矿物掺合料对自密实混凝土性能的影响研究

文摘 2024-09-10 07:01 河南

引言

自密实混凝土因其自身重力不需要振捣即可填充模板空间，以及工作性能好、不易离析等特点，在一些重要的工程或构件上得到了广泛的应用。但由于自密实混凝土水泥用量大、水胶比低，导致其在使用过程中容易出现干缩裂缝，严重制约了其长期使用的耐久性。

林明新等采用粉煤灰等体积替代水泥，开展混凝土工作性能试验研究，结果表明，粉煤灰作为辅助胶凝材料掺入水泥中，因其滚珠效应和填充效应，能有效改善新拌自密实混凝土的流动性及抗离析能力等工作性能。许博等研究了以水泥、粉煤灰和矿粉为胶凝材料的自密实混凝土的工作性参数和流变参数，结果表明，矿粉对混凝土流动性的改善较弱，粉煤灰对混凝土体系流动性的提高较为显著；随着扩展度的升高，混凝土的T₅₀₀与塑性粘度呈上升的趋势，而混凝土的屈服应力则呈下降的趋势。

本文研究不同的矿物掺合料及其搭配比例对C40强度等级自密实混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的影响，探讨如何提高自密实混凝土的各项性能，以期为自密实混凝土在工程实践中的应用提供理论依据和建议。

1材料与方法

1.1试验材料

水泥：承德金隅水泥有限责任公司生产的P·042.5普通硅酸盐水泥，标准稠度需水量30%，3、28d抗压强度分别为29.5、51.6MPa。

粉煤灰：大唐同舟科技有限公司张家口分公司生产的F类Ⅱ级粉煤灰，细度21.5%，烧失量2.96%，需水比99%。

矿粉：三河市兴达开元建材有限责任公司生产的S95级矿粉，28d活性指数102%。

细骨料：北京檀城慧鑫环保科技有限公司生产的人工砂，细度模数2.70，亚甲蓝MB值1.00g/kg，石粉含量4.5%，泥块含量0.5%。

粗骨料：粒径为5～10mm的连续级配碎石，含泥量0.5%，泥块含量0.2%，针片状含量4%。

减水剂：河北合众建材有限公司生产的聚羧酸系高效减水剂，含固量8.55%，减水率28%。

1.2配合比

本文选用C40强度等级混凝土配合比，以CCES02-2004《自密实混凝土设计与施工指南》及文献研究成果为依据，保持胶凝材料、粗骨料、细骨料总量和减水剂掺量、水胶比不变，研究在不同的矿物掺合料种类和搭配比例下，自密实混凝土落度及扩展度、抗压强度、收缩及抗碳化性能的变化规律。自密实混凝土的配合比见表1，其中，FMH01～FMH04表示粉煤灰的掺量分别为10%、15%、20%、25%；KF01～KF04表示矿粉的掺量分别为5%、10%、15%、20%；FH01表示粉煤灰掺量10%、矿粉掺量5%，FH02表示粉煤灰掺量15%、矿粉掺量10%，FH03表示粉煤灰掺量20%、矿粉掺量15%。

2结果与分析

2.1粉煤灰对自密实混凝土性能的影响

单掺粉煤灰时，自密实混凝土的工作性能和抗压强度测试结果见表2，自收缩值和碳化深度见表3。

由表2可知，在流动性能方面，自密实混凝土的落度和扩展度随着粉煤灰掺量的提升而增加，和对照组相比，当粉煤灰掺量为20%时，自密实混凝土的落度增加35mm，扩展度增加90mm，之后随着粉煤掺量的继续提升，自密实混凝土的流动性能基本不再提升；在力学性能方面，当粉煤灰掺量未超过20%时，自密实混凝土的初期抗压强度随着粉煤灰掺量的增大呈下降的趋势，而混凝土中、后期的强度变化不大。

由表3可知，在收缩性能方面，随着粉煤灰掺量的增加，自密实混凝土各龄期的收缩值呈下降的趋势。这是因为粉煤灰的加人减缓了混凝土体系的水化放热率，从而使其产生的热应力减小，收缩值也随之减小。在碳化性能方面，当粉煤灰掺量未超过20%时，其掺量的增加不会影响混凝土的3、7d碳化深度，但当粉煤灰掺量超过20%时，混凝土的14、28d碳化深度有所增加。这是因为掺人粉煤灰改善了自密实混凝土的致密性，减缓了CO₂的扩散速率，但在中、长龄期时，由于二次水化会使体系中的Ca(OH)₂大量流失，进一步增加了混凝土的碳化深度，且在粉煤灰掺量大于20%的情况下，过量的粉煤灰使混凝土体系中的缺陷增多,其抗碳化能力下降。

