矿物掺合料对高性能混凝土力学和耐久性的影响分析

时间：2024-07-28

赵年全

(中铁十二局集团有限公司，太原 030024)

添加矿物掺合料可以有效改善混凝土的工作性和耐久性能，常用的矿物掺合料有粉煤灰、磨细矿渣、硅灰及其复合物等，主要是煤炉发电、高炉炼铁、冶炼硅铁合金等过程中产生的副产品，属于工业废渣，合理地利用这些材料作为混凝土的掺合料，不但可以节省大量水泥熟料和生产成本，还可以减少对环境的污染，具有显著的经济性和环保性。

1 矿物掺合料的作用机理

高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，在传统的水泥、粗骨料、细骨料、水四组分基础上增加了矿物掺合料和化学外加剂后成为六组分。以环境条件和工程结构特点为前提，以结构的耐久性设计为主要目标，重点保证混凝土的工作性、强度、体积稳定性和经济性等，具有易浇筑、振捣时不离析、结构密实、抗渗性和体积稳定性好、水化热低、在恶劣环境下有较长的使用寿命等特点。当前的客运专线和高速铁路建设中都提出了保证主体结构使用寿命100年的质量控制目标，高性能混凝土的应用则是实现这一目标的重要手段。

矿物掺合料对高性能混凝土工作性、长期性和耐久性的改善主要是由于其具有形态、微集料和活性效应的作用[1]。

2 矿物掺合料对混凝土力学和耐久性能的影响

在混凝土中掺入一定比例的矿物掺合料，充分发挥其三大效应的作用，能减少混凝土中的水泥用量，起到提高结构的密实性和强度的作用，具有显著的技术经济效益和社会效益，结合《客运专线100年耐久性混凝土技术试验研究》课题，试验研究了不同掺合料对混凝土力学性能和耐久性能的影响[2]。

2.1 原材料及配合比情况

2.1.1 原材料

1)水泥:安徽怀宁海螺牌P.O 32.5水泥，各项性能指标见表1。

2)粉煤灰:安徽淮南坪圩电厂Ⅱ级粉煤灰，各项性能指标见表2。

3)矿粉:芜湖朱家桥水泥有限公司生产的磨细矿粉，各项性能指标见表3。

4)外加剂:天津雍阳减水剂厂生产的 UNF-5AST型聚羧酸高效减水剂，各项性能指标见表4。

5)粗骨料:金寨隧道石料场生产的 5～16 mm，16.0～31.5 mm二级配碎石，各项性能指标见表5。

6)细骨料:金寨朝阳砂场Ⅱ区中砂，各项性能指标见表6。

7)水:饮用水。

2.1.2 混凝土配合比

混凝土配合比按C30强度等级进行设计，测试其各项性能指标，掺入粉煤灰或矿粉时采取等量取代的方式，基准配合比参数见表7，砂率为39%。

2.2 粉煤灰对混凝土长期性和耐久性的影响

2.2.1 粉煤灰对混凝土力学性能的影响

掺粉煤灰混凝土的强度增长主要决定于粉煤灰的火山灰效应，图1和图2是不同粉煤灰掺量和试验龄期时混凝土的强度试验结果。

表1 水泥性能指标

表2 粉煤灰性能指标

表3 矿粉性能指标

表4 外加剂性能指标

表5 粗骨料性能指标

表6 细骨料性能指标

表7 混凝土基准配合比 kg

图1 不同粉煤灰掺量混凝土强度与龄期关系

图2 不同龄期混凝土强度与粉煤灰掺量关系

由图1和图2中可以看出，粉煤灰掺量对混凝土抗压强度有一定的影响，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度逐渐降低，尤其是对早期强度影响较大，但28 d以后仍有一定的强度增长空间，最终其56 d抗压强度与基准混凝土的抗压强度基本相当，对掺入粉煤灰的混凝土在28 d后仍要继续加强养护。

2.2.2 粉煤灰对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

氯盐环境下混凝土劣化的最主要形式就是由于氯离子侵入所引起的钢筋锈蚀，电通量法是目前评价混凝土抗氯离子渗透性的主要方法。

图3是不同粉煤灰掺量对混凝土电通量的影响试验结果，可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的电通量降低，抗氯离子渗透性能明显增强。

