矿物掺和料对混凝土抗压强度影响性研究

左宸嘉，李士洋，刘延波

(哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001)

0 引言

混凝土是主要建筑材料之一，除强度外，保证混凝土耐久性也是重中之重。掺入矿物掺和料是改善混凝土耐久性的常见措施。但研究发现，矿物掺和料会影响混凝土力学性能[1,2]。鲁丽华[3]等通过试验发现，Ⅱ级粉煤灰掺量存在一个合理范围，适量粉煤灰对混凝土性能有良好的改善作用。李红辉[4]等研究表明，大掺量粉煤灰混凝土后期强度增长较快，其强度远高于无掺和料混凝土。朱航[5]试验结果表明，钢渣矿渣粉的掺入不仅有利于提高新拌混凝土的工作性能，还可以抑制混凝土的经时坍落度损失。袁航[6]等发现，在一定范围内增加石灰石粉的细度，能够提升混凝土的早期强度，但当石灰石粉替代水泥的比例大于20%时，混凝土的抗压强度值下降很快。目前，对于矿物掺和料对混凝土力学性能的研究多聚焦于单掺某种掺和料，但对各类矿物掺和料混掺的研究相对较少。

通过将粉煤灰、矿渣粉、石灰石粉以不同比例掺入混凝土中进行抗压试验，研究不同掺量矿物掺和料对混凝土抗压强度的影响及其变化规律。

1 试验概况

1.1 原材料

所有水泥采用亚泰集团哈尔滨水泥有限公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，主要性能见表1。粉煤灰选用双达电力设备有限公司生产的I级粉煤灰，细度为2.5%。矿渣粉选用万顺石材钙粉厂生产的S95级矿渣粉，细度为1.2%。石灰石粉由山林建筑材料有限公司提供，细度为20.8%。细骨料选取松花江河砂，细度模数2.21，含水量为8.3%。粗骨料为粒径5～20 mm连续级配青石碎石。拌和与养护用水均为实验室自来水。

表1 水泥性能Tab.1 Cement performance

1.2 试验配合比

混凝土的设计强度等级为C30，水胶比0.5，砂率40%。粉煤灰、矿渣粉、石灰石粉以单掺和混掺两种方式掺入混凝土中。参照JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》，试验设计5组共14个混凝土配合比，具体如表2所示。

表2 混凝土试验配合比Tab.2 Mix properties of concrete test

1.3 试验方法

抗压强度试验采用150×150×150 mm立方体试件。根据GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》养护成型并进行测试。测试设备采用HYE-3000型微机电液伺服压力试验机，仪器最大负荷为3 000 kN。试验过程保持匀速加载，加载速度0.5～0.8 MPa。每组试验设置3个试件，测试结果取平均值。

2 试验结果及分析

2.1 粉煤灰对抗压强度的影响

不同粉煤灰掺量混凝土的抗压强度随龄期的变化如图1所示。由图1可知，粉煤灰的掺入对混凝土早期抗压强度有降低作用，且随着掺量的增加，抗压强度降低幅度逐渐增大。与对照组C0相比，粉煤灰掺量分别为10%、20%、30%时，混凝土3 d的抗压强度分别下降了13.44%、33.87%和35.40%，7 d的抗压强度分别下降了8.3%、27.67%和29.31%。这是由于粉煤灰的掺入使得水泥的用量减小，并且与水泥相比，粉煤灰的二次水化反应缓慢，养护早期水化产物数量小于对照组，所以混凝土抗压强度降低。当龄期为28 d时，与C0组相比，粉煤灰掺量分别为10%、20%、30%时，3 d的抗压强度分别下降了10.03%、14.54%和19.24%，下降幅度小于龄期为3 d时。这是由于粉煤灰中的SiO2和Al2O3与水泥水化反应析出的Ca(OH)2反应生成硅铝酸钙，降低了混凝土中液相碱度，促进了水泥的水化反应。与此同时，Ca(OH)2会在粉煤灰颗粒表面形Ca(OH)2薄膜，薄膜与粉煤灰颗粒表面之间存在着一层水解层，因此当钙离子进入到水解层内与粉煤灰发生反应后，由于薄膜层的存在并不会使混凝土的强度有较大的提升。然而，当水解层被反应物紧密填充后，粉煤灰颗粒与水泥水化产物之间相互交叉，形成紧密的结构，可以在很大程度上提高混凝土的强度，所以掺入粉煤灰的混凝土早期强度较低，而后期强度会明显提升[7,8]。

图1 不同掺量粉煤灰对土抗压强度的影响曲线Fig.1 Influence curve of different content of fly ash on the compressive strength of concrete

