论文部分内容阅读
摘要：研究了粉煤灰、矿渣微粉复配以及变化两者的相对掺量（FA:SL=3:7、4:6、5:5、6:4，其中FA+SL=40%）对地下工程用结构混凝土性能的影响，测试了新拌混凝土工作性能、硬化混凝土力学性能，并分析了其形成的细观机理。结果表明：将矿渣微粉与粉煤灰复合，二者可以在混凝土结构形成的不同时期发挥各自优势，使混凝土既具有较高的早期强度，后期强度又有较高的增长。
关键词：粉煤灰；矿渣微粉；结构混凝土
中图分类号：TU528文献标识码：A 文章编号：×××
国内外学者对不同矿物掺合料的复合效应进行较多研究。如G.C.Isaia[1]等人研究了一系列的矿物掺合料的复掺对低强度混凝土性能的影响，认为矿物掺合料的复掺可以有效提高低强度混凝土的力学性能，而且90d后的效果要明显好于28d；李宗津[2]等人研究表明，复掺10%的高岭土和20%的矿渣既可以提高混凝土的抗压强度又可以改善混凝土的流动性；Ibrahim Turkmen[3]等人研究了硅灰和矿渣复掺对混凝土性能的影响，认为10%的硅灰和20%的矿渣复掺可以使混凝土的抗压强度明显提高。谭克锋[4]等人将磨细矿渣与粉煤灰按1：1混掺后，4个龄期（1d、3d、28d、56d）强度较基准混凝土均有所提高，SEM分析表明，强度的提高是由于细粉的微填充作用和积极参与水泥水化反应而使混凝土的致密程度提高并使水泥石与集料间的过渡层性能改善所致。作者通过复合掺入适量的粉煤灰、矿渣微粉等活性掺合料和混凝土膨胀剂，设计配制抗渗等级达到《地下工程防水技术规范》GB50108-2008中P8要求的地下工程用C30高性能结构混凝土，测试新拌混凝土工作性能、硬化混凝土力学性能，并分析了其结构形成的细观机理。
1. 试验材料与实验方案
1.1 原材料
试验选用天山股份PO42.5R 普通硅酸盐水泥，苇湖梁华电电厂加工的“晨科”牌粉煤灰，新疆八一鋼铁有限公司生产的粒化高炉矿渣微粉，骨料为乌拉泊水库上游乌鲁木齐河中的水洗砂和河卵石；分别依据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-2005）和《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB18046-2008）测试其性能。结果表明：该粉煤灰满足标准中I级灰的要求，矿渣微粉质量较好，其性能满足标准中S95级要求。碎石粒径4.75-9.5 mm和4.75-26.5 mm，含泥量1.5%，压碎指标6.2。河砂，细度模数Mx=2.5，含泥量1.0%。外加剂为江苏某公司的低碱型混凝土膨胀剂。
1.2 实验方案设计
试验中采用等量取代以于观察两种掺合料的影响规律，试验所用混凝土配合比如表1所示。
表1试验用混凝土配合比
2 结果与讨论
2.1 粉煤灰与矿渣微粉复合相对掺量对C30P8混凝土性能的影响
图1列出了粉煤灰与矿渣微粉在总掺量为40%时的相对比例的变化对新拌混凝土性能和硬化混凝土力学性能影响的试验结果，从中可以看出：随着粉煤灰比例的变大，混凝土初始坍落度增大，而后又变小，坍落度的损失值也变小，即与矿渣微粉相比，粉煤灰掺量增大更有利于保持坍落度。随着粉煤灰比例的加大，混凝土7d抗压强度逐渐下降，也即粉煤灰相对于矿渣微粉对早期强度的影响较大；但28d和90d的抗压强度，以及28d的抗拉强度和劈拉强度，随着粉煤灰比例的加大而逐渐的提高，但提高的幅度不大，说明粉煤灰对混凝土的后期强度的增长有利。
图1 粉煤灰与矿渣微粉相对比例对 图2 新拌浆体初始孔隙率随掺合料种类和
混凝土性能的影响掺量的变化曲线
图1列出了粉煤灰与矿渣微粉在总掺量为40%时的相对比例的变化对新拌混凝土性能和硬化混凝土力学性能影响的试验结果，从中可以看出：