图3 不同龄期混凝土电通量与粉煤灰掺量关系

2.2.3 粉煤灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

混凝土的化学侵蚀包括硫酸盐侵蚀、盐类结晶侵蚀、酸性介质侵蚀以及镁盐侵蚀等，其中硫酸盐侵蚀是混凝土化学侵蚀中最常见的形式。采用不同粉煤灰掺量的胶凝材料胶砂试体浸泡在硫酸钠溶液中，检测其抗折强度与浸泡在洁净的饮用水中的同龄期抗折强度之比计算抗蚀系数，可用来比较胶凝材料抗硫酸盐侵蚀的性能，试验结果见图4。

图4 粉煤灰掺量与混凝土抗硫酸盐侵蚀性能关系

试验结果表明粉煤灰掺量为0～50%时，抗蚀系数均>0.80，其抗硫酸盐侵蚀性能合格。粉煤灰掺量在0～40%范围内时，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗腐蚀系数逐渐增加，当掺量超过40%达到50%后，抗腐蚀系数减小，抗硫酸盐侵蚀能力降低。

2.2.4 粉煤灰对水泥水化热的影响

水泥的水化反应是一个放热反应，产生的热量能使混凝土达到相当高的温度。由于混凝土导热性能差，大体积混凝土在浇筑初期容易造成内外温差;随着龄期增长，混凝土又会逐渐降温而发生体积收缩，这样的温度变化会产生温度应力，导致混凝土发生裂缝。用粉煤灰代替一部分水泥，能降低混凝土的内部温度，有利于控制混凝土内外温差，减少裂缝的发生。

图5和图6分别是不同掺量粉煤灰的时间—放热速率曲线和时间—热量曲线，可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，不但水泥的单位放热量降低，而且放热速率向后推移，最大放热速率值也明显降低，说明掺入粉煤灰后降低了水泥的水化放热量，掺量越大，降低的越多，有利于减少因温差产生的温度裂缝，提高耐久性。

图5 不同掺量粉煤灰的时间—放热速率曲线

图6 不同掺量粉煤灰的时间—热量曲线

2.3 粉煤灰和矿粉配伍对混凝土力学和耐久性的影响

图7、图8是不同粉煤灰—矿粉配伍比例对混凝土力学性能和电通量的影响曲线。可以看出，矿粉的掺入也有利于改善混凝土的力学性能和抗氯离子渗透性能，并且在一定的比例范围内，随着矿粉比例的增加，粉煤灰比例的减少，混凝土的抗压强度有所增加，电通量逐渐降低。达到一定比例后，矿粉掺量的变化对强度的影响不大，而电通量又逐渐增大，可见二者有一个最佳掺配比例，在试配时应通过多次比选，以使其力学和耐久性能达到最佳。

图7 矿粉—粉煤灰的比例对混凝土力学性能的影响

图8 矿粉—粉煤灰比例对混凝土电通量的影响

2.4 不同种类矿物掺合料对混凝土力学和耐久性的影响分析

以纯硅酸盐水泥为全部胶凝材料的配合比为基准，在分别采取单掺和复合掺加粉煤灰、矿粉和硅灰的条件下进行力学和耐久性试验，比较其不同龄期时的力学性能和抗氯离子渗透性能，配合比数据见表8，试验结果分别见图9、图10。

表8 不同矿物掺合料的混凝土配合比

图9 不同矿物掺合料混凝土的抗压强度

图10 不同矿物掺合料对混凝土电通量的影响

图9是不同类型矿物掺合料的混凝土标准养护试件在7 d、28 d和56 d龄期时的抗压强度试验结果，可以看出，掺有矿物掺合料的混凝土较基准混凝土早期抗压强度低并且发展缓慢，而后期强度(56 d)增长较大，复合掺加矿物掺合料的PS-F组和PS-F-S组混凝土的各龄期抗压强度均比单掺矿粉(PSL)或粉煤灰(PFA)的高，说明施工时可以结合工程特点和各种材料供应情况，采取不同矿物掺合料配和的方式优化混凝土配合比。

图10是不同类型矿物掺合料混凝土的电通量试验结果，可以看出，与基准纯水泥混凝土相比，掺有矿物掺合料的各组混凝土的电通量都有不同程度的降低，因此不同矿物掺合料的掺入都能有效地改善混凝土的抗氯离子渗透性能，提高结构的耐久性。