BSF復(fù)合礦物摻合料對(duì)路面混凝土力學(xué)性能的影響

李 輝，謝 松，陳裕佳，張 浩，張東省，張志明

(1.西安建筑科技大學(xué)，西安 710055；2.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，西安 710075)

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BSF復(fù)合礦物摻合料對(duì)路面混凝土力學(xué)性能的影響

李 輝1，謝 松1，陳裕佳1，張 浩1，張東省2，張志明1

(1.西安建筑科技大學(xué)，西安 710055；2.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，西安 710075)

本文借助掃描電子顯微鏡、壓汞測(cè)試儀和力學(xué)性能測(cè)試手段對(duì)BSF復(fù)合礦物摻合料的使用對(duì)路面混凝土力學(xué)性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：(1)使用BSF復(fù)合礦物摻合料可在一定程度上提高混凝土的28 d抗折強(qiáng)度，大幅降低混凝土的壓折比，有效改善混凝土的脆性；(2)BSF復(fù)合礦物摻合料可有效改善混凝土的界面過渡區(qū)，使?jié){體更加密實(shí)，并且減少有害孔的數(shù)量；(3)在水化過程中，BSF復(fù)合礦物摻合料中的磚粉和礦渣微粉會(huì)反應(yīng)生成對(duì)改善混凝土抗折強(qiáng)度有益的纖維狀晶體。

路面混凝土； BSF復(fù)合礦物摻合料； 抗折強(qiáng)度

1 引 言

隨著我國(guó)公路運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，公路里程飛速增長(zhǎng)，至2015年全國(guó)公路總里程已達(dá)446萬(wàn)公里。其中，水泥混凝土路面公路以其成本低、易養(yǎng)護(hù)和使用年限久等優(yōu)點(diǎn)在公路中所占比例逐年增加，遠(yuǎn)超其他種類公路。水泥混凝土路面是承受車輪荷載作用的彎拉結(jié)構(gòu)，其力學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)不是抗壓強(qiáng)度，而是抗折強(qiáng)度[1]。作為一種剛性路面，其脆性較大，對(duì)超負(fù)荷重載非常敏感，在保證強(qiáng)度的前提下，降低脆性可提高其使用性能[2]。

使用礦物摻合料是改善混凝土性能的一種重要技術(shù)途徑，如礦渣[3,4]、粉煤灰[5-6]等。目前該類材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用已越來越廣，如李月英[7]通過添加30%礦渣改善了高性能路面混凝土的力學(xué)性能及變形能力，Nassar等[8]研究發(fā)現(xiàn)摻50%粉煤灰時(shí)路面混凝土的90 d抗折強(qiáng)度大幅上漲，比小摻量時(shí)提高20%。但在實(shí)際使用過程中人們也發(fā)現(xiàn)使用某些單一礦物摻合料對(duì)于改善混凝土性能還存在一些不足，例如混凝土摻粉煤灰后早期強(qiáng)度較低[9]等，這使得這些材料在工程中的應(yīng)用受到一些限制。但是，如果將兩種或多種礦物摻合料復(fù)合使用就可能產(chǎn)生組分性能的超疊加效應(yīng)，賦予混凝土更加優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能[10-11]。

2014年，在陜西省交通廳的資助下，西安建筑科技大學(xué)粉體工程研究所與陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司合作開展《建筑垃圾再生路用復(fù)合粉體材料的開發(fā)研究》工作，將廢粘土磚超細(xì)粉磨得到廢磚粉，用這種廢磚粉與礦渣微粉及粉煤灰為主要原料外加少量改性劑，配制成BSF復(fù)合礦物摻合料(粘土磚粉的摻量≥20%)，并成功用于道路水泥穩(wěn)定碎石基層的施工和小型混凝土預(yù)制件的制備。為探討將這種復(fù)合礦物摻合料用于路面混凝土的可行性，本文研究了不同摻量BSF復(fù)合礦物摻合料的使用對(duì)混凝土力學(xué)性能，尤其是抗折強(qiáng)度的改善情況，并通過微觀分析，研究其改善作用機(jī)理。

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料

2.1.1 膠凝材料

水泥：本試驗(yàn)所用水泥為采用西安堯柏水泥有限公司生產(chǎn)的水泥熟料與天然二水石膏以95∶5混合粉磨后配制出的普通硅酸鹽水泥。水泥熟料、天然二水石膏的化學(xué)組成見表1，配制水泥的基本性能見表2。

表1 水泥熟料、天然二水石膏的化學(xué)組成Tab.1 The chemical composition of cement clinker and dihydrate gypsum /wt%

