矿物掺合料对道路混凝土耐磨性的影响及机理.pdf

第 4卷第 2期 2 O O 7年 4月 铁道科学与工程学报 V O ! 4 N o 2 J OUR NA L OF RAI I WA Y S CI E NCE AND E NGI NE ERI N G Ao r 2 O O 7 矿物掺合料对道路混凝土耐磨性的影响及机理 曾阳春 ，郑克仁 。 李益进 ( 1 佛 山市顺德 区公路局 ， 广 东 佛 山 5 2 8 0 0 0 ； 2 中南大学 土木建筑学院，湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要： 测试了粉煤灰和矿渣单掺及双掺混凝土在不同龄期时的磨耗， 测试结果表明： 掺 3 0 粉煤灰混凝土3 d 龄期时的磨 耗较不掺粉煤灰的混凝土增加， 但能够提高混凝土后期的耐磨性能； 无论是在早期还是后期， 矿渣的使 用均使混凝土的磨 耗增大； 粉煤灰与矿渣双掺的情况下也能使混凝土的后期耐磨性得以改善； 粉煤灰中存在大量的高强高弹玻璃微珠及在后 期活性效应的发挥从而使混凝土的耐磨性能得到提高。单掺矿渣由于其颗粒强度低、 耐磨性能差， 混凝土的耐磨性能下 降。 关键 词 ： 粉煤灰 ； 矿 渣 ； 混凝土 ； 耐磨性 中图分类号： T U 5 2 8 3 7 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 O 2 9 ( 2 O O 7 ) 0 2 0 0 5 9 0 4 E ff e c t s o f mi n e r a l a d mi x t u r e s o n we a r r e s i s t a n t a b i l it y o f c o n c r e t e a n d me c h a n i s m Z E NG Y a n g c h u n ，Z HE N G K e r e n 2 ，L I Y i - j i n 2 ( 1 ， T h eH i g h w a y B u r e a u o f S h u n d eD i s t r i c t ， F o s h a n C i t y ， F o s h a n 5 2 8 0 0 0 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l a n d A r c h i t e c t u r a l E n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s it y ， c l l 咄4 1 0 0 7 5 ，C h in a ) Ab s t r a c t ： T o i n v e s t i g a t e e ff e c t s o f f l y a s h a n d b l a s t f u rna c e s l a g O i l w e a r r e s i s t a n t a b i l i t y o f c o n c r e t e 。w e a r r e s i s t a n t a b i l i t y o f c o n c r e t e w i t h 3 0 c e me n t b y i n fl t8 8 r e p l a c e d b y f l y a s h，b l a s t f u rna c e s l a g w a s t e s t e d a t d i ff e r e n t a g e s C o n c r e t e w i t h c e m e n t r e p l a c e d b y f l y a s h a n d b l a s t f u rna c e s l a g w il ts a l s o t e s t e dR e s u l t s s h o w t h a t t h e u s i n g o f f l y a s h c a n r e d u e e t h e w e a r r e s i s t a n t a b i l i t y o f c o n c r e t e a t e a r l y a g e ，b u t i mp r o v e we a r r e s i s t a n t a b i l i t y a t l a t e r a g e s B l a s t f l l ma e e s l a g r e d u c e s t h e w e a r r