粉煤灰摻量對高鈦型高爐渣無砂混凝土抗壓強度影響研究

李建文, 鐘 菘,2,3, 李思源, 茍晨銘, 艾福斌, 甘國鑫

(1.攀枝花學院土木與建筑工程學院，四川攀枝花 617000； 2.中材建設有限公司，北京 100176；3. 西華大學建筑與土木工程學院，四川成都 610039)

粉煤灰摻量對高鈦型高爐渣無砂混凝土抗壓強度影響研究

李建文1, 鐘 菘1,2,3, 李思源1, 茍晨銘1, 艾福斌1, 甘國鑫1

(1.攀枝花學院土木與建筑工程學院，四川攀枝花 617000； 2.中材建設有限公司，北京 100176；3. 西華大學建筑與土木工程學院，四川成都 610039)

為研究粉煤灰摻量對高鈦型高爐渣無砂混凝土抗壓強度的發展規律，本試驗用粉煤灰代替水泥摻入量的0 %、5 %、10 %、15 %、20 %、25 %和30 %進行研究，通過試驗檢測高鈦型高爐渣無砂混凝土的7 d、14 d和28 d抗壓強度。試驗結果表明：高鈦型高爐渣無砂混凝土的抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增加，其強度呈現先增加后減少的發展趨勢。當粉煤灰摻量為20 %時，高鈦型高爐渣無砂混凝土的抗壓強度達到最大值；當粉煤灰摻量超過20 %時，高鈦型高爐渣無砂混凝土的抗壓強度呈現減小的發展規律。

高鈦型高爐渣； 粉煤灰； 抗壓強度

目前攀西地區用高鈦型高爐渣作混凝土骨料被認為是綜合利用礦渣材料的有效途徑之一。這不僅解決了高鈦型高爐渣占用大量土地、污染環境等問題，還節約大量的建筑材料，減少砂、石的大量開采。高鈦型高爐渣混凝土在攀西地區的研究成果逐漸趨向成熟,工程建設的許多領域都開始大量使用高鈦型高爐渣混凝土[1]。基于無砂混凝土被普遍運用在道路、地基處理和邊坡支護等工程領域中，利用高鈦型高爐渣制備無砂混凝土具有以下幾點重要意義：可以較大幅度降低成本；拓寬高鈦型高爐渣的應用領域；完善高鈦型高爐渣混凝土的系統性研究；具有明顯的社會效益、經濟效益和環保效益，有利于攀西地區城市建設的可持續發展[2]。而目前國內外對高鈦型高爐渣無砂混凝土的試驗研究基本

處于空白階段，因此，對高鈦型高爐渣無砂混凝土的試驗研究具有重要的現實意義。

1 試驗原材料

高鈦型高爐渣無砂混凝土是由水泥漿包裹高鈦型高爐渣碎石形成骨架孔隙結構的混凝土材料。水泥、水和高鈦型高爐渣碎石是組成高鈦型高爐渣無砂混凝土的主要成份。

1.1 水泥

水泥是高鈦型高爐渣無砂混凝土的重要組成材料，本試驗采用攀枝花市瑞豐建材公司生產的P.O.42.5R級普通硅酸鹽水泥。該水泥符合標準GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》的要求，其物理力學性能如表1所示。

1.2 高鈦型高爐渣碎石

高鈦型高爐渣無砂混凝土對集料顆粒的形狀、表觀情況、吸水率和顆粒級配等有一定的要求，本試驗碎石采用攀枝花環業公司生產的高鈦型高爐渣碎石(圖1、圖2)，其形狀、表觀情況、吸水率和顆粒級配較普通碎石較差，對配制無砂混凝土有一定的影響。本實驗骨料采用粒徑在4.75～19 mm的高鈦型高爐渣碎石，其基本性能如表2、表3所示。

1.3 粉煤灰

粉煤灰采用攀枝花市鋼城集團綜合工業分公司生產粉煤灰，其技術指標見表4，該粉煤灰為F類Ⅰ級。

2 試驗方法

2.1 攪拌工藝

高鈦型高爐渣無砂混凝土不摻細骨料，在高鈦型高爐渣無砂混凝土的攪拌過程中，需要特別注意材料間的添加順序，先將攪拌工具用水潤濕，按固定的配合比設計，計算出每次試驗所需原材料用量[3]。先將高鈦型高爐渣粗骨料放在混凝土攪拌機中，將20 %的水灑在粗骨料表面，開動攪拌機，讓粗骨料潤濕，攪拌30 s后，停止攪拌機，摻入水泥及所需的粉煤灰，攪拌30 s后，倒入剩余的水，邊加水邊攪拌，攪拌時間為90 s后，停止攪拌，最后將拌合好的混合料裝入150 mm×150 mm×150 mm的標準試模中。

