復摻礦物摻合料混合骨料混凝土微觀抗凍性研究

李琛

（陜西盛泰混凝土工程有限責任公司，陜西 710061）

0 引言

近年來混合骨料混凝土日益得到廣泛研究和應用，尤其在改善混凝土結構的耐久性方面有突出貢獻。將礦物摻合料復摻作為輔助膠凝材料加入到混凝土中，不僅可取代部分水泥和有效利用工業廢渣，而且不同礦物摻合料優勢互補，能夠充分利用各自不同特性，可提高混凝土各項性能，使混凝土獲得最佳耐久性能。所以將復摻礦物摻合料推廣應用于工程實際中是必然趨勢。青藏鐵路建設中在混凝土中雙摻硅灰和粉煤灰的方法改善了混凝土耐久性[1]。在混凝土中復摻礦粉和粉煤灰時的抗凍性優于純水泥和單摻礦粉或粉煤灰[2]。前期已對礦物摻合料混合骨料混凝土的抗凍、抗滲等耐久性能進行了研究[3,4]。本課題主要針對浮石混合骨料混凝土在粉煤灰分別與石粉、礦粉復摻情況下進行微觀結構研究，從而得出在凍融循環作用下礦物摻合料的最優組合，為寒冷地區混凝土材料的使用提供理論和實踐的指導。

1 試驗材料及配合比

粗骨料：普通碎石，粒徑范圍為 5～25mm，連續級配，表觀密度為 2660kg/m3，含泥量為 0.8%，壓碎指標為 5.4%；浮石替代普通碎石的比率為 30%，粒徑范圍為 5～25mm，連續級配，表觀密度為 1593kg/m3，每小時吸水率為 16.44%，壓碎指標為 39.6%。

細骨料：采用顆粒級配良好的天然河砂作細骨料，細度模數為 2.5，含泥量為 2%，表觀密度為 2650kg/m3，堆積密度為 1465kg/m3。采用 P·O 42.5 級普通硅酸鹽水泥，拌合用水采用普通自來水；采用 FDN-Y 型引氣減水劑，減水率 16%，含氣量 1.2%。水泥及礦物摻合料的化學組成見表1。試驗采用 20% 摻量的粉煤灰分別與摻量為 10% 的石粉、礦粉復摻，對浮石體積替代率為 30% 的混合骨料混凝土凍融前后的 SEM圖像進行比較和分析，配合比詳見表2。

表1 水泥及各礦物摻合料的化學組成 %

表2 浮石混合骨料混凝土的配合比

2 試驗與分析

2.1 掃描電鏡試驗

本試驗對標準養護至 56d 的混合骨料混凝土標準試件進行掃描電鏡試驗，選取含浮石－水泥石界面，樣品的規格應盡量小而薄，樣品表面要平整，確保樣品干燥后進行電鏡試驗。對試樣表面進行噴金處理之后，將試樣置于掃描電鏡下觀察放大不同倍數后混凝土的微觀界面結構和水化產物。實驗儀器是由內蒙古工業大學微觀實驗室提供的 S-3400N 型掃描電子顯微鏡。

2.2 試驗分析

界面過渡區是組成混凝土最薄弱的環節，混凝土的強度、抗凍、抗滲等性能常常是因為骨料—水泥石的界面上存在缺陷而引起的破壞。本試驗通過 SEM 分析界面過渡區的微觀結構研究礦物摻合料復摻對混合骨料混凝土抗凍性能的影響。

圖1 CS組骨料—水泥石界面SEM照片

圖2 CK 組骨料—水泥石界面 SEM 照片

圖1 為摻 20% 粉煤灰與 10% 石粉混合骨料混凝土（CS）的骨料—水泥石界面 SEM 圖片，凍前界面區結構密實，且浮石的多孔、吸水特性降低了周圍水泥漿的水灰比，使其與水泥漿結合更加緊密，水化產物以硅酸鈣凝膠為主，幾乎無針狀鈣礬石晶體存在。凍后的骨料與水泥漿的界面變得疏松，針狀鈣礬石晶體富集，且尺寸較大，相互纏繞。由于石粉具有微晶核效應，摻石粉的界面及水泥石中大顆粒Ca(OH)2晶體含量極少。骨料和水泥石的界面疏松，有很多孔隙、微裂紋，界面結構嚴重劣化，抗凍性能顯著降低，主要原因是石粉中的活性成份較少，主要以 CaO 為主，二次水化反應很弱，石粉中的非活性成分分散于水泥石中后，對水泥石及界面的粘結性能有一定的影響，并且加入石粉后形成的孔隙為鈣礬石晶體的生長創造了條件，所以粉煤灰與石粉復摻對界面結構的劣化嚴重，混合骨料混凝土的抗凍耐久性極低，不適宜用于高抗凍性要求的工程中。

圖2 為摻 20% 粉煤灰與 10% 礦粉混合骨料混凝土（CK）的骨料—水泥石界面SEM圖片，凍前界面以 C-S-H 凝膠為主，針狀 AFt 含量極少，界面粘結牢固。凍后界面局部存在較多的針狀鈣礬石晶體，水化產物仍以云絮狀 C-S-H 凝膠為主，界面結構疏松，出現微裂縫。界面結構雖有劣化，但與摻 20% 粉煤灰和 10% 石粉的混凝土（圖1）相比界面結構得到了改善，礦粉進行二次水化反應消耗 Ca(OH)2，使界面區的 Ca(OH)2含量降低，片狀晶體的尺寸減小，無明顯Ca(OH)2趨向層，骨料與水泥石的粘結性增強，界面結構較密實。此外，礦粉中含有較多的 CaO，使混凝土水化產物不會由于過度缺少 Ca(OH)2而處于低堿度環境中，因此礦粉與粉煤灰復摻比石粉與粉煤灰復摻對混合骨料混凝土界面結構和抗凍性能的改善更加有利。

3 結論

（1）以 20% 粉煤灰與 10% 礦粉復摻替代水泥的混合骨料混凝土界面結構劣化較少，抗凍性能較好；20% 粉煤灰與10% 石粉復摻的界面劣化較嚴重，抗凍性能較差。

（2）復摻粉煤灰和礦粉的混合骨料混凝土中，粉煤灰和礦粉的微集料效應和活性效應相互促進，使其不僅具有較強抗凍性能，而且還充分利用了礦粉和粉煤灰工業廢渣，減少了水泥用量，起到環保的功效，因此將其用于生產實踐中具有現實意義。

[1] 馬強，朋改非，謝永江等.雙摻硅灰、粉煤灰對青藏鐵路用高性能混凝土性能的影響[J].混凝土，2004,3: 45-48.

[2] 張亞航，周智鵬，萬惠文.礦物摻合料提高橋梁混凝土耐久性的研究[J].混凝土，2012,10(276) : 60-62.

[3] 霍俊芳，李偉玲，宋的添，李金帥.礦物超細粉混合骨料混凝土抗凍性能試驗研究[J].內蒙古工業大學學報，2012,31(3): 48-51.

[4] 霍俊芳，宋的添，李偉玲，李金帥.礦物摻合料對混合骨料混凝土抗滲性能的影響[J].內蒙古工業大學學報，2012,31(4): 64-68.