不同礦物摻和料對(duì)混凝土抗拉性能的影響

李林香

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

混凝土中摻入礦物摻和料，不僅能降低生產(chǎn)成本，還能夠大幅改善混凝土工作性能及耐久性能［1-3］。礦物摻和料已成為高性能混凝土中不可或缺的組分之一。傳統(tǒng)礦物摻和料中用量最大的是粉煤灰和礦渣粉。隨著環(huán)保要求的提高，粉煤灰和礦渣粉資源日漸緊張，機(jī)制砂副產(chǎn)物石灰石粉的應(yīng)用逐漸增多［4-5］。

相關(guān)人員針對(duì)礦物摻和料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行了大量研究。史靜、邸云菲等［6-7］研究了粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響及激發(fā)劑對(duì)大摻量粉煤灰混凝土強(qiáng)度的激發(fā)作用，發(fā)現(xiàn)混凝土抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量增加而降低。王朋、郝會(huì)娟等［8-9］研究發(fā)現(xiàn)礦渣粉混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，礦渣粉的最佳摻量可達(dá)30%。普通混凝土配合比是基于混凝土抗壓強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，現(xiàn)場(chǎng)施工驗(yàn)收也是根據(jù)混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)的。然而，混凝土開(kāi)裂大都是由于混凝土抗拉強(qiáng)度不足引起的，混凝土抗拉性能同樣重要。

本文選取了粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉3種礦物摻和料，研究不同礦物摻和料及摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，通過(guò)探討抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性，分析其作為混凝土抗拉性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的適用性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

1）水泥：北京金隅集團(tuán)生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

2）粉煤灰：元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)，F(xiàn) 類(lèi)Ⅰ級(jí)，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰的主要性能指標(biāo)

3）礦渣粉：唐山唐龍新型建材有限公司生產(chǎn)，S95級(jí)，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 礦渣粉的主要性能指標(biāo)

4）石灰石粉：貴州鐵建科技有限公司昌明骨料加工場(chǎng)生產(chǎn)，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 石灰石粉的主要性能指標(biāo)

5）砂：天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量0.4%。

6）碎石：5～20 mm連續(xù)級(jí)配，含泥量0.2%。

7）減水劑：河北三楷深發(fā)科技股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，減水率29.4%。

8）消泡劑：廣東龍湖科技股份有限公司生產(chǎn)的P841粉體消泡劑，有效組分42%。

1.2 配合比

TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》［10］中列出了不同環(huán)境下混凝土中礦物摻和料的摻量范圍，規(guī)定粉煤灰和礦渣粉的最大摻量在40%～50%，石灰石粉的最大摻量為30%。試驗(yàn)中，粉煤灰摻量選取20%，40%；礦渣粉摻量選取20%，40%；石灰石粉摻量選取10%，20%，30%。混凝土配合比見(jiàn)表5。其中，外加劑的摻量未體現(xiàn)在表5 中，在混凝土拌制過(guò)程中根據(jù)混凝土狀態(tài)調(diào)整。

表5 混凝土配合比 kg·m-3

在混凝土拌制過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整外加劑（減水劑和消泡劑）的摻量，控制各組混凝土的坍落度為（160±20）mm，含氣量為（3.0±0.5）%。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1）混凝土攪拌

采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)。先將稱(chēng)量好的水泥、礦物摻和料、砂、碎石放入攪拌機(jī)，干拌20 s，隨后加入外加劑和水再攪拌3 min。

2）混凝土拌和物性能測(cè)試

混凝土拌和物性能包括坍落度和含氣量，參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［11］進(jìn)行測(cè)試?；炷翑嚢璩鲥伜?，立即測(cè)試坍落度和含氣量。如果坍落度不滿(mǎn)足（160±20）mm的要求，須調(diào)整減水劑的用量重新攪拌測(cè)試；如果混凝土含氣量不滿(mǎn)足（3.0±0.5）%的要求，須調(diào)整消泡劑的用量重新攪拌測(cè)試。直到坍落度和含氣量均滿(mǎn)足要求為止。

3）混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試

參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［12］進(jìn)行測(cè)試?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的非標(biāo)準(zhǔn)試件，每組3塊。

4）混凝土抗拉性能測(cè)試

混凝土抗拉性能采用抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度表征，參照GB/T 50081—2019進(jìn)行測(cè)試?？拐蹚?qiáng)度試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm 的非標(biāo)準(zhǔn)試塊，每組3 塊；劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，每組3塊。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同礦物摻和料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

