武重高速项目具备高强度混凝土生产条件
项目规划的3座拌和站已全部建成投产，已具备高强度混凝土生产条件，为后续工程建设提供强有力保障。
矿物掺和料对高强混凝土性能的影响
2008/02/01 00:00
来源：武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室
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| 摘要:试验研究了粉煤灰与矿粉及其掺量对高强混凝土工作性、强度、体积稳定性及耐久性的影响。结果表明：粉煤灰和矿粉可以显著的改善高强混凝土的工作性能，提高后期强度，降低脆性系数，且矿粉对高强混凝土的脆性改善作用更加显著。随着粉煤灰和矿粉的加入及掺量的提高，高强混凝土的早期弹模降低，徐变增加，随混凝土强度的逐渐发展，混凝土60d的龄期加荷的徐变及弹模接近于空白混凝土。粉煤灰与矿粉可以显著提高高强混凝土的抗氯离子渗透性能，但对高强混凝土抗冻型影响不明显，只有当掺和料掺量较高时（达到36%），粉煤灰才会降低高强混凝土的抗冻性。 关键词:高强混凝土 粉煤灰 矿粉 脆性 耐久性 随着建筑业的迅速发展，现代建筑工程逐渐向大跨度、重载、高耸结构发展，工程上对混凝土强度和耐久性的要求越来越高。提高混凝土耐久性的最佳方法就是采用活性矿物掺和料取代部分水泥。在配制混凝土时，加入较大量矿物掺和料不仅能节约水泥，降低混凝土的水化热温升，而且由于掺合料的形态效应、微集料效应和火山灰效应能改善混凝土工作性，增进混凝土的后期强度，改善混凝土的内部结构，提高混凝土的抗裂性及耐久性的作用[1~4]，尤其是矿物掺和料对碱—集料反应的抑制作用已引起国内外专业人员的极大兴趣[5]。因此，矿物掺和料又被称为辅助性胶凝材料，是配制高性能混凝土不可缺少的组分。本文系统的研究了应用最为广泛的两种矿物掺和料—粉煤灰、矿粉对高强高性能混凝土的工作性、强度、体积稳定性及耐久性的影响，以期为矿粉、粉煤灰等矿物掺和料在高强高性能混凝土中应用提供技术参考。 1. 试验 1.1 原材料 葛洲坝水泥厂生产的52.5普通硅酸盐水泥，粗集料为5～25 mm连续级配碎石，细集料为中粗河砂（细度模数为2.85），粉煤灰为武汉阳逻电厂Ⅰ级灰，矿渣粉为武钢矿渣磨制。外加剂是武钢浩源化工有限公司生产的萘系高效减水剂FDN－9000。水泥、矿粉、粉煤灰的物理性质分别见表1、表2。 表 1 水泥的物理性质  1.2 试验方法 ① 拌合物性能按《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》（GB/T50080－2002）进行测试。 ② 抗压强度、静力受压弹性模量、抗折强度试验按《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081--2002）进行测试。混凝土抗压试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm立方体；静力受压弹性模量试件尺寸为150 mm×150 mm×300 mm棱柱体，选用对面贴应变片的方法测其变型；抗折试件尺寸采用150 mm×150 mm×550 mm棱柱体。 ③ 干缩和徐变性能按《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150--2001）进行测试。