3種摻合料對混凝土力學性能影響試驗分析

劉 玲，高 強

（1.長春建筑學院土木工程學院，長春130607；2.河北省地礦局第四地質大隊，河北承德067000）

0 引 言

隨著綠色建筑概念的提出，新型建筑混凝土材料的研發成為當下的熱點之一。石創等［1］以建筑混凝土為基材，并加入礦渣等摻合料測試了混凝土發泡保溫材料的導熱系數和熱工性能。余海燕等［2］采用鋁粉發氣的方法制備加氣脫硫混凝土保溫材料。冀志江等［3］通過在浸漬乙炔炭黑的蜂窩結構中填充混凝土，制備了具有蜂窩結構的混凝土吸波材料。薛力梨等［4］將粉煤灰作為摻合料研制新型混凝土保溫材料。周瑜等［5］研究單摻激發劑對脫硫混凝土復合膠凝材料的水化放熱影響。江嘉運等［6］研究了不同因素對其性能的影響。白錫慶等［7］通過摻加粉煤灰、石膏、礦渣粉等研究混凝土性能的演變規律。解帥等［8］采用紡織材料摻入混凝土中并測試其微波吸收功能。張伶俐等［9］研究了國內外不同混凝土緩凝劑對混凝土的作用效果。吳蓉［10］將脫硫混凝土、秸稈、聚苯顆粒按一定比例組合并摻入適量外加劑加水拌合制成新型墻板。

上述學者通過摻入不同的礦物摻合料來制備新型混凝土材料。沸石粉是一種價格低廉、效果較好的摻合料，而碳纖維是一種紡織原料，由于其本身具備活性，在混凝土材料中能夠激發出混凝土的各種性能［11］。因此，本文選擇上述兩種材料和石膏作為添加材料，并以不同配比摻入混凝土中測試抗壓強度、抗折強度、吸水性和軟化性的演變趨勢。

1 材料與方法

1.1 材 料

本文所用的石膏由湖北龍源石膏有限公司生產，其基本性能：初凝6.3 min，終凝14.2 min，28 d 抗壓強度2.81 MPa，28 d 抗折強度1.64 MPa。石膏化學成分（質量分數）：SiO24.13，Al2O30.45，Fe2O30.42，CaO 40.15，MgO 0.52，SO354.33。

硅酸鹽水泥摻入混凝土中能夠提高混凝土的力學強度和軟化性，該水泥由南昌市鵬洋水泥制品有限公司生產提供，其基本指標：表面積320 m2/kg，28 d抗壓強度84 MPa，28 d抗折強度16 MPa。

當在混凝土中摻入石膏時，其化學成分發生了相應的變化。可以看出，石膏摻入混凝土內部會產生一定量的鈣礬石，從而改變混凝土材料性能。

建筑石膏遇水后會形成二水混凝土，因此石膏材料遇水后會造成結構的破壞［12］。水分的控制非常重要，而沸石粉遇水后會發生水化效應，因此沸石粉的摻入能夠提高混凝土材料的性能，本文實驗中沸石粉由山東開普敦實業有限公司生產，其性能指標：密度2.27 g/cm3，比表面積4 426 cm2/g。

碳纖維是一種新型纖維材料，將其摻入混凝土中能夠填充復合材料之間的空隙，提高密實度，并進一步提高混凝土的性能［13］。本文實驗中碳纖維由深圳市盟禾科技有限公司生產，其性能指標密度1.67 g/cm3，比表面積1 480 cm2/g。

1.2 方 法

根據GB17669-1999將混凝土試塊放入由濟南旭聯儀器設備有限公司生產的壓力機中測試抗壓強度；在試塊養護完成后，稱其質量，再將其放入塑料桶中用水浸泡1 d后，再次稱其質量。兩質量之差即為吸水質量，并得到混凝土材料的吸水率［14］。將成型后的試塊進行抗壓強度測試，飽和狀態下的混凝土試塊抗壓強度與干燥狀態下的混凝土試塊抗壓強度之比，即得到混凝土材料的軟化性［15］。