不同礦物摻和料混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律見(jiàn)圖1。

圖1 不同礦物摻和料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1（a）可知：當(dāng)粉煤灰摻量從20%增加到40%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度明顯降低；抗壓強(qiáng)度降低幅度隨齡期逐漸減小。FA40 比FA20 的3 d 抗壓強(qiáng)度降低了39%，而56 d抗壓強(qiáng)度降低了14%。

由圖1（b）可知：當(dāng)?shù)V渣粉摻量從20%增加到40%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低，但比摻粉煤灰的混凝土降低幅度小；抗壓強(qiáng)度降低幅度隨齡期逐漸減小。SL40比SL20 的3 d 抗壓強(qiáng)度降低了21%，而二者56 d 抗壓強(qiáng)度幾乎相當(dāng)。

由圖1（c）可知：隨著石灰石粉摻量增加，混凝土抗壓強(qiáng)度降低；抗壓強(qiáng)度降低幅度隨齡期逐漸減小。SHS20比SHS10的3 d抗壓強(qiáng)度降低了13%，而56 d抗壓強(qiáng)度降低了7%；SHS30 比SHS10 的3 d 抗壓強(qiáng)度降低了31%，而56 d抗壓強(qiáng)度降低了22%。

由圖1（d）可知：當(dāng)粉煤灰、礦渣粉和石灰石粉的摻量均為20%時(shí)，對(duì)于混凝土3 d 抗壓強(qiáng)度，摻石灰石粉的最大，摻礦渣粉的次之，摻粉煤灰的最小；對(duì)于混凝土56 d 抗壓強(qiáng)度，摻粉煤灰的最大，摻礦渣粉的次之，摻石灰石粉的最小。石灰石粉對(duì)提高混凝土早期強(qiáng)度的作用較顯著，原因是石灰石粉中CaCO3顆粒的異相成核作用使得水泥水化產(chǎn)物優(yōu)先成核和結(jié)晶［13-14］。在水化后期石灰石粉的活性指數(shù)較低，因此長(zhǎng)齡期時(shí)摻石灰石粉的混凝土抗壓強(qiáng)度較低。

另外，由圖1 可知，當(dāng)粉煤灰摻量為40%、石灰石粉摻量為30%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低顯著，不宜采取FA40和SHS30的配合比。

2.2 不同礦物摻和料對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

不同礦物摻和料混凝土抗折強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律見(jiàn)圖2。

圖2 不同礦物摻和料對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

由圖2（a）可知：當(dāng)粉煤灰摻量從20%增加到40%時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度降低，但與抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律不同的是，抗折強(qiáng)度的降低幅度隨齡期變化不大。FA40 比FA20 的3 d，7 d，28 d，56 d 抗折強(qiáng)度分別降低了17%，23%，8%，17%。

由圖2（b）可知：當(dāng)?shù)V渣粉摻量從20%增加到40%時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度降低。SL40 比SL20 的3 d，7 d，28 d，56 d抗折強(qiáng)度分別降低了16%，15%，15%，6%。

由圖2（c）可知：當(dāng)石灰石粉摻量分別為10%和20%時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度差別不大；當(dāng)摻量為30%時(shí)，抗折強(qiáng)度明顯降低，比20%摻量時(shí)降低了約20%。因此，從抗折強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律來(lái)看，不宜選取SHS30 的配合比。

由圖2（d）可知：當(dāng)粉煤灰、礦渣粉和石灰石粉的摻量均為20%時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度在各個(gè)齡期都是摻礦渣粉的最大，摻石灰石粉的次之，摻粉煤灰的最?。粨降V渣粉的混凝土56 d 抗折強(qiáng)度比摻粉煤灰的高15%，比摻石灰石粉的高6%。可見(jiàn)，礦渣粉對(duì)提高混凝土抗折強(qiáng)度的作用最顯著。

2.3 不同礦物摻和料對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

不同礦物摻和料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律見(jiàn)圖3。

圖3 不同礦物摻和料對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由圖3（a）可知：當(dāng)粉煤灰摻量從20%增加到40%時(shí)，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度降低；劈裂抗拉強(qiáng)度降低幅度隨齡期逐漸減小。FA40 比FA20 的3 d，7 d，28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了25%，16%，7%，而二者56 d 劈裂抗拉強(qiáng)度幾乎相當(dāng)。