e s i s t a n t a b i l i t y a t b o t h e a r l y a g e s a n d l a t e r a g e s We a r r e s i s t a n t a b i l i t y o f c o n c r e t e w i t h f l y a s h a n d b l a s t f u rna c e s l a g c a n e v e n b e i mp r o v e dE ff e c t o f f l y a s h o n we a r r e s i s t a n t a b i l i t y c a n b e a t t r i b u t e d t o i t s h i g h s 协 mg 山p a r t i c l e s a n d i n t e r f a c e t r a n s i d o n z o n e A s f o r b l a s t f u ma e , e s l a g ，i t c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e w e a k w e a r r e s i s t a n t a b i l i t y o f i t s p a r t i c l e s Ke y wo r d s ： f l y a s h ；b l a s t f u rna c e s l a g ；c o n c r e t e ；we a r r e s i s t a n t a b i l i t y 水泥混凝土路面为承受冲击、 振动、 疲劳、 磨损 的动载结构， 其控制技术指标是弯拉强度 、 耐疲劳 性、 耐磨性、 耐久性、 工作性等。耐磨性既是保证抗 滑性能的前提 ， 又是影响其安全性和耐久性的重要 指标 。因此 ， 对于路面混凝土 ， 混凝 土的耐磨性能 就显得特别重要 。在混凝土中应用矿物掺合料 ， 除 调整和改善混凝土的各项性能( 尤其是混凝土的耐 久性能) 外 ， 还能节约能源和资源 、 减小环境负荷 ， 有利于水 泥、 混 凝土行业 的可持续 发展L l I 3 J 。因 此 ， 矿物掺合料成为现代混凝土材料中不可缺少的 组分 ， 其在混凝土材料中的应用越来越广泛 。研究 矿物掺合料对混凝土耐磨性的影响， 对在道路混凝 土中合理使用矿物掺合料 ， 使混凝土具有 良好的综 合性能有工程实用价值。 1 试验材料与方法 1 1 试验材料与配合比 1 )水泥 ： 湖南韶峰水泥厂生产的 4 2 5级普通 收稿 日期 ： 2 0 0 61 2一l O 基金项目： 广东省公路管理局重大科技攻关项目 ( 2 o o 6 1 1 ) 作者简介： 曾阳春( 1 9 7 1 一) ， 男， 湖南南县人， 工程师， 从事公路工程技术管理 维普资讯 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 O 7 年 4 月 硅酸盐水泥 ， 比表面积为 3 7 5 m 2 k g ， 化学成分及物 理力学性能见表 1 和 2 。 2 )粉煤灰 ： 湘潭 电力粉煤 灰开发有 限公 司 I 级粉煤灰 ， 比表面积为 4 6 0 m 2 k g ， 粉煤灰 的化学 成分如表 1 所示 。 3 )矿渣 ： 三峡矿渣 ， 由葛洲坝股份有限公 司提 供， 其密度为2 8 7 g c m 3 ， 比表面积为 3 7 5 m 2 k g ， 需 水量 比为 1 0 4 ， 化学成分见表 1 。 4 )砂 ： 湘江河砂 ， 级配合格 ， 符合 区要求 ， 细 度模数 ：2 7 6 。 5 ) 外加剂 ： 选用湛江# H J n 剂厂生产 的 F D N高 效减水剂。 表 1 水泥、 粉煤灰和矿渣的化学成分 T a b l e 1 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n o f C e me n t ，fl y a s h a n d b l ast f u r n a c e s l a g s i 0 2 A l2 0 3 C a O Ms O S O 3 F 0 3 烧失量 水泥 2 2 0 5 4 3 4 6 2 6 8 4 5 8 2 2 1 2 、 0 6 2 6 3 粉煤 灰5 1 8 o 3 o 4 9 4 1 0 1 0 o O 4 3 5 5 7 1 1 2 矿渣 2 l 、 4 8 7 2 l 4 9 8 3 0 3 5 3 2 5 1 4 9 1 9 9 表 2 水泥的物理力学性质 T a b l e 2 P h y s i c al me c h a n i c al p r o p e r t i e s o f c e me n t 1 2 混凝土配合比与试验方法 在混凝土中合理使用矿物掺合料 ， 既能够降低 成本 ， 又能提高混凝土的力学性能 、 耐久性 ， 但国内 外大量的研究表明， 混凝土中矿物掺合料掺量过大 时 ， 会引起早期强度降低 ， 抗碳化性能下降 ， 对养护 要求高等问题_4 - 5 J 。