不同礦物摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能影響研究

石偉，龐建勇 （安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

作為最常用到的基礎(chǔ)建設(shè)材料，混凝土在土木、水利、交通等工程領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。但是隨著混凝土應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其抗拉強(qiáng)度低、易于開(kāi)裂、耐久性低等力學(xué)性能方面的缺陷日益顯著。而我國(guó)作為基建大國(guó)，很多基礎(chǔ)建設(shè)由于達(dá)不到規(guī)范所規(guī)定的正常使用年限而不得不提前拆除，造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失。在此背景下，如何改善混凝土的力學(xué)性能，使其滿足人們的需求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其不斷地進(jìn)行研究。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，利用礦物摻合料（即輔助性膠凝材料）替代部分水泥來(lái)制備混凝土，可以有效地改善混凝土的力學(xué)性能。

1 單種礦物摻合料的影響

現(xiàn)如今，礦物摻合料的來(lái)源十分廣泛，這其中包括了很多的工業(yè)廢料，如粉煤灰（FA）、硅灰（SF）、稻殼灰（RHA）等。種類不一樣的礦物摻合料其組成成分、活性成分、細(xì)度也不同[1]。

1.1 粉煤灰

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰的摻量、細(xì)度及種類對(duì)混凝土各種力學(xué)性能都有影響。姚文杰等[2]發(fā)現(xiàn)隨粉煤灰用量的提高，抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均下降，在考慮各種因素后，得出粉煤灰的摻入量應(yīng)在10%～20%為最佳。羅小博等[3]發(fā)現(xiàn)當(dāng)水膠比不變時(shí)，用粉煤灰等量代替水泥，其摻量在15%～20%時(shí)，可以明顯地改善高性能混凝土(HPC)的各項(xiàng)力學(xué)性能，并且對(duì)HPC 的其他性能也有一定提高。丁莎等[4]通過(guò)x-射線衍射法（XRD)、熱重-差示熱法（TGDSC)、掃描電鏡法（SEM)對(duì)噴射粉煤灰混凝土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的研究，同時(shí)研究了養(yǎng)護(hù)時(shí)間和粉煤灰摻量的變化對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，在齡期28d 前，隨粉煤灰摻入量的增加，噴射混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均降低，28d 后，隨著粉煤灰摻入量的增大，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，但抗拉強(qiáng)度則呈上升趨勢(shì)。何斌等[5]對(duì)硫酸鹽侵蝕環(huán)境下粉煤灰混凝土的力學(xué)特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)56d 的浸泡后，粉煤灰混凝土外觀較普通混凝土更完整，并且隨著硫酸鎂溶液的加入和浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，其抗壓強(qiáng)度下降，但在齡期90d 時(shí)粉煤灰的強(qiáng)度損失率僅為28.9%，相對(duì)于普通混凝土的40.6%有了明顯的提升。梁甲等[6]對(duì)在水圍壓下粉煤灰混凝土的含水量及動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，在相同的水圍壓下，含20%粉煤灰摻量的混凝土含水量最低，且隨著應(yīng)變速率的提高，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增加值增長(zhǎng)速度明顯高于粉煤灰摻量為0%、40%兩種情況。李聰?shù)萚7]展開(kāi)了粉煤灰對(duì)超高性能混凝土（UHPC）力學(xué)性能的影響研究，得出了在自由狀態(tài)下，粉煤灰可以有效降低UHPC 早期自收縮，并顯著減少UHPC 早期的開(kāi)裂情況；略微降低抗壓強(qiáng)度和彈性模量，但增加了劈裂強(qiáng)度，最高可達(dá)19.2%。Thuy等[8]研究了不同種類粉煤灰對(duì)膨脹混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)SO3含量最高的粉煤灰最有效的改善了膨脹混凝土的膨脹，并且在一定的膨脹率下可以降低膨脹混凝土中膨脹劑的用量。

