等28d抗压强度条件下粉煤灰和矿渣对C50混凝土后期性能的影响

文摘 2025-01-01 07:08 河南

1引言

粉煤灰和矿渣都是工业副产品，它们已经成为混凝土生产中常用的矿物掺合料。当粉煤灰和矿渣在混凝土中的掺量适当时，不但能提高混凝土的和易性、抗硫酸盐侵蚀性能和耐化学侵蚀性能，还能改善混凝土的耐高温性能、减少泌水，同时降低水化热，有利于减少大体积混凝土内部温升引起的裂缝和变形。

目前，关于粉煤灰和矿渣对混凝土性能的影响的研究已经很多，大多采用了单因素分析法，即保持水胶比不变，研究粉煤灰或矿渣的掺量对混凝土性能的影响；或保持掺合料比例不变，研究水胶比的变化对于混凝土性能的影响。在这样的研究体系中，混凝土的28d强度往往是变化的，而实际工程中通常以混凝土的28d抗压强度作为检验标准。混凝土设计强度是根据承载力大小和结构形式所确定的，即使对混凝土的后期性能(尤其是耐久性)有较高的要求时，也通常首先要满足}昆凝土的28d设计强度。而在保持水胶比不变的前提下进行的试验研究，往往不能保证混凝土的28d强度达到设计要求。

尽管目前工程中所采用的混凝土强度等级以C25～C35为主，但对较高强度等级的混凝土的需求也在逐渐增大。总体而言，混凝土强度等级越高，矿物掺和料的掺量相应越低，大掺量矿物掺和料的研究和应用更少。本文研究了大掺量矿渣和粉煤灰对C50混凝土长期性能的影响，为更贴近工程实际，通过调整混凝土的水胶比，使不同组成的混凝土的28d抗压强度相近，在此前提下，进行了混凝土的后期性能对比研究。

2试验

2.1原材料

试验采用的水泥为北京金隅P·O42.5普通硅酸盐水泥，符合国家标准GB175。

矿渣为S95级粒化高炉矿渣，符合国家标准GB/T18046。

粉煤灰为二级低钙粉煤灰，符合国家标准GB/T1596。

水泥、矿渣、粉煤灰的比表面积分别为350m²/kg、430m²/kg、358m²/kg。三种原材料的化学组成如表1所示。

试验采用的细骨料为普通河砂，最大粒径为5mm，细度模数为2.7；粗骨料为石灰石碎石，粒径在5～25mm之间；减水剂为聚羧酸减水剂。

2.2配合比

试验采用的5组混凝土的配合比如表2所示，各组混凝土的胶凝材料总量均为500kg/m³，F1和F2中粉煤灰的掺量分别为30%和50%，B1和B2中矿渣的掺量分别为30%和50%，通过调节混凝土的用水量，使大掺量粉煤灰混凝土和大掺量矿渣混凝土在28d的抗压强度接近纯水泥混凝土。由表2可以看出，5组混凝土的28d抗压强度非常接近，均达到了C50的设计要求。

2.3试验方法

(1)抗压强度

试件成型尺寸为150mm×150mm×150mm立方体，成型后在温度为(20±1)℃、相对湿度大于95%的标准养护条件下养护至28d和360d，测定抗压强度。

(2)氯离子渗透性

成型100mm×100mm×100mm的立方体试件，在标准条件下养护。采用ASTMC1202的方法测定了混凝土的28d和360d的氯离子渗透性，将切割后的试件(尺寸为100mm×100mm×50mm)经过真空饱水后，在混凝土氯离子电通量测定仪上进行测试，以3个试件为一组，记录6h通过的电通量。

(3)化学结合水

将养护到龄期(28d、360d)的净浆试样放在无水酒精中浸泡以使胶凝材料停止水化，然后将磨细的粉末样品在105℃下烘干至恒重，称量样品质量m1；再将样品装入坩埚中并置于马弗炉中灼烧至1000℃并保持一定时间(至少1h)，试样冷却至室温后称量其质量m2；根据样品在105℃和1000℃之间的质量差并经原材料的烧失量修正计算出化学结合水。

