矿渣风积沙混凝土力学性能试验研究*

王尧鸿 曹建勋 姜丽云 董 伟 张 宇

(1.内蒙古工业大学土木工程学院， 呼和浩特 010051； 2.内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室， 呼和浩特 010051；3.内蒙古科技大学土木工程学院， 内蒙古包头 014010)

河沙是制备混凝土的主要原材料之一。近年来，由于我国基础设施建设对混凝土需求量不断增加，河沙资源逐渐枯竭、成本提高，很多地区非法盗采河沙的行为对河道环境造成严重的破坏。与此同时，在我国西北干旱、半干旱地区有着大面积的沙漠，风积沙资源较为丰富。为了减少河沙资源被过度开采，已有专家学者研究利用风积沙部分替代河沙制备风积沙混凝土。其中申向东等利用风积沙替代部分河沙配制风积沙混凝土，研究冻融-碳化耦合作用下风积沙混凝土耐久性的影响，结果表明风积沙的加入对混凝土抗冻融、抗碳化的能力有所提高[1]；王尧鸿等研究了风积沙取代河水带来的填充效应对细骨料孔隙率的影响规律，结果表明以细砂为研究基础的细骨料孔隙率整体呈现为上升趋势[2]；杨维武等通过正交试验研究沙漠沙高强混凝土力学性能，结果表明沙漠沙最佳取代率为0%～40%[3]。但是，在国内针对风积沙和矿渣在混凝土中的应用研究还比较少。矿渣作为一种常见的矿物掺和料，它是由高炉炼铁得到的以硅铝酸钙为主的熔融物，具有较高的潜在活性。矿渣微粉是矿渣磨细后的产物，等量取代部分水泥掺入混凝土中，一方面可降低混凝土的水化放热、延缓凝结时间、改善耐久性[4-6]，另一方面可将工业废料变废为宝，起到保护环境的作用。

因此，在已有研究的基础上，利用矿渣和风积沙2种材料，分别以一定的取代率取代水泥和河沙，配制单掺矿渣、单掺风积沙及复掺矿渣风积沙的3种混凝土试块，通过试验研究各试块的抗压强度、劈裂强度和抗折强度的变化规律及复掺矿渣、风积沙情况下混凝土与钢筋的黏结性能。

1 试验概况

1.1 试验原材料

本试验所采用的河沙选用普通水洗砂，表观密度为2 576 kg/m3，堆积密度为1 790 kg/m3，含泥量为2.8%，细度模数为2.91。水泥选用P·O 42.5级水泥。风积沙选用鄂尔多斯市库布齐沙漠表层特细砂，含泥量为0.9%，细度模数为0.75，表观密度为2 550 kg/m3，堆积密度为1 520 kg/m3。石子选用粒径为5～25 mm的碎石，连续级配，堆积密度为1 567 kg/m3，表观密度为2 680 kg/m3。外加剂选用萘系减水剂。粉煤灰选用Ⅱ级粉煤灰。矿渣粉选用S95级矿渣粉。选用自来水拌制混凝土试块。风积沙和河沙的主要化学成分见表1，矿渣粉的性能指标见表2，矿渣粉和粉煤灰的主要化学成分见表3。

表1 风积沙和天然河沙主要化学成分Table 1 Main chemistry of aeolian sand and natural river sand %

表2 矿渣粉性能指标Table 2 Performance indexes of slag powder

表3 矿渣粉和粉煤灰主要化学成分Table 3 Main chemistry of slag powder and fly ash %

1.2 试块设计和试验配合比

本试验设计制作了3种混凝土试块，分别对其进行立方体抗压、劈裂抗拉、抗折和微观试验。其中对于单掺矿渣混凝土试块，矿渣取代率分别为10%、20%和30%；对于单掺风积沙混凝土试块，风积沙取代率分别为10%、20%和30%；对于复掺矿渣、风积沙混凝土试块，矿渣取代率均为30%，风积沙取代率分别为10%、20%、30%。共设计10种配合比，配合比设计见表4，表中配合比编号字母的意义：F表示风积沙，K表示矿渣；字母后的数字分别表示风积沙、矿渣的取代率。每个配合比编号下，制作9个试块，其中3个用于抗压强度试验(尺寸为100 mm×100 mm×100 mm)，3个用于劈裂抗拉强度试验(尺寸为100 mm×100 mm×100 mm)，3个用于抗折强度试验(尺寸为100 mm×100 mm×400 mm)。在数据处理时，考虑试块的尺寸效应，通过乘以换算系数得到标准试块的强度值。

