矿渣粉对水泥混凝土抗裂性及强度的影响研究.pdf

B R J DGE AND T UNNE L CONS TR UCT I oN AND M ACH I NE R Y 文章编号 ： 1 0 0 0 0 3 3 X( 2 O 1 5 ) 0 9 0 0 8 6 0 3 矿渣粉对水泥混凝土抗裂性及强度 的影 响研究 李金京 ， 刘 占良 ( 1 中国公路工程 咨询集 团有限公司 ， 北京 1 0 0 0 9 8 ；2 石家庄铁路 职业 技术 学院 ， 河北 石家庄0 5 0 0 4 1 ) 摘要 ： 为 了研 究矿 渣粉 对优化 混凝 土 抗裂性 及 强度 的影 响 问题 ， 通 过 自制 试验 工具进 行矿 渣粉 掺 量 对混 凝 土抗 裂性 能影响 的试 验 ， 同时对混 凝 土的抗 压 强度进 行研 究 。研 究结 果表 明 ： 矿 渣粉 对水 泥混凝土的初始开裂时间和裂缝宽度都有较 大影响 ， 并且存在最佳掺量； 矿渣粉的增加对于混凝 土 强度 的影响 有 限 。 关 键词 ： 水 泥混 凝土 ； 矿 渣粉 ； 抗压 强度 ； 试验 研 究 中图分 类号 ： U4 1 4 文 献标 志码 ： B Re s e a r c h o n I mp a c t o f S l a g Po wde r o n Cr a c k - 。 r e s i s t a n c e a n d St r e n g t h o f Ce me nt Co nc r e t e L I J i n j i n g ，LI U Z h a n - l i a n g ( 1 Ch i n a Hi g h wa y En g i n e e r i n g Co n s u l t i n g Co r p o r a t i o n ，B e i j i n g 1 0 0 0 9 8 ，Ch i n a ； 2 S h ij i a z h u a n g I n s t i t u t e o f Ra i l wa y Te c h n o l o g y ，S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 4 1 ，He b e i ，C hi n a ) Ab s t r a c t ：I n o r de r t o r e s e a r c h t he i m pa c t o f s l a g po wd e r on c r a c k r e s i s t a n c e a n d s t r e ng t h o f c e m e nt c o nc r e t e， t e s t o n t he c r a c k r e s i s t a n c e p r op e r t y wa s c a r r i e d ou t wi t h ho m e mad e i ns t r ume nt s，a nd t h e c o m p r e s s i v e s t r e ngt h of t he c o nc r e t e wa s s t ud i e d The r e s u l t s i n di c a t e t ha t t he s l a g p owd e r h a s s i g ni f i c a nt i m p a c t on t h e i n i t i a l c r a c ki n g t i m e a nd c r a c k wi d t h of c e m e nt c o nc r e t e，whi l e t h e i nc r e a s i ng of s l a g p owd e r wi l l no t b r i ng o bv i o us i m p r o ve m e nt t o t he s t r e ng t h of t h e c o nc r e t e Ke y wo r d s：c e me nt c o nc r e t e；s l a g po wde r；c o mpr e s s i v e s t r e ng t h；e xp e r i me nt a l r e s e a r c h U 引 旨 近年来 ， 水 泥混 凝土 的生 产技 术不 断 的进 步 ， 其 中如何 使 用高效 添 加剂优 化 混凝 土性 能是 一个 重要 的研究 方 向 。