干缩采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试件，两端埋设金属测头，测长采用弓形螺旋测微器测量。试件成型标准养护1d后移入干缩恒温室立即测定基准长度，试件的干缩龄期以测基准长度后算起，分别为1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、180 d。干缩恒温室内的温度为20±2 ℃，相对湿度为60±5 %。徐变采用采用规格为ф150mm×450mm的试件，试件中心埋没DI--25型电阻应变计观测变形。徐变加荷应力取试件抗压强度的30%。徐变试件抗压强度近似取150 m×150 mm×150 mm试件强度的80%。试件加荷后，由于产生压缩变性会造成应力松弛，即当荷载变化大于2％时，进行压力调整。 ④ 氯离子扩散系数采用清华大学基于Nernst-Einstein方程开发的NEL型混凝土快速真空保盐装置及混凝土渗透性电测仪测试[6, 7]。试件尺寸100 mm×100 mm×50 mm，NaCl溶液浓度为4 mol/L。 ⑤ 抗冻融耐久性：按《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150－2001）进行测试。试件尺寸100 mm×100 mm×400 mm，测试龄期为28d，到达龄期前4d，将试件在20±3℃的水中浸泡4d。受冻和融化终了时，试件中心温度保持在（－17±2）℃和（8±2）℃。冻融循环试验机为北京燕科公司生产的TRD1型混凝土冻融试验设备，动弹性模量测试采用天津建筑仪器厂生产的DT－8W动弹仪。 2. 试验结果与分析 2.1 粉煤灰与矿粉对混凝土工作性和强度的影响 粉煤灰与矿粉对高强高性能混凝土工作性的影响见表3。  表3 粉煤灰与矿粉对混凝土工作性的影响 从表3新拌混凝土的工作性可以看出，粉煤灰和矿粉的加入可以改善了混凝土的工作性，且随粉煤灰和矿粉的加入这种改善作用更加明显，同时，粉煤灰和矿粉的加入，降低了混凝土的坍落度损失，尤其是粉煤灰的作用效果更加明显。粉煤灰和矿粉都属于玻璃态物质，能使水泥颗粒的絮凝结构解絮，降低新拌混凝土内部结构的粘度和颗粒之间的内摩擦力。矿物掺和料的视密度一般小于水泥，等质量取代水泥时能使混凝土浆体体积增加，增加浆体的润滑作用，改善混凝土的工作性。矿物掺和料还具有微集料效应，与水泥颗粒进行相互填充，使颗粒间的空隙减少，空隙水量降低，自由水量增加，进而也可提高混凝土的工作性。 同时，随矿物掺和料加入，新拌混凝土的坍落度损失也得到了明显的改善，尤其是加入粉煤灰，坍落度损失控制的作用效果更加显著，使混凝土的在60 min内的坍落度损失保持在10～20 mm范围。 表4 粉煤灰与矿粉对混凝土抗压强度和抗折强度的影响  表4列出了上述6个不同粉煤灰和矿渣掺量配合比的混凝土在不同龄期的抗压和抗折强度。结果显示，随矿物掺和料的加入，混凝土的早期强度具有不同程度的降低，尤其是粉煤灰的加入，对混凝土早期（7 d）强度降低的作用更加明显。28d时，低掺量矿物掺和料的混凝土（B、E组）强度已经接近空白混凝土强度，而当混凝土龄期达到90d时，中低掺量混凝土（B、C、E和F组）强度均已赶上并超过空白组混凝土的强度。只有当掺和料掺量较大时（粉煤灰掺量为36%时），混凝土的抗压强度略低于空白混凝土的强度。同时，无论是从早期还是后期混凝土强度的发展效果来看，磨细矿粉的增强效果要优于粉煤灰的增强效果。 