根据国内外研究和工程应用 实际情况， 矿物掺合料掺量为胶凝材料用量的 3 0 为宜 ， 本研究 中除 了采用粉煤灰 、 磨细矿渣分 别单掺等量取代水泥外 ， 为了发挥粉煤灰和矿渣复 合后的协同作用 ， 使混凝 土的综合性能大大提高 ， 试验时按粉煤灰与矿渣的质量比为 1 ： 2复掺。为 了消除其他因素的影响， 试验中各配合比的砂率、 水胶比、 胶凝材料用量及外加剂掺量均固定。各试 验配合 比见表 3 。同时制备水 胶 比和胶凝材料组 成 与 相 应 配 合 比相 同 的净 浆 试 样 供 扫 描 电 镜 ( S E M) 观察试验 。 混凝土的抗磨耗试验按照 公路工程水泥及水 泥混凝土试验规程 Y r G E 一2 o 0 5进行， 试件尺寸 ( 长 宽 高) 为 1 5 0 l l l l n 1 5 0 l l l l n 7 0 l l l l n 。 表 3 耐磨性能试验 混凝 土配合 比及 强度 Ta bl e 3 Mi x i n g prop o r t i o n an d s S t h o f c o n c r e t e f o r w e a 一 陀一 s s t ant t es t 注： 对于 1 0 0 f l i rt 1 0 0 m 1 0 0 m m ( 长 宽 高 ) 的试件 ， 抗折强度 已换 算成标准试件的强度； 括号内为强度相对值。 2 试验结果与讨论 图 1 所示为各试验配合 比混凝土在 不同龄期 时的磨耗 。由图 1 可知， 采用较低水胶比配制的道 路混凝土都具有良好的耐磨性能， 除 3 d 磨耗有超 标外 ， 其他龄期混凝 土的单位面积 的磨 耗均小于 3 6 k g m2 ，符合 国家标准 ( J T G E一2 0 0 5 ) 的要 求。 在 3 d 龄期时， 无论是掺粉煤灰还是掺矿渣的混凝 土 ， 其磨耗均 比基准混凝土的要高 ， 如掺 3 0 矿渣 的混凝土 比纯水泥混凝土磨耗增大 1 0 8 。这说 明粉煤灰和矿渣等矿物掺合料 的掺入 ， 降低 了混凝 土的早期耐磨性能 。一般地说 ， 抗压强度越低 ， 混 凝土磨耗越大。从表 3可见 ， 掺矿物掺合料混凝土 的 3 d强度均低于基准混凝土 的强度 ， 从而使混凝 土早期的耐磨性能下降； 根据图 1 ， 随着龄期的增 长， 尽管强度绝对值仍然低于基准混凝土， 掺粉煤 灰混凝土( A1 配合比) 的磨耗值在 7 d时就已低于 基准混凝土 ， 而双掺 的混凝土 ( A n配合 比) 的磨耗 值在 5 6 d龄期时与基准混凝土 的接近 ， 在 1 8 0 d 龄 期时则低于基准混凝土 ； 掺矿渣的混凝土其磨耗值 在各龄期均比基准混凝土的要高。因此 ， 不能简单 3 9 3 3 暑 2- 7 越 2 1 1 5 3 7 2 8 5 6 1 8 o 龄期 ， d 1 一A 1 ( 纯水泥混凝土 ) ； 2 一A 2 ( 粉煤 灰混凝 土) ； 3一A 3 ( 矿 渣混凝土 ) ； 4 一A 4 ( 粉煤灰 一矿渣混凝土 ) 图 l 各试验混凝土在不同龄期的磨耗 r i g 1 W e a r r e s i s t a n t t est r e s u l t s o f c o n c r e t e w i t h d i ff e ren t mi n e r a l a d mi x t u r L a t d i ff e ren t a g e s 维普资讯 第 2 期 曾阳春 ， 等： 矿物掺合料对道路混凝土耐磨性的影响及机理 6 l 地将矿物掺合料对混凝土耐磨性能的影响归结于 其对混凝土强度的影响。在通常情况下 ， 混凝土抗 压强度越低 ， 混凝土磨耗越大 ， 即强度与磨耗值成 反比， 因此 ， 可以用混凝土的抗压强度与磨耗值 的 乘积来 比较不 同强度混凝土 的耐磨性能。图 2所 示为各配合 比混凝 土 3 d和 2 8 d龄期 时强度与磨 耗值的乘积。由图 2可知， 无论是单掺还是与矿渣 双掺 ， 粉煤灰均能改善混凝 土的耐磨性能 ， 而矿渣 的使用则使混凝土的耐磨性下降。 