1.2 硅灰

閻培渝等[9]將加密硅灰和原狀硅灰分別加入高強(qiáng)混凝土中，發(fā)現(xiàn)兩者都可以提高混凝土強(qiáng)度，且加密硅灰增強(qiáng)效果比原狀硅灰略強(qiáng)，但硅灰在水化7d 內(nèi)不明顯且增強(qiáng)幅度小于5%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)提高養(yǎng)護(hù)溫度可以提高摻入硅灰后的混凝土早期強(qiáng)度。游帆等[10]對(duì)再生骨料混凝土（RAC）、硅灰再生骨料混凝土（RACSF）進(jìn)行彎曲疲勞性能的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)硅灰可以有效地提高再生骨料混凝土的抗彎曲疲勞性能，且極大的提高了彎曲疲勞壽命。張雄等[11]研究了混凝土中的基相硅灰和界面硅灰對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，在低摻量下，界面硅灰相對(duì)于基相硅灰可以顯著地改善混凝土的強(qiáng)度同時(shí)減小其脆性。這是由于界面硅灰可以有效的提高界面粘結(jié)強(qiáng)度所導(dǎo)致的。張憲圓等[12]將硅灰摻入蒸壓加氣混凝土，并通過(guò)X-ray 衍射分析儀和掃描電子顯微鏡進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果表明，在蒸壓加氣混凝土中加入硅灰后，其抗壓強(qiáng)度得到了明顯的提高，其中當(dāng)摻量低于5%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度得到了最大的提升。周璐等[13]將硅灰摻入透水混凝土中，發(fā)現(xiàn)硅灰能夠有效地改善透水混凝土的致密性，從而大幅度改善透水混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度，而硅灰摻量增加對(duì)其影響不大。劉紅彬等[14]把0%、8%、12%、16%、22%五種不同摻量的硅灰摻入活性粉末混凝土（RPC）中，發(fā)現(xiàn)硅灰可以有效地改善RPC 的力學(xué)性能，綜合考慮得出硅灰摻量在12%左右為最佳。在如今可持續(xù)發(fā)展大背景下，許多研究人員把廢再生混凝土骨料(RCA)加入自密實(shí)混凝土（SCC）中，Hossein[15]把硅灰摻入這種新型自密實(shí)混凝土中研究對(duì)其性能的影響，發(fā)現(xiàn)硅灰會(huì)在早期降低含廢再生混凝土骨料自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度，但在后期可以有效提高其抗壓強(qiáng)度。

1.3 稻殼灰

張朝輝等[16]人研究了不同煅燒溫度下的摻稻殼灰超高性能混凝土，發(fā)現(xiàn)稻殼灰降低了超高強(qiáng)混凝土的早期強(qiáng)度，在摻入量為30%，煅燒溫度為600℃時(shí)，可以顯著提高混凝土的強(qiáng)度。姚韋靖等[17]研究發(fā)現(xiàn)適量的稻殼灰可以有效提高混凝土的強(qiáng)度，以稻殼灰代替9%的水泥效果最好，且在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下，與普通混凝土相比，摻稻殼灰混凝土的力學(xué)性能明顯提高。王收等[18]研究了稻殼灰對(duì)高強(qiáng)混凝土的影響，發(fā)現(xiàn)稻殼灰的摻入提高了高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度，其中在相同齡期時(shí)，10%摻入量的稻殼灰可以明顯地提高抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率。在對(duì)比抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之后發(fā)現(xiàn)盡管稻殼灰也提高了抗折強(qiáng)度，但抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)率明顯較低。袁繼峰等[19]研究發(fā)現(xiàn)由于磨細(xì)稻殼灰越細(xì)，化學(xué)反應(yīng)活性越高導(dǎo)致膠凝體系強(qiáng)度提高，最終導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度提高，且當(dāng)抗壓強(qiáng)度比大于100%時(shí)，磨細(xì)稻殼灰越細(xì)，其最大摻量就越大。Pokpong 等[20]把稻殼灰作為水泥基材料加入再生骨料混凝土中，發(fā)現(xiàn)在較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，用稻殼灰代替20%的水泥摻入再生骨料混凝土中可以明顯增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2 多種礦物摻合料的影響

