低温条件下大掺量磨细矿渣混凝土力学性能研究

袁雪莲，胡 杰

1.皖江工学院土木工程学院，安徽马鞍山，243001;

2.马鞍山市中鑫工程质量检测咨询有限公司，安徽马鞍山 243001

我国北部沿海地区冬季寒冷，气温最低可达-20 ℃以下，东三省冬期施工长达3～6个月[1]，工程所占比重可达30%，寒冷地区混凝土建筑的施工安全越来越受到人们的重视[2]。混凝土是建筑、桥梁、隧道、水工等工程领域中应用最广泛的一种材料，施工温度降到4℃以下，混凝土中水分受冷膨胀，孔隙内自由水冻结，混凝土强度会随着未冻结孔隙的减少和液相的固态转变而提高，强度较低的混凝土产生破坏。因此，低温下服役的混凝土力学性能会受到一定的影响。低温下混凝土的力学性能主要表现为以下四个特征[3-8]：(1) 低温会导致混凝土弹性模量增加、强度提高；(2)低温时混凝土含水率越高则抗压强度增长越大，强度的增长跟含水率呈线性关系；(3)自由水冻结有利于提高混凝土强度，但是研究显示在-120 ℃时，冰的结构发生变化，如继续降温，混凝土的强度变化出现离散性；(4)反复冻融会降低混凝土在低温时的强度。

国内外学者也对大掺量磨细矿渣混凝土低温性能进行了报道，许贤敏和曹德辰[9-10]由试验说明可通过添加粉煤灰和硅灰等外加剂在低温海水条件下提高高强混凝土的性能，并分析了在此条件下混凝土受破坏的主要原因；程智清[11]研究了低温养护条件下混凝土早期强度，早强剂和矿渣的加入有助于混凝土早期强度的提高，而采用磨细矿渣与超细粉煤灰双掺的办法不仅可以有效地提高混凝土的早期强度，还能改善混凝土的和易性；刘军等[12]研究了不同掺量矿物掺合料的混凝土在低温条件下的强度发展情况。但是鲜有学者将低温环境和大掺量磨细矿渣混凝土进行耦合研究，本文系统地研究了低温条件下大掺量磨细矿渣混凝土的力学性能，探明低温条件下大掺量磨细矿渣混凝土的力学性能变化规律，为低温环境大掺量磨细矿渣混凝土的工程设计提供参考依据。

1 试 验

1.1 原材料

试验所使用的水泥为海螺公司生产的42.5普通硅酸盐水泥；试验用粗骨料为10～20 mm小石， 20～40 mm中石，比例为3∶7，所用小石及中石都符合《建筑用卵石，碎石》(GB/T14685-2001)标准要求，均为Ⅱ类碎石。试验所用细骨料砂为市场所购河砂，经检测细度模数2.3，为Ⅱ区Ⅱ类河砂，符合《建筑用砂》(GB/T14684-2001)标准要求。试验采用磨细矿渣作为掺合料，符合《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T18046-2000)标准中S105级的要求。试验所用外加剂为江苏博特新材料有限公司生产的HLC高效减水剂，符合《混凝土外加剂》(GB8076-2008)标准要求。

1.2 配合比

以配合比(磨细矿渣掺量)和试验温度为变量，统一标准养护，研究大掺量磨细矿渣混凝土在低温时的力学性能。试验样品分为KF0、KF55、KF65、KF75四个配合比分组，温度分组为20 ℃、-5 ℃、-20 ℃、-40 ℃四个分组，具体配合比如表1所示。

表1 大掺量磨细矿渣混凝土配合比

1.3 拌合物性能

本试验通过测量坍落度、坍落度损失、拌合物表观密度来衡量混凝土拌合物的性能。试验结果如表2中数据，四组混凝土拌合物均有坍落度损失，最小5.3%，最大达到了7.5%。可以发现，混凝土中加入矿渣后，流动性要好于未加矿渣的基准参照组，原因主要是矿渣的微集料效应。矿渣其比表面积比水泥大得多，因此颗粒也更加细小，当矿渣加进混凝土后，其细小颗粒能有效地填充水泥颗粒之间的各种缝隙，使得水泥浆体更加紧密，浆体的级配更加连续完整，降低标准稠度用水量，在保持相同用水量的条件下可以提高拌合物的流动性。