掺加矿物掺和料的混凝土的抗折强度的变化规律与抗压强度相同，即矿物掺和料的加入均降低了混凝土早期的抗折强度，但后期强度增长较快，低掺量（14%）的混凝土28d强度接近空白试样，而达到90d时，掺加矿物掺和料的混凝土强度均以接近空白混凝土的抗折强度，尤其是掺加矿粉的混凝土，增长更加迅速，14%和25%掺量的混凝土均超过了空白的试样的强度。 从脆性系数大小可以看出，与空白样比较，掺入粉煤灰或矿粉后，混凝土各龄期的压折比值下降，且随粉煤灰或矿粉掺量增加，下降趋势越明显，即粉煤灰和矿粉的掺入减小了混凝土的脆性。相比而言，矿粉对脆性的改善更明显些。 粉煤灰和矿粉对混凝土的长期抗压、抗折强度具有较好的改善作用，且掺加矿物掺和料的混凝土脆性降低。可能是由于矿物掺和料微集料效应，改善了胶凝材料体系的颗粒分布，是系统颗粒堆积更加紧密。同时，矿物掺和料的火山灰效应，即矿物掺和料水化形成新的水化产物。矿物掺和料水化时，消耗了大量的Ca(OH)2，限制了Ca(OH)2的取向生长，提高粘结力，降低微裂纹的数量，从而改善了过渡层的性质，提高混凝土的后期强度。且矿物掺和料消耗Ca(OH)2，限制Ca(OH)2的取向生长，提高粘结力，降低微裂纹的数量，对混凝土的抗折强度提高作用更加明显。因此，矿物掺和料的加入可以降低混凝土的脆性。 2.2 粉煤灰与矿粉对混凝土体积稳定性的影响 2.2.1 粉煤灰与矿粉对混凝土弹性模量的影响 表5 粉煤灰与矿粉对混凝土抗压强度和弹性模量的影响  从表5中可以看出，混凝土的抗压弹模与抗压强度的变化规律相似。到60d龄期时，当掺加矿物掺和料的混凝土抗压强度增长与空白混凝土强度相当时，混凝土的弹性模量也基本趋于一致。可见，弹性模量的变化规律与强度的规律相似。 2.2.2 粉煤灰与矿粉对混凝土干缩性能的影响 从图1中可以看到，掺有粉煤灰、矿粉的混凝土干缩在28d龄期后逐渐趋于稳定，但基准样的干缩还有较大的增长；在60d龄期后基准样的干缩明显高于掺有粉煤灰或矿粉混凝土的干缩；掺粉煤灰混凝土的干缩在各龄期要小于掺矿粉混凝土的干缩，且粉煤灰混凝土的干缩随粉煤灰掺量的增加而逐渐减小。   2.2.3 粉煤灰与矿粉对混凝土徐变的影响 从图2~4可以看出，掺加粉煤灰或矿粉混凝土的徐变特性和普通混凝土没有太大的差异。混凝土加荷初期的徐变较大，但随加荷龄期的延长，混凝土的徐变逐渐趋于稳定。对于不同养护龄期的混凝土，当粉煤灰掺量从14%增加到25%时，混凝土的徐变增加。当混凝土中掺加矿粉时，混凝土的早期强度好于粉煤灰混凝土强度，因此矿粉混凝土的徐变小于粉煤灰混凝土的徐变值，接近于基准混凝土的徐变。当混凝土的加荷龄期为60d时，由于粉煤灰后期强度已经与基准混凝土、矿粉混凝土基本相同，因此取代量同为14％的矿粉和粉煤灰混凝土徐变与基准混凝土基本相同，只有当粉煤灰的掺量为36%时，由于早期和后期混凝土的强度较其他组配比强度低，其徐变值较大。掺加粉煤灰和矿粉的混凝土徐变主要受混凝土强度发展的影响，因此强度发展较快的矿粉混凝土的早期徐变接近与基准混凝土的徐变值，而后期由于粉煤灰混凝土强度的逐渐赶上，粉煤灰混凝土的徐变也接近与基准混凝土和矿粉混凝土。 2.3 粉煤灰和矿粉对混凝土耐久性的影响 试验对比研究粉煤灰和矿粉对高强高性能混凝土抗氯离子渗透系数和抗冻融性的影响。 2.3.1 粉煤灰与矿粉对混凝土抗氯离子渗透系数的影响 表6 粉煤灰与矿粉对高强混凝土氯离子扩散系数的影响   图3混凝土受压徐变的经时发展(养护28d后) 图4 混凝土受压徐变的经时发展(养护60d后) 从表6和图3中可以看出，所有试样的氯离子扩散系数均较小（均小于3 E–08 cm2/s）。