矿物掺合料对轻骨料混凝土耐久性的影响

唐 鹏

(商洛职业技术学院 机电工程学院，陕西 商洛 726000)

引言

近年来，随着我国基础设施建设的不断推进，大跨度及超高层建构筑物不断涌现。在提高结构跨度和高度方面，轻骨料混凝土因重度小、强度高、资源消耗量小而受到众多学者专家的重视[1-3]。混凝土结构抗力在各种不利环境条件长时期作用下会呈现下降趋势，混凝土的耐久性不仅涉及到结构经济特性，更关系到结构安全特性。因此，轻骨料混凝土要想在工程中大规模应用，其耐久性研究显得尤为重要。杨绿峰等[4]研究了粗骨料在不同饱和度下轻骨料混凝土的抗冻融性能，结果表明，在不同冻融循环次数下其质量损失在5%以内。余波等[5]对不同矿渣掺量的轻骨料混凝土进行了力学和耐久性试验，试验结果表明，适量的矿渣掺量能提高其终凝强度和耐久性。苗壮[6]研究了不同养护温度下轻骨料混凝土的抗硫酸盐腐蚀性能，研究表明，养护温度在20℃时其耐腐蚀性能最佳。黄加圣等[7]发现在轻骨料混凝土中掺入一定比例的钢纤维能有效提高其耐久性。胡宸瑞[8]研究了硅粉在不同细度模数下轻骨料混凝土的耐久性的影响，结果表明，随着硅粉细度模数的增加其耐久性也随之增长。从以上的研究中可以发现，关于矿物掺量对轻骨料混凝土性能影响的研究局限于某单一矿物的掺和含量，缺少不同矿物含量的耦合作用效果，且对其耐久性的研究中集中于冻融循环和抗渗性，对于混凝土耐久性的其他指标研究并不全面。因此，本文研究了不同粉煤灰、矿渣粉掺量下轻骨料混凝土的冻融循环特性、碳化特性、抗渗性、收缩特性及抗压强度。研究表明，矿物掺合料能有效提高混凝土的耐久性和抗压强度。

1 轻骨料混凝土配合比设计研究

混凝土的配合比设计是混凝土制备过程中的核心工作，在不同的集料比例下混凝土的物理力学性能完全不同，因此，轻骨料混凝土耐久性研究的第一步是确定配合比[9]。轻骨料混凝土的集料包括粗骨料、细骨料、水泥、矿物掺合料、外加剂和水。

轻骨料混凝土与普通混凝土相比最大的不同是采用了陶粒等重量轻的骨料替代级配碎石，且所用轻骨料的性质直接决定了混凝土的力学性质和耐久性，因此，要严格控制粗骨料的各项性能指标。试验用粗骨料为陶粒，其粒径在5～18mm，堆积密度为0.762g/cm3，表观密度为1.425g/cm3，筒压强度为3.1MPa，1h吸水率为6.6%。

细骨料的作用是填充粗骨料间空隙，提升级配均匀性，增强混凝土强度。试验用细骨料为天然河砂，其表观密度为2.84g/cm3，堆积密度为1.56g/cm3，空隙率为45.8%，含水率为0.47%。

试验用水泥为河北上安水泥厂生产P·O42.5普通硅酸盐水泥，其比表面积为385m2/kg，终凝时间为250min，SO3含量为1.93%，烧失量为2.65%，28d抗折强度为9.0MPa，28d抗压强度为46.0MPa。

试验中矿物掺和料为粉煤灰、矿渣粉。粉煤灰是山西神木粉煤灰有限公司生产Ι级粉煤灰，其中CaO含量为6.22%，K2O含量为1.17%，SiO2含量为43.25%，Na2O含量为0.39%，Fe2O3含量为6.59%，Al2O3含量为40.01%，SO3含量为0.55%，MgO含量为1.29%，其比表面积为397m2/kg，密度为2.29g/cm3，含水量为1.4%，烧失率为1.98%。矿渣粉采用河北鑫唐矿渣粉有限公司生产的S95级粒化高炉矿渣粉，流动度比为98%，含水量为0.3%，SO3含量为0.18%，氯离子为0.02%，烧失量为0.1%。