Al A2 A3 A4 试验配合比 图 2 各试验混凝 土 3 d 和 2 8 d龄期的强度磨耗积 2 A l g e b r a i c p r o d u c t o f t r e n g t h a n d l I 1 a s s l o s s u n d e r WO- q ,l t e s t o f c o n c r e t e w i t h d i ff e r e n t mi n e r a l a d mi x ， t u r e s 在细观层上 ， 混凝 土可看成 由 3部分组成 ， 即 集料 、 界面过渡区和水泥石基体L 6 j 。在集料 的品种 和含量确定的条件下 ， 影响混凝土耐磨性的主要因 素是基体和界面过渡区。水泥石基体中除水化产 物外， 还有未水化的水泥和矿物掺合料颗粒。根据 郑克仁等L 7 J 的测试， 即使在水胶比为 0 5时， 6 0 d 龄期的水泥石 中粉煤灰反应程度不超过 2 5 ， 矿 渣反应程度约为 3 0 ， 可见有大量未水化 的矿物 掺合料颗粒存在 ， 这些颗粒起到填充 的作用 ( 如粉 煤灰的微集料效应) 。这些未水化的颗粒本身的性 质必然影响混凝土的耐磨性能。粉煤灰玻璃微珠 本身的强度很高 ， 有资料表明厚壁空心微珠的抗压 强度在 7 0 0 M P a 以上 ， 并且玻璃微珠外层玻璃质表 面非常致密， 作为微集料本身的耐磨性很高。赵庆 新等 8 采用纳米压痕技术测试水泥 、 矿渣和粉煤灰 玻璃珠 的弹性模量分别 为 1 7 4 ， 1 2 8和 3 4 3 G P a ， 可见 ， 这 3 种颗粒中粉煤灰微珠的弹性模量和强度 最高 ， 水泥颗粒次之 ， 矿渣颗粒最低。粉煤灰 中存 在大量的高弹高强的粉煤灰微珠 ， 这些起微集料作 用的颗粒具有很好的耐磨性能 ， 因而能够提高混凝 土的耐磨性能 。而矿渣颗粒的弹性模量较水泥颗 粒低 ， 因此 ， 混凝土中使用矿渣使混凝 土的耐磨性 能 下降 。 界面过渡区也影响混凝土的耐磨性 ， 即耐磨性 受集料 、 未水化颗粒与基体的粘结状况 的影响。矿 物掺合料 主要与水泥 的水化产物 C a ( O H) 2 反应 ， 形成二次水化产物 C s -H， 降低界 面过渡 区 C H 含量和取 向性 ， 改善界面过渡区结构 ， 从而强化集 料 、 未反应矿物掺合料颗粒与基 体的结合 ， 有利于 提高混凝土的耐磨性。 但是 ， 由于矿物掺合料 的活性相对水 泥要低 ， 其活性效应的发挥与龄期有关 ， 在早期矿物掺合料 的反应程度较低 ， 掺矿物掺合料的混凝土早期强度 较基准混凝土低。颗粒与基体的结合较弱( 见图 3 ( a ) ) ， 在磨损作用下粉煤灰颗粒容易脱离基体， 因 此 ， 即使是掺粉煤灰 的混凝土 ， 其早期绝对磨耗值 较基准混凝土的高。而在水化后期 ， 粉煤灰反应程 度增大， 粉煤灰颗粒与基体结合紧密( 见图 3 ( b ) ) ， 且混凝土的强度增长速率快 ， 从而明显地提高了混 凝土的耐磨性能。 ( a ) 一3 d ； ( b ) 一2 8 d 图 3 不同龄期时粉煤灰玻璃微珠与基体的 结 合 状 况 隐 3 T h e b o n d b e t w e e n fl y a s h p a r ti c l e a n d l n a t r i x a t d i ff e r e n t a g e s 3 结论 1 )粉煤灰使混凝 土早期耐磨性 能下降 ， 而能 够提高混凝土后期的耐磨性能； 无论是在早期还是 柏 加 蛐 柏 O 豫雠氧 维普资讯 6 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 O 0 7 年 4月 后期 ， 矿渣的使用均使混凝土的磨耗增大 ； 粉煤灰 与矿渣双掺后也能使混凝土的后期 耐磨性得 以提 高。 2 ) 粉煤灰存在的大量高强高弹玻璃微珠及在 后期与基体良好结合是使混凝土后期耐磨性提高 的原因； 矿渣主要 因为其颗粒强度低 、 耐磨性能差 ， 使混凝土的早期和后期耐磨性能下降。 