矿物掺合料对高性能混凝土抗压强度的影响分析

赵立刚

(中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300000)

近些年，随着我国经济和工程技术的飞速发展，公路、铁路和城市轨道交通等工程难免遇到地质条件复杂、环境恶劣、施工困难及工程维修难度大等工况[1-2]，对混凝土构件的工作性、耐久性和稳定性有更高的要求[3-4]。基于施工方便，传统提高混凝土强度的方法为提高混凝土中水泥含量和单方用水量[5-6]，但相关研究及工程实践表明[7-8]，该方法不利于混凝土的耐久性[9]。高性能混凝土(HPC)[10-12]具有优秀的耐久性、力学性能和拌和物性能[13]，提高HPC应用性能的关键材料为外加剂和矿物掺合料[14]，矿物掺合料不仅可以提高HPC的力学性能和施工性能，还可大幅提高混凝土的耐久性[15]。目前国内外对HPC的研究与应用取得了较大进展[16]，但针对不同类型及含量矿物掺合料对HPC抗压强度随时间变化的规律研究较少。基于此，本文设计了13组混凝土试件，研究粉煤灰、矿渣粉、石灰粉以及双掺粉煤灰和矿渣粉在不同龄期对HPC抗压强度的影响规律。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

本试验水泥为42.5级硅酸盐水泥，其28d抗压和抗折强度分别为58.1MPa和8.90MPa，标准稠度和细度分别为27.4%和0.5%。粉煤灰选用火电厂粉煤灰，比表面积为360m2/kg，需水量为96.9%。矿渣微粉的比表面积为535m2/kg，流动度比为110%。粗集料为级配碎石，其粒径在5.0～30.0mm之间，压碎值3.5%，针片状含量小于10%。细集料为江砂，属于中砂，细度模数为2.65，无碱活性。外加剂为减水率大于26%的高效减水剂。水泥、粉煤灰和矿渣微粉的原材料的组成见表1。

表1 原材料化学成分组成

1.2 配合比设计

本文共设计了13组试件(设计配合比见表2)，其中A为对照组，其不掺入任何矿物掺合料。B1～B3分别为粉煤灰掺合料10%、20%和30%，研究不同含量粉煤灰对混凝土抗压强度的影响。C1～C3分别为矿渣粉含量为30%、40%和50%，研究不同含量矿渣粉对混凝土抗压强度的影响。D1～D3为掺合不同含量粉煤灰和矿渣粉，具体为：D1:粉煤灰掺量为20%，矿渣粉掺量为30%；D2:粉煤灰掺量为30%，矿渣粉掺量为20%；D3:粉煤灰掺量为10%，矿渣粉掺量为40%；研究双掺粉煤灰和矿渣粉对混凝土试块抗压强度影响。E1～E3分别为石灰石粉掺合料为10%、20%和30%，研究石灰石粉对混凝土试块抗压强度影响。

表2 配合比设计

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

不同配合比的混凝土设计在3d、7d、14d、28d时，分析混凝土抗压强度(见表3)。

表3 HPC抗压强度试验结果 (单位：MPa)

2.2 粉煤灰掺量对HPC抗压强度的影响

不同龄期，粉煤灰掺量分别为10%、20%和30%时，分析混凝土抗压强度(见图1)。由图1可知，与对照组A相比，掺入粉煤灰的B1～B3在3d和7d龄期的抗压强度均较低，且粉煤灰含量越高，其对应的抗压强度越低，这说明粉煤灰的水化进程较为缓慢。但当28d龄期时，由于粉煤灰掺入引起的强度损失显著减小，其原因为粉煤灰中的Al2O3和SiO2与水泥中的Ca(OH)2发生化学反应产生硅铝酸钙，加速了水泥水化反应。而且Ca(OH)2与粉煤灰表面结合，产生一层薄膜，由于薄膜的存在使得混凝土抗压强度的增速减缓。但随着水化反应的持续发展，薄膜会被破坏，此时水泥水化物和粉煤灰颗粒间形成紧密、交叉结构，可以显著提高混凝土的抗压强度。

