矿渣粉掺量对混凝土性能与微观结构的影响

文摘 2024-12-28 07:01 河南

0　引言

按照国内与国际的标准，大型水利设施的设计寿命普遍在50～100年之间，在建设这些重大的基建项目时，核心挑战在于如何进行环境保护、资源节约、本土化材料利用、资源循环利用的同时，又能保持混凝土的耐久性并使建筑物的使用时间更长，这是一个值得探讨的问题。这些重大工程能否顺利实施，混凝土的耐久性是关键因素，也对我国混凝土产业能否持续高速系统发展有着深刻影响。本文将对采用矿渣研磨成矿渣粉来制备混凝土，测定矿渣粉混凝土力学特性、耐久性与水化特性，在实际工程和建筑物中为矿渣粉混凝土的使用提供试验理论支撑。

1　原材料和配合比

水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥28d抗压强度和抗折强度分别为52.29MPa和10.31MPa，初凝时间为2.58h，终凝时间为3.58h，细度为0.50mm，比表面积为345m²/kg。

粗骨料选用破碎后的煤矸石，经测定石子的压碎指标为5.20%，含泥量为0.98%，表观密度为2745kg/m^{3，针片状含量为}5.51%。

细骨料采用中砂，经测定细度模数为2.70，表观密度为2692kg/m^{3，含泥量为}1.45%。

减水剂采用聚羧酸减水剂。

矿渣粉为S95级矿渣粉，该矿渣粉的密度为2800kg/m^{3，比表面积为}486m²/kg，烧失量为2.62%，45μm筛余量为6.23%。

根据实际情况进行矿渣粉混凝土的配合比设计，得到矿渣粉混凝土配合比见表1所示。其中，矿渣粉的掺量是按照水泥掺量的百分比掺加的。

2　矿渣粉掺量对混凝土性能的影响

2.1　混凝土坍落度

按照配合比制备出不同矿渣粉掺量的混凝土并测量出混凝土的坍落度，图1展示了在不同矿渣粉掺量条件下，混凝土的坍落度及其在1h后的变化过程。

由图1可知，随着矿渣粉掺入量的持续增加，混凝土坍落度的变化过程为先升高后降低，且在加入量为81kg/m³时，坍落度达到峰值。

造成上述变化规律的原因:随着矿渣粉含量进一步增大水泥的含量减小，导致混凝土拌合物的均匀性下降，混凝土出现泌水和离析现象，进而导致混凝土的坍落度有所下降。随着矿渣粉加入量的不断变大，1h后混凝土坍落度的变化过程也为先升高后降低，但是坍落度小于刚制备好时混凝土的坍落度，这是由于在长时间运送过程中，混凝土内部水分会随着时间的增大而流失，进而导致混凝土的塑化性能和可泵性能变差。

2.2　混凝土凝结时间

不同矿渣粉掺量对混凝土初凝时间和终凝时间的变化规律如图2所示。

由图2可知，混凝土初凝时间与终凝时间的变化规律随着矿渣粉加入量的不断增加呈现出不断减小的趋势，这是由于矿渣粉具有微晶核效应，使得水化产物分布更加均匀且为水化产物提供了空间，加速了水化反应的进行以及氢氧化钙的析出速率，使得氢氧化钙在水泥浆液中的含量下降，最终加快了混凝土的凝结时间。

2.3　混凝土的抗压强度和抗折强度

通过研究不同矿渣粉加入量对混凝土抗压强度和抗折强度的影响，绘制了图3，以展示出不同矿渣粉加入量对混凝土抗压强度和抗折强度的变化趋势。

由图3可知，随着矿渣粉加入量的不断增加，混凝土抗压强度和抗折强度均先增加后减小。当矿渣粉加入量达到54kg/m3时，混凝土的抗压强度和抗折强度皆达到最大值。造成上述变化规律的原因可能是:矿渣粉在水化反应中，可以有效地促进水化反应，提升了混凝土整体的力学性能。但是矿渣粉过量掺入到混凝土中，会迫使混凝土孔隙结构产生膨胀，破坏了混凝土的微观孔隙结构性能，故混凝土的抗压强度和抗折强度有所下降。

2.4　混凝土抗碳化分析

按照国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)对不同矿渣粉掺量作用下混凝土的抗碳化能力进行测定，绘制出不同矿渣粉掺量作用下混凝土碳化深度的变化规律，如图4所示。