2.2矿粉对自密实混凝土性能的影响

单掺矿粉时，自密实混凝土的工作性能和抗压强度测试结果见表4，自收缩值和碳化深度见表5。

由表4可知，在流动性能方面，随着矿粉掺量的增加，自密实混凝土的流动性能有所提升。当矿粉掺量为20%时，相比对照组，自密实混凝土的落度增加5mm，扩展度增加45mm。这主要是因为矿粉较细，可填补集料与砂浆之间的孔隙，体系中的游离水增加，提高其流动性能，然而，磨细矿粉区别于粉煤灰的球形玻璃体结构，减水作用有限。在力学性能方面，随着矿粉掺量的增加，混凝土的整体抗压强度小幅度上升，但当矿粉掺量超过15%后，混凝土的28d抗压强度开始降低，不再增加。

由表5可知，在收缩性能方面，随着矿粉掺量的增加，自密实混凝土的1、3d龄期自收缩值逐渐增加，但其7、14、28d龄期的自收缩值无规律性变化。这是因为矿粉比表面积大，可以加速水泥早期水化过程，加快水泥水化过程中的水化放热率，使其具有较高的抗压能力，同时在水泥水化过程中，混凝土体系具有一定的抗压能力；但矿粉早期促进水化作用有限，因此随着矿粉掺量的增加，自密实混凝土7d及中长龄期的自缩值变化不大。在碳化性能方面，当矿粉掺量分别为5%、10%、15%、20%时，自密实混凝土的碳化深度逐渐降低，当矿粉掺量为20%时，相比对照组，混凝土3、7、14、28d龄期的碳化深度分别减少1.0、1.5、1.0、1.5mm，说明加人一定量的矿粉可以改善混凝土的抗碳化能力，这可能是因为矿粉的填充效应及火山灰的反应活性。

2.3“粉煤灰+矿粉”对自密实混凝土性能的影响

粉煤灰和矿粉复掺时，自密实混凝土的工作性能和抗压强度测试结果见表6，收缩性能和碳化性能测试结果见表7。

由表6可知，复合掺人粉煤灰、矿粉后，自密实混凝土的流动性能及抗压强度均有不同程度的提高，混凝土的保水性能提升，其静置表层未出现泌水。同时，复掺粉煤灰、矿粉后，有利于改善混凝土强度，这是因为粉煤灰和矿粉的搭配比例改善了胶凝材料的颗粒级配，且一部分矿物掺合料参与了水化，体系中不断生成水化硅酸钙凝胶，

改善了混凝土强度。

由表7可知，在收缩性能方面，复掺粉煤灰和矿粉的混凝土体系的自收缩值较小，这主要是因为粉煤灰和矿粉具有不同的水化速率，持续形成水化产物，填充孔隙。在碳化性能方面，粉煤灰单掺时，混凝土的碳化深度最大，而粉煤灰和矿粉复掺、矿粉单掺时，混凝土的碳化深度相差不大，均小于粉煤灰单掺时混凝土的碳化值，这主要是因为粉煤灰和矿粉的级配合理，填充效果显著，水化较为充分，进一步降低混凝土与空气中CO₂的反应速度。

结论

本文研究了单掺粉煤灰、矿粉和“粉煤灰+矿粉”复掺对自密实混凝土的工作性能、力学性能及耐久性能的影响，得出以下结论：

（1）单掺粉煤灰和矿粉时，均有利于提升自密实混凝土的流动性能。当粉煤灰掺量为20%时，自密实混凝土的流动性能最佳；当矿粉掺量为15%时，自密实混凝土的流动性能最佳；当粉煤灰掺量不超过20%时，随着掺量的增加，自密实混凝土的早龄期抗压强度和抗碳化性能均呈现降低趋势，但混凝土的自收缩值和早期开裂风险降低。

（2）矿粉在早期阶段参与水泥的水化反应，能提高混凝土的早期抗压强度，但会增大混凝土的早期自收缩值，对混凝土的后期抗压强度和自收缩值没有明显的作用，因此添加适量的矿粉可在一定程度上提高自密实混凝土的抗碳化性能。随着矿粉掺量从5%增加至20%，自密实混凝土的碳化深度逐渐降低。

（3）“粉煤灰+矿粉”复掺可以补充单掺粉煤灰时混凝土早期抗压强度下降的不足，同时也改善了单掺矿粉时容易出现泌水的问题；复掺“粉煤灰+矿粉”的自密实混凝土体系，其收缩性能和抗碳化性能较优。（来源：《混凝土世界》2024.06）

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