随着粉煤灰比例的变大，混凝土初始坍落度增大，而后又变小，坍落度的损失值也变小，即与矿渣微粉相比，粉煤灰掺量增大更有利于保持坍落度。
随着粉煤灰比例的加大，混凝土7d抗压强度逐渐下降，也即粉煤灰相对于矿渣微粉对早期强度的影响较大；但28d和90d的抗压强度，以及28d的抗拉强度和劈拉强度，随着粉煤灰比例的加大而逐渐的提高，但提高的幅度不大，说明粉煤灰对混凝土的后期强度的增长有利。
2.2 C30P8高性能混凝土形成的细观机理
C30P8混凝土的高性能从细观与微观上来讲，其主要的贡献来自于粉煤灰和矿渣微粉具有的减水作用、火山灰效应及复合增强作用。
经分选的优质粉煤灰由大量细小的球形颗粒组成（见图3）。这些球状微珠分布于水泥絮凝结构中，起到滚珠式的润滑作用，减小水泥颗粒间的摩擦阻力，从而提高水泥浆体的流动性。而矿渣微粉的颗粒成不规则多边形（见图4），颗粒表面有一些晶体矿物相或较细粉体聚集，因此矿渣微粉的减水效果不如粉煤灰。
影响水泥基材料早期强度的因素主要有两个，一是新拌浆体的初始孔隙率，二是早期水化产物的生成速度和数量。粉煤灰和矿渣微粉以不同比例取代水泥后复合材料浆体的初始孔隙率计算结果如图2。
掺合料取代水泥量相同时，粉煤灰新拌浆体的初始孔隙率低于矿渣微粉的新拌浆体的初始孔隙率，这与掺合料对早期强度的贡献高低的变化顺序正好相反，同时，对同一种掺合料而言，新拌浆体的初始孔隙率也随掺合料取代水泥量的增加而降低，这也与硬化砂浆强度随掺合料取代水泥量增加而降低的变化规律相反，因为强度与孔隙率是成反比关系的。新拌浆体初始孔隙率越大，就意味着硬化材料早期达到相同强度时必须生成更多的水化产物以填充孔隙。这就要求参与水化的材料早期活性要高，根据图2的计算结果，确定当掺合料取代水泥时，早期强度的提高是取决于掺合料参与水化反应的速度和水化产物的数量。
图3 粉煤灰的SEM图图4 矿渣微粉的SEM图
3 结论
1）粉煤灰与矿渣微粉经过合理复合，可以在混凝土结构形成的不同时期发挥各自优势，使混凝土既具有较高的早期强度，后期强度又有较高的增长。
2）掺合料取代水泥量相同时，粉煤灰新拌浆体的初始孔隙率低于矿渣微粉的新拌浆体的初始孔隙率，而对同一种掺合料而言，新拌浆体的初始孔隙率也随掺合料取代水泥量的增加而降低，这与硬化砂浆强度随掺合料取代水泥量增加而降低的变化规律相反，因为强度与孔隙率是成反比关系的。
参考文献
[1]ISAIA G C，ASTALDINI A L G, MORAES R. Physical and pozzolanic action of mineral additions on the mechanical strength of high-performance concrete[J]. Cement&Concrete Composites, 2003, (25): 69-76.
[2]LI Zongjin, DIN Zhu.Property. Improvement of Portland cement by incorporating with metakaolin and slag[J]. Cement and Concrete Research, 2003, (33): 579–584.
[3]Tu RKMEN I Brahim, GAVGAL Mehmet, GUL Rustem. Influence of mineral admixtures on the mechanical propertiesand corrosion of steel embedded in high strength concrete[J].Materials Letters, 2003, (57): 2037-2043.
