不同礦物摻和料對引氣型道路混凝土強度影響的試驗研究

白 璐

中國航發西航資產管理與建設部（710021）

0 前言

目前用于道路工程中的混凝土除了要滿足強度要求外，還要求具有良好的耐久性。在寒冷地區，水泥混凝土路面不僅受到凍融循環的破壞，而且由于耐久性不足導致路面面層結構破損的現象也比較嚴重。在混凝土中摻入引氣劑可以提高抗凍性，使用礦物摻和料對提高混凝土抗滲性、耐腐蝕性等方面效果明顯。

1 試驗用原材料及試驗方法

1.1 試驗用原材料

水泥:采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，各項指標符合《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》要求。

拌和水:采用自來水，符合《公路水泥混凝土路面施工技術規范》要求。

細集料:采用中砂，符合規范的要求。

粗集料:采用碎石，符合規范的要求。

礦物摻和料，礦渣、粉煤灰、硅灰[1]均符合以下標準規范《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》《高強高性能混凝土用礦物外加劑》《公路水泥混凝土路面施工技術規范》。

化學外加劑:減水劑和引氣劑，檢測結果符合《公路水泥混凝土路面施工技術規范》。

1.2 試驗方案及配合比設計

文章選擇配制了2種不同強度（4.5 MPa和5.5 MPa）的混凝土（以抗彎拉強度為指標的設計），并在此強度下摻入礦物摻和料（礦渣、粉煤灰和硅灰）以及一定劑量的引氣劑，對配制的不同強度、不同含氣量的混凝土進行強度試驗。

1.2.1 試驗方案

在配合比設計時應注意坍落度和含氣量兩個指標。對于道路混凝土的施工一般要求都采用較小的坍落度，所以本次試驗新拌混凝土的坍落度控制在55～70 mm范圍內，含氣量為3%和5%。

結合其他學者的研究成果，綜合文章試驗的因素，確定礦物摻和料的摻量分別為粉煤灰30%、礦渣50%、硅灰10%。

1.2.2 試驗方法及主要設備

抗折強度是用100 mm×100 mm×515 mm試件，結果乘以0.85的換算系數。抗壓強度用100 mm×100 mm×100 mm的試件，結果乘以0.95的換算系數。將28 d及90 d的數據作為評價強度的指標。抗折強度和抗壓強度分別采用萬能試驗機和YE-2000液壓式壓力試驗機測定。

1.2.3 配合比設計

以水泥混凝土彎拉強度標準值為依據，根據表1，確定兩個交通量等級:特重及中等。設計彎拉指標分別為5.5 MPa和4.5 MPa[2]。

表1 混凝土面板設計強度標準值和彈性模量

按上述思路，設計出以下18種不同的配合比，混凝土每立方米材料用量及配合比詳見表2。

表2 混凝土的配合比

J系列的為基準混凝土（不摻礦物摻和料和引氣劑），其中:J1水膠比為0.45，J2水膠比為0.34（K1、F1、G1水膠比均為0.45，K2、F2、G2水膠比均為0.34，下同）；JY系列的為基準引氣混凝土（Y1設計含氣量為3%，Y2設計含氣量為5%，下同）；KY系列的為礦渣引氣混凝土；FY系列的為粉煤灰引氣混凝土；GY系列的為硅灰引氣混凝土。

2 不同礦物外加劑對引氣型道路混凝土強度的影響

2.1 基準混凝土強度測定結果

基準混凝土坍落度、含氣量及相應齡期的抗折抗壓強度見表3。

表3 基準混凝土的物理力學性能試驗結果

2.2 基準引氣混凝土強度測定結果及分析

基準引氣混凝土坍落度、含氣量及相應齡期的抗折抗壓強度見表4。

表4 基準引氣混凝土的物理力學性能試驗結果

結果分析:當混凝土的水膠比一定、各原材料用量相同時，隨著新拌混凝土的含氣量增大，其硬化后混凝土的強度降低。引氣劑引入的孔對強度影響較大。混凝土孔隙率每增加1%，抗折強度將下降2%～3%，抗壓強度將下降4%～5%。如對于J1Y1設計含氣量為3%，28 d抗折強度應下降4%～6%，28 d抗壓強度應下降8%～10%。對于基準混凝土其抗折強度實際下降約5.7%，抗壓強度下降約10.6%，根據計算，其他引氣基準混凝土也基本符合文獻的觀點。