试验中外加剂为聚羧酸高效减水剂，试验用水为普通自来水。试块配合比如表1所示。

表1 轻骨料混凝土配合比Table 1 Mix ratio of lightweight aggregate concrete

2 轻骨料混凝土耐久性试验

混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。根据轻骨料混凝土所处的环境本文将其耐久性分为冻融循环特性、碳化特性、抗渗性及收缩特性[10-12]，在此基础上通过混凝土的抗压强度反映混凝土的工作强度。本文拟采用实验的方法，通过实验数据研究轻骨料混凝土的耐久性。

2.1 冻融循环试验

图1 试块冻融循环破坏示意图Fig.1 The failure diagram of freeze-thaw cycle for test block

冻融循环试验是在冻融试验机内模拟冻融环境，利用快速冻融法测定混凝土在经历若干次冻融循环后其质量损失以评价其抗冻融特性[13]。试验中将25℃标准养护条件下养护28d后的混凝土在20℃的恒温水箱中养护28d，之后取出试件擦干水分并称重，如此循环直至达到规定的循环次数。实验用混凝土试块为100×100×400mm3方形块，图1为试块冻融破坏示意图。混凝土试块的质量损失率计算公式如下：

(1)

式中：A为质量损失率；wi为第i次实验后试块质量；wi-1为第i-1次实验后试块质量。

2.2 碳化试验

混凝土的碳化实验是用碳化箱模拟碳化环境，混凝土试块尺寸为100×100×400mm3立方体试块，实验中用浓度1%的酒精酚酞溶液滴入试块表面，通过溶液在试块中的渗透深度测定其碳化深度，图2为其碳化深度检测示意图。

图2 混凝土碳化深度测定示意图Fig.2 Measurement of carbonation depth of concrete

2.3 渗水试验

轻骨料混凝土的抗渗能力是通过渗水实验得到的，实验中试块尺寸为175×185×150mm3的方形试块，抗渗实验在混凝土抗渗仪中完成。图3所示为轻骨料混凝土渗水后实验效果图。混凝土的平均渗水高度和相对渗透系数计算公式分别如式(2)、(3)所示：

图3 轻骨料混凝土渗透效果图Fig.3 Permeation effect of lightweight aggregate concrete

(2)

(3)

式中：Kr为相对渗透系数，单位为cm/h；Dm为平均渗水高度，单位为cm；T为保持恒压的时间，单位为h；H为水压力，以水柱高度表示，单位为cm；a为混凝土的吸水率，一般为0.03。

2.4 自由收缩试验

图4所示为自由收缩实验中所用混凝土试块，其尺寸为100×100×515mm3。

图4 轻骨料混凝土自由收缩实验试块Fig.4 Free shrinkage test block of lightweight aggregate concrete

混凝土的收缩也称为干缩，是由于水泥在失水后体积减小，引起混凝土结构的体积变化，减小了混凝土的有效工作面积，同时混凝土收缩后产生裂缝，危害结构安全[14]。混凝土的收缩用收缩率表示，其计算公式如下：

式中：εst为混凝土收缩率，单位为%；Lb为试件的测量标距，单位为mm；L0为试件长度的初始读数，单位为mm；LT为试件在试验龄期t天时的长度读数，单位为mm。

2.5 抗压强度试验

图5 混凝土受压破坏示意图Fig.5 Concrete compression failure

抗压强度试验是测试在标准养护条件下28d龄期混凝土立方体的抗压强度(图5为混凝土受压破坏示意图)，所用立方体尺寸为150mm×150mm×150mm，以三块试件的算术平均值作为抗压强度的代表值，其计算公式如下：

(5)

式中：F为液压机压力；A为混凝土截面积。

3 试验结果分析

从轻骨料混凝土冻融循环试验数据(表2)可以看出，相对于未添加矿物掺合料的混凝土而言，含有矿物掺合料的混凝土能有效减轻冻融循环质量损失，特别是冻融循环次数在175次时，S0号试块和S5号试块的质量损失差值达到了4%。另外，在不同矿物掺和料含量和两种矿物掺和比例下其质量损失也不相同，矿物掺合料含量在40%时的质量损失比30%时小，粉煤灰和矿渣粉质量比在2∶3时质量损失比其他比例下小。因此，从上述实验中可以得出矿物掺合料在40%，粉煤灰和矿渣粉质量比在2∶3时混凝土的抗冻融能力最强。

