高活性復合摻和料早期水化特性及其力學性能

藍堂偉 李玉香 鄭愛國,2 蔣 奧,2

(1. 西南科技大學材料科學與工程學院 四川綿陽 621010； 2. 成鐵德陽軌道有限公司 四川德陽 618007)

高性能混凝土軌枕由于高穩定性、制作簡單與壽命較長等優點已經廣泛應用于各高速鐵路線[1]。長期使用中的混凝土軌枕不僅承受列車高速行駛帶來的載荷，并且承受大氣環境對它的腐蝕，因此混凝土軌枕對力學性能和耐久性能的要求較高[2]。為了保證列車長期行駛的穩定性與安全性，軌枕要求混凝土強度等級為C60，抗凍性應滿足F300，電通量小于1 000 C 及56 d氯離子擴散系數小于5×10-12m2/s。為了提高軌枕混凝土的力學性能與耐久性，常采用礦物摻和料替代部分水泥，如礦渣、粉煤灰、硅灰等[3]。大量研究表明粉煤灰、礦渣等摻和料能提高混凝土的后期力學性能和耐久性。Kim[4]研究表明礦渣替代30%水泥時，混凝土的氯離子滲透性減小了15%。Saha[5]研究表明粉煤灰可以降低混凝土的滲透性。Aliakbar[6]研究表明粉煤灰與礦渣粉復合可以增強混凝土后期力學強度。

單純重心設計法是常見的混料設計法之一，能通過較少試驗量定量評價多組分混合物的性能[7]。孫偉[8]與Deng[9]通過單純重心設計法評價三元膠凝體系混凝土的力學性能與耐久性的變化規律。Cai等[10]使用重心設計法準確預測了蒸汽養護條件下鋼包渣-熟石灰-石英粉膠凝體系的最佳組成。

為了保證軌枕混凝土較高的脫模強度以及后期強度，TB/T 3397—2015《CRTS雙塊式無砟軌道混凝土軌枕》規定礦物摻和料的1 d活性指數大于125%，28 d活性指數大于100%[11]。因此本文采用3種礦物摻和料(磨細礦渣粉、粉煤灰和高活性粉體A)制備復合摻和料替代水泥，并且借助單純重心型混料設計法[8-11]研究復合摻和料組成對早期活性指數、水化熱以及混凝土強度的影響。單純重心型設計法一般采用7種配比點計算回歸方程。本文為減少誤差采用10種配比點計算回歸方程。

1 實驗部分

1.1 原材料

水泥(CC)：廣元海螺水泥有限公司，P·O 42.5級水泥；礦渣粉(SS)：河北潤發建筑材料有限公司，S95級礦渣粉；粉煤灰(FA)：四川江油發電廠，I級粉煤灰；粗骨料選擇5～20 mm級配碎石；細骨料為天然中粗河沙，細度模數為2.78；減水劑：德陽川壩建材廠，聚羧酸高效減水劑，減水率為22%；拌合水為自來水。

原料的化學組成列于表1，粒度分布列于表2。

表1 水泥、礦渣粉和粉煤灰的化學組成(質量分數，ω/%)

表2 各摻和料粉體及水泥粒度

1.2 活性指數的測定

活性指數的測試參照GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》與TB/T 3397—2015《CRTS雙塊式無砟軌道混凝土軌枕》。活性指數按照公式(1)計算(試驗中活性指數按實際摻量計算活性指數)。

(1)

式中：A為活性指數，單位為百分數(%)；R為試驗膠砂抗壓強度，單位為兆帕(MPa)；R0為對比膠砂抗壓強度，單位為兆帕(MPa)。

1.3 水化熱測定

水化熱測試采用微量熱儀法，在20 ℃恒溫條件下測量水膠比為0.5的水泥漿體。實驗探究礦物摻和料單摻與混摻在前期的水化放熱，其配合比列于表3。

表3 礦物摻和料摻水泥配比

1.4 混凝土樣品的制備及力學性能測試

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》成型混凝土，水灰比為0.28，養護1 d 后脫模，放入標準養護室養護至齡期測試混凝土抗壓強度。

1.5 復合摻和料配合比設計

單純重心設計法[12]設計3種摻和料復摻的10種不同配合比。將10種配比得到的活性指數或混凝土抗壓強度代入公式(2)，得出礦物組成與活性指數及混凝土抗壓強度的定量關系。通過軟件sufer畫出等高線圖。本實驗設計實際配料點如圖1所示。實驗中復合摻和料摻量均為水泥的30%(質量分數，下同)。