2.2 成型工藝

高鈦型高爐渣無砂混凝土含有大量的孔隙，在成型過程中與普通混凝土有很大的區別。普通混凝土在制作成型過程中通常采用振動成型，其目的是使混凝土密實，可以提高混凝土的強度及耐久性。但高鈦型高爐渣無砂混凝土的結構不同于普通混凝土，高鈦型高爐渣無砂混凝土粗骨料表面由水泥漿包裹嵌合而成，骨料間存在大量的孔隙，在成型制作過程中不宜采用振動或插搗的方法，采用振動的方法會使粗骨料表面的水泥漿被振失，水泥漿下滑會堵塞底部孔隙，不利于無砂混凝土的排水，同時粗骨料表面失去水泥漿，不利于骨料間的粘結，影響高鈦型高爐渣無砂混凝土的抗壓強度；采用插搗的方法，同樣會由于插搗棒的沖擊力使粗骨料表面的水泥漿下滑，堵塞其下部孔隙，不利于無砂混凝土的排水，同時粗骨料表面失去水泥漿，不利于骨料間的粘結，影響高鈦型高爐渣無砂混凝土的抗壓強度性能。所以高鈦型高爐渣無砂混凝土在成型制作過程中采用靜壓成型，靜壓成型的方法能更好的實現高鈦型高爐渣無砂混凝土集料間的嵌合密實，同時水泥漿也不會下沉堵塞下部孔隙[4]。本試驗的具體方法是將拌合好的高鈦型高爐渣無砂混凝土分兩層裝入標準試模中，拌合料高出試模沿10 mm左右。然后在拌合料上方放置一塊150 mm×150 mm×30 mm的壓板，尺寸與試模尺寸對應，用試驗壓力機以0.5 kN/s的速度施壓至30 kN，穩定該壓力值1 min，然后卸壓，標準試塊成型制作完成。

2.3 試塊養護方法

高鈦型高爐渣無砂混凝土試塊在成型24 h后脫模，按照標準養護方法：在相對濕度95 %、溫度20℃±2℃的環境中進行養護。

2.4 抗壓強度試驗方法

高鈦型高爐渣無砂混凝土的抗壓強度試驗根據JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》中T0553-2005的方法。試塊的加載速度以0.3～0.5 MPa/s的速度進行加載，每組配合比分別測其7 d、14 d和28 d抗壓強度，以3個試塊測試值的算術平均值作為該組配合比的抗壓強度值，計算結果精確至0.01 MPa。

高鈦型高爐渣無砂混凝土試塊的抗壓強度按下式進行計算：

式中：fcu為試塊的抗壓強度(MPa)；F為試塊破壞時的最大壓力(N)；A為試塊的截面面積(mm2)。

3 試驗結果及分析

本試驗用粉煤灰代替水泥摻入量的0 %、5 %、10 %、15 %、20 %、25 %和30 %進行研究分析，配合比設計中水灰比為0.5，灰集比為1∶5，通過試驗測高鈦型高爐渣無砂混凝土的7 d、14 d和28 d抗壓強度，通過對比分析，研究不同粉煤灰摻量對高鈦型高爐渣無砂混凝土抗壓強度的影響。試驗結果見表5、圖3。

試驗結果表明，當摻入粉煤灰后，高鈦型高爐渣無砂混凝土的早期強度偏低，后期強度表現為正常。這是因為粉煤灰顆粒非常穩定，表面致密，粉煤灰中的活性物質與水泥水化產物反應進行比較緩慢，反應生成的水化產物C-S-H凝膠非常少，導致粉煤灰混凝土的早期強度偏低。當高鈦型高爐渣無砂混凝土養護到7 d左右時，混合物中的Ca(OH)2濃度開始增大，并向孔隙中滲透，此時與粉煤灰顆粒開始頻繁接觸，進行水化反應，生成的C-S-H凝膠物質與水泥熟料水化生成穩定的產物，進而增強混凝土的強度，因此，混凝土的中后期強度表現正常。同時，粉煤灰本身對混凝土具有改性作用，可以提高混凝土的強度。這是因為高鈦型高爐渣無砂混凝土粗骨料與水泥漿界面結合處堆積著大量的Ca(OH)2，造成界面結合處成為無砂混凝土的薄弱區域，而粉煤灰的火山灰可以與Ca(OH)2發生反應生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝體，增強了粗骨料與水泥漿之間的粘結力，從而提高高鈦型高爐渣無砂混凝土的整體強度。

4 結論

通過試驗可以得出如下結論：

(1)高鈦型高爐渣無砂混凝土的抗壓強度隨著粉煤灰的增加其強度呈現先增加后減少的發展趨勢。

(2)當粉煤灰摻量為20 %時，高鈦型高爐渣無砂混凝土的抗壓強度達到最大值，這是粉煤灰的火山灰與水泥水化產物發生反應，使生成C-S-H 凝膠的質量得以提高，數量增多，水泥石與粗骨料的界面結構得到大幅改善，使高鈦型高爐渣無砂混凝土的強度提高。

(3)當粉煤灰摻量超過20 %時，高鈦型高爐渣無砂混凝土的抗壓強度慢慢減小，這是因為隨著粉煤灰的增加，水泥和粉煤灰的水化反應進行較慢，水泥漿中存在大量沒有水化的粉煤灰，漿體中水泥的量比較少，從而導致無砂混凝土的抗壓強度呈現下降趨勢。

[1] 黃雙華,陳偉,孫金坤.高鈦型高爐渣在混凝土材料中的應用[J].新型建筑材料,2006(11):71-73.

[2] 刑振賢,張艷鴿.無砂大孔混凝土的生態性能[J].低溫建筑技術,2010(12).

[3] 鄭木蓮.多孔混凝土排水基層研究[D].西安:長安大學,2004.

[4] 陶新明.無砂大孔混凝土配合比設計、成型和養護[J].混凝土，2010(10):136-141.

獲得2016年攀枝花學院國家級大學生創新創業訓練計劃項目資助(項目編號:201611360028)

李建文(1997～)，女，專科，建筑工程技術專業。

鐘菘(1987～)，男，碩士研究生，研究方向為巖土工程。

TU528.2

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[定稿日期]2017-03-12