[4] 谭克锋, 蒲心诚. 矿物掺合料对混凝土增强机理的研究[J]. 西南科技大学学报, 2007, (22) 03: 6-9.
关键词：粉煤灰；矿渣微粉；结构混凝土
中图分类号：TU528文献标识码：A 文章编号：×××
国内外学者对不同矿物掺合料的复合效应进行较多研究。如G.C.Isaia[1]等人研究了一系列的矿物掺合料的复掺对低强度混凝土性能的影响，认为矿物掺合料的复掺可以有效提高低强度混凝土的力学性能，而且90d后的效果要明显好于28d；李宗津[2]等人研究表明，复掺10%的高岭土和20%的矿渣既可以提高混凝土的抗压强度又可以改善混凝土的流动性；Ibrahim Turkmen[3]等人研究了硅灰和矿渣复掺对混凝土性能的影响，认为10%的硅灰和20%的矿渣复掺可以使混凝土的抗压强度明显提高。谭克锋[4]等人将磨细矿渣与粉煤灰按1：1混掺后，4个龄期（1d、3d、28d、56d）强度较基准混凝土均有所提高，SEM分析表明，强度的提高是由于细粉的微填充作用和积极参与水泥水化反应而使混凝土的致密程度提高并使水泥石与集料间的过渡层性能改善所致。作者通过复合掺入适量的粉煤灰、矿渣微粉等活性掺合料和混凝土膨胀剂，设计配制抗渗等级达到《地下工程防水技术规范》GB50108-2008中P8要求的地下工程用C30高性能结构混凝土，测试新拌混凝土工作性能、硬化混凝土力学性能，并分析了其结构形成的细观机理。
1. 试验材料与实验方案
1.1 原材料
试验选用天山股份PO42.5R 普通硅酸盐水泥，苇湖梁华电电厂加工的“晨科”牌粉煤灰，新疆八一鋼铁有限公司生产的粒化高炉矿渣微粉，骨料为乌拉泊水库上游乌鲁木齐河中的水洗砂和河卵石；分别依据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-2005）和《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB18046-2008）测试其性能。结果表明：该粉煤灰满足标准中I级灰的要求，矿渣微粉质量较好，其性能满足标准中S95级要求。碎石粒径4.75-9.5 mm和4.75-26.5 mm，含泥量1.5%，压碎指标6.2。河砂，细度模数Mx=2.5，含泥量1.0%。外加剂为江苏某公司的低碱型混凝土膨胀剂。
1.2 实验方案设计
试验中采用等量取代以于观察两种掺合料的影响规律，试验所用混凝土配合比如表1所示。
表1试验用混凝土配合比
2 结果与讨论
2.1 粉煤灰与矿渣微粉复合相对掺量对C30P8混凝土性能的影响
图1列出了粉煤灰与矿渣微粉在总掺量为40%时的相对比例的变化对新拌混凝土性能和硬化混凝土力学性能影响的试验结果，从中可以看出：随着粉煤灰比例的变大，混凝土初始坍落度增大，而后又变小，坍落度的损失值也变小，即与矿渣微粉相比，粉煤灰掺量增大更有利于保持坍落度。随着粉煤灰比例的加大，混凝土7d抗压强度逐渐下降，也即粉煤灰相对于矿渣微粉对早期强度的影响较大；但28d和90d的抗压强度，以及28d的抗拉强度和劈拉强度，随着粉煤灰比例的加大而逐渐的提高，但提高的幅度不大，说明粉煤灰对混凝土的后期强度的增长有利。
图1 粉煤灰与矿渣微粉相对比例对 图2 新拌浆体初始孔隙率随掺合料种类和
混凝土性能的影响掺量的变化曲线
图1列出了粉煤灰与矿渣微粉在总掺量为40%时的相对比例的变化对新拌混凝土性能和硬化混凝土力学性能影响的试验结果，从中可以看出：
随着粉煤灰比例的变大，混凝土初始坍落度增大，而后又变小，坍落度的损失值也变小，即与矿渣微粉相比，粉煤灰掺量增大更有利于保持坍落度。