圖1 復合摻和料配合點在單純形重心格子中的分布

S=A1XHP+A2Xss+A3XFA+A12XHPXSS+

A13XHPXFA+A23XSSXFA+A123XHPXSSXFA

(2)

式中A1，A2，A3，A12，A23，A13,A123為常數，XHP為高活性粉體A(HP)占復合摻和料的百分比，XSS為礦渣粉(SS)占復合摻和料的百分比，XFA為粉煤灰(FA)占復合摻和料的百分比。

2 結果與討論

2.1 復合摻和料組成對活性指數的影響

圖2為高活性粉體A、礦渣粉與粉煤灰分別代替水泥10%,20%,30%的1 d和28 d活性指數。由圖2可知，粉煤灰和礦渣粉的1 d活性指數隨摻量的增加而減小且均小于100%。高活性粉體A的1 d活性指數大于100%且隨摻量的增加而增加，其中單摻30%時高活性粉體A的1 d活性指數最大，達122%。單摻10%時粉煤灰的28 d活性指數高于100%，雖然粉煤灰在28 d的反應程度依舊較低，但微集料效應可以彌補其早期強度。礦渣粉與高活性粉體A的28 d活性指數均高于100%且隨摻量的增加而升高。單摻30%時礦渣粉的28 d活性指數最高，達111%。

圖2 礦物摻和料單摻的1 d和28 d活性指數

將測得不同復合摻和料配比(復合摻和料摻量為水泥的30%，下文同)的活性指數帶入公式(2)，計算出1 d和28 d活性指數與礦物摻和料組成之間的回歸方程，見表4。通過回歸方程對不同配合比的復合礦物摻和料的活性指數進行定量預測[10]。

表4 復合礦物摻和料與活性指數的回歸方程

圖3和圖4分別為復合礦物摻和料1 d和28 d活性指數的等高線變化規律。由圖3和圖4可知，礦渣粉與粉煤灰1∶1二元復摻時，復合摻和料的1 d活性指數為52%，28 d活性指數為113%，均大于單摻30%時礦渣粉或粉煤灰的活性指數。由于不同級配顆粒之間的緊密堆積能夠增強漿體的密實性，故粉煤灰與礦渣粉復摻能提高1 d和28 d活性指數。高活性粉體A與礦渣粉1∶1二元復摻時，復合摻合料的1 d活性指數為118%，28 d活性指數為118%。結合圖2可得，高活性粉體與礦渣粉的二元復摻不僅減小了礦渣粉對1 d活性指數的影響，并且提高了復合摻和料的28 d活性指數。高活性粉體A與粉煤灰1∶1二元復摻時，復合摻和料的1 d活性指數為90%，28 d活性指數為114%。雖然高活性粉體A與粉煤灰的二元復摻對活性指數的提高低于高活性粉體與礦渣粉，但它們之間存在復合增強效應。這是因為高活性粉體A活性較高且粒度較小，可分布在水泥顆粒與礦物顆粒之間的空隙，不僅增加了密實性且增強了礦物與水泥之間的黏結強度。粉煤灰由于表面積較大且呈球形，因此與高活性粉體A的復合增強效應不如礦渣粉。三元復摻復合增強效應低于二元復摻，復合摻和料的1 d活性指數為80%，28 d活性指數為105%，這是由于高活性粉體A摻量較小，不足以填充大量的空隙，因此復合效應減弱。

圖3 復合礦物摻和料1 d活性指數(單位：%)

圖4 復合礦物摻和料28 d活性指數(單位：%)

2.2 水化熱

圖5為復合摻合料水泥漿體水化速率。由圖5可知，單摻30%高活性粉體A的水泥漿體的水化速率遠高于純水泥，但在1 d齡期后漿體放熱速率快速下降。礦渣粉含有少量硅酸二鈣，因此前期放熱速率略高于粉煤灰。漿體前期水化速率由高到低的順序為高活性粉體A、水泥、礦渣粉、粉煤灰。粉煤灰的前期水化速率低于礦渣粉。粉煤灰或礦渣粉與高活性粉體A二元復摻時，兩種復合摻和料的前期放熱速率基本一致。高活性粉A與粉煤灰或礦渣粉二元復摻時，粉煤灰與礦渣粉對復合摻和料的前期放熱速率的影響較弱。

