碳化礦粉對水工混凝土力學性能影響的試驗研究

文 星

(巴音郭楞蒙古自治州水利水電勘測設計院，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

混凝土是由膠凝材料膠結集合骨料形成整體的一種人工復合材料，同時也是人類社會使用最多的人工建筑材料。現代水泥自從19世紀20年代被波蘭特發明以來，其得益于原料豐富，價格低廉，生產工藝簡單等優勢，在包括水利工程在內的各個領域得到了廣泛應用。隨著中國經濟社會的發展，水利工程建設對混凝土的需求量日益增加，其帶來的環境問題也日漸突出。同時，隨著水利工程技術水平的提升，水工結構對混凝土的性能也提出了更高的要求[1]。因此，尋求低污染的綠色高性能混凝土就成為水工材料研究領域的重要課題。相關研究顯示，將礦粉、粉煤灰、鋼渣等工業固廢按照一定比例加入混凝土，可以有效改善水工混凝土的性能[2]。但是，目前針對工業固廢摻合料提升混凝土性能的研究主要集中于固廢類型的選擇和摻加比例的優化，而常見的工業固廢摻合料由于體積安定性不良，會影響到混凝土性能的改善效果[3]。另一方面，針對碳化改善工業固廢摻合料的性質，進而提升水工混凝土性能的研究不多，具有移動的理論價值和實際應用價值[4]。基于此，此次研究選擇碳化礦粉，通過室內試驗的方式探討其對水工混凝土力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1)水泥：考慮水工混凝土組分的復雜性，試驗中如果選用礦渣水泥或火山灰水泥，可能會引起混凝土中所含膠凝材料成分變得復雜，不利于混凝土的配置和試驗研究的順利進行，而純硅酸鹽水泥制備并不容易，因此選擇錦州方北水泥廠生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。經測定，所選水泥材料樣本的各項物理指標和化學組分均符合國家標準。

2)骨料：水工混凝土的骨料由粗骨料和細骨料組成。其中，細骨料一般選擇來源廣泛、級配良好、質地堅硬的河砂[5]。此次研究選擇是錦州市鑫源砂石料廠的天然河沙，其細度模數為2.58，為中砂。試驗中使用的粗骨料為級配碎石，其巖性為石灰巖，質地堅硬、壓碎率低，和混凝土中的膠凝材料具有良好的親和力。經測定，試驗用粗骨料的粒徑范圍為5-20 mm，其堆積密度為1680kg/m3。

3)水和減水劑：試驗中選用的是經化工合成的非引氣型高效減水劑，化學名稱萘磺酸鹽甲醛縮合物，對水泥粒子具有較強的分散作用，試驗中摻入含量為0.75%的粉劑。試驗用水為當地的普通自來水。

4)碳化礦粉：試驗用礦粉為山東濟南魯新新材有限公司生產的S90粒化高爐礦渣粉。在試驗中首先利用室內試驗用復式碳化攪拌裝置進行碳化礦粉的制備。該裝置主要由溫度控制系統、濕度控制系統、壓力控制系統和時間控制系統組成。該裝置具有控制方便，操作簡便的特點。

1.2 試驗方案

結合試驗的目的和相關研究成果，以水泥膠凝材料用量為標準，確定0%、5%、10%、15%和20%五種不同比例分別摻入碳化礦粉和普通礦粉取代部分膠凝材料制作混凝土試件，通過對不同試驗方案試件在7 d和28 d齡期的抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量的試驗，分析碳化礦粉對水工混凝土力學性能的影響。

2 試驗方法

試驗中混凝土試件采用的是100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，混凝土的制作采用的是小型攪拌機。在準備好試驗所需要的各種材料之后，利用電子秤準確稱量出各種材料的使用量，然后將粗骨料和細骨料倒入潤濕過的攪拌鍋中攪拌100 s，然后加入水泥、碳化礦粉、減水劑和水再連續攪拌70s，然后迅速將拌制好的混凝土取出，放在振搗臺上振動90s。在振動完畢之后，將試件的上表面抹平[6]。制作好的試件在靜置24h后脫模編號，然后放入標準養護室養護至試驗規定的齡期。

對養護至規定齡期的混凝土試件進行抗壓強度、抗折強度和彈性模量進行試驗。其中，抗壓其強度試驗的加載速率控制在0.5 MPa/s，記錄好試件破壞是的荷載值，并計算出抗壓強度值[7]。在進行劈裂抗拉強度試驗過程中，應該以0.2 MPa/s的加載速率進行均勻加荷試驗。由于此次研究采用的是試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，并非標準尺寸，因此在劈裂抗拉強度試驗計算時應該乘以折減系數0.85[8]。在彈性模量試驗中，使用TM-II 型彈性模量測定儀測試試件的軸心抗壓強度，然后再計算獲取混凝土的彈性模量。此外，為了保證試驗結果的科學性和準確性，每種試驗方案測試三個試件，以其試驗結果均值作為該方案的最終試驗結果。