随着粉煤灰比例的加大，混凝土7d抗压强度逐渐下降，也即粉煤灰相对于矿渣微粉对早期强度的影响较大；但28d和90d的抗压强度，以及28d的抗拉强度和劈拉强度，随着粉煤灰比例的加大而逐渐的提高，但提高的幅度不大，说明粉煤灰对混凝土的后期强度的增长有利。
2.2 C30P8高性能混凝土形成的细观机理
C30P8混凝土的高性能从细观与微观上来讲，其主要的贡献来自于粉煤灰和矿渣微粉具有的减水作用、火山灰效应及复合增强作用。
经分选的优质粉煤灰由大量细小的球形颗粒组成（见图3）。这些球状微珠分布于水泥絮凝结构中，起到滚珠式的润滑作用，减小水泥颗粒间的摩擦阻力，从而提高水泥浆体的流动性。而矿渣微粉的颗粒成不规则多边形（见图4），颗粒表面有一些晶体矿物相或较细粉体聚集，因此矿渣微粉的减水效果不如粉煤灰。
影响水泥基材料早期强度的因素主要有两个，一是新拌浆体的初始孔隙率，二是早期水化产物的生成速度和数量。粉煤灰和矿渣微粉以不同比例取代水泥后复合材料浆体的初始孔隙率计算结果如图2。
掺合料取代水泥量相同时，粉煤灰新拌浆体的初始孔隙率低于矿渣微粉的新拌浆体的初始孔隙率，这与掺合料对早期强度的贡献高低的变化顺序正好相反，同时，对同一种掺合料而言，新拌浆体的初始孔隙率也随掺合料取代水泥量的增加而降低，这也与硬化砂浆强度随掺合料取代水泥量增加而降低的变化规律相反，因为强度与孔隙率是成反比关系的。新拌浆体初始孔隙率越大，就意味着硬化材料早期达到相同强度时必须生成更多的水化产物以填充孔隙。这就要求参与水化的材料早期活性要高，根据图2的计算结果，确定当掺合料取代水泥时，早期强度的提高是取决于掺合料参与水化反应的速度和水化产物的数量。
图3 粉煤灰的SEM图图4 矿渣微粉的SEM图
3 结论
1）粉煤灰与矿渣微粉经过合理复合，可以在混凝土结构形成的不同时期发挥各自优势，使混凝土既具有较高的早期强度，后期强度又有较高的增长。
2）掺合料取代水泥量相同时，粉煤灰新拌浆体的初始孔隙率低于矿渣微粉的新拌浆体的初始孔隙率，而对同一种掺合料而言，新拌浆体的初始孔隙率也随掺合料取代水泥量的增加而降低，这与硬化砂浆强度随掺合料取代水泥量增加而降低的变化规律相反，因为强度与孔隙率是成反比关系的。
参考文献
[1]ISAIA G C，ASTALDINI A L G, MORAES R. Physical and pozzolanic action of mineral additions on the mechanical strength of high-performance concrete[J]. Cement&Concrete Composites, 2003, (25): 69-76.
[2]LI Zongjin, DIN Zhu.Property. Improvement of Portland cement by incorporating with metakaolin and slag[J]. Cement and Concrete Research, 2003, (33): 579–584.
[3]Tu RKMEN I Brahim, GAVGAL Mehmet, GUL Rustem. Influence of mineral admixtures on the mechanical propertiesand corrosion of steel embedded in high strength concrete[J].Materials Letters, 2003, (57): 2037-2043.
[4] 谭克锋, 蒲心诚. 矿物掺合料对混凝土增强机理的研究[J]. 西南科技大学学报, 2007, (22) 03: 6-9.