不同礦物摻合料摻量對(duì)海工混凝土力學(xué)性能影響分析

劉相龍，于云飛，王 俞，崔鳳坤，郝秀紅

(1.煙臺(tái)市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 煙臺(tái) 264001；2.山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357)

1 引 言

目前，海工混凝土因其具有較高的耐久性能以及良好的工作性能，越來越多的應(yīng)用于沿海地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)之中。為改善海工混凝土各方面性能，通常利用一定量的礦物摻合料代替等比例水泥，通過礦物摻合料自身性能方面的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)純水泥混凝土的劣勢(shì)，進(jìn)而提高海工混凝土的工作性和耐久性。然而礦物摻合料在海工混凝土中的用量并非越多越好，過多摻量的礦物摻合料會(huì)降低水泥用量，進(jìn)而嚴(yán)重影響海工混凝土自身的強(qiáng)度，因此有必要研究不同礦物摻料對(duì)海工混凝土力學(xué)性能影響，以求得到合理的礦物摻合料的用量，進(jìn)而指導(dǎo)工程實(shí)踐。

關(guān)于礦物摻合料用量對(duì)混凝土力學(xué)性能影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定的研究。其中，涂文懋[1]研究了復(fù)摻礦物摻料對(duì)海工混凝土力學(xué)性能的影響，研究表明礦物摻料可以提高海工混凝土抗壓強(qiáng)度，但未提出不同礦物摻合料的合理范圍；楊斌[2]等研究了粉煤灰和礦粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，研究表明復(fù)摻粉煤灰和礦粉對(duì)混凝土后期強(qiáng)度影響較大，但早期強(qiáng)度偏低；金凌志[3]等進(jìn)行了不同摻合料摻料的活性粉末混凝土受壓試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰比礦粉對(duì)活性粉末混凝土強(qiáng)度影響大；王洪[4]等對(duì)摻入硅灰的高強(qiáng)混凝土進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)硅灰摻量為5%～9%時(shí)高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)，超過9%后高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度開始下降。

綜上所述，目前針對(duì)不同礦物摻料對(duì)普通混凝土的研究較多，專門針對(duì)海工混凝土力學(xué)性能的影響相對(duì)較少。為研究不同礦物摻合料對(duì)海工混凝土力學(xué)性能的影響，本文通過在混凝土中摻入硅灰、粉煤灰和礦粉三種礦物摻料，開展混凝土力學(xué)性能研究試驗(yàn)，分析不同礦物摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，從而得到海工混凝土抗壓強(qiáng)度指最優(yōu)標(biāo)的礦物摻合料用量。

2 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方案

2.1 原材料

(1)水泥采用PⅡ 52.5。

(2)不同礦物摻合料成分及物理性能見表1～表3。

表1 粉煤灰成分及物理性能

表2 礦粉S95成分及物理性能

表3 硅灰成分及物理性能

(3)細(xì)骨料采用天然河沙。

(4)粗骨料采用粒徑分別為5～10 mm、10～20 mm的兩種花崗巖。

2.2 試驗(yàn)方案

混凝土配合比設(shè)計(jì):混凝土膠凝材料用量為483 kg/m3、細(xì)集料用量為716 kg/m3；粗集料用量為1 031 kg/m3，水用量為140 kg/m3，其中混凝土砂率為41%，水膠比為0.29，花崗巖兩種粒徑(5～10 mm、10～20 mm)占粗集料的比例分別為30%、70%，根據(jù)礦物摻合料的用量對(duì)減水劑用量進(jìn)行調(diào)整，使混凝土的塌落度保持在170～200 mm。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為平行試驗(yàn)，混凝土配合比具體見表4。

表4 混凝土配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

改變粉煤灰摻量，混凝土7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同粉煤灰摻量混凝土7 d和28 d立方體抗壓強(qiáng)度結(jié)果