由圖3（b）可知：當(dāng)?shù)V渣粉摻量從20%增加到40%時(shí)，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度降低；劈裂抗拉強(qiáng)度降低幅度隨齡期逐漸減小。SL40 比SL20 的3 d，7 d，28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了10%，7%，5%，而二者56 d 劈裂抗拉強(qiáng)度幾乎相當(dāng)。

由圖3（c）可知：隨著石灰石粉摻量增加，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度降低；劈裂抗拉強(qiáng)度降低幅度隨齡期逐漸減小。SHS20 比SHS10 的3 d 劈裂抗拉強(qiáng)度降低了14%，而56 d 劈裂抗拉強(qiáng)度降低了2%；SHS30 比SHS10的3 d劈裂抗拉強(qiáng)度降低了23%，而56 d劈裂抗拉強(qiáng)度降低了14%。

可見(jiàn)，3 種礦物摻和料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律與抗折強(qiáng)度均不相同。

由圖3（d）可知：當(dāng)粉煤灰、礦渣粉和石灰石粉的摻量均為20%時(shí)，對(duì)于混凝土3 d 劈裂抗拉強(qiáng)度，摻礦渣粉的最大，摻石灰石粉的次之，摻粉煤灰的最??；對(duì)于混凝土56 d 劈裂抗拉強(qiáng)度，摻石灰石粉的最大，摻礦渣粉的次之，摻粉煤灰的最小。摻石灰石粉的混凝土56 d 劈裂抗拉強(qiáng)度比摻粉煤灰的高10%，比摻礦渣粉的高2%。

2.4 抗折強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性分析

圖4 抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度相關(guān)性分析

抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均可評(píng)價(jià)混凝土的抗拉性能，二者的相關(guān)性見(jiàn)圖4?？芍?，摻粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉的混凝土抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度之間的線(xiàn)性擬合優(yōu)度分別為0.763 9，0.908 8，0.836 8。這說(shuō)明礦物摻和料不同，混凝土抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性也有顯著不同，其中摻礦渣粉的混凝土二者相關(guān)性最高，但擬合優(yōu)度也僅僅接近0.91。整體上來(lái)說(shuō)，混凝土抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的線(xiàn)性相關(guān)性不高。

抗折強(qiáng)度指的是小梁試件承受彎矩作用折斷破壞時(shí)混凝土表面所承受的極限拉應(yīng)力；劈裂抗拉強(qiáng)度指的是立方體或圓柱體試件上下表面中間承受均布?jí)毫ε哑茐臅r(shí)，混凝土在豎向平面內(nèi)產(chǎn)生近似均布的極限拉應(yīng)力［12］。因此，從抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度定義來(lái)看，采用抗折強(qiáng)度還是劈裂抗拉強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的抗拉性能，要根據(jù)混凝土在結(jié)構(gòu)中所處的部位和受力情況來(lái)決定。如果混凝土結(jié)構(gòu)是條狀或板狀，主要承受彎矩作用，則采用抗折強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的抗拉性能，比如路面混凝土、梁體混凝土等；如果混凝土結(jié)構(gòu)是體積較大的塊狀結(jié)構(gòu)，主要承受均布?jí)毫ψ饔?，則采用劈裂抗拉強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的抗拉性能，比如墩臺(tái)混凝土、大壩混凝土等。

3 結(jié)論

1）粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉的摻量增加時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度均有所降低。

2）粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉的摻量增加時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度均有所降低。礦渣粉提高混凝土抗折強(qiáng)度的作用最顯著。當(dāng)摻量為20%時(shí)，摻礦渣粉的混凝土56 d 抗折強(qiáng)度比摻粉煤灰的高15%，比摻石灰石粉的高6%。

3）粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉的摻量增加時(shí)，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均有所降低。從整個(gè)齡期看，礦渣粉提高混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的作用較顯著。當(dāng)摻量為20%時(shí)，摻石灰石粉的混凝土56 d 劈裂抗拉強(qiáng)度比摻粉煤灰的高10%，比摻礦渣粉的高2%。

4）當(dāng)粉煤灰摻量為40%或石灰石粉摻量為30%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低顯著，且石灰石粉摻量為30%的混凝土抗折強(qiáng)度比摻量為20%時(shí)大幅降低，因此不宜采取這兩種配合比。

5）抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的線(xiàn)性相關(guān)性不高，須根據(jù)混凝土在結(jié)構(gòu)中所處的部位、受力情況等因素來(lái)選擇混凝土抗拉性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。條狀或板狀混凝土結(jié)構(gòu)，采用抗折強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)；體積較大的塊狀混凝土結(jié)構(gòu)，采用劈裂抗拉強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)。