表2 水泥的基本性能Tab.2 The basic properties of the cement

2.1.2 摻合料

表3 各種礦物摻合料的化學(xué)組成Tab.3 The chemical composition of each mineral admixtures /wt%

表4 各種礦物摻合料的物理性能Tab.4 The physical properties of each mineral admixtures

本實(shí)驗(yàn)所用BSF復(fù)合礦物摻合料為磨細(xì)黏土磚粉、礦渣微粉和粉煤灰按一定比例復(fù)摻并加少量改性劑得到的復(fù)合粉體材料，黏土磚粉摻量超過20%。其中，黏土磚粉來自西安市某拆遷工地，礦渣微粉由西安德龍粉體工程材料有限公司提供，粉煤灰為陜西某電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，試驗(yàn)中直接使用原灰。BSF復(fù)合礦物摻合料、磚粉、礦渣微粉和粉煤灰的化學(xué)組成見表3，基本物理性能見表4。

2.1.3 其他試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用粗、細(xì)集料均取自陜西某砂石料廠，其中粗集料由9.5～19 mm和19～31.5 mm兩種級(jí)配組成，細(xì)集料各指標(biāo)均滿足《公路水泥混凝土路面施工規(guī)范》JTG F30-2003要求。實(shí)驗(yàn)所用減水劑為聚羧酸類減水劑，減水率為20%。

2.2 試驗(yàn)方法

為探尋BSF復(fù)合礦物摻合料對(duì)路面混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，本試驗(yàn)所配制混凝土膠凝材料總量為330 kg/m3，水膠比為0.35。在基準(zhǔn)混凝土配合比保持不變的條件下只改變BSF復(fù)合礦物摻合料的摻入量，摻量比例為10%，20%，30%。試驗(yàn)所用配合比見表5。

表5 混凝土配合比Tab.5 The basic proportions of concrete mix /(kg/m3)

試驗(yàn)中混凝土的攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)以及混凝土的力學(xué)性能測(cè)試均按照J(rèn)TG/E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》要求規(guī)范操作。

2.3 表征方法

分別采用掃描電鏡(SEM)和壓汞(MIP)方法對(duì)混凝土的微觀形貌和內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從微觀角度討論BSF復(fù)合礦物摻合料的使用影響混凝土力學(xué)性能的機(jī)理。

3 結(jié)果與討論

3.1 BSF復(fù)合礦物摻合料的使用對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

為研究加入BSF復(fù)合礦物摻合料后強(qiáng)度變化規(guī)律，按表5所示配比分別制作測(cè)試抗折和抗壓強(qiáng)度的混凝土試塊，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同BSF復(fù)合礦物摻合料摻量的混凝土7 d、28 d抗折強(qiáng)度(a)和抗壓強(qiáng)度(b)Fig.1 Flexural strength and compressive strength of concrete with different content of BSF composite mineral admixture

由圖1(a)抗折強(qiáng)度變化圖可以看出隨著BSF復(fù)合礦物摻合料摻量的增加，混凝土的7 d、28 d抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。分析試塊的7 d抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知，摻量為20%時(shí)試塊強(qiáng)度有明顯提高，其他摻量下提高效果不明顯或有下降。養(yǎng)護(hù)齡期至28 d時(shí)，不同摻量下試塊的抗折強(qiáng)度均有提高，摻量為20%時(shí)較為明顯，比基準(zhǔn)樣提高了6%。因此BSF復(fù)合礦物摻合料的使用可在一定程度上提高混凝土的抗折強(qiáng)度，若考慮早期強(qiáng)度摻量不宜超過20%。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1(b)所示，不同BSF復(fù)合礦物摻合料摻量的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度均有所降低。其中28 d抗壓強(qiáng)度較不摻BSF復(fù)合礦物摻合料試塊無明顯變化，當(dāng)摻量為20%時(shí)強(qiáng)度下降較少，7 d抗壓強(qiáng)度呈先降低后增加的趨勢(shì)。因此BSF復(fù)合礦物摻合料的使用會(huì)使混凝土抗壓強(qiáng)度略有降低。

3.2 BSF復(fù)合礦物摻合料對(duì)混凝土脆性的影響

脆性是表征路面混凝土力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，目前工程界比較常用的一個(gè)脆性指標(biāo)是壓折比(混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度之比)。由上文分析可知，隨著BSF礦物摻合料摻量的變化，混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度變化程度并不一致，因此隨著摻量變化，混凝土的壓折比也會(huì)隨之改變。若混凝土壓折比降低，說明混凝土的脆性得到改善，反之則脆性增大[12]。圖2是不同BSF復(fù)合礦物摻合料摻量下混凝土試塊的28 d壓折比。