图1 粉煤灰掺量对HPC抗压强度的影响规律

2.3 矿渣粉掺量对HPC抗压强度的影响

不同龄期，粉煤灰掺量分别为30%、40%和50%时，分析混凝土抗压强度(见图2)。

图2 矿渣粉掺量对HPC抗压强度的影响规律

由图2可知，与对照组A相比，C1～C3在3d和7d龄期混凝土抗压强度下降分别为28.51%和9.91%、48.89%和16.98%、48.41%和26.10%，因此矿渣粉含量越高，强度下降越显著，其原因为矿渣粉相较于水泥，其火山灰效应缓慢。但14d和28d龄期，掺入矿渣粉的混凝土试件抗压强度均比对照组A高，其中的粉煤灰掺量为30%时抗压强度增幅最大。因此掺入矿渣粉的混凝土前期强度较低，随着龄期的延长，矿渣粉水化反应更为完全，可较为显著地提高混凝土强度，其中矿渣粉为30%时对混凝土抗压强度的增加最有利。

2.4 双掺粉煤灰和矿渣粉对HPC抗压强度的影响

不同龄期，粉煤灰和矿渣粉不同掺量时，分析混凝土的抗压强度(见图3)。

图3 双掺对HPC抗压强度的影响规律

由图3可知，与对照组A相比，3d龄期3组抗压强度降幅均大于50%，可知，矿物掺合料对混凝土早期的抗压强度影响非常大。随着龄期的增加，D1～D3的抗压强度与对照组A差距越来越小，其原因为随着时间的推移，矿物掺合料的火山灰效应逐渐增强了混凝土的强度。28d龄期时，D3的抗压强度最低，D1和D2与对照组A较为接近，其中D1与A对应试件的抗压强度仅差0.35%，因此尽管矿渣粉和粉煤灰的加入会引起前期混凝土强度的下降，但当矿渣粉和粉煤灰比例合适时，可较好地发挥火山灰效应，两者相互结合，具体为矿渣粉的加入可以减缓由于粉煤灰加入造成的前期混凝土强度降低的现象，而粉煤灰的二次水化反应又可以随着龄期的推移使混凝土强度持续增大。

2.5 石灰石粉掺量对HPC抗压强度的影响

不同龄期，石灰石粉掺量分别为5%、8%和10%时，分析混凝土抗压强度(见图4)。

图4 石灰石粉掺量对HPC抗压强度的影响规律

由图4可知，与对照组A相比，E1～E3在3d龄期和28d龄期混凝土抗压强度分别下降了24.01%和0.39%、29.49%和18.81%、49.87%和28.88%。由此可知，石灰石粉掺量越高，混凝土抗压强度越低，其原因为石灰石粉的加入虽然增加了胶凝材料含量，但降低了水泥的含量，石灰石粉作为惰性材料，加入后会减缓水泥水化，因此，形成了石灰石粉掺量越高，混凝土强度越低的规律。

3 结 论

混凝土掺入粉煤灰，会对混凝土早期的抗压强度发展产生不良影响，当粉煤灰掺量为10%时，在各龄期其与对照组抗压强度差别较小；随着矿渣粉掺量的增加，混凝土强度先增大后减小，其中矿渣粉为30%时对混凝土抗压强度的提高最有利，掺入矿渣粉可大幅提高混凝土的后期强度；双掺矿渣粉和粉煤灰时，前期混凝土抗压强度显著下降，但后期其抗压强度介于单掺矿渣粉和单掺粉煤灰之间；石灰石粉为惰性材料，其掺入虽然增加了胶凝材料含量，但减缓了水泥的水化作用，降低混凝土强度，且掺量越高，混凝土强度下降幅度越大。