由图4可知，随着矿渣粉加入量的逐步增加，在单一碳化周期内，混凝土的碳化深度先减少后增加。当矿渣粉加入量为54kg/m3时，混凝土的碳化深度皆达到最小值，这是由于随着矿渣粉掺量的增大，减少了混凝土内部的孔径尺寸以及微裂隙的数量且有效地降低了混凝土的孔隙率，使得混凝土的碳化深度有所下降。但随着矿渣粉的持续掺加，导致了混凝土内部孔隙率的增大，使得混凝土的碳化深度开始上升。而随着碳化周期的不断增大，在同一矿渣粉掺量作用下混凝土的碳化深度却不断增大，这是由于碳化周期的延长，使得二氧化碳有充分的时间在混凝土内部进行扩散。

2.5　混凝土的收缩性能

对不同矿渣粉掺量作用下混凝土的收缩性能进行测定，绘制出不同矿渣粉加入量对混凝土收缩率的变化规律，如图5所示。

由图5可知，随着矿渣粉加入量的逐步增加，在单一养护周期内，混凝土的收缩率呈现出先减小后增大的变化趋势，当矿渣粉加入量为54kg/m³时，混凝土收缩率达到最大值，这是由于矿渣粉能够有效地降低混凝土的毛细孔隙率和混凝土的气孔，来提升混凝土的结构整体性能；同时，矿渣粉中含量较多的活性Al₂O₃物质，在火山灰反应中加剧了Al相物质的产生，该Al相物质可能会产生一定的膨胀，进而抑制混凝土的收缩变形特性。

2.6　混凝土的抗渗性能

一般情况下，对于混凝土的抗渗性能研究主要通过电通量来反映。根据规范《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)对混凝土的电通量进行测定，绘制出不同矿渣粉掺量作用下混凝土电通量的变化规律，如图6所示。

由图6可知，随着矿渣粉加入量的不断增加，混凝土电通量的变化规律呈现出先减小后增大的趋势，当矿渣粉加入量为54kg/m³时，混凝土收缩率达到最小值。一般通过机械磨制的矿渣粉，会造成矿渣粉表面不是很光滑，随着矿渣粉掺量的进一步增多，会使得原本密实的孔隙结构再次变得稀松，故混凝土的电通量值开始出现增大趋势。随着氧化周期的不断增大，在同一矿渣粉掺量作用下混凝土的电通量呈现出减小的变化趋势。

3　混凝土胶凝材料粒度和水化特性分析

3.1　混凝土胶凝材料粒度分析

采用SYNC型号的激光粒度粒形分析仪对矿渣粉和水泥的粒度进行测定，得到矿渣粉和水泥的粒度分布如图7所示。

由图7可知，矿渣粉颗粒要比水泥颗粒粒径更小、更细，在相同体积下矿渣粉的颗粒数量要远远多于水泥颗粒数量，使得骨料的填充效应更好。

3.2　混凝土的水化特性

对不同矿渣粉掺量下混凝土的放热速率和发热量的变化规律进行研究，绘制出不同矿渣粉掺量下混凝土的放热速率和发热量的变化规律，如图8所示。

由图8可知，随着水化反应的持续增强，其放出的热量会经历一段先增长后趋于平缓的过程，但伴随着矿渣粉加入量的不断增长，水化反应放热量却不断变小，这是由于矿渣粉内氧化物活性较水泥的水化活性更低而造成的。在诱导期和加速期，随着矿渣粉掺量的增加，水化热放热速率却呈现出降低的变化趋势，这主要是由于混凝土浆液中水泥浓度稀释造成的。在水化稳定期，产出的大量水化物继续吸附在水泥和矿渣粉颗粒的表面，其进一步阻碍水泥和矿渣粉的水化反应且混凝土浆液中自由水也随之减小，而这是混凝土水化反应速率逐渐降低的原因，最终趋于平稳的趋势。

4　结论

(1)综合力学性能、耐久性和微观结构特征的试验结果，得到矿渣粉掺量为54kg/m³时，混凝土各项性能最佳。

(2)随着水化反应的不断增强，其放出的热量会经历一段先增大后趋于平稳的过程，但伴随着矿渣粉加入量的不断增长，水化反应放热量却不断变小；矿渣粉颗粒要比水泥颗粒粒径更小、更细，在相同体积下矿渣粉的颗粒数量要远远多于水泥颗粒数量，使得骨料的填充效应更好。

(3)在矿渣粉掺量为54kg/m³时，矿渣粉完全充填在孔隙结构中，且水泥和矿渣粉水化反应产生的C-S-H凝胶也呈现出网状结构交织在一起以及在混凝土局部C-S-H凝胶也呈现球形颗粒簇状分布。

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