礦渣粉摻量對(duì)高溫河谷地區(qū)C50高性能混凝土抗裂及抗?jié)B性能的影響

姜磊 李國(guó)新 梁麗敏

摘要：本文采用平板刀口約束法以及電通量法來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的抗開(kāi)裂與抗氯離子滲透性能，結(jié)合混凝土的工作性和力學(xué)性能。具體研究礦渣粉摻量對(duì)高溫河谷地區(qū)高速公路用C50高性能混凝土綜合性能的影響，研究表明：隨著礦渣粉摻量的增加，C50混凝土的流動(dòng)性逐漸增加，單位面積上的總開(kāi)裂面積和最大裂縫寬度均先減少后增加，初始開(kāi)裂時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，礦渣粉摻量為20%時(shí)抗裂等級(jí)最高。以及隨著礦渣粉摻量的增加，C50混凝土滲水高度和28d、60d的電通量均呈先減小后增大的趨勢(shì)，礦渣粉摻量為20%時(shí)滲水高度和電通量最小，混凝土的抗水滲透和抗氯離子滲透性能最好。

關(guān)鍵詞：抗裂性能；高性能混凝土；礦渣粉；電通量

混凝土因其具有良好的經(jīng)濟(jì)性、力學(xué)性以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性而成為目前用量最大、使用范圍最廣的建筑材料之一。而且現(xiàn)階段超高層、大跨度、高速公路、節(jié)能減排等高技術(shù)水平建筑物的快速發(fā)展，對(duì)混凝土的要求也是要與時(shí)俱進(jìn)，因此現(xiàn)代混凝土向高強(qiáng)、高性能及綠色道路方向發(fā)展，然而在快速發(fā)展的同時(shí)，混凝土收縮開(kāi)裂及開(kāi)裂引起的混凝土耐久性劣化等危害也成為現(xiàn)代混凝土亟需解決的關(guān)鍵性問(wèn)題，工程實(shí)踐表明，因混凝土在環(huán)境溫濕度變化的影響下產(chǎn)生非荷載應(yīng)力而引起的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫約占80%，因此提高混凝土工作性、力學(xué)性、耐久性等綜合性能是目前研究的重點(diǎn)方向之一[1-3]。

粒化高爐礦渣（簡(jiǎn)稱(chēng)礦渣粉）具有較高的潛在活性，取代部分水泥后，能有效降低水化熱，且具有較好的填充性和火山灰活性作用，使混凝土界面區(qū)的晶體數(shù)量和孔隙率減少，水泥石更加致密，防止混凝土開(kāi)裂。但是由于各地區(qū)礦渣粉差異較大以及礦渣粉對(duì)混凝土開(kāi)裂及綜合性能的研究在云南仍然相對(duì)薄弱，因此本論文針對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境脆弱、地質(zhì)條件復(fù)雜、海拔低、年均氣溫高，易造成混凝土開(kāi)裂等問(wèn)題，研究礦渣粉摻量對(duì)高速公路用C50高性能混凝土綜合性能的影響，以期達(dá)到解決混凝土開(kāi)裂，提高其綜合性能的目的[4-7]。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用P·O 42.5級(jí)水泥，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1；礦物摻合料采用S75級(jí)粒化高爐礦渣粉，其技術(shù)指標(biāo)和化學(xué)成分見(jiàn)表2和表3；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.8的河砂；粗骨料采用4.75～31.5mm連續(xù)級(jí)配碎石；外加劑采用聚羧酸高性能減水劑，減水率31%，固含量12.64%；水為自來(lái)水。

1.2配合比與試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土配合比

為研究礦渣粉摻量對(duì)高性能混凝土綜合性能的影響，以0.32水膠比的混凝土配合比為基準(zhǔn)配方，改變礦渣粉摻量。試驗(yàn)用混凝土配合比如表4所示，礦渣粉采用等量取代水泥的方法，礦渣粉摻量分別為0、10%、20%、30%，砂率均為40%。

1.2.2 試驗(yàn)方法

參照《普通混凝長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》GB/T 50082-2009，選用平板刀口約束法來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的開(kāi)裂，試件尺寸為800mm×600mm×100mm，采用CABR-BEC刀口約束混凝土早期開(kāi)裂試驗(yàn)設(shè)備；選用電通量法檢測(cè)混凝土抗氯離子滲透性能，采用CABR-PCP9混凝土電通量測(cè)定儀，試件尺寸直徑為100mm±1mm，厚度為50mm±2mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。

混凝土工作性能、力學(xué)性能分別按照GB/T 50080—2011《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50081-2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 礦渣粉摻量對(duì)混凝土工作性及力學(xué)性能的影響

從表5可以看出，隨著礦渣粉摻量的逐漸增多，混凝土的流動(dòng)性逐漸變好，而其抗壓強(qiáng)度和28d彈性模量則逐漸減小，這表明礦渣粉的加入有利于改善混凝土的工作性能，但過(guò)多的加入礦渣粉對(duì)混凝土的力學(xué)性能是不利的。一方面這是因?yàn)樵诨炷林袚饺氲牡V渣粉可以填充在水泥粒子間隙和絮凝結(jié)構(gòu)中，占據(jù)充水空間，原來(lái)絮凝結(jié)構(gòu)中的水被釋放出來(lái)，在水膠比不變的情況下將使?jié){體稀化，流動(dòng)性增加，另一方面，由于礦渣粉本身不參與水化反應(yīng)，必須依靠水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的Ca（OH）2激發(fā)才能產(chǎn)生膠凝作用，然而在水膠比不變的情況下，礦粉的摻入會(huì)導(dǎo)致水泥用量減少，水化過(guò)程產(chǎn)生的Ca（OH）2的量減少，礦渣粉的活性不能完全激發(fā)，膠凝能力較弱，導(dǎo)致水泥石與集料的粘結(jié)力下降，從而導(dǎo)致混凝土早期抗壓強(qiáng)度和彈性模量下降。

