矿渣含量对高性能混凝土力学性能影响*
2022-04-14刘源李大来陈小芳
刘源 李大来 陈小芳
1. 福州理工学院 福建 福州 350506；
2. 福建筑启辉煌建筑工程有限公司 福建 福州 350000
引言
高性能混凝土是一种以耐久性、工作稳定性为主要指标而设计的新型混凝土。与普通混凝土相比，由于其良好的耐久性、和易性及力学性能，被广泛使用与各类工程场合[1]。高性能混凝土各项性能的改善，可通过调整配比、添加外掺剂等方法得以实现。其中矿渣为高性能混凝土在制备过程中最常用的外掺剂。
矿渣掺和料由于颗粒细度与水泥相近，可代替水泥，同时，矿渣掺和料可以降低水化热，减少混凝土内部微裂缝，从而提高混凝土耐久性、和易性，是高性能混凝土中优良的外掺剂[2]。由于矿渣具有水化活性，参与水化反应，并且矿渣多为微粉，可填充混凝土内部孔隙，改善孔隙分布，增加密实度从而提高混凝土强度，因此高性能混凝土中矿渣的含量与混凝土各项性能密切相关，是决定其力学性能的重要指标[3]。
本文将矿渣按一定比率替代水泥，通过对矿渣含量为20%、25%、30%、35%、40%的矿渣混凝土和普通混凝土对照组进行立方体抗压强度试验，分析立方体抗压强度大小变化及抗压强度速率变化，对不同矿渣含量下高性能混凝土力学性能进行研究。
1 试验概况
1.1 试验材料
1.1.1 水泥：普通硅酸盐水泥P.O42.5。
1.1.2 矿渣粉：S95级矿渣粉，比表面积400m2/kg。
1.1.3 粗骨料：粒径6~18mm碎石颗粒。
1.1.4 细骨料：河沙。
1.1.5 减水剂：高效聚羧酸减水剂，本试验采用1%的掺用量，即每立方米减水剂用量为4.75 kg。
材料水灰比为0.38，混凝土配合比按表1。
表1 混凝土试验配比表（kg/m3）
试验按照矿渣含量不同，将混凝土分为六组，矿渣按一定比率替代水泥。普通混凝土编号为C，将矿渣掺量为20%、25%、30%、35%、40%的矿渣混凝土依次编号为矿渣混凝土SC20、矿渣混凝土SC25、矿渣混凝土SC30、矿渣混凝土SC35、矿渣混凝土SC40。试件制备完成后，放置养护室养护，当养护时间分别达7d、28d、60d、90d时拆模，进行立方体抗压试验。
1.2 试验方法
力学性能测试混凝土材料立方体抗压强度，立方体抗压强度试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[4]（GB/T5008-2011），制备尺寸大小为100mm×100mm×100m混凝土立方体试件。试件放置养护箱进行标准养护，养护时间分别达7d、28d、60d、90d时拆模，进行立方体抗压强度试验。试验时，试件的上下受压面取试件侧面，以0.5MPa/s的加载速度施加荷载至试件破坏。
2 结果分析与讨论
2.1 混凝土立方体抗压强度
在养护龄期7-90d内，不同尾矿粉含量下，混凝土立方体抗压强度试验数据如图1所示，由图1可知。
图1 混凝土立方体抗压强度（MPa）
在相应养护龄期下，矿渣含量对混凝土强度产生的影响：
2.1.1 养护龄期7d。养护龄期在7d时，普通混凝土C、矿渣混凝土SC20、矿渣混凝土SC25、矿渣混凝土SC30、矿渣混凝土SC35、矿渣混凝土SC40，其立方体抗压强度大小关系为：C＞SC20＞SC25＞SC30＞SC35＞SC40。矿渣混凝土SC的强度均小于普通混凝土C。
