矿渣粉对水泥混凝土抗裂性及强度的影响研究

李金京 刘占良

摘要：为了研究矿渣粉对优化混凝土抗裂性及强度的影响问题，通过自制试验工具进行矿渣粉掺量对混凝土抗裂性能影响的试验，同时对混凝土的抗压强度进行研究。研究结果表明：矿渣粉对水泥混凝土的初始开裂时间和裂缝宽度都有较大影响，并且存在最佳掺量；矿渣粉的增加对于混凝土强度的影响有限。

关键词：水泥混凝土；矿渣粉；抗压强度；试验研究

中图分类号：U414文献标志码：B

0引言

近年来，水泥混凝土的生产技术不断的进步，其中如何使用高效添加剂优化混凝土性能是一个重要的研究方向。通过使用不同性能的高效添加剂，设计人员可以使混凝土达到差异性的工程要求。另一方面，抗裂性一直是评价水泥混凝土性能优劣的一个重要指标，因为一般的混凝土结构物在施工一段时间后往往会出现大量的细微裂缝，这些裂缝受到腐蚀不仅会加速混凝土工作性能的退化，而且还会增加混凝土遭受其他病害的接触面，使混凝土内部的钢筋受到腐蚀，加速了混凝土性能衰减[1]。因此，通过使用添加剂来优化水泥混凝土的抗裂性就成为了一个重要的研究方向[23]。

矿渣粉作为选矿或冶炼后的残余物，是目前最常用的矿物掺合料之一，已有的研究成果表明，掺入矿渣粉确实对水泥混凝土的抗裂性能具有重要的影响。

基于上述原因，本文拟对矿渣粉对水泥混凝土的抗裂性能及强度的影响进行深入研究，以初始开裂时间和28 d的裂缝宽度为评价指标，通过圆环开裂试验来探讨不同掺量的矿渣粉对混凝土开裂性能的影响，并对其最佳掺量进行确定。

1材料制备和试验方法设计

1.1原材料制备

水泥为“太行”牌42.5#普通硅酸盐水泥，各种指标见表1；石料采用5～20 mm连续级配石灰岩碎石；沙料为河沙，级配良好，是细度模数为2.7的Ⅱ区中砂；矿渣为S95型矿渣粉，具体化学组分见表1；外加剂为江苏产FDN萘系高效减水剂。

表1水泥、粉煤灰及矿渣的化学组分

品种化学组成/%

SiO2CaOAl2O3Fe2O3MgOK2OSO3其他烧失量

水泥21.4562.075.463.841.061.022.750.571.78矿渣34.7546.1510.520.931.040.591.432.73 1.86

1.2试验方法

本文采用圆环开裂试验来评价混凝土受约束后开裂的性能，圆环内径为245 mm，外径为275 mm，高为150 mm。本试验采用无粗骨料混凝土，即混凝土拌和完毕后筛除粗集料，然后立即浇注。通过振动使混凝土密实，并用塑料膜覆盖，置于标准养护室内养护（相对温度为20 ℃，湿度在95%以上）。48 h后移除养护环模，并在混凝土环的上表面涂上水玻璃阻止水分挥发，然后将试件移至干燥室中（相对温度为20 ℃，湿度在65%以上）进行保护。采用25倍的显微镜观察混凝土表面裂纹，在混凝土表面出现裂纹前每12 h观察一次，并记录初始开裂时间t。从试件移至干燥室算起，28 d后测量混凝土试件表面的裂纹宽度，测量方法是用25倍带刻度显微镜沿高度方向均匀选取十个点测量裂缝宽度，并计算出平均值Wd。使用初始开裂时间t和裂缝宽度Wd作为表征不同配比混凝土抵抗约束开裂的能力。混凝土圆环开裂试验装置如图1所示。

图1试验装置示意

1.3配合比

混凝土的配合比是影响其使用性能的一个重要因素，其设计的合理与否会对混凝土的施工性能产生重要的影响。为了使研究成果具有一般性，本文使用了规范推荐的级配[45]，具体如表2所示。

2试验方案制定及结果分析

本文为了保证试验数据的科学性和实用性，制定了如下试验方案。通过调整矿渣粉与水泥和矿渣粉混合量的比例来研究其对水泥混凝土抗裂性的影响，并且对矿渣粉的最佳掺量进行确定；然后再对水泥混凝土的28 d抗压强度进行试验，以分析矿渣粉掺量对其强度的影响。