在單一礦物摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能改變的研究基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合礦物摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響進(jìn)行了深入研究和探討。張波等[21]對(duì)養(yǎng)護(hù)條件為-3℃時(shí)，復(fù)合礦物摻合料對(duì)混凝土性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，-3℃養(yǎng)護(hù)條件時(shí)，粉煤灰/礦粉的摻入量增加，使其抗壓強(qiáng)度降低，但隨著齡期的增長(zhǎng)，其強(qiáng)度損失率明顯低于基礎(chǔ)混凝土。王喆等[22]將礦渣-粉煤灰、礦渣-鋼渣、礦渣-石灰石粉、粉煤灰-鋼渣、粉煤灰-石灰石粉、鋼渣-石灰石粉六種不同的復(fù)合礦物摻合料分別摻入混凝土中，發(fā)現(xiàn)含礦渣的復(fù)合礦物摻合料摻入混凝土?xí)r可以顯著提高混凝土的力學(xué)性能；含粉煤灰的復(fù)合礦物摻合料，以及鋼渣與石灰石粉復(fù)合礦物摻合料，混凝土的力學(xué)性能有明顯下降。胡輝等[23]將兩種不同粒徑的超細(xì)粉煤灰（UFA1、UFA2）和超細(xì)礦粉（US）摻入混凝土中，結(jié)果表明，在一定摻量范圍內(nèi)，復(fù)摻與單摻都可以有效提高混凝土抗壓強(qiáng)度，當(dāng)混凝土中復(fù)合摻入U(xiǎn)FA2 與US 時(shí)，且當(dāng)UFA2 摻量為4%時(shí)，混凝土28d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高。王維紅等[24]將稻殼灰與硅灰、粉煤灰復(fù)合摻入混凝土中，研究發(fā)現(xiàn)，10%稻殼灰/5%硅灰和10%稻殼灰/15%粉煤灰/5%硅灰這兩種摻入方式對(duì)混凝土強(qiáng)度提升效果最好。殷建光等[25]將粉煤灰和硅灰混合摻入自密實(shí)混凝土中，發(fā)現(xiàn)在粉煤灰用量不變的情況下，在自密實(shí)混凝土中摻入4%的硅灰可以顯著改善自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度；其中當(dāng)粉煤灰摻入量為30%時(shí)，增強(qiáng)效果最好。同時(shí)，復(fù)摻硅灰與粉煤灰的自密實(shí)混凝土早期強(qiáng)度較單獨(dú)摻入粉煤灰時(shí)有明顯改善。李恒等[26]在再生混凝土中摻入粉煤灰-礦渣、粉煤灰-硅灰兩種不同的復(fù)合礦物摻合料，研究結(jié)果表明，粉煤灰-礦渣僅能改善再生混凝土的抗拉強(qiáng)度，而摻入粉煤灰-硅灰時(shí)，其抗壓、抗拉強(qiáng)度均有所改善。侯晏鵬等[27]人在輕骨料混凝土中摻入粉煤灰-礦渣粉復(fù)合礦物摻合料，發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合摻合料降低了輕骨料混凝土早期強(qiáng)度，但提升了后期的抗壓強(qiáng)度，且當(dāng)粉煤灰與礦渣粉摻量比為2：3，總摻量為30%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度有較大的改善。Liu等[28]在混凝土中摻入鋼渣與硅灰形成的礦物摻合料，結(jié)果表明，摻入后的混凝土早期抗壓、抗拉強(qiáng)度低于普通混凝土早期抗壓、抗拉強(qiáng)度，盡管隨著硅灰摻量的增加其強(qiáng)度有一定的改善，同時(shí)在研究中發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合礦物摻合料摻入后對(duì)混凝土后期的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有一定程度的改善作用。

3 結(jié)論與展望

①通過(guò)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是單摻還是復(fù)摻礦物摻合料都可以提高混凝土的后期力學(xué)性能，但對(duì)于混凝土的早期力學(xué)性能卻可能有不利的一面。

②單摻礦物摻合料可能會(huì)降低混凝土的力學(xué)性能，在近年來(lái)的研究中，粉煤灰的最優(yōu)摻量為10%～20%，硅灰最優(yōu)摻量約為5%，稻殼灰最優(yōu)摻量約為9%。

③復(fù)摻礦物摻合料相對(duì)于單摻礦物摻合料，能夠更加有效地改善混凝土的力學(xué)性能，但復(fù)合摻入礦物摻合料導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)研究的難度進(jìn)一步加大，也使得其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響更加復(fù)雜，提高了對(duì)其影響機(jī)理研究的難度。

④可以深入探究復(fù)合礦物摻合料對(duì)混凝土的影響機(jī)理。

⑤在如今提倡可持續(xù)發(fā)展的大環(huán)境下，可以進(jìn)一步研究更多不同種類的工業(yè)廢料復(fù)合摻入混凝土，研究其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。

⑥可以更多考慮從微觀層面來(lái)研究礦物摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。