通 过 使 用 不 同 性 能 的 高效 添 加 剂 ， 设 计人员可以使混凝土达到差异性的工程要求 。另一 方 面 ， 抗裂 性一 直 是评 价 水 泥 混 凝 土性 能 优 劣 的一 个重要 指 标 ， 因为 一般 的混 凝 土 结 构 物 在施 工 一 段 时间后 往往 会 出现 大 量 的 细 微 裂缝 ， 这些 裂缝 受 到 腐蚀不仅会加速混凝土工作性能的退化 ， 而且还会 增加混凝土遭受其他病害的接触 面， 使 混凝 土内部 的钢筋 受 到腐蚀 ， 加 速 了混凝 土性 能 衰减口 。因此 ， 通过 使用 添加 剂来 优化 水 泥 昆 凝 土 的抗裂 性 就成 为 了一 个重 要 的研 究 方 向 。 。 矿渣粉作为选矿或冶炼后的残余物 ， 是 目前最常 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 2 2 7 86 用的矿物 掺合 料之 一 ， 已有 的研究 成 果 表 明 ， 掺 入 矿 渣粉确 实对水泥混凝 土 的抗裂性 能具有重要 的影 响。 基 于上述 原 因 ， 本 文 拟 对 矿 渣 粉 对水 泥混 凝 土 的抗 裂性 能及 强度 的影 响 进 行 深入 研 究 ， 以初 始 开 裂 时问 和 2 8 d的裂缝 宽度 为评 价 指标 ， 通 过 圆环 开 裂试 验来 探讨 不 同掺量 的矿 渣粉 对混 凝 土开裂 性能 的影 响 ， 并对 其最 佳掺 量进 行确 定 。 1 材料制备和试验方法设计 1 1原 材料 制备 水 泥为 “ 太行 ” 牌 4 2 5 普 通 硅 酸 盐 水 泥 ， 各 种 指标 见 表 1 ； 石 料 采 用 5 2 O mm 连 续 级 配 石 灰 岩 碎 石 ； 沙 料 为河沙 ， 级 配 良好 ， 是 细 度 模 数 为 2 7的 区 中砂 ； 矿 渣 为 $ 9 5型矿 渣 粉 ， 具 体 化 学 组 分 见 表 1 ； 外加 剂 为江苏 产 F DN萘 系 高效减 水 剂 。 B R1 DGE AND TUNNE L CONS TRUCT I ON AND M ACHI NER Y 表 1 水泥 、 粉煤灰及矿渣 的化学组分 化学组成 品种 S i O2 Ca O AI 2 O3 F e 2 O3 Mg O K2 O S O3 其他 烧失量 水 泥 2 1 4 5 6 2 0 7 5 4 6 3 8 4 1 0 6 1 O 2 2 7 5 0 5 7 1 7 8 矿 渣 3 4 7 5 4 6 1 5 1 0 5 2 0 9 3 1 0 4 0 5 9 1 4 3 2 7 3 1 8 6 1 2试验 方 法 本文采用 圆环开裂试验来评价混凝土受约束后 开 裂 的性 能 ， 圆环 内径 为 2 4 5 I l l m， 外 径 为 2 7 5 mm， 高为 1 5 0 mm。本 试验采用无 粗骨料混凝 土， 即混 凝 土 拌和 完毕 后 筛 除 粗 集 料 ， 然 后 立 即浇 注 。通 过 振 动 使混 凝土 密 实 ， 并 用 塑料 膜覆 盖 ， 置 于标 准养护 室 内养 护 ( 相 对 温 度 为 2 0 ， 湿 度 在 9 5 以上 ) 。 4 8 h后移 除养 护 环模 ， 并 在 混凝 土环 的上 表 面涂 上 水玻璃阻止水分挥发 ， 然后将试件移至干燥室 中( 相 对 温 度为 2 0。 C， 湿 度在 6 5 以 上 ) 进 行保 护 。采 用 2 5倍的显微镜观察混凝土表面裂纹 ， 在混凝土表面 出现 裂纹 前每 1 2 h观 察一 次 ， 并记 录初 始 开 裂 时 间 t 。从 试 件 移至 干燥 室算 起 ， 2 8 d后 测量 混凝 土 试件 表面的裂纹宽度 ， 测量方法是用 2 5倍带刻度显微镜 沿 高 度方 向均 匀选 取 十个 点测 量 裂 缝 宽 度 ， 并 计 算 出平 均值 W 。使 用初 始 开裂 时问 t 和裂缝 宽 度 W 作为表征不同配 比混凝土抵抗约束开裂的能力 。混 凝 土 圆环 开裂 试 验装 置 如 图 1 所 示 。 图 1试 验装 置 不 意 1 3配 合 比 混凝 土 的配 合 比是影 响其 使 用性 能 的一个 重要 因素 ， 其设 计 的合 理 与 否 会 对 混 凝 土 的施 工性 能产 生 重 要 的影 响 。