表2混凝土配合比

编号水胶比砂率/%

单方混凝土材料用量/（kg·m-3）

水泥矿渣石子砂水

基准0.3050.3847001 050668139

20%0.3050.38375951 050668139

30%0.3050.383281421 050668139

40%0.3050.382811891 050668139

50%0.3050.382342361 050668139

60%0.3050.381872831 050668139

70%0.3050.381403281 050668139

注：外加剂用量按照混凝土坍落度控制在17～21 cm之间添加。

2.1矿渣粉对混凝土初始开裂时间的影响分析

从图2可以得出，随着矿渣粉掺量的增加，水泥混凝土初始开裂时间会出现先下降后增加再下降的倒“N”字型变化趋势；当混凝土中掺加的矿渣粉含量在20%～40%的范围内时，试件初始开裂时间低于基准试件初试开裂时间；当矿渣粉掺量在40%时，试件初始开裂时间比基准试件增加了035 d，提高了21%；当矿渣粉掺量超过40%时，试件初始开裂时间又出现缩短的现象，并低于基准试件的初始开裂时间；当矿渣粉掺量在70%时，试件的初始开裂时间仅为基准试件的55%。试验结果表明，掺加矿渣粉的含量在40%左右时，对于混凝土的初始开裂时间有一定的提高。

图2混凝土初始开裂时间随矿渣粉掺量的变化趋势

当矿渣粉掺量在20%左右时，其初始开裂时间相对于基准试件有明显的缩短。这主要是因为此时的矿渣掺量较少，对水泥混凝土的开裂抑制作用不明显，而减少的水泥含量却对混凝土早期强度产生较多的影响，所以导致了其初始开裂时间缩短。endprint

2.2矿渣粉对水泥混凝土裂缝宽度的影响分析

在混凝土圆环开裂试验中，随着矿渣粉掺量的增加，水泥混凝土的裂缝宽度呈现出先减小后增大的“N”字型变化趋势；当矿渣粉掺量在20%～40%时，裂缝宽度相较基准变化不大；当矿渣粉掺量为40%左右时，裂缝宽度较基准试件减小了14%；当矿渣粉量为70%时，较基准试件增加了20%。试验数据表明，矿渣粉掺量对水泥混凝土裂缝宽度的影响存在一个极小值，即存在最佳掺量。试验证明，矿渣粉掺量为30%～40%左右时，裂缝开裂宽度可以被最大程度地减少，如图3所示。

图3混凝土裂缝宽度随矿渣粉掺量的变化趋势

2.3矿渣粉的掺量对混凝土对水泥混凝土抗压强度的影响分析

随着矿渣粉的掺入，水泥混凝土28 d抗压强度呈现出类似初始开裂时间的变化趋势，即先下降后增长再下降。这是由于随着矿渣粉掺量的增长，水泥含量会相应减少，而减少的矿渣粉含量又不足以对水泥混凝土强度的形成产生影响，所以其强度下降较大，为10.2%。当矿渣粉含量在30%～40%时，水泥混凝土强度会略有增加，其比基准值增加了005%左右，这说明矿渣粉对混凝土强度起到了一定的积极作用；但是当矿渣粉含量大于40%时，水泥混凝土强度出现了大幅度的下降，这主要是由于水泥含量减少的缘故，见图4。所以仅从抗压强度的角度看，矿渣粉的掺入量应为30%～40%左右。

2.4矿渣粉的掺入对混凝土抗裂性及强度影响

当混凝土中掺加矿渣粉时，矿渣对开裂的抑制作用比较明显，且矿渣粉存在一个最佳掺量。在这个范围内，初始开裂时间开始延长，裂缝宽度也有所下降，同时其抗压强度也没有明显的下降。根据本

图4混凝土抗压强度随矿渣粉掺量的变化趋势

课题的研究结果，最佳掺量应为30%～40%左右。

3结语

通过对不同掺量矿渣粉的水泥混凝土圆环开裂试验数据进行分析，可以得到如下结论。

（1） 随矿渣粉掺量的增加，水泥混凝土的初始开裂时间会呈现先降低后增长再降低的倒“N”字型变化规律；并且当掺量为40%时，初始开裂时间出现最大值。

（2） 随矿渣粉掺量的增加，水泥混凝土的裂缝开裂宽度会呈现先增长后降低再增长的 “N”字型变化规律；并且当掺量为30%～40%时，裂缝开裂宽度出现最小值。

（3） 随矿渣粉掺量的增加，水泥混凝土的抗压强度会呈现先降低后增长再降低的倒“N”字型变化规律；并且当掺量为30%～40%时，混凝土抗压强度的降幅出现最小值。

（4） 通过对掺加矿渣粉的水泥混凝土的初始开裂时间、裂缝宽度和抗压强度指标进行研究，结果表明，矿渣粉掺量为30%～40%时，水泥混凝土的综合性能可以得到较大的提高。

参考文献：

[1]吕志涛.现代土木工程的新发展[M].南京：东南大学出版社，1999.

[2]F M LEA，唐明述.水泥和混凝土化学[M].北京：中国建筑工业出版社， 1980.

[3]孙家瑛，黄成华.矿渣钢渣复合超量替代水泥的高性能混凝土性能研究[J].水电科技进展，2003（2）：1520.

[4]GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

[5]JTG D40—2011，公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[责任编辑：杜卫华]endprint