由圖1可知，混凝土強(qiáng)度會(huì)隨著齡期延長(zhǎng)而增長(zhǎng)。當(dāng)粉煤灰摻量為10%～30%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土7 d和28 d強(qiáng)度均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。從微觀角度來看，粉煤灰為微型球體，可以均勻地填充到水泥之間的空隙中[5]。而且早期未參加水化反應(yīng)，因此摻入粉煤灰便降低了水泥所產(chǎn)生的總熱量；另一方面部分粉煤灰還會(huì)吸收水化反應(yīng)所釋放的熱量，相當(dāng)于降低了水泥產(chǎn)生的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致水泥水化反應(yīng)減緩。綜上兩點(diǎn)可以看出隨著粉煤灰摻量的增加，水泥強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化產(chǎn)物Ca(OH)2和C—S—H將覆蓋在粉煤灰表面，粉煤灰要進(jìn)行二次水化反應(yīng)不僅要將水化產(chǎn)物破壞掉，還需破壞其自身表面的致密玻璃質(zhì)表層，因此粉煤灰二次水化反應(yīng)較慢，影響混凝土強(qiáng)度的發(fā)展。

混凝土后期強(qiáng)度提升主要是由于水泥進(jìn)一步發(fā)生水化反應(yīng)，粉煤灰二次水化反應(yīng)被激發(fā)，其生成的C3AH6和CaSiO3凝膠，將填充發(fā)生反應(yīng)的粉煤灰周圍空隙，并且可以消耗混凝土過渡區(qū)中的Ca(OH)2，改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此混凝土后期強(qiáng)度進(jìn)一步得到發(fā)展。

(2)礦粉摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

改變礦粉摻量，混凝土7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同礦粉摻量混凝土7 d和28 d立方體抗壓強(qiáng)度結(jié)果

由圖2可知，礦粉摻量分別占膠凝材料的30%、40%、50%。摻量為30%和40%時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度相近，但礦粉摻量為50%時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度相對(duì)降低。礦粉摻量在40%時(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度最大，隨礦粉摻量的增加，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，原因是礦粉參與二次水化反應(yīng)，改善混凝土內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)，增大混凝土密實(shí)度，因而強(qiáng)度增加，當(dāng)?shù)V粉摻量過大，水泥用量相對(duì)減少，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)下降。

(2)硅灰摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

改變硅灰摻量，混凝土7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同硅灰摻量混凝土7 d和28 d立方體抗壓強(qiáng)度結(jié)果

由圖3可知，硅灰摻量分別占膠凝材料的5%、10%、15%，摻量為5%的混凝土強(qiáng)度要優(yōu)于摻量為10%和15%的混凝土，但是硅灰摻量在5%和10%時(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度相近，但硅灰摻量在15%時(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度明顯出現(xiàn)下降，原因在于礦物摻合料出現(xiàn)火山灰反應(yīng)會(huì)將Ca(OH)2不斷消耗，隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)，混凝土內(nèi)部已經(jīng)形成致密結(jié)構(gòu)，對(duì)于SiO2含量較高的礦物摻合料，還需要繼續(xù)消耗Ca(OH)2，由表3可知硅灰中的SiO2含量高達(dá)96.46%，因此過量的硅灰會(huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生不良影響，而這種影響會(huì)隨著齡期的增長(zhǎng)而逐漸下降。

4 結(jié) 論

通過研究發(fā)現(xiàn)不同礦物摻合料對(duì)海工混凝土力學(xué)性能有不同影響，摻入適量的礦物摻合料才能提高混凝土力學(xué)性能。

(1)粉煤灰摻量為10%～30%時(shí)，海工混凝土強(qiáng)度會(huì)隨著粉煤灰摻量的增加而降低。

(2)礦粉對(duì)提高混凝土力學(xué)性能具有一定的影響，然而過量的礦粉摻量會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降。

(3)硅灰摻量為5%和10%時(shí)，海工混凝土抗壓強(qiáng)度相近，但是硅灰摻入量達(dá)到15%時(shí)會(huì)對(duì)混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生一定的不利影響。

(4)分析不同規(guī)范中礦物摻合料的摻量要求，在滿足特定環(huán)境條件要求的前提下，盡量控制礦物摻合料的摻量，以保證混凝土對(duì)力學(xué)性能的要求。