圖5 復合摻和料水泥漿體水化速率

圖6為復合摻和料水泥漿體水化熱放熱量。由圖6可知，在3 d齡期內，單摻30%高活性粉體A的水泥漿體的水化放熱量增長較快且高于純水泥，在3 d齡期后其水化放熱量增長緩慢。高活性粉體A與粉煤灰或礦渣粉二元復摻的水化放熱量基本一致。在3 d齡期后，礦渣粉的放熱量逐漸提高。粉煤灰由于反應慢，因此前期水化熱一直較低。礦渣粉或粉煤灰與高活性粉體A二元復摻時復合摻和料的活性指數較大，但漿體水化熱仍然較低。可見高活性粉體A并未促進粉煤灰與礦渣粉在1 d齡期內的水化。

圖6 復合摻和料水泥漿體水化熱放熱量

2.3 復合摻和料混凝土力學性能

圖7為粉煤灰、礦渣粉與高活性粉體A分別代替10%,20%,30%水泥時混凝土在28 d和60 d的抗壓強度。由圖7可知，單摻高活性粉體A或礦渣粉混凝土的28 d與60 d抗壓強度隨摻量的增加而增加。單摻粉煤灰混凝土的28 d與60 d抗壓強度雖然隨摻量的增加而減小，但仍高于純水泥混凝土。28 d齡期時單摻30%高活性粉體A混凝土的抗壓強度大于單摻30%礦渣粉。60 d齡期時單摻礦渣粉與單摻高活性粉體A混凝土的抗壓強度差距縮小。這是因為低水灰比下，高活性粉體A水化反應較快，粒度較礦渣粉小，微集料效應較強，因此28 d抗壓強度大于礦渣混凝土。礦渣粉隨著齡期的增長逐漸發生二次反應，因此差距逐漸減小。

圖7 礦物摻和料單摻的28 d和60 d混凝土抗壓強度

將測試得出的混凝土抗壓強度代入式(2)得出復合摻和料組成與混凝土28 d與60 d抗壓強度之間的回歸方程式列于表5。

表5 復合摻和料與混凝土抗壓強度的回歸方程

圖8與圖9為復合摻和料混凝土28 d與60 d抗壓強度等高線圖，由圖8可知，復合摻和料混凝土的28 d抗壓強度中高活性粉體A的增強效果較為明顯。粉煤灰與礦渣粉的二元復摻混凝土的28 d抗壓強度為67 MPa，而單摻30%礦渣粉與粉煤灰混凝土的28 d抗壓強度分別為67.8 MPa與62.5 MPa，可見粉煤灰與礦渣粉二元復摻具有明顯增強效應。1∶1∶1三元復摻時，復合摻和料的28 d抗壓強度為68.6 MPa。三元復摻混凝土的28 d抗壓強度比二元復摻增強效果好。由圖9可知，復合摻和料混凝土中粉煤灰對60 d抗壓強度的貢獻較28 d大。這是由于粉煤灰在28 d后逐漸發生二次水化反應，混凝土抗壓強度增強。三元復摻混凝土的60 d抗壓強度為79.6 MPa，而高活性粉體A與礦渣粉或粉煤灰二元復摻混凝土60 d抗壓強度分別為82.4 MPa與77 MPa。三元復摻混凝土的60 d抗壓強度雖然低于高活性粉體A與礦渣粉二元復摻，但是復合增強效應更強。可見低水灰比下，多種礦物顆粒之間的緊密堆積對混凝土的抗壓強度具有較大的增強效果。

圖8 復合摻和料混凝土28 d抗壓強度(單位：MPa)

圖9 復合摻和料混凝土60 d抗壓強度(單位：MPa)

3 結論

復合摻合料的組成對活性指數影響較大，并體現出明顯的復合效應。高活性粉體A與礦渣粉二元復摻的增強效應最好，1 d與28 d活性指數均達118%。礦渣粉在3 d齡期后逐步發生二次反應，漿體水化放熱增加。粉煤灰反應較慢導致7 d內水化放熱較低。礦渣粉或粉煤灰與高活性粉體A二元復摻時水泥漿體1 d水化熱差別很小。粉煤灰與礦渣粉在1 d齡期內僅作為惰性材料填充于水泥顆粒之間。三元復摻混凝土的復合增強效應優于二元復摻。三元復摻混凝土的28 d抗壓強度達68.6 MPa，60 d抗壓強度達79.6 MPa。