其中，粉煤灰掺量分别为14%、25%、36%的B、C、D三个试样的氯离子扩散系数，均较空白试样A降低，且随粉煤灰掺量增加，氯离子扩散系数逐渐下降。对比掺加粉煤灰和掺加矿粉的混凝土扩散系数还可以看出，掺加矿粉的混凝土氯离子扩透系数比同掺量的粉煤灰混凝土更小，抗氯离子渗透性能进一步提高。主要原因是：矿物掺和料的加入可以改善混凝土的孔径分布、孔的几何形状；矿物掺和料水化产生CSH凝胶可以堵塞扩散通道，造成氯离子扩散系数下降。同时，粉煤灰中的铁相有助于降低Cl－的扩散速度，矿渣中较高的C3A等矿物成分能够捕捉从混凝土表面渗透的氯离子，生成所谓的Friedel盐，即C3A•CaCl2•10H2O，且矿粉的活性优于粉煤灰，矿粉的对于降低混凝土抗氯离子渗透性能更加显著[8, 9]。 2.3.2 粉煤灰和矿粉对混凝土抗冻性的影响 表7 粉煤灰和矿粉对高强混凝土抗冻性的影响  由表7结果可以看出，无论掺与不掺掺合料混凝土的抗冻性均很好，当冻融300次循环后，混凝土的动弹模量均大于80％，即混凝土抗冻等级均远超高F300。其中，掺矿粉的混凝土抗冻性稍好于掺粉煤灰的，并且随粉煤灰掺量或矿粉掺量增加，相对动弹性摸量略有下降，不过当粉煤灰掺量或矿粉掺量14%和25%时，相对动弹性摸量下降幅度不明显，只是在粉煤灰掺量达到36%时，相对动弹性模量才显得下降较多。主要是高强混凝土本身结构较为致密，强度较高，混凝土具有较好的抗冻性。对于掺加粉煤灰和矿粉混凝土，由于粉煤灰和矿粉的二次水化作用，使得混凝土强度更加致密，且28d强度达到空白混凝土的水平，使其也具有了较高的抗冻性，但当粉煤灰掺量达到36％时，由于粉煤灰掺量较大，水泥相对数量较少，使得混凝土28d强度不高，使得该组混凝土较其它组抗冻性略差。 4. 结论 a. 粉煤灰和矿粉可以显著的改善混凝土的工作性能，随粉煤灰和矿粉掺量的增加改善效果增强，且粉煤灰对混凝土工作性的改善效果更加显著。 b. 粉煤灰和矿粉可以较为显著的提高混凝土的后期抗压和抗折强度，且矿粉具有更高的活性，对混凝土的早期和后期强度发展更加有利。同时，粉煤灰和矿粉均可以降低混凝土 的脆性，且矿粉对混凝土脆性降低作用更加明显。 c. 掺加粉煤灰和矿粉的混凝土弹性模量略有降低，但后期增长迅速，28 d、60 d抗压弹模与基准样相近；掺加粉煤灰和矿粉后，混凝土的干缩降低，在相同掺量(14%)下，粉煤灰混凝土的干缩小于矿粉混凝土的干缩，当粉煤灰掺量增加，混凝土的干缩减小；粉煤灰混凝土的徐变随粉煤灰掺量的增加而增大，在相同掺量(14%)下，早龄期加荷的粉煤灰混凝土徐变大于矿粉混凝土，但60d龄期加荷的粉煤灰混凝土与矿粉混凝土基本相同，均接近于空白混凝土的徐变值。 d. 随着粉煤灰和矿粉等掺合料掺量的增加，混凝土抗氯离子渗透性能提高，且矿粉比粉煤灰可以更好的提高混凝土的抗氯离子渗透性能；当粉煤灰和矿粉掺量低于25％时，矿物掺合料对混凝土抗冻性无不良影响，但当粉煤灰掺量达到36％时，混凝土抗冻性能有所下降。 参考文献 [1] 沈旦申, 张荫剂. 粉煤灰效应的探讨[J].硅酸盐学报, 1981,9(1): 57~63 [2] Aiqin Wang, Chengzhi Zhang, Wei Sun. 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| 原作者： 王稷良 周明凯 孙立群 柯国炬 |
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