抗压性能均起不到优化的作用，甚至出现比素混凝土对照组强度略低的情况。随着水泥取代率的增加，钢渣、粉煤灰、硅灰三掺组出现了先增后降的情况。在标准养护28 d时，D1组、D2组已经出现较素混凝土组抗压强度下降的现象，分别下降了7.53%、5.42%。当试块养护至56 d时，D3组、D4组的抗压强度分别较素混凝土组提升了5.1%、3.64%。与56 d龄期C3组、C4组抗压强度的增幅对比，可以推断若继续增加取代水泥的比例，势必导致混凝土抗压强度下降，所以在追求经济化的同时要注意水泥取代率。

3 结论

(1)从A1～D4组均可发现，由于矿渣矿物结晶比较完整，在早龄期其相比水泥活性较低，会导致混凝土抗压强度较素混凝土略微降低。

(2)单掺钢渣、双掺钢渣、粉煤灰矿物掺合料都会因为矿物早期活性较差而导致抗压强度略低于素混凝土，双掺钢渣、粉煤灰会在养护至28 d及更长龄期时抗压强度略高于素混凝土，A3组、B3组的抗压强度在28 d时分别较素混凝土组提高2.56%、4.1%，故合理范围内掺多种矿物掺合料可提升混凝土的抗压性能。

(3)在硅灰固定代替15%的水泥时，钢渣与粉煤灰比值为0.3∶0.2，此时对混凝土抗压性能的提升最佳，在56 d时C3组较素混凝土组提升8.32%。但在高龄期，当水泥取代率为40%时，D1组、D2组却出现了抗压强度下降的现象，即随着水泥取代率的提升其后期抗压强度有下降趋势。