2 石膏對混凝土強度的影響

石膏可以作為輔助摻料改善混凝土的強度、吸水率和軟化性。在混凝土中分別摻入0%、10%、20%、30%和40%的石膏，其對混凝土強度的影響如圖1所示。

圖1 石膏摻量對混凝土強度的影響

從圖1可以看出，當石膏摻量為0%時，混凝土材料的抗壓強度為3.4 MPa，抗折強度為1.8 MPa；當石膏摻量為10%時，混凝土材料的抗壓強度為4.2 MPa，抗折強度為1.9 MPa；當石膏摻量為20%時，混凝土材料的抗壓強度為5.1 MPa，抗折強度為2.1 MPa；當石膏摻量為30%時，混凝土材料的抗壓強度為6.25 MPa，抗折強度為2.3 MPa；當石膏摻量為40%時，混凝土材料的抗壓強度為5.75 MPa，抗折強度為2.25 MPa。

石膏摻量在0% ～30%時，混凝土材料28 d強度隨石膏摻量增加而增加，這是因為石膏自身的抗壓強度比混凝土的抗壓強度要大得多，隨著摻量的增加，混凝土復合材料的抗壓強度也即隨之加大。但當石膏比例超過30%時，混凝土復合材料的抗壓強度相比之前有所降低，這是因為混凝土和石膏在混合攪拌中會發生化學反應，生成鈣礬石。但過量的石膏和混凝土發生反應還會生成石膏硬化體，使得混凝土復合材料抗壓強度下降。

3 沸石粉對混凝土的影響

3.1 對抗壓強度的影響

從圖2可以看出，當沸石粉摻量為0%時，混凝土材料的抗壓強度為3.4 MPa，抗折強度為1.8 MPa；當沸石粉摻量為3%時，混凝土材料的抗壓強度為3.6 MPa，抗折強度為2.1 MPa；當沸石粉摻量為6%時，混凝土材料的抗壓強度為4.2 MPa，抗折強度為2.3 MPa；當沸石粉摻量為9%時，混凝土材料的抗壓強度為4.8 MPa，抗折強度為2.7 MPa；當沸石粉摻量為12%時，混凝土材料的抗壓強度為5.1 MPa，抗折強度為2.9 MPa。

圖2 沸石粉摻量與混凝土強度的關系

可見，隨著沸石粉摻量的增加，混凝土材料的抗壓強度也逐漸增加。這是因為沸石粉的摻入能夠均勻分布到混凝土內部孔隙中，提高混凝土材料的密實度，使得抗壓強度增大。

3.2 對吸水率的影響

從圖3可以得出，當沸石粉摻量為0%時，混凝土復合材料吸水率為37.29%；當沸石粉摻量為3%時，混凝土復合材料吸水率為36.47%；當沸石粉摻量為6%時，混凝土復合材料吸水率為35.88%；當沸石粉摻量為9%時，混凝土復合材料吸水率為34.14%；當沸石粉摻量為12%時，混凝土復合材料吸水率為32.22%。

圖3 沸石粉與混凝土吸水率的關系

可見，隨著沸石粉摻量的增加混凝土復合材料的吸水率卻逐漸減小。這說明隨著沸石粉摻量的增加，試塊的孔隙率也逐漸變小，從而使得試塊內部吸水量減少。當沸石粉的摻量從6%增加到12%時，可以看出吸水率下降速率比低沸石粉摻量要快得多。這是因為沸石粉顆粒直徑比混凝土要小得多，能夠將混凝土空隙處填滿，使得混凝土復合材料更為密實。

3.3 對軟化性的影響

從圖4可以看出，當沸石粉摻量為0%時，混凝土復合材料的軟化系數為0.38；當沸石粉摻量為3%時，混凝土復合材料的軟化系數為0.43；當沸石粉摻量為6%時，混凝土復合材料的軟化系數為0.57；當沸石粉摻量為9%時，混凝土復合材料的軟化系數為0.59；當沸石粉摻量為12%時，混凝土復合材料的軟化系數為0.63。

圖4 沸石粉摻量與混凝土軟化性的關系

可見，隨著沸石粉摻量的增加混凝土復合材料的軟化系數也逐漸增加。這說明隨著沸石粉摻量的增加，試塊的孔隙率也逐漸變小，從而使得試塊內部吸水量減少。這是因為沸石粉顆粒直徑比混凝土要小的多，能夠將混凝土空隙處填滿，使得混凝土復合材料更為密實。