表4 用矿渣和风积沙分别取代等质量水泥和河沙的试验配合比Table 4 Test mix proportion of slag and aeolian sand instead of cement and river sand respectively

2 试验结果与分析

2.1 试块破坏形态及力学性能试验结果

所得标准试块的混凝土强度试验结果见表5，试块破坏形态如图1所示。

表5 不同配合比下混凝土的基本力学性能Table 5 Basic mechanical properties of concrete in different mix proportion MPa

a—抗压破坏形态； b—劈裂破坏形态； c—抗折破坏形态。图1 试块破坏形态Fig.1 The failure modes of specimens

2.2 单掺复掺矿渣、风积沙混凝土微观结构分析

为了深入了解矿渣和风积沙的掺入对混凝土强度影响的机理，分别选取F0K30、F30K0、F30K30和F0K0 4组试块进行SEM扫描电镜试验，试验结果如图2所示。

a—F0K0组； b—F0K30组； c—F30K0组； d—F30K30组。图2 28 d试块的SEM图Fig.2 SEM images of specimens after subjected to curing for 28 days

结合各试块内部的化学组成成分分析如下：从图2a中可以看到有较多微裂缝、孔洞和少量白色片状物(Ca(OH)2)存在，且Ca(OH)2自身强度比较低，在外力作用下容易引起裂缝的产生，造成混凝土破坏。从图2b中可以看到，存在球状和半球状的矿渣粉颗粒以及较少网络状水化硅酸钙(C-S-H) 凝胶，并且混凝土孔隙率和微裂缝有所减少。一部分矿渣表面不再光滑，且片层状Ca(OH)2晶体明显减少，表明矿渣和水泥的水化产物已经参与到水泥的二次水化反应当中，形成强度和稳定性更好的网络状C-S-H凝胶；另一部分矿渣填充于水泥石的孔洞和空隙当中，发挥了矿渣的填充效应。从图2c中可以看到，存在较多光滑的风积沙颗粒以及较多网络状C-S-H凝胶，并且混凝土孔隙率和微裂缝明显降低。由于水泥石孔洞和空隙中存在风积沙颗粒，表明风积沙起到了填充作用；另外，风积沙中含有较多的SiO2，会与水泥提供的水化产物Ca(OH)2发生反应，形成较多C-S-H凝胶，说明风积沙同样能够参与水泥的二次水化反应。从图2d中可以看到，矿渣和风积沙颗粒与水泥石紧密包裹在一起，且存在较少的片层状Ca(OH)2晶体以及大量的网络状C-S-H凝胶，并且矿渣风积沙混凝土孔隙率较风积沙混凝土进一步降低而微裂缝几乎看不到。由此看来，复掺矿渣和风积沙，对混凝土密实度的提高作用更为显著。混凝土的这种微观结构在一定程度上能够反应其宏观力学特性。

2.3 力学试验结果分析

2.3.1单掺矿渣、风积沙的情况

由表5可知：单掺矿渣情况下，随着矿渣取代率的提高，试块抗压强度和劈裂强度先增大后降低，而抗折强度逐渐降低。其中在矿渣取代率为20%时，矿渣混凝土抗压强度和劈裂强度分别比试块F0K0提高了2.9%、2.1%。在矿渣取代率为30%时，矿渣混凝土抗压强度和劈裂强度与普通混凝土相近，且抗压强度和劈裂强度分别比试块F0K0提高了1.1%、0.9%，说明单掺矿渣取代水泥的比率不宜大于30%。单掺风积沙情况下，风积沙取代率为10%～30%时，随着风积沙取代河沙比率的提高，风积沙混凝土试块抗压强度与劈裂强度均有所提高，而抗折强度有所降低。风积沙取代率分别为10%、20%、30%时，风积沙混凝土试块的抗压强度比试块F0K0提高了3.4%、9.5%、17.1%，劈裂强度比试块F0K0提高了9.6%、20.9%、31.1%，抗折强度比试块F0K0降低了1.6%、2.7%、3.8%。通过上述试验数据分析可以看出，单掺风积沙比单掺矿渣对混凝土抗压强度和劈裂强度提高的作用更明显，但单掺矿渣和单掺风积均会使混凝土抗折强度有所降低[7-8]。