表2 混凝土拌合物性能

1.4 实验方法

本文中硬化浆体性能测试按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2001)进行，力学性能测试按照《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)的要求进行操作，试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的非标准试件，尺寸系数0.95。物相组成分析采用德国BRUKER D8 Advance型X射线衍射仪测定仪，显微结构分析采用日本HITACHI S3400-N型扫描电子显微镜。

本文测定选用维氏显微硬度。试样用净浆搅拌机搅拌成型。分为四组：一组为不掺磨细矿渣的纯水泥浆体，编号kf0，另三组分别为不同掺量磨细矿渣的水泥浆体，编号kf55、kf65、kf75，模具尺寸50 mm×50 mm×40 mm。恒温恒湿养护箱养护28 d后取出，切割成尺寸为5 mm×5 mm×10 mm的试样。试验前将测试面依次用240#、500#和1000#的金相砂纸进行打磨至表面光滑，再用抛光机对测试表面进行抛光，硬化水泥水泥表面反光度很低，因此，为了在测试时能够清晰地看到压痕的大小，需对测试表面进行喷金处理。显微硬度试验采用HDX-1000数显显微硬度仪，荷载大小为0.1 kgf，加压时间15秒。

2 结果与讨论

2.1 温度对不同矿渣粉掺量混凝土力学性能的影响

测试不同矿渣粉掺量混凝土的3 d、7 d、28 d、56 d抗压强度、温度对不同矿渣粉掺量混凝土力学性能的影响，试验结果见图1。

图1 不同温度条件下大掺量磨细矿渣混凝土的抗压强度

由图1可知，随着温度的降低，各组配比混凝土试样的抗压强度随之提高。不同配比的混凝土试样，其抗压强度都随龄期的增长而增大，但KF0早期强度(3 d、7 d)明显要高于掺入矿渣的另三组，如3 d、-20 ℃时，KF0、KF55、KF65、KF75的强度为35 MPa>34.2 MPa >34 MPa>33.3 MPa。随着龄期的发展，28 d时，后三组的强度追赶上甚至高于KF0。56 d时，几乎所有掺入矿渣的试样强度都要高于KF0，如56 d、-20 ℃时，KF0、KF55、KF65、KF75的强度为59.6 MPa、61.5 MPa、63.5 MPa、64.7 MPa。以28 d时KF65的抗压强度为例，KF65在-5 ℃时强度提升24.3%，-20 ℃时提升27.3%，-40 ℃提升35.8%。同时，温度越低，强度提升越明显。以28 d时KF65的抗压强度为例，-5 ℃、-20 ℃和-40 ℃的强度提升幅度为24.3%、27.3%、35.8%，温度越低强度提升幅度越大。这是由于混凝土中存在的裂隙与微裂缝孔径大小各异且连续分布，范围很广。然而在毛细作用的影响下，较小的孔隙先水饱和，然后过渡到大孔隙。由于弯曲液面的影响，孔隙水的液-固相变临界温度是随孔径的减小而降低。所以，低温时先是混凝土内较大的孔隙水冻结，温度降低到较小孔隙的临界温度时，较小孔隙水才开始冻结。所以当混凝土试样温度降到零下时，较大的孔隙其内部的水开始冻结，对混凝土的抗压强度起到提升的作用，如若温度降至更低，较小的孔隙水也开始冻结，更进一步提高混凝土的强度。

2.2 温度对不同矿渣粉掺量混凝土显微硬度的影响

测试不同矿渣粉掺量混凝土的3 d、7 d、28 d、56 d显微硬度、温度对不同矿渣粉掺量混凝土微观力学性能的影响，试验结果见图2。由图2可知，四组的显微硬度都随温度的降低而上升，例如KF65、28d时在20 ℃、-5 ℃、-20 ℃、-40 ℃的显微硬度为75HV0.1、89 HV0.1、95 HV0.1、96 HV0.1。压头压在硬化水泥浆体表面时，由于压头与浆体接触的区域及其周围有许多细小的孔隙，受压浆体并非致密的整体，测试得到的硬度受孔隙应力缺陷的削弱，不能真正代表浆体的硬度。而受低温冷冻后，孔隙内部水分冻结，将空洞撑满，受压时对孔隙起到一定的支撑作用，能显著地提高受压浆体的硬度。