从轻骨料混凝土碳化试验结果(表3)可以发现，各组的碳化深度相差不大，表明添加掺合料后并没有明显提高轻骨料混凝土的抗碳化性能。当掺合料取代率为40%，粉煤灰和矿渣粉比例为2∶3时，试块的碳化深度最浅，为10.8mm，但相比较未添加掺合料试块，碳化深度仅减少了1.1mm。当掺合料对水泥的取代率为30%，粉煤灰和矿渣粉的比例为1∶2时，混凝土的碳化深度最大，最大为14.1mm，其抗碳化能力最差。

从轻骨料混凝土透水试验结果(表4)可以发现，添加了掺合料的轻骨料混凝土的相对渗透系数都比未添加掺合料时低，表明掺合料能有效提高轻骨料混凝土的抗渗性。当掺合料替代率为40%，粉煤灰和矿渣粉比例在2∶3时，混凝土的相对渗透系数数最小，为0.184×10-7cm/h，提高效果最强，当掺合料对水泥的取代率为30%，粉煤灰和矿渣粉的比例为1∶2时，其相对渗透系数为0.319×10-6cm/h，抗渗能力提高最弱。

表2 轻骨料混凝土冻融循环质量损失Table 2 Quality loss of freeze-thaw cycles of lightweight aggregate concrete 单位：%

从轻骨料混凝土自由收缩结果(表5)可以发现，添加掺合料后的轻骨料混凝土收缩率并未出现明显的改善，除S2和S5号试块的混凝土收缩率略低于未添加掺合料混凝土试块外，其余组别均高于未添加掺合料试块。从实验结果看，当掺合料替代率为30%，且粉煤灰和矿粉比例为2∶3时，其收缩率最低为0.02442。

从轻骨料混凝土抗压强度(表6)可以发现，当掺合料替代率为30%，且粉煤灰和矿粉比例为2∶3时，其抗压强度最高为38.2MPa，而普通配合比下混凝土抗压强度为36.9MPa，其强度提高了3.52%。

表3 轻骨料混凝土碳化深度Table 3 Carbonation depth of lightweight aggregate concrete

表4 轻骨料混凝土相对渗透系数Table 4 Relative permeability coefficient of lightweight aggregate concrete

表5 轻骨料混凝土试块自由收缩率Table 5 Free shrinkage of lightweight aggregate concrete test blocks

表6 轻骨料混凝土抗压强度Table 6 Compressive strength of lightweight aggregate concrete

4 结论

轻骨料混凝土的耐久性设计不仅关系到结构或构筑物的使用年限，更能影响结构安全。本文从粉煤灰和矿渣粉两种掺合料含量角度出发，通过实验的方法研究了不同掺合料替代率和两种掺合料不同比例下，轻骨料混凝土的冻融循环特性、碳化特性、抗渗性、收缩特性及抗压特性，主要结论如下：

(1)当两种掺合料取代率为40%，且粉煤灰和矿渣粉比例为2∶3时，其抗冻融循环能力最强，在冻融循环175次后其质量损失率仅为3.6%，相比较未添加掺合料时质量损失率7.6%，质量损失率减小了4%。

(2)矿物掺合料并未明显提高轻骨料混凝土的抗碳化能力。当掺合料取代率为40%，粉煤灰和矿渣粉比例为2∶3时，试块的碳化深度最浅，为10.8mm，但相比较未添加掺合料试块，碳化深度仅减少了1.1mm。

(3)当两种掺合料取代率为40%，且粉煤灰和矿渣粉比例为2∶3时，其相对渗透系数最小，为0.184×10-7cm/h，与未添加掺合料时，相对渗透系数6.26×10-7cm/h，相差约35倍。

(4)矿物掺合料并未明显提高轻骨料混凝土的抗收缩能力。当掺合料取代率为30%，粉煤灰和矿渣粉比例为1∶1时，其28d龄期的收缩率最低，为244.2×10-6，相比较未添加掺合料时的272.3×10-6收缩率，提高效果并不明显。

(5)矿物掺合料能有效提高混凝土的抗压强度，当两种掺合料取代率为40%，且粉煤灰和矿渣粉比例为2∶3时，混凝土抗压强度最高位38.2MPa，相比普通混凝土36.9MPa，其抗压强度提高了3.52%。