不同矿物掺和料对引气型道路混凝土强度影响的试验研究

白 璐

中国航发西航资产管理与建设部（710021）

0 前言

目前用于道路工程中的混凝土除了要满足强度要求外，还要求具有良好的耐久性。在寒冷地区，水泥混凝土路面不仅受到冻融循环的破坏，而且由于耐久性不足导致路面面层结构破损的现象也比较严重。在混凝土中掺入引气剂可以提高抗冻性，使用矿物掺和料对提高混凝土抗渗性、耐腐蚀性等方面效果明显。

1 试验用原材料及试验方法

1.1 试验用原材料

水泥:采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，各项指标符合《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》要求。

拌和水:采用自来水，符合《公路水泥混凝土路面施工技术规范》要求。

细集料:采用中砂，符合规范的要求。

粗集料:采用碎石，符合规范的要求。

矿物掺和料，矿渣、粉煤灰、硅灰[1]均符合以下标准规范《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》《高强高性能混凝土用矿物外加剂》《公路水泥混凝土路面施工技术规范》。

化学外加剂:减水剂和引气剂，检测结果符合《公路水泥混凝土路面施工技术规范》。

1.2 试验方案及配合比设计

文章选择配制了2种不同强度（4.5 MPa和5.5 MPa）的混凝土（以抗弯拉强度为指标的设计），并在此强度下掺入矿物掺和料（矿渣、粉煤灰和硅灰）以及一定剂量的引气剂，对配制的不同强度、不同含气量的混凝土进行强度试验。

1.2.1 试验方案

在配合比设计时应注意坍落度和含气量两个指标。对于道路混凝土的施工一般要求都采用较小的坍落度，所以本次试验新拌混凝土的坍落度控制在55～70 mm范围内，含气量为3%和5%。

结合其他学者的研究成果，综合文章试验的因素，确定矿物掺和料的掺量分别为粉煤灰30%、矿渣50%、硅灰10%。

1.2.2 试验方法及主要设备

抗折强度是用100 mm×100 mm×515 mm试件，结果乘以0.85的换算系数。抗压强度用100 mm×100 mm×100 mm的试件，结果乘以0.95的换算系数。将28 d及90 d的数据作为评价强度的指标。抗折强度和抗压强度分别采用万能试验机和YE-2000液压式压力试验机测定。

1.2.3 配合比设计

以水泥混凝土弯拉强度标准值为依据，根据表1，确定两个交通量等级:特重及中等。设计弯拉指标分别为5.5 MPa和4.5 MPa[2]。

表1 混凝土面板设计强度标准值和弹性模量

按上述思路，设计出以下18种不同的配合比，混凝土每立方米材料用量及配合比详见表2。

表2 混凝土的配合比

J系列的为基准混凝土（不掺矿物掺和料和引气剂），其中:J1水胶比为0.45，J2水胶比为0.34（K1、F1、G1水胶比均为0.45，K2、F2、G2水胶比均为0.34，下同）；JY系列的为基准引气混凝土（Y1设计含气量为3%，Y2设计含气量为5%，下同）；KY系列的为矿渣引气混凝土；FY系列的为粉煤灰引气混凝土；GY系列的为硅灰引气混凝土。

2 不同矿物外加剂对引气型道路混凝土强度的影响

2.1 基准混凝土强度测定结果

基准混凝土坍落度、含气量及相应龄期的抗折抗压强度见表3。

表3 基准混凝土的物理力学性能试验结果

2.2 基准引气混凝土强度测定结果及分析

基准引气混凝土坍落度、含气量及相应龄期的抗折抗压强度见表4。

表4 基准引气混凝土的物理力学性能试验结果

结果分析:当混凝土的水胶比一定、各原材料用量相同时，随着新拌混凝土的含气量增大，其硬化后混凝土的强度降低。引气剂引入的孔对强度影响较大。混凝土孔隙率每增加1%，抗折强度将下降2%～3%，抗压强度将下降4%～5%。如对于J1Y1设计含气量为3%，28 d抗折强度应下降4%～6%，28 d抗压强度应下降8%～10%。对于基准混凝土其抗折强度实际下降约5.7%，抗压强度下降约10.6%，根据计算，其他引气基准混凝土也基本符合文献的观点。