2.3.2复掺矿渣、风积沙的情况

由表5可知：复掺矿渣、风积沙情况下，矿渣风积沙混凝土试块的抗压强度、劈裂强度随着风积沙取代率的增加而提高，且抗压强度比试块F0K0提高了5.5%、13.3%、20.9%，劈裂强度比试块F0K0提高了11.9%、24.1%、35.2%，而抗折强度有所降低，且比试块F0K0降低了1.1%、2%、2.7%。由图3可以看出：复掺矿渣风积沙与单掺风积沙相比，2种方式对试块抗压强度和劈裂强度的提高都有促进作用，且矿渣风积沙混凝土比风积沙混凝土抗压强度提高了2.1%、3.5%、3.2%，劈裂强度提高了2.1%、2.6%、3.1%，抗折强度提高了0.4%、0.7%、0.9%。说明矿渣的掺入对风积沙混凝土强度的提高有一定的促进作用。由此看来，采用复掺的方式，利用矿渣和风积沙分别取代部分水泥和河沙来制备混凝土，在一定取代率范围内可以满足混凝土力学性能，并且能达到节约资源的目的。产生上述结果与风积沙和矿渣的物理化学特性息息相关。一方面，风积沙的主要颗粒组成为0.075～0.250 mm，掺入适量的风积沙，改善了混凝土骨料的颗粒级配，使得风积沙、河沙和石子的不同粒径相互填隙；在振捣时风积沙更易进入孔隙，使得混凝土达到最密实状态，发挥填充效应的作用，进而提高了混凝土的密实度。另一方面，由于矿渣的掺入，矿渣中的CaO和水泥水化生成Ca(OH)2，共同提高了混凝土的含碱度(OH-)，在碱的激发下，促使风积沙中的SiO2与水化产物发生二次反应生成强度更高、稳定性更好的C-S-H凝胶。由于矿渣颗粒和风积沙颗粒与C-S-H凝胶紧密结合，共同填充在孔隙当中，提高了混凝土的密实度[9-10]。

—风积沙混凝土； —矿渣风积沙混凝土。图3 风积沙取代率对矿渣风积沙混凝土与风积沙混凝土强度影响Fig.3 Influence of the replacement ratios of aeolian sand on the strength of concrete mixed with slag and aeolian sand together and mixed aeolian sand alone

图4为矿渣风积沙混凝土立方体抗压强度与劈裂强度关系的试验值和拟合线。从中可以看出：矿渣风积沙混凝土劈裂强度随着抗压强度的增大而增大，其劈裂强度与抗压强度基本成线性关系,式(1)为矿渣风积沙混凝土劈裂与抗压强度拟合式，从拟合结果来看相关系数R2>0.92，说明该拟合式可以用于对矿渣取代率为30%和风积沙取代率不大于30%的矿渣风积沙混凝土劈裂强度与抗压强度之间的换算。

图4 fts与fcu关系拟合线Fig.4 The fitting curve between fts and fcu

fts=0.148 59×fcu-2.255 65

(1)

3 复掺矿渣、风积沙混凝土与钢筋的黏结性能试验

3.1 试验设计

本试验根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》的要求进行试验。共设计4种配合比，配合比设计见表4，每种配合比制作了3个试块。通过使用尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的标准铁模具制作试件，并且中间穿过长为500 mm、型号为HRB400、直径为14 mm的钢筋，靠近自由端钢筋黏结长度为75 mm，非黏结段通过钢筋上套PVC管来实现，并且用防水胶带将PVC管口封住。另外，还需测试标准混凝土的抗压强度。由于黏结试块与上述相同配合比的材料试块是同批制作，所以通过将上述100 mm×100 mm×100 mm的立方体抗压强度乘以尺寸效应系数0.95，可换算成150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体抗压强度。试块在标准养护条件下养护28 d后进行试验。

3.2 试验加载方式

本试验采用的加载装置为微机控制万能试验机，并严格按照GB/T 50152—2012 《混凝土结构试验方法标准》[11]中有关钢筋混凝土黏结试验的规定进行试验。加载速度应根据钢筋的直径确定，使黏结应力均匀增长。根据GB/T 50152—2012确定加载速度为5.88 kN/min。荷载作用下的黏结应力可按式(2)计算。

(2)

式中：d为钢筋直径，mm;ρ为外加荷载值，kN;τf为钢筋和混凝土的黏结应力，kN/mm2；α为混凝土抗压强度修正系数；la为钢筋的埋入长度，mm。

3.3 试验结果与分析

矿渣风积沙混凝土与钢筋黏结强度试验结果见表6，表中：Fu为破坏荷载，Su为最大滑移值，τfu为极限黏结强度。标准试块抗压强度见表5，矿渣风积沙混凝土试块的典型破坏形态如图5所示，试验所得黏结应力-滑移曲线见图6，风积沙取代率与矿渣风积沙混凝土黏结强度的关系曲线见图7。

