3种掺合料对混凝土力学性能影响试验分析

2020-07-06刘玲，高强

实验室研究与探索 2020年4期

刘玲，高强

（1.长春建筑学院土木工程学院，长春130607；2.河北省地矿局第四地质大队，河北承德067000）

0 引言

随着绿色建筑概念的提出，新型建筑混凝土材料的研发成为当下的热点之一。石创等［1］以建筑混凝土为基材，并加入矿渣等掺合料测试了混凝土发泡保温材料的导热系数和热工性能。余海燕等［2］采用铝粉发气的方法制备加气脱硫混凝土保温材料。冀志江等［3］通过在浸渍乙炔炭黑的蜂窝结构中填充混凝土，制备了具有蜂窝结构的混凝土吸波材料。薛力梨等［4］将粉煤灰作为掺合料研制新型混凝土保温材料。周瑜等［5］研究单掺激发剂对脱硫混凝土复合胶凝材料的水化放热影响。江嘉运等［6］研究了不同因素对其性能的影响。白锡庆等［7］通过掺加粉煤灰、石膏、矿渣粉等研究混凝土性能的演变规律。解帅等［8］采用纺织材料掺入混凝土中并测试其微波吸收功能。张伶俐等［9］研究了国内外不同混凝土缓凝剂对混凝土的作用效果。吴蓉［10］将脱硫混凝土、秸秆、聚苯颗粒按一定比例组合并掺入适量外加剂加水拌合制成新型墙板。

上述学者通过掺入不同的矿物掺合料来制备新型混凝土材料。沸石粉是一种价格低廉、效果较好的掺合料，而碳纤维是一种纺织原料，由于其本身具备活性，在混凝土材料中能够激发出混凝土的各种性能［11］。因此，本文选择上述两种材料和石膏作为添加材料，并以不同配比掺入混凝土中测试抗压强度、抗折强度、吸水性和软化性的演变趋势。

1 材料与方法

1.1 材料

本文所用的石膏由湖北龙源石膏有限公司生产，其基本性能：初凝6.3 min，终凝14.2 min，28 d 抗压强度2.81 MPa，28 d 抗折强度1.64 MPa。石膏化学成分（质量分数）：SiO24.13，Al2O30.45，Fe2O30.42，CaO 40.15，MgO 0.52，SO354.33。

硅酸盐水泥掺入混凝土中能够提高混凝土的力学强度和软化性，该水泥由南昌市鵬洋水泥制品有限公司生产提供，其基本指标：表面积320 m2/kg，28 d抗压强度84 MPa，28 d抗折强度16 MPa。

当在混凝土中掺入石膏时，其化学成分发生了相应的变化。可以看出，石膏掺入混凝土内部会产生一定量的钙矾石，从而改变混凝土材料性能。

建筑石膏遇水后会形成二水混凝土，因此石膏材料遇水后会造成结构的破坏［12］。水分的控制非常重要，而沸石粉遇水后会发生水化效应，因此沸石粉的掺入能够提高混凝土材料的性能，本文实验中沸石粉由山东开普敦实业有限公司生产，其性能指标：密度2.27 g/cm3，比表面积4 426 cm2/g。

碳纤维是一种新型纤维材料，将其掺入混凝土中能够填充复合材料之间的空隙，提高密实度，并进一步提高混凝土的性能［13］。本文实验中碳纤维由深圳市盟禾科技有限公司生产，其性能指标密度1.67 g/cm3，比表面积1 480 cm2/g。

1.2 方法

根据GB17669-1999将混凝土试块放入由济南旭联仪器设备有限公司生产的压力机中测试抗压强度；在试块养护完成后，称其质量，再将其放入塑料桶中用水浸泡1 d后，再次称其质量。两质量之差即为吸水质量，并得到混凝土材料的吸水率［14］。将成型后的试块进行抗压强度测试，饱和状态下的混凝土试块抗压强度与干燥状态下的混凝土试块抗压强度之比，即得到混凝土材料的软化性［15］。

2 石膏对混凝土强度的影响

石膏可以作为辅助掺料改善混凝土的强度、吸水率和软化性。在混凝土中分别掺入0%、10%、20%、30%和40%的石膏，其对混凝土强度的影响如图1所示。

图1 石膏掺量对混凝土强度的影响

从图1可以看出，当石膏掺量为0%时，混凝土材料的抗压强度为3.4 MPa，抗折强度为1.8 MPa；当石膏掺量为10%时，混凝土材料的抗压强度为4.2 MPa，抗折强度为1.9 MPa；当石膏掺量为20%时，混凝土材料的抗压强度为5.1 MPa，抗折强度为2.1 MPa；当石膏掺量为30%时，混凝土材料的抗压强度为6.25 MPa，抗折强度为2.3 MPa；当石膏掺量为40%时，混凝土材料的抗压强度为5.75 MPa，抗折强度为2.25 MPa。

石膏掺量在0% ～30%时，混凝土材料28 d强度随石膏掺量增加而增加，这是因为石膏自身的抗压强度比混凝土的抗压强度要大得多，随着掺量的增加，混凝土复合材料的抗压强度也即随之加大。但当石膏比例超过30%时，混凝土复合材料的抗压强度相比之前有所降低，这是因为混凝土和石膏在混合搅拌中会发生化学反应，生成钙矾石。但过量的石膏和混凝土发生反应还会生成石膏硬化体，使得混凝土复合材料抗压强度下降。