参考文献： 1 O s b o r n e G J D u r a b i l i t y o f P o r t l a n d b l a s t 一 e s l a g c e - m e ri t c o n c r e t e J C e m C o n c r C o m p o s ，1 9 9 9 ， 2 1 ( 1 ) ： 1 1 21 2 J a nB B e n e fi t s o f s l a g a n dfl y a s h J C o n s t r B u i l dM a t e r ， 1 9 9 6，1 0( 5 )： 3 0 9 3 1 4 3 S H I C a i - j a n ，Q I A N J u e - s h i H i g h p e rf o r ma n c e c e m e n t i n g m a t e ri a l s f to m i n d u s t r i a l s l a g a r e v i e w J R e s o u r C o n - s e i v R e c y c l i n g， 2 O O 0， 2 9( 3 )： 1 9 5 2 0 7 4 吴中伟 高性能混凝土及其矿物细掺料 J 建筑技 术 ， 1 9 9 9 ， 3 0 ( 3 ) ： 1 6 0 1 6 3 WU Z h o n g - w e i Hi g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e a n d i t s fi n e mi n e r a l a d m i ) 【 t l l r 妫 J A r c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y ， 1 9 9 9， 3 0( 3 )： 1 6 0一 l 6 3 5 唐明述 关于水泥混凝土发展方向的几点认识 J 中 国工程科学 ， 2 0 0 2 ， 4 ( 1 ) ： 4 1 4 6 T AN G Mi n g - s h u S o me c o n s i d e mt i o m o n t h e d e v e l o p me n t s o f c e m e n t a n d c o n c re t e J E n g i n e e r i n g S c i e n c e ，2 0 O 2 ， 4 ( 1 ) ： 414 6 6 P r o k o p s k i a G ，I - I a l b i n i a k J I n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e i n c e - m e n t i t i o u s m a t e ri a l s J C e m e n t a n d C o n c ret e R e s e a r c h ， 2 O O 0 ， 3 0( 6 )5 7 9 5 8 3 7 郑克仁， 孙伟， 贾艳涛， 等 水泥 一矿渣 一粉煤灰体系 中矿渣和粉煤灰反应程度测定方法 J 东南大学学 报， 2 O O 4 ， 3 4 ( 3 ) ： 3 6 1 3 6 5 Z H EN G K e - ren ，S U NWe i ，J I A OYa n g - t a o ，e t a 1 Me t h o dt o d e t e r mi n e r e a c ti o n d e g r e e s o f c o n s ti t u e n t s i n h y d r a t i ng t e r n a r y b l e n d s com p o l o f B F S ，F A a n dP o r t l a n d c e m e n t 【 J J J o u r - n a l o f S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， 2 O O 4 ， 34( 3 ) ： 3 6 1 3 6 5 8 赵庆新 ， 孙伟， 郑克仁， 等 水泥、 磨细矿渣 、 粉煤灰颗 粒弹性模量的比较 J 硅酸盐学报， 2 ( I ) 5 ， 3 3( 7 )： 8 3 7 8 4 1 Z H A O Q i ng- x i ng，S U N We i ， Z H E N G K e - r e n ，e t a 1 C o r n - s o nf o r e l a s t i cmo d u l u s o f c e m e n t ，g r o u n d g r a n u l a t e d b l a s t f u _r l l a c e s l a g and fl y a s h p a r t i c l e s J J o u ma l o f t h e G i rl - n e s e C e r a m i c S o c i e t y ， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 7 ) ： 8 3 7 8 4 1 维普资讯