图1 基准引气混凝土不同龄期的抗折强度

图2 基准引气混凝土不同龄期的抗压强度

2.3 矿渣引气混凝土强度测定结果及分析

矿渣引气混凝土坍落度、含气量及相应龄期的抗折抗压强度见表5。

表5 矿渣引气混凝土的物理力学性能试验结果

图3 矿渣引气混凝土不同龄期的抗折强度

结果分析:从试验数据可以看出，掺矿渣后28 d和90 d抗折抗压强度都较基准引气混凝土高。这是由于矿渣的填充效应和活性效应[3]的作用结果。同水胶比、同龄期的混凝土随含气量的增加，强度降低。

图4 矿渣引气混凝土不同龄期的抗压强度

2.4 粉煤灰引气混凝土强度测定结果及分析

粉煤灰引气混凝土其坍落度、含气量及相应龄期的抗折抗压强度见表6。

表6 粉煤灰引气混凝土的物理力学性能试验结果

图5 粉煤灰引气混凝土不同龄期的抗折强度

结果分析:粉煤灰不具有独立的水硬性，其玻璃体微珠表层活性通过与水泥水化产物发生二次水化反应，生成品质较好的低碱性水化产物。但由于粉煤灰玻璃体微珠外层有致密的玻璃质表层，阻碍了粉煤灰的二次水化，其活性效应在后期才能表现出来[4]。所以，粉煤灰引气混凝土在28 d时的抗折抗压强度都没有超过相应基准引气混凝土，但90 d的抗折抗压强度均超过了相应基准引气混凝土。

图6 粉煤灰引气混凝土不同龄期的抗压强度

2.5 硅灰引气混凝土强度测定结果及分析

硅灰引气混凝土坍落度、含气量及相应龄期的抗折抗压强度见表7。

表7 硅灰引气混凝土的物理力学性能试验结果

图7 硅灰引气混凝土不同龄期的抗折强度

图8 硅灰混凝土不同龄期的抗压强度

结果分析:水泥中掺入硅灰后，在减水剂的分散作用下，级硅灰颗粒能充分地和硅酸盐水泥水化所产生的发生化学反应，生成水化硅酸钙凝胶。硅灰混凝土和硅酸盐水泥混凝土水化产物都有和凝胶，所不同的是，硅灰混凝土水化产物比硅酸盐水泥混凝土少，而凝胶则多[5]。从试验结果来看，无论是抗折强度还是抗压强度在28 d和90 d两个龄期中，硅灰引气混凝土均比基准引气混凝土高。

3 结语

文章是在混凝土的两个强度等级（4.5 MPa和5.5 MPa）、两个设计含气量（3%和5%）下，分别对基准混凝土、基准引气混凝土、矿渣引气混凝土、粉煤灰引气混凝土和硅灰引气混凝土在强度（抗折强度和抗压强度）方面作了相应试验，归纳总结如下：

混凝土的抗折抗压强度都随龄期的增加而增大，随着水胶比的降低而增大，随含气量的增加而降低；

当混凝土的水胶比、各种原材料用量相同时，掺入引气剂会降低混凝土的抗折抗压强度，同时随着含气量的增加，混凝土的抗折抗压强度减小；

在同一水胶比和含气量的情况下，只有粉煤灰降低早期强度，矿渣和硅灰增加了早期强度，这三种矿物掺和料均提高混凝土后期强度；

在同水胶比及同含气量的引气混凝土中，硅灰引气混凝土抗压强度最高；

对于从矿物掺和料与引气剂叠加的效果来看，硅灰引气混凝土的早期及后期强度均比较高。