如圖2所示，摻入BSF復(fù)合礦物摻合料的混凝土壓折比均大幅下降，下降幅度達(dá)到8.5%～10%，結(jié)合圖1分析，混凝土在摻入BSF復(fù)合礦物摻合料后28 d抗壓強(qiáng)度略有下降，抗折強(qiáng)度有較大提高，因此摻入BSF復(fù)合礦物摻合料后，混凝土的壓折比呈降低趨勢(shì)。所以BSF復(fù)合礦物摻合料的使用可以顯著改善混凝土的脆性，降低路面混凝土的破壞風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 不同摻量BSF復(fù)合礦物摻合料的混凝土28 d壓折比Fig.2 Ratio of compress strength/flexural strength of concrete with different content of BSF composite mineral admixture

圖3 摻與不摻BSF復(fù)合礦物摻合料混凝土的界面結(jié)構(gòu) (×5000)(a)純水泥混凝土的界面結(jié)構(gòu); (b)BSF復(fù)合礦物摻合料混凝土的界面結(jié)構(gòu)Fig.3 Micro morphology of the concrete interfacial transition zone with different content of BSF composite mineral admixture

3.3 混凝土的微觀形貌分析

混凝土材料的抗壓破壞由壓應(yīng)力控制，抗壓強(qiáng)度主要受漿體本身的強(qiáng)度控制，而抗折強(qiáng)度的大小則取決于抗拉強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度則主要依賴于混凝土材料界面的粘結(jié)強(qiáng)度及其均勻性。

界面過渡區(qū)是影響混凝土抗折強(qiáng)度的一個(gè)非常重要的因素，用掃描電子顯微鏡觀察養(yǎng)護(hù)28 d后摻不同比例BSF礦物摻合料的混凝土界面部分的微觀形貌，如圖3示。

比較圖3中兩種界面過渡區(qū)的SEM圖像比較，由圖3a可以清楚的看到，純水泥配制的混凝土，其漿體和骨料間的界面結(jié)構(gòu)存在明顯的微裂縫，即界面縫，它是混凝土強(qiáng)度降低的主要原因，微裂縫的出現(xiàn)主要是由于水泥漿體中的水分向上遷移過程中在粗骨料下面形成水膜而導(dǎo)致的，對(duì)比圖3b發(fā)現(xiàn)，摻入BSF復(fù)合礦物摻合料的混凝土，其界面過渡區(qū)得到了明顯的改善，觀察不到微裂縫的存在。分析摻BSF復(fù)合礦物摻合料混凝土界面過渡區(qū)得到改善的原因主要是：BSF復(fù)合礦物摻合料可與水泥水化釋放出的Ca(OH)2反應(yīng)，生成水化硅酸鈣，明顯減少界面處Ca(OH)2的含量，并且生成大量水化產(chǎn)物填充界面過渡區(qū)，從而使?jié){體和骨料間的粘結(jié)力加強(qiáng)，界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)密實(shí)。并且觀察兩圖右側(cè)的水泥漿體部分也可看出，添加BSF復(fù)合礦物摻合料的混凝土的水泥漿體部分更加密實(shí)。

通過電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)摻BSF復(fù)合礦物摻合料的混凝土其膠凝材料漿體部分出現(xiàn)大量纖維狀晶體，這些纖維晶體不定向的生長(zhǎng)、穿插在膠凝材料中，是混凝土抗折強(qiáng)度提高的另一原因，如圖4所示。

為研究這種纖維狀晶體的形成原因，用磚粉、礦渣微粉和粉煤灰三種原料按表6所示方案制備凈漿試塊。

表6 凈漿試塊中各原料所占比重Tab.6 The proportion of each material in different paste sample /%

圖4 摻BSF復(fù)合礦物摻合料混凝土的膠凝材料 漿體微觀形貌(×5000)Fig.4 Micro morphology of the concrete slurry with BSF composite mineral admixture

圖5 凈漿試塊S5的漿體部分(×1000) (a)7 d;(b)28 dFig.5 Micro morphology of the cement paste S5

結(jié)果顯示，在同時(shí)加入磚粉和礦渣微粉的S5試塊(圖5b)中，出現(xiàn)大量纖維狀晶體，這些纖維狀晶體不定向的生長(zhǎng)在水泥漿體中，顯著增加了試塊的抗折強(qiáng)度。且由試塊S5的7 d電鏡照片(圖5a)可知，該纖維狀晶體在試塊水化7 d時(shí)已經(jīng)大量生程，說明其早期抗折強(qiáng)度提高也與此相關(guān)。