4 碳纖維對混凝土的影響

4.1 對抗壓強度的影響

從圖5可以看出，當碳纖維摻量為0%時，混凝土材料的抗壓強度為3.4 MPa，抗折強度為1.8 MPa；碳纖維摻量為2%時，混凝土材料的抗壓強度為4.3 MPa，抗折強度為1.9 MPa；碳纖維摻量為4%時，混凝土材料的抗壓強度為4.8 MPa，抗折強度為2.3 MPa；碳纖維摻量為6%時，混凝土材料的抗壓強度為5.2 MPa，抗折強度為2.6 MPa；碳纖維摻量為8%時，混凝土材料的抗壓強度為5.4 MPa，抗折強度為2.8 MPa；碳纖維摻量為10%時，混凝土材料的抗壓強度為5.9 MPa，抗折強度為2.9 MPa。

圖5 碳纖維摻量與混凝土強度的關系

可見隨著碳纖維摻量的增加，混凝土材料的抗壓、抗折強度也逐漸增加。這是因為適量的碳纖維能夠與混凝土中的水分發生反應，生成物能夠填充到試塊的孔隙中，提高混凝土材料密實度，進而提高強度。

4.2 對吸水率的影響

從圖6可以得出，當碳纖維摻量為0%時，混凝土復合材料吸水率為37.29%；當碳纖維摻量為2%時，混凝土復合材料吸水率為36.41%；當碳纖維摻量為4%時，混凝土復合材料吸水率為35.97%；當碳纖維摻量為6%時，混凝土復合材料吸水率為34.56%；當碳纖維摻量為8%時，混凝土復合材料吸水率為32.16%；當碳纖維摻量為10%時，混凝土復合材料吸水率為29.12%。

圖6 碳纖維摻量與混凝土吸水率的關系

隨著碳纖維摻量的增加混凝土復合材料的吸水率也逐漸減小。可見碳纖維在提高混凝土材料密實度方面有著明顯的作用，其機理與沸石粉摻合料類似，但效果比沸石粉要好。

4.3 對軟化性的影響

從圖7可以看出，當碳纖維摻量為0%時，混凝土復合材料的軟化系數為0.38；當碳纖維摻量為2%時，混凝土復合材料的軟化系數為0.41；當碳纖維摻量為4%時，混凝土復合材料的軟化系數為0.44；當碳纖維摻量為6%時，混凝土復合材料的軟化系數為0.49；當碳纖維摻量為8%時，混凝土復合材料的軟化系數為0.56；當碳纖維摻量為10%時，混凝土復合材料的軟化系數為0.62。

圖7 碳纖維摻量與混凝土軟化性的關系

可見，隨著碳纖維摻量的增加混凝土復合材料的軟化系數也逐漸增加。其機理與沸石粉摻合料類似，但碳纖維的表面積比沸石粉要小，因此其填充到混凝土中的體積就越多，混凝土材料的性能也就提高的越快。

5 結 論

（1）當石膏摻量為0%時，混凝土材料的抗壓強度為3.4 MPa，抗折強度為1.8 MPa；當石膏摻量為30%時，混凝土材料的抗壓強度為6.25 MPa，抗折強度為2.3 MPa；當石膏摻量為40%時，混凝土材料的抗壓強度為5.75 MPa，抗折強度為2.25 MPa。

（2）當沸石粉摻量為0%時，混凝土材料的抗壓強度為3.4 MPa，抗折強度為1.8 MPa；吸水率為37.29%；軟化系數為0.38。當沸石粉摻量為12%時，混凝土材料的抗壓強度為5.1 MPa，抗折強度為2.9 MPa；吸水率為32.22%；軟化系數為0.63。

（3）當碳纖維摻量為0%時，混凝土材料的抗壓強度為3.4 MPa，抗折強度為1.8 MPa；吸水率為37.29%；軟化系數為0.38。碳纖維摻量為10%時，混凝土材料的抗壓強度為5.9 MPa，抗折強度為2.9 MPa；吸水率為29.12%；軟化系數為0.62。