3 試驗結果與分析

3.1 抗壓強度試驗結果與分析

對不同試驗方案的混凝土試件7d和28d齡期的抗壓強度進行試驗。根據試驗結果繪制出混凝土抗壓強度隨礦粉摻量的變化曲線，7d齡期抗壓強度變化曲線，見圖1；28d齡期抗壓強度變化曲線，見圖2。由圖1和圖2可以看出，礦粉摻量是混凝土抗壓強度的主要影響因素之一。隨著礦粉摻量的增加，混凝土在7 d和28 d齡期的抗壓強度均呈現出先增大后平穩減小的變化特點。無論是7 d齡期還是28 d齡期，當礦粉摻量為10%時，混凝土的抗壓強度值最大。但是，在7 d齡期條件下，混凝土抗壓強度的變化量較小，而28 d齡期混凝土抗壓強度的變化較為顯著。就其原因，主要是礦粉的水化活性地域水泥，因此在早期水化產物的生成量較小，因此對混凝土抗壓強度的影響不明顯，而在養護后期，水泥中的活性水化組分完全消化，而礦粉仍可以持續水化，因此強度值變化較為明顯。從不同性質礦粉的試驗結果來看，在其他條件相同時，摻入碳化礦粉的混凝土抗壓強度值明顯偏大。以28 d齡期為例，摻入10%碳化礦粉時混凝土的抗壓強度值為40.34 MPa，與摻入10%普通礦粉混凝土37.23 MPa的抗壓強度值相比，增加了約8.35%。由此可見，采用碳化礦粉對提高水工混凝土抗壓強度效果顯著。

圖1 7d齡期抗壓強度變化曲線 圖2 28d齡期抗壓強度變化曲線

3.2 劈裂抗拉強度試驗結果與分析

對不同試驗方案的混凝土試件在7d和28d齡期的劈裂抗拉強度進行試驗。根據試驗結果繪制出混凝土劈裂抗拉強度隨礦粉摻量的變化曲線，7d齡期劈裂抗拉強度變化曲線，見圖3；28d齡期劈裂抗拉強度變化曲線，見圖4。由圖3和圖4可以看出，礦粉摻量會對混凝土劈裂抗拉強度產生顯著影響，且對28d齡期的影響更為明顯，其原因與抗壓強度類似，這里不再敷述。隨著礦粉摻量的增加，混凝土在7d和28d齡期的劈裂抗拉強度均呈現出先增大后平穩減小的變化特點。無論是7d齡期還是28d齡期，當礦粉摻量為10%時，混凝土的劈裂抗拉強度值最大。從不同性質礦粉的試驗結果來看，在其他條件相同時，摻入碳化礦粉的混凝土劈裂抗拉強度值明顯偏大。以28d齡期為例，摻入10%碳化礦粉時混凝土的劈裂抗拉強度值為7.30MPa，與摻入10%普通礦粉混凝土6.71MPa的劈裂抗拉強度值相比，增加了約8.79%。由此可見，采用碳化礦粉對提高水工混凝土的劈裂抗拉強度效果顯著。

圖3 7d齡期劈裂抗拉強度變化曲線 圖4 28d齡期劈裂抗拉強度變化曲線

3.3 彈性模量試驗結果與分析

對不同試驗方案的混凝土試件在7 d和28 d齡期的彈性模量進行試驗。根據試驗結果繪制出混凝土彈性模量隨礦粉摻量的變化曲線，7d齡期彈性模量變化曲線，見圖5；28d齡期彈性模量變化曲線，見圖6。由圖5和圖6可以看出，礦粉摻量會對混凝土彈性模量產生顯著影響，且對28 d齡期的影響更為明顯。同時，混凝土試件彈性模量的變化規律與抗壓強度的變化規律基本一致。由此可見，彈性模量和抗壓強度之間存在較為密切的關系。從具體的變化規律來看，當礦粉的摻量為10%時，混凝土試件的彈性模量值最大，為礦粉的最佳摻量水平。

圖5 7d齡期彈性模量變化曲線 圖6 28d齡期彈性模量變化曲線

4 結 論

此次研究通過室內試驗的方式，探討了碳化礦粉對水工混凝土力學性能的影響，并獲得如下主要結論：

1)水工混凝土中摻入礦粉，會對混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度以及彈性模量產生顯著影響，且28 d齡期的影響更為顯著。

2)混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度以及彈性模量隨著礦粉摻量的增加先增大后減小，當礦粉摻量為10%時獲得最大值。

3)在其他條件相同時，摻入碳化礦粉混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度以及彈性模量，明顯偏大，說明摻入碳化礦粉更利于提高混凝土的力學性能。