2.2 矿渣粉对抗压强度的影响

不同矿渣粉掺量混凝土的抗压强度随龄期的变化如图2所示。从图2中可以看出，矿渣粉的掺入对混凝土早期抗压强度也有降低作用，大体上呈现掺量越高强度下降越明显。与C0相比，矿渣粉掺量分别为30%、40%、50%和70%时，混凝土3 d的抗压强度分别下降了28.49%、48.92%、48.39%和67.42%，7 d的抗压强度分别下降了9.88%、17.00%、26.09%和22.53%。这是因为掺和料的加入使胶凝材料中水泥的用量减小，而矿渣粉的火山灰效应相对较慢，细集料作用对早期混凝土强度提升不明显。随着龄期的增长，掺入矿渣粉的混凝土抗压强度逐渐提升，当龄期为14 d和28 d时，试验组抗压强度均高于C0组。其中，矿渣粉掺量分别为30%、40%的试验组在龄期为14 d、28 d时，抗压强度较同一龄期C0组提升13.25%、13.03%和5.82%、12.94%。矿渣粉掺量分别为50%、70%的试验组在龄期为14 d、28 d时，抗压强度较同一龄期C0组提升3.15%、4.51%、5.76%和2.60%。这表明随着养护龄期的增长，矿渣粉充分水化，水化产物数量逐渐增加，弥补了早期强度下降的缺陷，抗压强度不断提升。此外，试验结果表明，矿渣粉掺量为30%时最有利于混凝土强度的增长，在龄期为14 d时抗压强度超过C0组，并保持着较高的抗压强度增长速率。

图2 不同掺量矿渣粉对混凝土抗压强度的影响曲线Fig.2 Influence curve of different content of slag powder on the compressive strength of concrete

2.3 石灰石粉对抗压强度的影响

不同石灰石粉掺量混凝土的抗压强度随龄期的变化如图3所示。由图3可知，石灰石粉的掺入不利于混凝土早期抗压强度发展，且抗压强度与掺量呈负相关。与C0组相比，石灰石粉掺量分别为4%、7%和10%时，混凝土3 d的抗压强度分别下降了23.66%、29.56%和50.00%，28 d的抗压强度分别下降了0.40%、18.78%和28.94%。这主要是因为石灰石粉是一种惰性材料，对水泥的水化无促进作用，石灰石粉的掺入虽然增加了胶凝材料的级配，但同时也降低了水泥的含量，导致水化产物的含量降低，所以掺入石灰石粉的混凝土的抗压强度会随着石灰石粉掺量的上升而下降[9]。

图3 石灰石粉对混凝土抗压强度的影响曲线Fig.3 Influence curve of limestone powder on the compressive strength of concrete

2.4 混掺粉煤灰和矿渣粉对抗压强度的影响

粉煤灰和矿渣粉混掺混凝土在不同掺量下抗压强度随龄期的变化如图4所示。从图中可以看出，大量内掺矿物掺和料对混凝土的早期强度有较大影响。粉煤灰和矿渣粉混掺混凝土的抗压强度较C0组降低50%以上，其中当粉煤灰和矿渣粉掺量为10%、40%时，抗压强度降低幅度最大，达62.37%。

图4 混掺粉煤灰和矿渣粉对抗压强度的影响曲线Fig.4 Influence curve of mixed fly ash and slag powder on the compressive strength of concrete

但随着龄期的增长，混掺粉煤灰和矿渣粉混凝土抗压强度与C0组的差距逐渐减小，这表明此时矿物掺和料的火山灰效应发挥作用，一定程度上弥补了早期由于水泥用量减少而导致的强度损失。与C0组相比，粉煤灰和矿渣粉掺量分别为10%、40%时，混凝土28 d的抗压强度降幅最大，达11.8%，而当粉煤灰和矿渣粉掺量分别为30%、20%和20%、30%时，28 d的抗压强度相差不大，仅下降了3.56%和0.38%。由此可见，尽管混掺粉煤灰和矿渣粉会引起早期混凝土强度的大幅下降，但随着龄期的增长，矿物掺和料的火山灰效应和细集料效应逐步发挥作用，矿渣粉早期提供的强度也在一定程度上弥补了掺入粉煤灰后混凝土早期强度下降的缺陷，形成了优势互补效应，与此同时，粉煤灰的二次水化反应又可以使强度继续增长[10]，所以养护后期混掺粉煤灰和矿渣粉混凝土的强度与未掺矿物掺和料的混凝土相差不大。试验结果表明，在三种不同掺量中，当粉煤灰和矿渣粉的掺量为30%、20%时，混凝土养护后期的抗压强度损失最少。

3 结论

粉煤灰的掺入不利于混凝土早期抗压强度发展，但10%掺量粉煤灰混凝土在各个龄期内抗压强度与未掺矿物掺和料的混凝土相差不大。

混凝土的抗压强度随着矿渣粉掺量的增加先上升后下降，其中矿渣粉掺量为30%时，混凝土28 d的抗压强度最高，对结构的改善效果最好。

石灰石粉的掺入会降低混凝土的抗压强度，且随着掺量的增加，降幅增大。

混掺粉煤灰和矿渣粉的混凝土在养护早期抗压强度会出现大幅下降，但由于粉煤灰与矿渣粉之间的优势互补效应，养护后期抗压强度值介于单掺粉煤灰与单掺矿渣粉混凝土之间。