2.2 礦渣粉摻量對(duì)混凝土早期開(kāi)裂性能的影響

從圖1和圖2可知，隨著礦渣粉摻量的增加，混凝土單位面積上的總開(kāi)裂面積和最大裂縫寬度先減小后增大，初始開(kāi)裂時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，這表明適當(dāng)摻量的礦渣粉有利于提高混凝土的早期抗裂能力，一方面礦渣粉的摻入可以有效減少混凝土水化熱，縮小硬化過(guò)程中各組分之間的溫度差，從而削弱各個(gè)組分之間因溫差過(guò)大引起不均勻收縮而導(dǎo)致的裂紋，此外由于礦渣粉的微集料效應(yīng)，在混凝土的早期硬化過(guò)程中，有效的填充孔隙，提高混凝土密實(shí)度，從而使其收縮減少，抑制裂紋的產(chǎn)生。另一方面，礦渣粉的摻入會(huì)導(dǎo)致水泥石與集料的粘結(jié)力下降，使混凝土的強(qiáng)度降低，抵御載荷的能力下降，從而在硬化過(guò)程中容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。這兩個(gè)方面因素共同作用決定混凝土的抗裂能力，當(dāng)?shù)V渣粉摻量為20%時(shí)混凝土單位開(kāi)裂面積為639mm2/m2，最大裂縫寬度為0.76mm，初始開(kāi)裂時(shí)間為176min，其綜合抗裂能力最好。

2.3 礦渣粉摻量對(duì)混凝土抗水滲透性能的影響

由圖2可知，隨著礦渣粉摻量的提高，混凝土滲水高度先下降后增高。在礦渣粉摻量為20%時(shí)，混凝土的滲水高度為11mm，滲水高度最低，其抗水滲透性最好。這是由于摻入礦渣粉時(shí)，首先使混凝土漿體的密實(shí)度提高，反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物填充和分割混凝土中的大孔，使孔隙細(xì)化，減少，抗?jié)B性能提高。其次，集料和水泥之間的界面是混凝土結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，而礦渣粉的加入能減小硬化水泥漿體和集料界面間的過(guò)渡區(qū)域的寬度，干擾過(guò)渡區(qū)域中Ca（OH）2晶體的取向，提高界面的強(qiáng)度和密實(shí)性，從而提高抗?jié)B性能。但過(guò)多的加入礦渣粉，造成水泥石中的孔隙較多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，水分蒸發(fā)速率增大，易造成混凝土開(kāi)裂，反而增強(qiáng)了混凝土的滲透性。

2.4 礦渣粉摻量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響

從圖3可知，隨著礦渣粉摻量的提高，混凝土28d和60d的電通量呈先減小后增大的趨勢(shì)。并且齡期越長(zhǎng)，電通量越小。礦渣粉摻量為20%時(shí)，混凝土各齡期的電通量最小，其抵抗氯離子滲透的能力最好，造成電通量變化的原因主要是因?yàn)榈V渣粉的摻入使混凝土的致密度提高，內(nèi)部孔隙減少，阻礙了氯離子的滲透，導(dǎo)致電通量減小，并且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，水化反應(yīng)進(jìn)行的越充分，孔隙和毛細(xì)孔逐漸被填充，而且由于礦渣粉后期活性的逐漸發(fā)揮，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加完善，致密度進(jìn)一步提高，從而導(dǎo)致氯離子的滲透更困難，以及水是攜帶氯離子的主要介質(zhì)，有前文可知，礦渣粉摻量為20%時(shí)，混凝土的抗水滲透性能最好，在這多因素的影響下使混凝土的抗氯離子滲透能力提高。但隨著礦渣粉摻量的繼續(xù)增加，水泥用量減少，混凝土內(nèi)部堿性降低，水化過(guò)程進(jìn)行緩慢，水化產(chǎn)物減小，礦渣粉的活性發(fā)揮不完全，從而使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率增大，致密度降低，易開(kāi)裂，氯離子的滲透通道增多，從而使電通量反而增加，混凝土的抗氯離子滲透能力下降。

3 結(jié)論

（1）隨著礦渣粉摻量從0%到30%，C50混凝土流動(dòng)性逐漸增大，表明礦渣粉的摻入能改善混凝土的工作性，但會(huì)降低其早期抗壓強(qiáng)度和彈性模量。

（2）當(dāng)?shù)V渣粉摻量逐漸增加，C50混凝土單位面積上的總開(kāi)裂面積和最大裂縫寬度均先減少后增加，初始開(kāi)裂時(shí)間延長(zhǎng)。礦渣粉摻量為20%時(shí)，混凝土單位面積上的總開(kāi)裂面積為639mm2/m2，最大裂縫寬度為0.76mm，初始開(kāi)裂時(shí)間為176min，混凝土抗裂等級(jí)最高。

（3）C50混凝土抗?jié)B水高度和電通量隨礦渣粉摻量的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)，且在礦渣粉摻量為20%時(shí)，混凝土滲水高度和電通量最小，其抗水滲透與抗氯離子滲透性能最好。

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