(4)Ca(OH)₂的含量

利用热重(TG)方法对龄期为360d的硬化浆体中的氢氧化钙(CH)含量进行测定。热重仪的型号为TGAQ5ooov3.15Build263，灵敏度<0.1μg，称重准确度是±0.1%，恒温准确度是±1℃。测试时以N2作为保护气体防止测试过程中的碳化，升温速率为10℃/min。

3结果与讨论

3.1抗压强度

五组不同的混凝土在标准养护条件下养护至360d时的抗压强度如图1所示，掺粉煤灰或矿渣的混凝土的抗压强度均高于纯水泥混凝土，且掺量相同时，掺矿渣的混凝土的抗压强度高于掺粉煤灰的混凝土。与28d抗压强度相比，C1、F1、、B1、B2的强度增长率分别为17.61%、27.87%、25.39%、38.69%和42.83%。由此可见，在28d抗压强度相近的前提下，不同胶凝材料组成的混凝土后期强度的增长幅度差异很大。

3.2抗氯离子渗透性

图2是五组不同混凝土在龄期为28d和360d的电通量。根据ASTMC1202对混凝土氯离子渗透性的划分标准，将其分为五个等级：电通量处于100C以下为“可忽略”，电通量处于100～1000C以下为“很低”，1000～2000C为“低”，2000～4000C为“中等”，4000C以上为“高”。即使不同混凝土的电通量存在差异，但如果被划分在同一个等级内，那么认为混凝土的渗透性相同的。

由图2可以看出，当龄期为28d时，纯水泥混凝土的渗透性等级为“中”，掺30%和50%粉煤灰的混凝土的渗透性等级均为“低”，掺30%和50%矿渣的混凝土的渗透性等级也均为“低”。由此可见，当这5组混凝土的抗压强度非常接近时，它们的渗透性等级存在明显差异，含大掺量粉煤灰或矿渣的混凝土的抗氯离子渗透性明显优于纯水泥混凝土。随着龄期的增长，各组混凝土中胶凝材料的水化程度不断提高，混凝土的孔结构得到进一步的改善。当龄期为360d时纯水泥混凝土的氯离子渗透性等级由“中”变为“低”，含大掺量粉煤灰或矿渣的混凝土的氯离子渗透性等级均由“低”变为“很低”。由此可以看出，当5组混凝土的28d抗压强度很接近时，含大掺量矿物掺合料的混凝土的后期抗氯离子渗透性明显优于纯水泥混凝土。

3.3化学结合水

标准养护条件下养护至28d和360d的五组混凝土的硬化浆体的化学结合水量及其由28d至360d的增长率如表3所示。当胶凝材料的水化产物相同时，化学结合水可以用来比较水化产物的量的多少；当胶凝材料的水化产物有所差异时，化学结合水不宜用来对比水化产物的量。

从表3中可以看出，对于任意一组混凝土，硬化浆体在360d的化学结合水都明显高于其在28d的化学结合水，这说明从28d至360d，各组混凝土的胶凝材料的水化程度都有明显增长。但对比化学结合水的增长率可以看出，各组混凝土的胶凝材料的水化程度提高的幅度有所差异：含大掺量矿物掺合料的胶凝材料的水化程度增长率明显高于纯水泥；掺量相同时，两种复合胶凝材料的水化程度增长率接近。

3.4Ca(OH)₂含量

标准养护至360d后五组混凝土的硬化浆体的TG曲线和DTG曲线如图3至图7所示，根据两种曲线计算出的各样品在龄期360d时产生CH的量如表4所示。

从表4中可以看出，掺矿物掺合料的硬化浆体中的CH含量明显低于纯水泥浆体中的CH含量，这是因为用矿渣或粉煤灰替代部分水泥后，胶凝体系中的水泥含量降低，生成的CH随之减少，且矿物掺合料的反应会消耗一部分水泥生成的CH。对于同种掺合料，浆体中的CH含量随着矿物掺合料掺量的增加而较少；对于不同种矿物掺合料，当掺量相等时，掺加矿渣的浆体中CH含量高于掺加粉煤灰的浆体中的CH含量。尽管矿渣的反应程度明显高于粉煤灰，但与粉煤灰不同，矿渣本身含有大量CaO，生成C-S.H或C-S-A-H过程中只需要水泥生成的CH提供小部分Ca²⁺，因而矿渣反应对CH消耗量明显小于粉煤灰的消耗量。

