矿物掺合料对高性能混凝土性能的影响研究

刘 雍

(江西省交通运输科学研究院有限公司,江西 南昌 330200)

0 引言

高性能混凝土是采用常规材料和工艺生产,具有混凝土结构所要求的各项力学性能,且具有高耐久性和高体积稳定性的混凝土[1]。我国西南地区云贵川渝三省一市按照“十四五”规划正在大力发展高速公路建设,这些地区地形起伏大、地质灾害多和不佳的环境条件,给施工带来了很大的难度,并且对混凝土的耐久性带来了不利影响。面对这一系列的问题,施工技术人员往往只是单纯地提高水泥剂量或标号来保证混凝土的强度,事实证明这个方法对混凝土的耐久性有着很大的损害。高性能混凝土有着优异的工程稳定性、力学性能、耐久性能,并可以在工程中进行应用推广,对于改善质量、减少工程造价和减少对环境的污染具有重大价值。

对于高性能混凝土的推行和使用,应该因地制宜,依据工程地区实际条件,选取合适类型的矿物掺合料以及掺配比例。[2]本文结合四川省九寨沟(甘川界)至绵阳高速公路中某施工合同段,以强度等级为C30的高性能混凝土做为主要研究目标,探讨了改变矿物掺合料掺量对混凝土的力学性能和耐久性能的作用,以期能够给实际公路桥梁工程提供参考。

1 原材料及配合比情况

1.1 原材料

水泥:采用文县祁连山水泥有限公司P·O42.5水泥,其主要技术指标检测结果见表1。

表1 水泥主要技术指标检测结果表

粗集料:采用九寨沟县建投建材销售有限公司(黄阳砂石厂)生产的碎石,规格分别为5～10 mm、10～20 mm、16～25 mm,掺配比例为5～10 mm:10～20 mm:16～25 mm=15%∶50%∶35%,其主要技术指标检测结果见表2。

表2 粗集料主要技术指标检测结果表

细集料:采用九寨沟县建投建材销售有限公司(黄阳砂石厂)的机制砂,规格为0～4.75 mm,其主要技术指标检测结果见表3。

表3 细集料主要技术指标检测结果表

粉煤灰:选用大唐略阳发电有限责任公司生产的F类Ⅱ级粉煤灰,其主要技术指标检测结果见表4。

表4 粉煤灰主要技术指标检测结果表

矿渣粉:选用神话四川能源有限公司江油发电厂生产的S95级矿渣粉,其主要技术指标检测结果见表5。

表5 矿渣粉主要技术指标检测结果表

外加剂:选用贵州龙之源新材料有限公司生产的LZY-S2型聚羧酸高性能减水剂,其主要技术指标检测结果见表6。

表6 外加剂主要技术指标检测结果表

拌和用水:自来水。

1.2 混凝土配合比

混凝土配合比以C30强度等级设计,砂率为43%,水胶比为0.41,基准配合比参数见表7。

表7 基准配合比参数表

在基准混凝土配合比的基础上,以粉煤灰、矿渣粉作为主要矿物填充料,采用以单掺和按配合比复掺等量替代原水泥的技术,探讨主要矿物填充料对改善混凝土力学性能和耐久性能的作用。单掺粉煤灰的混凝土编号为B1～B3,等量替代水泥比例依次为10%、20%、30%;单掺矿渣粉的混凝土编号为C1～C3,等量替代水泥比例依次为10%、20%、30%;二者复掺的混凝土编号为D1～D3,其总掺量是30%,二者掺入比例分别为粉煤灰:矿渣粉=20%∶10%、粉煤灰:矿渣粉=15%∶15%、粉煤灰:矿渣粉=10%∶20%。掺入矿物掺合料混凝土配合比参数见表8。

表8 掺入矿物掺合料配合比参数表

2 试验结果与分析

2.1 矿物掺合料对高性能混凝土抗压强度的影响作用

未掺入矿物掺合料与掺入矿物掺合料的混凝土标准试件抗压强度试验结果见表9。

表9 高性能混凝土抗压强度试验结果表(MPa)

图1 粉煤灰掺量与抗压强度关系曲线图

图2 矿渣粉掺量与抗压强度关系曲线图

由图1和图2可以看出,在胶凝材料总量及水胶比相同的条件下,混凝土的抗压强度随着矿物掺合料掺量的增加而逐渐降低,特别是在混凝土的早期强度,而在龄期28～56 d,混凝土抗压强度有较大幅度上升。这是因为粉煤灰和矿渣粉都必须与水泥熟料水化物Ca(OH)2产生化学反应,才能形成有胶凝性的水化物,而这种反应速度又低于混凝土水化速率。所以,当用粉煤灰、矿渣粉二种矿物填充料等量替代水泥时,可使胶凝体系的水化速度大大减缓[2]。