除試塊S5外，其他試塊均未出現(xiàn)該纖維狀晶體，如圖6所示。

圖6 其他凈漿試塊的微觀形貌(×1000)(a)S1;(b)S2(c)S3;(d)S4;(e)S6;(f)S7Fig.6 Micro morphology of the other cement paste samples

掃描電鏡觀察說明混凝土中的纖維狀晶體是由BSF復(fù)合礦物摻合料中的磚粉和礦渣一同參與水化反應(yīng)生成，且在水化初期就已經(jīng)產(chǎn)生了該晶體。

3.4 混凝土的孔結(jié)構(gòu)分析

圖7 混凝土B2與基準(zhǔn)樣B0的孔隙率Fig.7 Cumulative porosity of concrete sample B0 and B2

利用壓汞法測(cè)試基準(zhǔn)樣B0和混凝土試塊B2(BSF摻量為20%)的孔隙率，進(jìn)一步探討B(tài)SF礦物摻合料對(duì)混凝土強(qiáng)度影響的機(jī)理。根據(jù)吳中偉院士對(duì)孔結(jié)構(gòu)的研究，混凝土中的孔可依孔徑分為四個(gè)等級(jí)，即孔徑小于20 nm的無害孔、介于20～50 nm 之間的少害孔、50～200 nm之間的有害孔以及大于200 nm 的多害孔，孔徑超過100 nm則孔會(huì)對(duì)混凝土性能造成不利影響[13]。基于壓汞法試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)試塊B0和B2的孔進(jìn)行累計(jì)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，BSF復(fù)合粉摻量為20%時(shí)，混凝土中小于20 nm的無害孔的累計(jì)孔隙率遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)樣，在20～50 nm孔徑范圍內(nèi)，少害孔的累計(jì)孔隙率部分低于基準(zhǔn)樣，孔徑大于100 nm時(shí)，有害孔和多害孔均大幅度低于基準(zhǔn)樣。測(cè)試結(jié)果說明摻入BSF復(fù)合粉后，混凝土的無害孔相對(duì)增加，有害孔和多害孔相對(duì)減少，使孔結(jié)構(gòu)有明顯的改善，這是混凝土力學(xué)性能提高的重要原因。

4 結(jié) 論

(1)BSF復(fù)合礦物摻合料的使用可在一定程度上提高混凝土的28 d抗折強(qiáng)度，隨摻量增加抗折強(qiáng)度先增高后降低；

(2)BSF復(fù)合礦物摻合料可大幅降低混凝土的脆性，改善混凝土性能；

(3)在參與水化反應(yīng)的過程中，BSF復(fù)合礦物摻合料中的磚粉和礦渣會(huì)一同參與水化反應(yīng)，生成對(duì)改善混凝土抗折強(qiáng)度有效的纖維狀晶體；

(4)BSF復(fù)合礦物摻合料可有效改善界面過渡區(qū)，使水泥漿體更加密實(shí)，并且減少有害孔的數(shù)量。

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Influences of BSF Composite Mineral Admixture on the Mechanical Properties of Pavement Concrete

LIHui1,XIESong1,CHENYu-jia1,ZHANGHao1,ZHANGDong-sheng2,ZHANGZhi-ming1

(1.Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China;2.Shaanxi Provincial Communication Construction Group,Xi'an 710075,China)

With the aid of Scanning Electron Microscope (SEM) and Mercury Intrusion Porosimetry (MIP), the influence of BSF composite mineral admixture on the mechanical properties of pavement concrete was investigated. The results show that(1) Involving BSF composite mineral admixture could enhance the flexural strength of concrete after curing for 28 d, decrease the ratio of compress strength to flexural strength significantly, as well as, improve the brittleness of concrete. (2) The use of BSF composite mineral admixture was helpful for improving the microstructure of interface transition zone by densified microstructure and reduced harmful micropores. (3) During hydration, the brick and granulated blast furnace slag powder used to prepare BSF admixture could generate massive fibrous micro crystal, which is good for improving the flexural strength of concrete.

concrete pavement;BSF composite mineral admixture;flexural strength

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2013318J16890)

李 輝(1971-)，女，教授，博導(dǎo).主要從事固體廢棄物的資源化利用研究工作.

U414

A

1001-1625(2016)09-3014-06