7d时，随着矿渣含量的增加，矿渣混凝土的强度逐渐减小。这是由于早期水化过程中，矿渣并不参与胶凝物质间的水化反应，因此矿渣混凝土的早期强度小。同时，矿渣的含量越高，早期水化过程中参与反应的胶凝物质含量越少，因此相同水灰比下，矿渣含量越高混凝土强度越小。
2.1.2 养护龄期28d。养护龄期在28d时，普通混凝土C、矿渣混凝土SC20、矿渣混凝土SC25、矿渣混凝土SC30、矿渣混凝土SC35、矿渣混凝土SC40，其立方体抗压强度大小关系为：SC30＞ SC25＞ SC35＞SC20＞SC40＞C。矿渣混凝土SC强度均大于普通混凝土C。在该龄期下，矿渣含量为30%混凝土强度最高，在矿渣含量低于30%时，随着矿渣含量的增加混凝土强度逐渐增大，在矿渣含量高于30%时，随着矿渣含量的增加混凝土强度逐渐减小。28d时，矿渣开始产生活性，其内部含有的活性氧化硅、活性氧化铝与水泥水化生成的氢氧化钙反应，生成能增加混凝土强度的水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质。
在整个反应过程中，矿渣与水泥的水化产物氢氧化钙反应，因此其胶凝物质的生成与水泥的含量及水泥水化反应程度有关。在矿渣含量低于30%时，矿渣含量越高，水泥水化产物氢氧化钙与其反应越充分，生成的胶凝物质越多，混凝土强度越大。在矿渣含量高于30%时，矿渣含量越高，水泥含量越少，该养护龄期下水泥水化生成的氢氧化钙含量越少，矿渣与其反应生成的胶凝物质越少，混凝土强度减小。养护龄期在28d，水灰比为0.38时，矿渣含量30%为立方体抗压强度增加临界值。
2.1.3 养护龄期60d。养护龄期在60d时，普通混凝土C、矿渣混凝土SC20、矿渣混凝土SC25、矿渣混凝土SC30、矿渣混凝土SC35、矿渣混凝土SC40，其立方体抗压强度大小关系为：SC35＞ SC40＞ SC30＞SC25＞SC20＞C。矿渣混凝土SC强度均大于普通混凝土C。矿渣混凝土SC强度均大于普通混凝土C，且SC20、SC25、SC30强度相近。
在该龄期下，矿渣含量为35%以下的混凝土强度相近，且都低于SC40。此时，对于SC20、SC25、SC30混凝土中水泥水化过程接近完全，部分水泥已生成氢氧化钙，不再继续生成，且部分氢氧化钙已与矿渣反应，因此强度增长速率降低。对于SC40，水泥并未完全水化，继续生成活性氢氧化钙，同时继续与矿渣反应，因此强度增长速率高，且达到龄期60d时强度最高值。该现象说明，矿渣含量越高，胶凝材料水化反应越晚，混凝土强度提升速率越低，矿渣有推迟混凝土强度提升的作用。
2.1.4 养护龄期90d。养护龄期在90d时，普通混凝土C、矿渣混凝土SC20、矿渣混凝土SC25、矿渣混凝土SC30、矿渣混凝土SC35、矿渣混凝土SC40，其立方体抗压强度大小关系为：SC35＞SC40＞SC25＞SC30＞SC20＞C。矿渣混凝土SC强度均大于普通混凝土C，且SC20、SC25、SC30强度相近。在该龄期下，混凝土矿渣含量为20%、25%、30%时的立方体抗压强度相近，且都低于SC40。此时，各混凝土立方体抗压强度大小变规律与60d相相似，产生该力学现象原因与养护龄期为60d时分析原因相同，高矿渣含量混凝土中水泥并未完全水化，继续生成氢氧化钙与矿渣反应，增加强度。
2.2 混凝土立方体抗压增长速率
在养护龄期7-90d内，不同尾矿粉含量下，混凝土立方体抗压强度增长速率如图2所示，由图可知：
图2 混凝土立方体抗压强度增长速率图
