不同矿物掺合料掺量对海工混凝土力学性能影响分析

刘相龙，于云飞，王 俞，崔凤坤，郝秀红

(1.烟台市公路事业发展中心，山东 烟台 264001；2.山东交通学院，山东 济南 250357)

1 引 言

目前，海工混凝土因其具有较高的耐久性能以及良好的工作性能，越来越多的应用于沿海地区基础设施建设之中。为改善海工混凝土各方面性能，通常利用一定量的矿物掺合料代替等比例水泥，通过矿物掺合料自身性能方面的优势，弥补纯水泥混凝土的劣势，进而提高海工混凝土的工作性和耐久性。然而矿物掺合料在海工混凝土中的用量并非越多越好，过多掺量的矿物掺合料会降低水泥用量，进而严重影响海工混凝土自身的强度，因此有必要研究不同矿物掺料对海工混凝土力学性能影响，以求得到合理的矿物掺合料的用量，进而指导工程实践。

关于矿物掺合料用量对混凝土力学性能影响，国内外学者进行了一定的研究。其中，涂文懋[1]研究了复掺矿物掺料对海工混凝土力学性能的影响，研究表明矿物掺料可以提高海工混凝土抗压强度，但未提出不同矿物掺合料的合理范围；杨斌[2]等研究了粉煤灰和矿粉对混凝土强度的影响，研究表明复掺粉煤灰和矿粉对混凝土后期强度影响较大，但早期强度偏低；金凌志[3]等进行了不同掺合料掺料的活性粉末混凝土受压试验，研究发现粉煤灰比矿粉对活性粉末混凝土强度影响大；王洪[4]等对掺入硅灰的高强混凝土进行了研究，发现硅灰掺量为5%～9%时高强混凝土强度呈递增趋势，超过9%后高强混凝土强度开始下降。

综上所述，目前针对不同矿物掺料对普通混凝土的研究较多，专门针对海工混凝土力学性能的影响相对较少。为研究不同矿物掺合料对海工混凝土力学性能的影响，本文通过在混凝土中掺入硅灰、粉煤灰和矿粉三种矿物掺料，开展混凝土力学性能研究试验，分析不同矿物掺合料对混凝土力学性能的影响，从而得到海工混凝土抗压强度指最优标的矿物掺合料用量。

2 试验原材料及试验方案

2.1 原材料

(1)水泥采用PⅡ 52.5。

(2)不同矿物掺合料成分及物理性能见表1～表3。

表1 粉煤灰成分及物理性能

表2 矿粉S95成分及物理性能

表3 硅灰成分及物理性能

(3)细骨料采用天然河沙。

(4)粗骨料采用粒径分别为5～10 mm、10～20 mm的两种花岗岩。

2.2 试验方案

混凝土配合比设计:混凝土胶凝材料用量为483 kg/m3、细集料用量为716 kg/m3；粗集料用量为1 031 kg/m3，水用量为140 kg/m3，其中混凝土砂率为41%，水胶比为0.29，花岗岩两种粒径(5～10 mm、10～20 mm)占粗集料的比例分别为30%、70%，根据矿物掺合料的用量对减水剂用量进行调整，使混凝土的塌落度保持在170～200 mm。试验设计为平行试验，混凝土配合比具体见表4。

表4 混凝土配合比

3 试验结果及分析

(1)粉煤灰掺量对混凝土抗压强度的影响

改变粉煤灰掺量，混凝土7 d抗压强度和28 d抗压强度结果如图1所示。

图1 不同粉煤灰掺量混凝土7 d和28 d立方体抗压强度结果

由图1可知，混凝土强度会随着龄期延长而增长。当粉煤灰掺量为10%～30%时，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土7 d和28 d强度均呈现降低趋势。从微观角度来看，粉煤灰为微型球体，可以均匀地填充到水泥之间的空隙中[5]。而且早期未参加水化反应，因此掺入粉煤灰便降低了水泥所产生的总热量；另一方面部分粉煤灰还会吸收水化反应所释放的热量，相当于降低了水泥产生的热量，进而导致水泥水化反应减缓。综上两点可以看出随着粉煤灰掺量的增加，水泥强度会出现下降趋势。随着水泥水化反应的进行，水化产物Ca(OH)2和C—S—H将覆盖在粉煤灰表面，粉煤灰要进行二次水化反应不仅要将水化产物破坏掉，还需破坏其自身表面的致密玻璃质表层，因此粉煤灰二次水化反应较慢，影响混凝土强度的发展。

混凝土后期强度提升主要是由于水泥进一步发生水化反应，粉煤灰二次水化反应被激发，其生成的C3AH6和CaSiO3凝胶，将填充发生反应的粉煤灰周围空隙，并且可以消耗混凝土过渡区中的Ca(OH)2，改善混凝土内部结构，因此混凝土后期强度进一步得到发展。

(2)矿粉掺量对混凝土抗压强度的影响

改变矿粉掺量，混凝土7 d抗压强度和28 d抗压强度结果如图2所示。

图2 不同矿粉掺量混凝土7 d和28 d立方体抗压强度结果

由图2可知，矿粉掺量分别占胶凝材料的30%、40%、50%。掺量为30%和40%时，混凝土立方体抗压强度相近，但矿粉掺量为50%时，混凝土立方体抗压强度相对降低。矿粉掺量在40%时混凝土立方体抗压强度最大，随矿粉掺量的增加，混凝土立方体抗压强度呈现先增加后降低的趋势，原因是矿粉参与二次水化反应，改善混凝土内部空隙结构，增大混凝土密实度，因而强度增加，当矿粉掺量过大，水泥用量相对减少，导致混凝土强度出现下降。

(2)硅灰掺量对混凝土抗压强度的影响

改变硅灰掺量，混凝土7 d抗压强度和28 d抗压强度结果如图3所示。

图3 不同硅灰掺量混凝土7 d和28 d立方体抗压强度结果

由图3可知，硅灰掺量分别占胶凝材料的5%、10%、15%，掺量为5%的混凝土强度要优于掺量为10%和15%的混凝土，但是硅灰掺量在5%和10%时混凝土立方体抗压强度相近，但硅灰掺量在15%时混凝土立方体抗压强度明显出现下降，原因在于矿物掺合料出现火山灰反应会将Ca(OH)2不断消耗，随着混凝土龄期的增长，混凝土内部已经形成致密结构，对于SiO2含量较高的矿物掺合料，还需要继续消耗Ca(OH)2，由表3可知硅灰中的SiO2含量高达96.46%，因此过量的硅灰会在混凝土内部产生不良影响，而这种影响会随着龄期的增长而逐渐下降。

4 结 论

通过研究发现不同矿物掺合料对海工混凝土力学性能有不同影响，掺入适量的矿物掺合料才能提高混凝土力学性能。

(1)粉煤灰掺量为10%～30%时，海工混凝土强度会随着粉煤灰掺量的增加而降低。

(2)矿粉对提高混凝土力学性能具有一定的影响，然而过量的矿粉掺量会导致混凝土强度下降。

(3)硅灰掺量为5%和10%时，海工混凝土抗压强度相近，但是硅灰掺入量达到15%时会对混凝土力学性能产生一定的不利影响。

(4)分析不同规范中矿物掺合料的掺量要求，在满足特定环境条件要求的前提下，尽量控制矿物掺合料的掺量，以保证混凝土对力学性能的要求。