3.5讨论

由抗压强度和抗氯离子渗透性的试验结果可知，5组混凝土在28d抗压强度相近的前提下，大掺量矿渣混凝土的后期强度最高，大掺量粉煤灰混凝土的后期强度次之，纯水泥混凝土的后期强度最低；含大掺量矿物掺合料的混凝土的抗氯离子渗透性均明显优于纯水泥混凝土。从化学结合水的试验结果可以看出，纯水泥浆体的化学结合水从28d到360d仅增长了不足10%，而含大掺量矿物掺合料的浆体的化学结合水从28d到360d增长率超过15%，这说明在28d抗压强度相近的前提下，含大掺量矿物掺合料的胶凝材料的后期水化程度提高的幅度明显大于水泥，由此生成的水化产物的量也多于水泥，对后期孔隙的改善作用强于水泥。此外，从热重的试验结果可以看出，含大掺量矿物掺合料的硬化浆体中CH含量明显低于纯水泥硬化浆体。水泥水化产生的CH通常为六方片状或板状的晶体，比表面积小，在硬化浆体中叠层生长，是硬化浆体的薄弱环节，在硬化浆体中，CH晶体是薄弱环节；此外，在混凝土的界面过渡区内CH的结晶尺寸较大，含量较多，且很多CH垂直于骨料表面定向生长，是形成强度的薄弱环节。矿物掺合料的反应对CH的消耗既生成凝胶填充混凝土中的孔隙，又改善了过渡区的微结构，有利于提高混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透性能。

大掺量矿渣混凝土与大掺量粉煤灰混凝土的后期氯离子渗透性等级相同，但掺量相同时，大掺量矿渣混凝土的后期强度高于大掺量粉煤灰混凝土。化学结合水的结果显示，掺量相同时，两种复合胶凝材料的化学结合水从28d到360d的增长率相近，但含大掺量矿渣的复合胶凝材料的化学结合水绝对值的增幅明显高于含大掺量粉煤灰的复合胶凝材料，这说明矿渣的反应程度增长率明显大于粉煤灰，这与文献中的研究结果一致。

由于粉煤灰和矿渣在28d内的反应程度低于水泥，生成的水化产物对孔隙的填充作用小于水泥，因而为实现含大掺量矿物掺和料的混凝土与纯水泥混凝土达到相近的28d抗压强度需适当降低其水胶比，且掺量越大，水胶比降低越多，即通过降低水胶比减小颗粒间的距离弥补矿物掺和料反应程度低生成反应产物少的缺陷。混凝土的28d抗压强度相近时，对于不同组成的混凝土，与宏观性能密切相关的孔隙结构也是比较接近的，后期的宏观性能发展取决于微结构的进一步改善的能力。复合胶凝材料的后期水化程度增长率高于纯水泥，即生成的水化产物量相对较多，对孔隙的填充作用更大；此外，矿渣和粉煤灰在后期的反应程度明显提高，消耗部分水泥水化生成的CH，改善混凝土的界面过渡区微结构。因此，相比纯水泥混凝土，含大掺量矿物掺和料的混凝土在后期微结构改善的幅度更大，相应的宏观性能改善幅度也更大。

4结论

在混凝土的28d抗压强度相近的前提下，含大掺量矿渣或粉煤灰的复合胶凝材料的后期水化程度增幅大于纯水泥，水化产物对孔隙的填充作用更大；且随着粉煤灰和矿渣在后期反应程度的提高，复合胶凝材料硬化浆体中的CH含量明显低于纯水泥硬化浆体，有利于界面过渡区微结构的改善。因此，大掺量矿渣或粉煤灰的掺人均能提高混凝土后期的力学性能，增强混凝土后期的抗氯离子渗透性。

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