三元矿物掺合料对清水混凝土强度的影响

盖广清，吴奇隆

吉林建筑大学 建筑节能技术工程实验室,长春 130118

随着我国经济飞速发展,我国已成为世界第二大经济体,2020年基本完成工业化进程的同时也带来了大量工业固体废料排放.如何将工业固体废料合理利用成为新的研究课题.如燃煤电厂排出粉煤灰、电热法生产黄磷产生的磷渣、矿热电炉内排出的硅灰等,大量工业废弃物不仅污染环境,而且严重危害人们的身心健康.如何有效处理工业固体废弃问题已迫在眉睫[1].

目前，很多国内外学者对矿渣、粉煤灰、硅灰已有诸多研究,但多数仅局限于其中两种矿物掺合料.如崔鑫等[2]人研究出清水混凝土表面黑斑的成因;周立君[3]研究了矿物掺合料对清水混凝土外观质量的影响；王龙志等[4]人研究了清水混凝土表观状态的相关要求.本文实验采用正交设计方法研究了同时掺入粉煤灰、硅灰、矿粉三元矿物掺合料对清水混凝土强度的影响规律.

1 原材料

矿粉：(巩义市恒诺滤料有限公司),其物理性能指标见表1.

表1 矿粉基本物理性质

硅灰：(巩义市恒诺滤料有限公司),其化学成分见表2.

表2 硅灰的化学成分

粉煤灰：(巩义市恒诺滤料有限公司),其化学成分见表3.

表3 粉煤灰的化学成分

水泥：(吉林亚泰水泥有限公司)P·O 42.5普通硅酸盐水泥.

细集料：普通建筑河沙,中砂.

粗集料：碎石,最大粒径20 mm.

减水剂：(通联华鑫混凝土外加剂有限公司)聚羧酸高效减水剂(其掺量为1 %).

消泡剂：(山东烟台宏祥建材).

2 试验研究及分析

2.1 正交设计试验

试验选取矿粉(GGBS)、粉煤灰(FL)、硅灰(SF)、消泡剂(DA)4个因素,每个因素取3个水平值,采用L9(34)正交表.表4为因素水平列表,表5为正交试验设计表.

表4 因素水平列表

表5 正交试验设计

2.2 实验研究及数据处理

实验模具采用100 mm×100 mm×100 mm型号的钢模具,对每个龄期的实验组制作3个试块,试件连模养护24 h后方可脱模，脱模后的试块放在养护箱内养护至相应强度.混凝土试块强度结果见表6.

表6 抗压强度试验结果

在试验前期发现,当消泡剂用量过少时,混凝土表面有很多细小气泡,此时粉煤灰掺量达到20 %时,试块颜色偏暗并有小黑斑，如图1(a)所示.随着矿粉的掺量和消泡剂用量增多,混凝土试件外表面颜色白度逐渐提升,其表面气泡骤减，如图1(b)所示.随着矿粉和硅灰掺量的增加,凝固的试块表面的亮度有较大提高,整体的均匀性也得到很好的提升，如图1(c)所示.

(a)粉煤灰掺量过多 (b)矿粉适宜掺量 (c)三者均匀掺量

由表6可得表7正交试验极差分析.

表7 正交试验极差分析

表中,Ki′表示混凝土7 d抗压强度任意列上因素号为i时所对应的试验结果之和；R′表示混凝土7 d抗压强度中每个因素下K的最大值减最小值.表中Ki表示混凝土28 d抗压强度任意列上因素号为i时所对应的实验结果之和；R表示混凝土28 d抗压强度中每个因素下K的最大值减最小值.由极差结果分析可得试验各因素对标准养护 7 d,28 d 的清水混凝土的影响程度.

研究因素对标养7d的清水混凝土抗压强度影响顺序：粉煤灰(A)>硅灰(C)>矿粉(B)>消泡剂(D).而对于标养下28 d的清水混凝土抗压强度影响顺序发生一定变化,其影响顺序：粉煤灰(A)>矿粉(B)>硅灰(C)>矿粉(B)>消泡剂(D).由表6,表7的实验数据可以得到各实验因素影响混凝土7 d和28 d抗压强度趋势图,如图2所示.

图2 各实验因素对抗压强度的影响

由图2分析可得:

(1)对清水混凝土7 d抗压强度影响最大的因素是硅灰和矿粉,而对混凝土28 d抗压强度影响最大的因素是矿粉和粉煤灰.这是由于硅灰颗粒极细且活性非常高,在短时间内就能参与水化反应，所以在标准养护7 d的清水混凝土中,硅灰对其抗压强度提升极大.

(2)清水混凝土早期抗压强度随粉煤灰掺量增加而持续降低,由此可见，粉煤灰对前期强度影响不大,掺量过多反而会影响前期强度.而混凝土试块的28 d抗压强度随粉煤灰掺量的增加呈先升后降的趋势,这是由于粉煤灰活性较低,其在混凝土胶凝体系的水化后期才开始大量参与反应,故28 d混凝土强度的提高主要是由矿粉和粉煤灰参与反应后提供的.

(3)矿粉的活性较优于粉煤灰,所以在水化前期矿粉开始参加反应,少量矿粉的掺入可优化混凝土胶凝体系的颗粒级配，提升胶凝体系的密实程度，因而能提高混凝土的强度，故可以看出混凝土7 d抗压强度随矿粉掺量的增加而略微提升.

结果表明,粉煤灰对混凝土后期强度增长潜力较大.硅灰对混凝土前期强度贡献较为明显，后期则相对疲软.混凝土内矿粉量越大,其前期强度较对照组降低幅度也越大,但后期强度的增加幅度也越明显.由实验可以得出混凝土最优配合比为矿粉掺量10 %,粉煤灰掺量15 %,硅灰掺量8 %,消泡剂添加量2 %,减水剂添加量1 %.

3 结论

(1)当粉煤灰掺量过多时,清水混凝土表面色泽会偏黑偏暗,不利其装饰效果；当粉煤灰和矿粉均掺量过多时,清水混凝土表面会有较多大直径气泡,同样影响饰面效果；当掺入适量的粉煤灰、矿粉、硅灰时,清水混凝土表面色泽均匀,气泡数量少，每平方面积为12 cm2,且气泡直径也小,最大直径为6 mm,平均直径为4 mm.

(2)粉煤灰、矿粉对清水混凝土后期强度的提高有明显作用,而硅灰对清水混凝土强度前期影响较为明显,后期较为缓慢.

(3)掺合料不仅可以提高清水混凝土的力学性能,改善工作性能,在三元掺合料中细粉颗粒比较容易填充粗粉之间的孔隙,还可增加结构整体密实度.