不同矿物掺和料对混凝土抗拉性能的影响

2021-03-19李林香

铁道建筑 2021年2期

李林香

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

混凝土中掺入矿物掺和料，不仅能降低生产成本，还能够大幅改善混凝土工作性能及耐久性能［1-3］。矿物掺和料已成为高性能混凝土中不可或缺的组分之一。传统矿物掺和料中用量最大的是粉煤灰和矿渣粉。随着环保要求的提高，粉煤灰和矿渣粉资源日渐紧张，机制砂副产物石灰石粉的应用逐渐增多［4-5］。

相关人员针对矿物掺和料对混凝土抗压强度的影响进行了大量研究。史静、邸云菲等［6-7］研究了粉煤灰对混凝土力学性能的影响及激发剂对大掺量粉煤灰混凝土强度的激发作用，发现混凝土抗压强度随粉煤灰掺量增加而降低。王朋、郝会娟等［8-9］研究发现矿渣粉混凝土的早期强度发展缓慢，后期强度增长较快，矿渣粉的最佳掺量可达30%。普通混凝土配合比是基于混凝土抗压强度指标进行设计的，现场施工验收也是根据混凝土抗压强度进行评价的。然而，混凝土开裂大都是由于混凝土抗拉强度不足引起的，混凝土抗拉性能同样重要。

本文选取了粉煤灰、矿渣粉、石灰石粉3种矿物掺和料，研究不同矿物掺和料及掺量对混凝土抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的影响，通过探讨抗折强度和劈裂抗拉强度的相关性，分析其作为混凝土抗拉性能评价指标的适用性。

1 试验概况

1.1 原材料

1）水泥：北京金隅集团生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，主要性能指标见表1。

表1 水泥的主要性能指标

2）粉煤灰：元宝山发电有限责任公司生产，F 类Ⅰ级，主要性能指标见表2。

表2 粉煤灰的主要性能指标

3）矿渣粉：唐山唐龙新型建材有限公司生产，S95级，主要性能指标见表3。

表3 矿渣粉的主要性能指标

4）石灰石粉：贵州铁建科技有限公司昌明骨料加工场生产，主要性能指标见表4。

表4 石灰石粉的主要性能指标

5）砂：天然河砂，细度模数2.6，含泥量0.4%。

6）碎石：5～20 mm连续级配，含泥量0.2%。

7）减水剂：河北三楷深发科技股份有限公司生产的聚羧酸减水剂，减水率29.4%。

8）消泡剂：广东龙湖科技股份有限公司生产的P841粉体消泡剂，有效组分42%。

1.2 配合比

TB/T 3275—2018《铁路混凝土》［10］中列出了不同环境下混凝土中矿物掺和料的掺量范围，规定粉煤灰和矿渣粉的最大掺量在40%～50%，石灰石粉的最大掺量为30%。试验中，粉煤灰掺量选取20%，40%；矿渣粉掺量选取20%，40%；石灰石粉掺量选取10%，20%，30%。混凝土配合比见表5。其中，外加剂的掺量未体现在表5 中，在混凝土拌制过程中根据混凝土状态调整。

表5 混凝土配合比 kg·m-3

在混凝土拌制过程中，通过调整外加剂（减水剂和消泡剂）的掺量，控制各组混凝土的坍落度为（160±20）mm，含气量为（3.0±0.5）%。

1.3 试验内容及方法

1）混凝土搅拌

采用强制式搅拌机。先将称量好的水泥、矿物掺和料、砂、碎石放入搅拌机，干拌20 s，随后加入外加剂和水再搅拌3 min。

2）混凝土拌和物性能测试

混凝土拌和物性能包括坍落度和含气量，参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》［11］进行测试。混凝土搅拌出锅后，立即测试坍落度和含气量。如果坍落度不满足（160±20）mm的要求，须调整减水剂的用量重新搅拌测试；如果混凝土含气量不满足（3.0±0.5）%的要求，须调整消泡剂的用量重新搅拌测试。直到坍落度和含气量均满足要求为止。

3）混凝土抗压强度测试

参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》［12］进行测试。抗压强度试验采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的非标准试件，每组3块。

4）混凝土抗拉性能测试

混凝土抗拉性能采用抗折强度和劈裂抗拉强度表征，参照GB/T 50081—2019进行测试。抗折强度试验采用尺寸为100 mm×100 mm×400 mm 的非标准试块，每组3 块；劈裂抗拉强度试验采用尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的标准试件，每组3块。

2 试验结果及分析

2.1 不同矿物掺和料对混凝土抗压强度的影响

不同矿物掺和料混凝土抗压强度随龄期的变化规律见图1。

图1 不同矿物掺和料对混凝土抗压强度的影响

由图1（a）可知：当粉煤灰掺量从20%增加到40%时，混凝土抗压强度明显降低；抗压强度降低幅度随龄期逐渐减小。FA40 比FA20 的3 d 抗压强度降低了39%，而56 d抗压强度降低了14%。

由图1（b）可知：当矿渣粉掺量从20%增加到40%时，混凝土抗压强度降低，但比掺粉煤灰的混凝土降低幅度小；抗压强度降低幅度随龄期逐渐减小。SL40比SL20 的3 d 抗压强度降低了21%，而二者56 d 抗压强度几乎相当。

由图1（c）可知：随着石灰石粉掺量增加，混凝土抗压强度降低；抗压强度降低幅度随龄期逐渐减小。SHS20比SHS10的3 d抗压强度降低了13%，而56 d抗压强度降低了7%；SHS30 比SHS10 的3 d 抗压强度降低了31%，而56 d抗压强度降低了22%。