图7 风积沙取代率对试件黏结强度的影响Fig.7 Influence of the replacement ratios of aeolian sand on the bonding strength of specimens

表6 矿渣风积沙中钢筋拔出试验结果Table 6 Pull-out test results of steel bars from concrete mixed with slag and aeolian sand

由图6可知，矿渣风积沙混凝土试块和普通混凝土试块的黏结应力-滑移曲线基本一致，大致可分为4个阶段：胶结上升阶段、滑移阶段、下降阶段、残余阶段[12]。加载初期，黏结强度主要由钢筋与混凝土之间的胶结力所提供的，一旦钢筋出现滑移胶结力就消失了，之后钢筋与混凝土间的摩阻力和机械咬合力起到抵抗拉拔荷载的主要作用。随着荷载的不断增大，试件外表面尚未出现裂缝，这时为黏结应力-滑移曲线的线性上升阶段，此阶段随着风积沙取代率(0、10%、20%、30%)的增长，其黏结应力-滑移曲线逐渐变陡，黏结强度也有所提高。当拉拔荷载达到极限荷载的95%时，进入滑移阶段，此时拉拔荷载上升缓慢、滑移值不断增大，试块外表面开始有微裂缝出现。当拉拔荷载达到极限荷载时，曲线进入下降阶段，试件内部及钢筋自由端处裂缝已形成，钢筋与混凝土间的摩阻力与机械咬合力大幅度减小，导致黏结强度快速下降，滑移值快速增大[13]。

图6 黏结应力-滑移曲线Fig.6 Bonding stress-slip curves

由表6和图7可知，矿渣取代率为30%、风积沙取代率为0～30%时，矿渣风积沙混凝土的黏结强度随着风积沙取代比率的提高而提高，分别比试块F0K0-L提高了7.94%、10.78%、15.32%，说明矿渣和风积沙2种材料共同作用能够有效提高矿渣风积沙混凝土与钢筋间的黏结性能。主要原因是矿渣具有活性效应、风积沙具有填充效应，在两者的共同作用下，一方面提高了试块内部混凝土的密实度；另一方面提高了试块内部C-S-H凝胶的含量。通过风积沙颗粒与C-S-H凝胶紧密结合并填充于孔隙中，提高了水泥石与骨料之间的黏结强度，从而矿渣风积沙混凝土与钢筋之间的握裹力有所增强。在水泥的二次水化反应过程中，碱的含量不断降低，又会促使矿渣中CaO进一步水化生成Ca(OH)2，使得混凝土中材料反应得更加充分，进而提高了矿渣风积沙混凝土的抗压强度，这也改善了矿渣风积沙混凝土与钢筋之间的黏结性能[13-14]。

3.4 掺和料作用机理

上述提到的水泥二次水化作用主要是以下化学反应机理[15]。水泥中CaO和SiO2为最主要的化学成分并以硅酸三钙和硅酸二钙的形式存在，水泥水化的主要反应为：

3CaO·SiO2+H2O→3CaO·2SiO2·

3H2O+Ca(OH)2

(3a)

2CaO·SiO2+H2O→3CaO·2SiO2·

3H2O+Ca(OH)2

(3b)

风积沙中最主要的成分为SiO2，矿渣中主要的成份为CaO。风积沙中SiO2会与水泥、矿渣水化生成的水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应，主要反应为：

xCa(OH)2+SiO2+n1H2O→

xCaO·SiO2·(n1+x)H2O

(4)

4 结束语

1)单掺矿渣情况下，随着矿渣取代水泥比率的提高，试块抗压强度、劈裂抗拉强度有先增大后降低的趋势，抗折强度则呈下降趋势，且单掺矿渣取代水泥的比率不宜大于30%；单掺风积沙情况下，随着风积沙取代河沙比率的提高，试块抗压强度与劈裂强度有所提高，而抗折强度有所降低。

2)风积沙取代率为30%的矿渣风积沙混凝土抗压强度、劈裂强度和抗折强度比风积沙混凝土高，说明矿渣的掺入对风积沙混凝土强度的提高有一定的促进作用。

3)复掺矿渣风积沙混凝土与钢筋的极限黏结强度随风积沙取代率的提高而提高，说明矿渣和风积沙2种材料共同作用能够有效提高矿渣风积沙混凝土与钢筋间的黏结性能。

4)在一定取代率范围内，采用复掺的方式，利用矿渣和风积沙分别取代部分水泥和河沙来制备矿渣风积沙混凝土，既可以满足矿渣风积沙混凝土力学性能的要求，也可以达到节约资源的目的。