为 了使 研 究成 果 具 有 一 般 性 ， 本 文 使 用 了规 范推 荐 的级 配l 4 ， 具体 如表 2 所 示 。 2试验方 案制定及 结果分析 本 文 为 了保证 试 验 数 据 的科 学 性 和 实 用 性 ， 制 定 了如下 试验 方案 。通过 调整 矿 渣粉 与水 泥 和矿渣 粉混合量的比例来研究其对水泥混凝土抗裂性的影 响， 并且对矿渣粉的最佳掺量进行确定 ； 然后再对水 泥 混凝 土 的 2 8 d抗压 强 度进 行试 验 ， 以分 析 矿渣 粉 掺量 对其 强度 的影 响 。 表 2 混凝土配合比 单方混凝土材料用量 ( k g i n ) 编号 水胶比 砂率 水泥 矿渣 石子 砂 水 基 准 0 3 0 5 0 3 8 4 7 O 0 1 0 5 0 6 6 8 1 3 9 2 O O 3 O 5 0 3 8 3 7 5 9 5 1 0 5 0 6 6 8 1 3 9 3 O 0 3 0 5 O 3 8 3 2 8 1 4 2 1 O 5 O 6 6 8 1 3 9 40 0 3 0 5 0 3 8 2 8 1 1 8 9 1 0 5 0 6 6 8 l 39 5 O 0 3 0 5 0 3 8 2 3 4 2 3 6 1 0 5 0 6 6 8 1 3 9 6 O 0 3 0 5 0 3 8 1 8 7 2 8 3 1 0 5 0 6 6 8 1 39 7 O 0 3 0 5 0 3 8 1 4 0 3 2 8 1 0 5 0 6 6 8 1 3 9 注 ： 外 加 剂 用 量按 照混 凝 土 坍 落 度 控 制 在 1 7 2 1 c m 之 间 添 加 。 2 1 矿渣粉 对 混凝土 初始 开裂 时 间的影 响分 析 从 图 2可以得 出 ， 随着 矿渣粉 掺量 的增 加 ， 水 泥 混凝 土初 始开 裂 时间会 出现 先下 降后 增加 再下 降 的 倒“ N” 字型变化趋势 ； 当混凝土 中掺加 的矿渣粉含 量在 2 O 4 O 的范 围内时 ， 试件 初 始 开裂 时 间低 于基准试件初试 开裂时 间； 当矿渣粉 掺量在 4 0 时 ， 试件初始开裂时间比基准试件增加 了0 3 5 d ， 提 高了 2 1 ； 当矿渣粉掺量超过 4 O 时， 试件初始开 裂 时间 又 出现 缩短 的现 象 ， 并 低 于 基 准试 件 的初 始 开 裂时 间 ； 当矿 渣 粉 掺 量 在 7 0 时 ， 试 件 的 初 始 开 裂 时间 仅为基 准试 件 的 5 5 。试 验 结果 表 明 ， 掺 加 矿渣 粉 的含量 在 4 O 左右 时 ， 对 于混 凝 土 的初 始 开 裂 时间 有一定 的提高 。 2 5 2 0 f 富 I 5 妻l _o O 5 O ： 2 j r-11 3 7 4 7 5 5 7 l 5 _ 114 r_1 。 _ 基准 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 图 2 混凝 土初始开裂时 间随矿渣粉掺量的变化趋 势 当矿 渣粉 掺 量 在 2 0 左 右 时 ， 其 初 始 开 裂 时 间 相对 于基 准试 件 有 明 显 的缩 短 。这 主 要 是 因 为 此 时 的矿 渣 掺 量 较 少 ， 对 水 泥 混 凝 土 的 开 裂 抑 制 作用不 明显 ， 而减少 的水泥 含量却对 混凝 土早期 8 7 BRJ DGE AND TUNNEL CoNSTRUCTI oN AND M ACHI NERY 强度产生较 多的影 响， 所 以导 致 了其 初始 开裂 时 间缩 短 。 2 2矿渣 粉对 水泥 混凝 土裂 缝宽 度 的影 响分析 在 昆 凝 土 圆环 开 裂试 验 中 ， 随 着矿 渣 粉 掺 量 的 增 加 ， 水泥 混凝 土 的裂 缝 宽 度 呈 现 出先 减 小 后 增 大 的“ N” 字 型变 化 趋 势 ； 当 矿 渣 粉掺 量 在 2 0 4 O 时 ， 裂 缝宽 度 相 较 基 准 变 化 不 大 ； 当矿 渣 粉 掺 量 为 4 O 左 右 时 ， 裂 缝 宽度 较 基 准 试 件 减 小 了 1 4 ； 当 矿 渣粉 量 为 7 0 9 ， 6 时 ， 较 基准 试件 增加 了 2 0 。试 验 数 据表 明 ， 矿渣 粉掺 量 对 水 泥 混 凝 土裂 缝 宽度 的影 响存 在一 个极小 值 ， 即存 在最 佳掺 量 。