圖1 基準引氣混凝土不同齡期的抗折強度

圖2 基準引氣混凝土不同齡期的抗壓強度

2.3 礦渣引氣混凝土強度測定結果及分析

礦渣引氣混凝土坍落度、含氣量及相應齡期的抗折抗壓強度見表5。

表5 礦渣引氣混凝土的物理力學性能試驗結果

圖3 礦渣引氣混凝土不同齡期的抗折強度

結果分析:從試驗數據可以看出，摻礦渣后28 d和90 d抗折抗壓強度都較基準引氣混凝土高。這是由于礦渣的填充效應和活性效應[3]的作用結果。同水膠比、同齡期的混凝土隨含氣量的增加，強度降低。

圖4 礦渣引氣混凝土不同齡期的抗壓強度

2.4 粉煤灰引氣混凝土強度測定結果及分析

粉煤灰引氣混凝土其坍落度、含氣量及相應齡期的抗折抗壓強度見表6。

表6 粉煤灰引氣混凝土的物理力學性能試驗結果

圖5 粉煤灰引氣混凝土不同齡期的抗折強度

結果分析:粉煤灰不具有獨立的水硬性，其玻璃體微珠表層活性通過與水泥水化產物發生二次水化反應，生成品質較好的低堿性水化產物。但由于粉煤灰玻璃體微珠外層有致密的玻璃質表層，阻礙了粉煤灰的二次水化，其活性效應在后期才能表現出來[4]。所以，粉煤灰引氣混凝土在28 d時的抗折抗壓強度都沒有超過相應基準引氣混凝土，但90 d的抗折抗壓強度均超過了相應基準引氣混凝土。

圖6 粉煤灰引氣混凝土不同齡期的抗壓強度

2.5 硅灰引氣混凝土強度測定結果及分析

硅灰引氣混凝土坍落度、含氣量及相應齡期的抗折抗壓強度見表7。

表7 硅灰引氣混凝土的物理力學性能試驗結果

圖7 硅灰引氣混凝土不同齡期的抗折強度

圖8 硅灰混凝土不同齡期的抗壓強度

結果分析:水泥中摻入硅灰后，在減水劑的分散作用下，級硅灰顆粒能充分地和硅酸鹽水泥水化所產生的發生化學反應，生成水化硅酸鈣凝膠。硅灰混凝土和硅酸鹽水泥混凝土水化產物都有和凝膠，所不同的是，硅灰混凝土水化產物比硅酸鹽水泥混凝土少，而凝膠則多[5]。從試驗結果來看，無論是抗折強度還是抗壓強度在28 d和90 d兩個齡期中，硅灰引氣混凝土均比基準引氣混凝土高。

3 結語

文章是在混凝土的兩個強度等級（4.5 MPa和5.5 MPa）、兩個設計含氣量（3%和5%）下，分別對基準混凝土、基準引氣混凝土、礦渣引氣混凝土、粉煤灰引氣混凝土和硅灰引氣混凝土在強度（抗折強度和抗壓強度）方面作了相應試驗，歸納總結如下：

混凝土的抗折抗壓強度都隨齡期的增加而增大，隨著水膠比的降低而增大，隨含氣量的增加而降低；

當混凝土的水膠比、各種原材料用量相同時，摻入引氣劑會降低混凝土的抗折抗壓強度，同時隨著含氣量的增加，混凝土的抗折抗壓強度減小；

在同一水膠比和含氣量的情況下，只有粉煤灰降低早期強度，礦渣和硅灰增加了早期強度，這三種礦物摻和料均提高混凝土后期強度；

在同水膠比及同含氣量的引氣混凝土中，硅灰引氣混凝土抗壓強度最高；

對于從礦物摻和料與引氣劑疊加的效果來看，硅灰引氣混凝土的早期及后期強度均比較高。