由图1（d）可知：当粉煤灰、矿渣粉和石灰石粉的掺量均为20%时，对于混凝土3 d 抗压强度，掺石灰石粉的最大，掺矿渣粉的次之，掺粉煤灰的最小；对于混凝土56 d 抗压强度，掺粉煤灰的最大，掺矿渣粉的次之，掺石灰石粉的最小。石灰石粉对提高混凝土早期强度的作用较显著，原因是石灰石粉中CaCO3颗粒的异相成核作用使得水泥水化产物优先成核和结晶［13-14］。在水化后期石灰石粉的活性指数较低，因此长龄期时掺石灰石粉的混凝土抗压强度较低。

另外，由图1 可知，当粉煤灰掺量为40%、石灰石粉掺量为30%时，混凝土抗压强度降低显著，不宜采取FA40和SHS30的配合比。

2.2 不同矿物掺和料对混凝土抗折强度的影响

不同矿物掺和料混凝土抗折强度随龄期的变化规律见图2。

图2 不同矿物掺和料对混凝土抗折强度的影响

由图2（a）可知：当粉煤灰掺量从20%增加到40%时，混凝土抗折强度降低，但与抗压强度的变化规律不同的是，抗折强度的降低幅度随龄期变化不大。FA40 比FA20 的3 d，7 d，28 d，56 d 抗折强度分别降低了17%，23%，8%，17%。

由图2（b）可知：当矿渣粉掺量从20%增加到40%时，混凝土抗折强度降低。SL40 比SL20 的3 d，7 d，28 d，56 d抗折强度分别降低了16%，15%，15%，6%。

由图2（c）可知：当石灰石粉掺量分别为10%和20%时，混凝土抗折强度差别不大；当掺量为30%时，抗折强度明显降低，比20%掺量时降低了约20%。因此，从抗折强度的发展规律来看，不宜选取SHS30 的配合比。

由图2（d）可知：当粉煤灰、矿渣粉和石灰石粉的掺量均为20%时，混凝土的抗折强度在各个龄期都是掺矿渣粉的最大，掺石灰石粉的次之，掺粉煤灰的最小；掺矿渣粉的混凝土56 d 抗折强度比掺粉煤灰的高15%，比掺石灰石粉的高6%。可见，矿渣粉对提高混凝土抗折强度的作用最显著。

2.3 不同矿物掺和料对混凝土劈裂抗拉强度的影响

不同矿物掺和料混凝土劈裂抗拉强度随龄期的变化规律见图3。

图3 不同矿物掺和料对混凝土劈裂抗拉强度的影响

由图3（a）可知：当粉煤灰掺量从20%增加到40%时，混凝土劈裂抗拉强度降低；劈裂抗拉强度降低幅度随龄期逐渐减小。FA40 比FA20 的3 d，7 d，28 d 劈裂抗拉强度分别降低了25%，16%，7%，而二者56 d 劈裂抗拉强度几乎相当。

由图3（b）可知：当矿渣粉掺量从20%增加到40%时，混凝土劈裂抗拉强度降低；劈裂抗拉强度降低幅度随龄期逐渐减小。SL40 比SL20 的3 d，7 d，28 d 劈裂抗拉强度分别降低了10%，7%，5%，而二者56 d 劈裂抗拉强度几乎相当。

由图3（c）可知：随着石灰石粉掺量增加，混凝土劈裂抗拉强度降低；劈裂抗拉强度降低幅度随龄期逐渐减小。SHS20 比SHS10 的3 d 劈裂抗拉强度降低了14%，而56 d 劈裂抗拉强度降低了2%；SHS30 比SHS10的3 d劈裂抗拉强度降低了23%，而56 d劈裂抗拉强度降低了14%。

可见，3 种矿物掺和料混凝土的劈裂抗拉强度随龄期的变化规律与抗折强度均不相同。

由图3（d）可知：当粉煤灰、矿渣粉和石灰石粉的掺量均为20%时，对于混凝土3 d 劈裂抗拉强度，掺矿渣粉的最大，掺石灰石粉的次之，掺粉煤灰的最小；对于混凝土56 d 劈裂抗拉强度，掺石灰石粉的最大，掺矿渣粉的次之，掺粉煤灰的最小。掺石灰石粉的混凝土56 d 劈裂抗拉强度比掺粉煤灰的高10%，比掺矿渣粉的高2%。

2.4 抗折强度与劈裂抗拉强度的相关性分析

图4 抗折强度和劈裂抗拉强度相关性分析

抗折强度和劈裂抗拉强度均可评价混凝土的抗拉性能，二者的相关性见图4。可知，掺粉煤灰、矿渣粉、石灰石粉的混凝土抗折强度和劈裂抗拉强度之间的线性拟合优度分别为0.763 9，0.908 8，0.836 8。这说明矿物掺和料不同，混凝土抗折强度和劈裂抗拉强度的相关性也有显著不同，其中掺矿渣粉的混凝土二者相关性最高，但拟合优度也仅仅接近0.91。整体上来说，混凝土抗折强度和劈裂抗拉强度的线性相关性不高。

抗折强度指的是小梁试件承受弯矩作用折断破坏时混凝土表面所承受的极限拉应力；劈裂抗拉强度指的是立方体或圆柱体试件上下表面中间承受均布压力劈裂破坏时，混凝土在竖向平面内产生近似均布的极限拉应力［12］。因此，从抗折强度和劈裂抗拉强度定义来看，采用抗折强度还是劈裂抗拉强度来评价混凝土的抗拉性能，要根据混凝土在结构中所处的部位和受力情况来决定。如果混凝土结构是条状或板状，主要承受弯矩作用，则采用抗折强度来评价混凝土的抗拉性能，比如路面混凝土、梁体混凝土等；如果混凝土结构是体积较大的块状结构，主要承受均布压力作用，则采用劈裂抗拉强度来评价混凝土的抗拉性能，比如墩台混凝土、大坝混凝土等。