图3 不同矿物掺合料混凝土抗压强度曲线图

从图3可以得知,两种矿物质复掺的混凝土3 d、7 d、28 d、56 d龄期时的抗压强度均要大于单掺其中一种矿物掺合料的混凝土。这是由于二者有较好的 “强度互补效应”。粉煤灰和矿渣粉复掺综合利用还可以增加水泥混凝土的早期强度和后期强度。试验资料也证实,当矿渣粉与Ⅱ型粉煤灰水泥的复合共取代水泥40%,当二者比值约为1∶2时,混凝土基料最致密,所表现的强度也最大[3]。所以在工程建设中,应该根据区域的不同、工程的特点和各种矿物掺合料实际生产情况,选择最佳的掺配方式使混凝土配合比得到最大的优化,以提高工程质量[4]。

2.2 矿物掺合料对高性能混凝土抗氯离子渗透特性的影响作用

氯化物离子的入侵是造成混凝土中钢筋腐蚀的主要因素,目前电通量法是测量钢筋混凝土耐氯化物离子侵蚀特性的重要手段。基准配合比高性能混凝土与掺入矿物掺合料的高性能混凝土抗氯离子渗透性能检测结果见表10。

表10 高性能混凝土电通量检测结果表(C)

图4 粉煤灰或矿渣粉单掺掺量与电通量关系曲线图

图5 粉煤灰与矿渣粉复掺掺量与电通量关系曲线图

从图4、图5可以得知,随着矿物掺合料掺量的增加,混凝土的电通量呈现不断降低的趋势,说明了矿物掺合料能够有效地改善混凝土抗氯离子渗透性能,提高结构的耐久性能。这主要由于矿物填充料的数量增加后,不但填满了混凝土中的毛细孔,还将毛细孔分割为一些细孔。随着毛细孔总量的减少,孔隙和孔径也相应减少,加上矿物填充料与水泥中的主要水化产物Ca(OH)2产生了二次水化,水化产物迅速填满了孔隙,混凝土的紧密程度得以明显改善,从而有助于改进混凝土的耐氯离子侵蚀特性[5]。

由图5还可以看出,当胶凝材料总量和掺合料掺量不变的条件下,粉煤灰与矿渣粉复掺掺量比例为2:1时,混凝土电通量最低,而后随着粉煤灰掺量的减少,混凝土电通量逐渐增加。两种填充料掺比例的变化将使得胶凝材料出现不同的配和叠加效果,当胶凝体系级配出现最优情况时,混凝土的密实性可以达到最佳状态,从而提高混凝土的抗氯离子渗透性能。

2.3 矿物掺合料对高性能混凝土抗冻性能的影响

高性能混凝土抗冻性能试验适用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)中的快冻法,各组试件每冻融循环25次测定一次动弹性模量和质量损失,混凝土的抗冻等级用相对动弹性模量下降至≥60%或者质量损失率≤5%时的最大冻融循环次数来确定,并用符号F表示[6]。混凝土质量损失率检测结果见表11,相对动弹性模量试验结果见表12。

表11 混凝土冻融循环质量损失率检测结果表(%)

表12 混凝土冻融循环相对动弹性模量试验结果表(%)

由表11和表12可以看出,基准配合比混凝土抗冻性能最佳,抗冻级别为F200。在矿物掺合料掺量相同的情况下,单掺其中一种矿物掺合料对混凝土抗冻特性的影响也基本一样。当粉煤灰或矿渣粉掺量控制在10%时,混凝土试件能够经受冻融循环200次,但混凝土的抗冻性能随着矿物掺合料掺量的增加而渐渐下降。掺量在20%时,混凝土试件在冻融循环150次时出现了破坏,其中B2组混凝土试件冻融循环相对动弹性模量为56.3%、质量损失率为6.22%,C2组混凝土试件冻融循环相对动弹性模量为57.2%、质量损失率为5.44%。当矿物掺合料掺量增加至30%时,混凝土试件经受冻融循环次数也将相应降低。当粉煤灰与矿渣粉复掺总量控制在总胶凝材料的30%,二者掺配比例为2∶1时,混凝土试件最先被破坏,仅经受了75次冻融循环。

3 结语

(1)在胶凝材料总量及水胶比相同的条件下,混凝土的抗压强度随着矿物掺合料掺量的增加而逐渐降低,但后期强度基本与基准混凝土相同。两者复掺时,各个龄期抗压强度都要高于单掺时的强度。

(2)矿物掺合料的掺入可以提高混凝土耐氯离子特性,改善混凝土耐久性能。当粉煤灰和矿渣粉复掺比例为2∶1时,混凝土电通量最小,仅为847.7 C。

(3)随着矿物填充料掺量的提高,混凝土的抗冻性越来越差。因此,混凝土的抗冻特性是必须经过严格的试验才能确定矿物掺合料的掺量,必要时还需加入引气性剂以改善混凝土的抗冻特性。