3 沸石粉对混凝土的影响

3.1 对抗压强度的影响

从图2可以看出，当沸石粉掺量为0%时，混凝土材料的抗压强度为3.4 MPa，抗折强度为1.8 MPa；当沸石粉掺量为3%时，混凝土材料的抗压强度为3.6 MPa，抗折强度为2.1 MPa；当沸石粉掺量为6%时，混凝土材料的抗压强度为4.2 MPa，抗折强度为2.3 MPa；当沸石粉掺量为9%时，混凝土材料的抗压强度为4.8 MPa，抗折强度为2.7 MPa；当沸石粉掺量为12%时，混凝土材料的抗压强度为5.1 MPa，抗折强度为2.9 MPa。

图2 沸石粉掺量与混凝土强度的关系

可见，随着沸石粉掺量的增加，混凝土材料的抗压强度也逐渐增加。这是因为沸石粉的掺入能够均匀分布到混凝土内部孔隙中，提高混凝土材料的密实度，使得抗压强度增大。

3.2 对吸水率的影响

从图3可以得出，当沸石粉掺量为0%时，混凝土复合材料吸水率为37.29%；当沸石粉掺量为3%时，混凝土复合材料吸水率为36.47%；当沸石粉掺量为6%时，混凝土复合材料吸水率为35.88%；当沸石粉掺量为9%时，混凝土复合材料吸水率为34.14%；当沸石粉掺量为12%时，混凝土复合材料吸水率为32.22%。

图3 沸石粉与混凝土吸水率的关系

可见，随着沸石粉掺量的增加混凝土复合材料的吸水率却逐渐减小。这说明随着沸石粉掺量的增加，试块的孔隙率也逐渐变小，从而使得试块内部吸水量减少。当沸石粉的掺量从6%增加到12%时，可以看出吸水率下降速率比低沸石粉掺量要快得多。这是因为沸石粉颗粒直径比混凝土要小得多，能够将混凝土空隙处填满，使得混凝土复合材料更为密实。

3.3 对软化性的影响

从图4可以看出，当沸石粉掺量为0%时，混凝土复合材料的软化系数为0.38；当沸石粉掺量为3%时，混凝土复合材料的软化系数为0.43；当沸石粉掺量为6%时，混凝土复合材料的软化系数为0.57；当沸石粉掺量为9%时，混凝土复合材料的软化系数为0.59；当沸石粉掺量为12%时，混凝土复合材料的软化系数为0.63。

图4 沸石粉掺量与混凝土软化性的关系

可见，随着沸石粉掺量的增加混凝土复合材料的软化系数也逐渐增加。这说明随着沸石粉掺量的增加，试块的孔隙率也逐渐变小，从而使得试块内部吸水量减少。这是因为沸石粉颗粒直径比混凝土要小的多，能够将混凝土空隙处填满，使得混凝土复合材料更为密实。

4 碳纤维对混凝土的影响

4.1 对抗压强度的影响

从图5可以看出，当碳纤维掺量为0%时，混凝土材料的抗压强度为3.4 MPa，抗折强度为1.8 MPa；碳纤维掺量为2%时，混凝土材料的抗压强度为4.3 MPa，抗折强度为1.9 MPa；碳纤维掺量为4%时，混凝土材料的抗压强度为4.8 MPa，抗折强度为2.3 MPa；碳纤维掺量为6%时，混凝土材料的抗压强度为5.2 MPa，抗折强度为2.6 MPa；碳纤维掺量为8%时，混凝土材料的抗压强度为5.4 MPa，抗折强度为2.8 MPa；碳纤维掺量为10%时，混凝土材料的抗压强度为5.9 MPa，抗折强度为2.9 MPa。

图5 碳纤维掺量与混凝土强度的关系

可见随着碳纤维掺量的增加，混凝土材料的抗压、抗折强度也逐渐增加。这是因为适量的碳纤维能够与混凝土中的水分发生反应，生成物能够填充到试块的孔隙中，提高混凝土材料密实度，进而提高强度。

4.2 对吸水率的影响

从图6可以得出，当碳纤维掺量为0%时，混凝土复合材料吸水率为37.29%；当碳纤维掺量为2%时，混凝土复合材料吸水率为36.41%；当碳纤维掺量为4%时，混凝土复合材料吸水率为35.97%；当碳纤维掺量为6%时，混凝土复合材料吸水率为34.56%；当碳纤维掺量为8%时，混凝土复合材料吸水率为32.16%；当碳纤维掺量为10%时，混凝土复合材料吸水率为29.12%。

图6 碳纤维掺量与混凝土吸水率的关系

随着碳纤维掺量的增加混凝土复合材料的吸水率也逐渐减小。可见碳纤维在提高混凝土材料密实度方面有着明显的作用，其机理与沸石粉掺合料类似，但效果比沸石粉要好。

4.3 对软化性的影响

从图7可以看出，当碳纤维掺量为0%时，混凝土复合材料的软化系数为0.38；当碳纤维掺量为2%时，混凝土复合材料的软化系数为0.41；当碳纤维掺量为4%时，混凝土复合材料的软化系数为0.44；当碳纤维掺量为6%时，混凝土复合材料的软化系数为0.49；当碳纤维掺量为8%时，混凝土复合材料的软化系数为0.56；当碳纤维掺量为10%时，混凝土复合材料的软化系数为0.62。