试验 证 明 ， 矿 渣 粉掺 量 为 3 0 4 O 左 右 时 ， 裂 缝 开 裂 宽 度可 以 被最 大程 度地减 少 ， 如 图 3 所 示 。 量 憾 6 l 5 ， 7 ； 7 一 4 3 3 基准 2 0 3 0 4 0 5 O 6 0 7 0 图 3 混 凝 土 裂 缝 宽 度 随 矿 渣 粉 掺 量 的 变 化 趋 势 2 3矿 渣粉 的掺 量 对 混凝 土 对 水 泥 混 凝 土 抗压 强 度 的影 响分 析 随着 矿渣 粉 的掺入 ， 水 泥混 凝土 2 8 d抗 压 强度 呈现出类似初始开裂时 间的变化趋势， 即先下降后 增长 再下 降 。这 是 由 于 随着 矿 渣 粉 掺量 的增 长 ， 水 泥含 量会 相应 减 少 ， 而 减少 的矿 渣 粉 含 量 又 不 足 以 对水 泥混 凝 土强度 的形 成 产 生 影 响 ， 所 以其 强 度下 降较 大 ， 为 1 O 2 。当 矿 渣 粉 含 量 在 3 O 4 0 时 ， 水泥 混凝 土强 度会 略有 增加 ， 其 比基 准值 增加 了 0 0 5 左 右 ， 这说 明 矿 渣粉 对 混 凝 土 强 度 起 到 了一 定 的积极 作 用 ； 但 是 当矿 渣 粉 含 量 大 于 4 0 时 ， 水 泥混 凝 土强 度 出现 了 大 幅度 的下 降 ， 这 主 要 是 由于 水泥 含量 减 少 的缘 故 ， 见 图 4 。所 以仅 从 抗 压 强 度 的角度 看 ， 矿 渣粉 的掺 入量 应 为 3 0 4 O 左 右 。 2 4 矿 渣 粉的掺 入 对混 凝土 抗裂 性及 强度 影 响 当混凝土中掺加矿渣粉时 ， 矿渣对开裂 的抑制 作用 比较明显， 且 矿渣粉存在一个最佳掺量 。在这 个 范 围 内 ， 初始 开裂 时 间开始 延长 ， 裂缝 宽度 也 有所 下降 ， 同时其抗压强度也没有 明显 的下降 。 根据本 8 8 一 曼 商 爆 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 O 1 0 0 5 0 0 基 准 2 0 3 O 4 O 5 U 6 0 7 O 图 4 混凝土抗压强度随矿渣粉掺量的变化趋势 课 题 的研 究结 果 ， 最 佳掺 量应 为 3 O V oo 4 O 左 右 。 3 结 语 通过 对不 同掺 量矿 渣粉 的水 泥 昆凝土 圆环 开裂 试验数据进行分析 ， 可以得到如下结论 。 ( 1 )随 矿渣 粉 掺 量 的 增 加 ， 水 泥混 凝 土 的初 始 开裂时间会呈现先降低后增长再降低 的倒“ N” 字型 变化 规律 ； 并 且 当掺 量 为 4 O 时 ， 初 始 开 裂 时 间 出 现最 大值 。 ( 2 )随矿渣 粉 掺 量 的增 加 ， 水 泥 混 凝 土 的 裂缝 开裂 宽 度会 呈 现 先 增 长 后 降 低 再 增 长 的 “ N” 字 型 变 化规 律 ； 并 且 当掺 量 为 3 O 4 0 时 ， 裂 缝 开 裂 宽度 出现最小 值 。 ( 3 )随矿渣 粉 掺 量 的增 加 ， 水 泥混 凝 土 的抗 压 强 度会 呈现 先降 低后 增长 再 降低 的倒 “ N” 字 型 变 化 规律 ； 并 且 当掺 量 为 3 0 4 0 时 ， 混 凝 土 抗 压 强 度的降幅出现最小值 。 ( 4 )通 过对 掺加 矿渣 粉 的水 泥? 昆凝 土 的初 始 开 裂 时 间 、 裂缝 宽度 和抗 压强 度指 标进 行研 究 ， 结果 表 明 ， 矿渣 粉掺 量 为 3 0 4 0 时 ， 水 泥 混 凝 土 的综 合 性能 可 以得到 较大 的提 高 。 参 考文 献 ： 1 吕志涛 现代土木工程的新发展 M 南京 ： 东南大学 出版社 1 9 9 9 2 F M L E A， 唐明述 水泥 和混凝 土化学 M 北 京： 中国建筑 工 业 出 版 社 ，1 9 8 0 3 孙家瑛 ， 黄成华 矿渣钢渣复合超量替代水泥的高性 能混凝 土 性能研究E J 3 水 电科技进展 ， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 1 5 - 2 0 4 GB 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 s 5 J TG D4 o 一2 O 1 1 ， 公路水泥混凝土路面设计规 范 s 责任编辑 ： 杜卫华