在整个养护龄期下，矿渣含量对混凝土强度增长速率产生的影响：
2.2.1 矿渣含量不同。普通混凝土C，在养护龄期7-28d内，强度增长速率为6.89%。在养护龄期28-60d内，强度增长速率为13.84%。在养护龄期60-90d内，强度增长速率为1.68%。在整个养护时间内，普通混凝土C强度增长速率呈现出先增大后减小的规律。
矿渣混凝土SC20，在养护龄期7-28d内，强度增长速率为16.45%。在养护龄期28-60d内，强度增长速率为15.02%。在养护龄期60-90d内，强度增长速率为10.53%。在整个养护时间内，矿渣混凝土SC20强度增长速率呈现出逐渐减小的规律。
矿渣混凝土SC25，在养护龄期7-28d内，强度增长速率为22.34%。在养护龄期28-60d内，强度增长速率为12.39%。在养护龄期60-90d内，强度增长速率为10.83%。在整个养护时间内，矿渣混凝土SC25强度增长速率呈现出逐渐减小的规律。
矿渣混凝土SC30，在养护龄期7-28d内，强度增长速率为31.02%。在养护龄期28-60d内，强度增长速率为9.51%。在养护龄期60-90d内，强度增长速率为10.23%。在整个养护时间内，矿渣混凝土SC30强度增长速率在28d以后减小，28-60d、60-90d内强度增长速率相近。
矿渣混凝土SC35，在养护龄期7-28d内，强度增长速率为29.23%。在养护龄期28-60d内，强度增长速率为17.29%。在养护龄期60-90d内，强度增长速率为11.72%。在整个养护时间内，矿渣混凝土SC35强度增长速率呈现出逐渐减小的规律。
矿渣混凝土SC40，在养护龄期7-28d内，强度增长速率为30.89%。在养护龄期28-60d内，强度增长速率为21.73%。在养护龄期60-90d内，强度增长速率为11.71%。在整个养护时间内，矿渣混凝土SC35强度增长速率呈现出逐渐减小的规律。
2.2.2 养护龄期不同。在养护龄期7-28d内，随着矿渣含量的增大，混凝土强度增长速率逐渐增大。这主要是由于矿渣早期不参与水化反应，使得混凝土早期水化强度过小，而当28d矿渣开始产生活性，参与水化反应后，混凝土强度迅速增长，且随着矿渣含量越高，强度增长速率越大。
在养护龄期28-60d内，矿渣含量为30%以下，随着矿渣含量增大，混凝土强度增长速率逐渐减小。矿渣含量高于30%时，随着矿渣含量继续增大，混凝土强度增长速率逐渐增大。
在养护龄期60-90d内，矿渣混凝土SC20、矿渣混凝土SC25、矿渣混凝土SC30、矿渣混凝土SC35、矿渣混凝土SC40强度增长速率相近，且都远大于普通混凝土C强度增长速率。这主要是由于矿渣的存在，使得混凝土水化强度在60d后继续增长，矿渣有推迟混凝土强度提升的作用。
在整个养护龄期内，普通混凝土C强度增长速率呈现出先增大后减小的规律。矿渣混凝土强度增长速率规律相近，大致呈现随养护龄期增长强度逐渐减小。
3 结束语
通过对不同矿渣含量的矿渣混凝土，及对照组普通混凝土进行立方体抗压试验，并对试验结果进行对比分析，研究矿渣含量对高性能混凝土力学性能的影响，结论如下：①在混凝土水化早期（养护时间7d），矿渣混凝土强度小于普通混凝土，且随着矿渣含量越高混凝土早期强度越小。②在养护时间为28d，0.38水灰比下，矿渣含量为30%时，混凝土强度最大。③矿渣有延迟混凝土水化强度提升的作用，矿渣含量越高，强度增长速率越低。④矿渣混凝土强度增长速率随养护龄期增长逐渐减小。