图2 不同温度条件下大掺量磨细矿渣水泥浆体的显微硬度

虽然显微硬度随着温度的降低而升高，但总体趋势趋于平缓。如t-20对于t-5的提升要大于t-40对于t-20的提升。这是因为孔隙越小，内部的水只有在更低温度时才会冻结。t-20时，大部分的较大孔隙已经冻结，而温度降到t-40时，相比t-20只有少数细小孔隙的水分冻结，因此对受压局部浆体硬度的提升不再那么明显。但是四组显微硬度均在t-5时有较大幅度的增长，在0 ℃时大部分较大的孔隙中水分冻结，对硬度提升效果最明显。

2.3 不同矿渣粉掺量混凝土微观结构

2.3.1 XRD衍射分析

从图3中可以很明显地看出，掺入矿渣后水化产物中Ca(OH)2的含量明显变少。掺入矿渣的水泥加入水后，熟料与水反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙和氢氧化钙。整个浆体为碱性环境，Ca(OH)2作为矿渣的碱性激发剂，能够解离矿渣里的玻璃体结构，释放SiO2和Al2O3进入溶液，发生二次反应生成更多的水化硅酸钙和水化铝酸钙，使集料界面区Ca(OH)2晶粒变小，降低了孔隙率，提高了界面处的黏结力，提高了浆体的物理性能。

图3 纯水泥(SN)和掺入矿渣的水泥(KF)浆体图谱

2.3.2 SEM扫描电镜分析

由图4对比可直观看出，不掺磨细矿渣的纯水泥浆体和掺入矿渣的水泥浆体在500倍时没有太大区别，可见矿渣的掺入对硬化浆体中较大的孔隙没有起到明显的作用。在5 000倍时，掺入矿渣的硬化水泥浆体要比不掺磨细矿渣的纯水泥浆体致密些，水化产物间胶结更紧密，没有松散的片状晶体结构。细小孔隙减少了浆体内部的应力缺陷，提高了硬化浆体的强度。从图4中可明显看出，不掺磨细矿渣的纯水泥浆体硬化后孔洞内部有大量的钙矾石针状晶体，而掺入矿渣的浆体孔洞处较为致密平整。矿渣的加入大大地减少了钙矾石数量，硬化浆体更加致密，水化更加完全，强度更高。矿渣的作用是与氢氧化钙(Ca(OH)2)发生二次水化反应，从而消耗大部分的氢氧化钙，从XRD分析可以看出加入矿渣后浆体中氢氧化钙数量骤减，抑制了水化铝酸四钙的形成，最终减少钙矾石的生成。因此，SEM图谱中掺入矿渣的硬化水泥浆体中几乎找不到钙矾石的存在，矿渣作用明显。

图4 纯水泥(SN)和掺入矿渣的水泥(KF)浆体SEM图谱

3 结 论

本文研究了大掺量磨细矿渣混凝土在低温时的力学性能，设计混凝土立方体抗压试验、硬化水泥浆体XRD和SEM试验和显微硬度试验，得出结论如下：

(1)低温能提高混凝土的抗压性能。低温能将混凝土中的孔隙水冻结，冻结后的水填满孔隙和裂缝，在混凝土受压破坏时，对孔隙和裂缝起到一定的支撑粘结作用，延缓了裂纹的扩大和发展，提高混凝土的抗压强度；

(2)低温能提高硬化水泥浆体的显微硬度。低温能冻结受压局部浆体的内部孔隙水，冻结的孔隙水在孔隙受压时能起支撑作用，从而提高整体受压局部浆体的硬度。添加矿渣后使得硬化浆体的致密度更高、孔隙率更低，受压局部浆体更加密实，从而提高显微硬度。

(3)矿渣的掺入能有效降低硬化水泥浆体中氢氧化钙(Ca(OH)2)的含量，减小氢氧化钙晶粒的大小，从而大大地减少钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)的生成，使得松散的针状钙矾石晶体几乎不存在，提高了硬化水泥浆体的密实度，减小孔隙率，提高界面强度。