矿渣混凝土的力学性能和耐久性试验研究.pdf

第5期 2 0 1 4年 5月 广 东水 利水 电 GUA NGDON G W AT E R RE S 0 URC ES AND HYD R0P 0WER No 5 Ma y 2 0 1 4 矿渣混凝土的力学性能和耐久性试验研究 李嘉琳 ( 广东省水利水 电科学研 究院 ，广东省水利重点科研基地 ，广 东 广州 5 1 0 6 3 5 ) 摘要：为了推广应用矿渣混凝土，采用等量取代水泥的方法，研究了3 0 和 6 0 矿渣混凝土的力学性能和耐久性能， 并与空白混凝土进行对比。研究表明，矿渣混凝土早期强度比基准混凝土低，且随掺量增加，强度降低，具有线性关 系。但随着龄期增长，矿渣混凝土强度增长更快，可以赶上并超过基准混凝土。矿渣混凝土 2 8 d抗渗性和抗氯离子渗透 性优 于基准混凝土 ，其掺量越 大，作 用越 明显 。 关键词：矿渣；混凝土；力学性能；耐久性能 中图分类号：T V 4 2 3 文献标志码：B 文章编号：1 0 0 8 0 1 1 2 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 6 7 0 4 矿渣是炼铁的废渣 ，经水或空气急冷处理成为粒 状颗粒，称为粒化高炉矿渣，其 主要化学成分 为 S i O 2 、A 1 2 0 3 、C a O、Mg O等 。经水淬 急冷后 的矿渣 ， 其玻璃体含量多，结 构处在高能不稳定状态 ，潜在活 性大，经磨细才能使 其潜能得以充分发挥。粒化高炉 矿渣经干燥 、磨粉达到适 当细度的粉体称为矿渣粉 。 矿渣粉用作混凝土掺和料 ，具有比粉煤灰更高的活性 ， 而且品质和均匀性更易保证，掺人混凝土中不仅可以节 约水泥、降低胶凝材料的水化热，而且可以改善混凝土 的某些性能，如显著提高混凝土的强度，降低混凝土的 绝热升温，提高其抗渗性及对海水、酸及硫酸盐等的抗 化学侵蚀能力，具有抑制碱 一 骨料反应效果等 J 。 矿渣的 C a O、Mg O含量 比其他掺和料要高。S i O ： 与 A 1 ， 0 的含量影响矿渣中玻璃相 的含量 ，并决定矿 渣水硬活性。矿渣粉的活性用碱度 b来评定 ： 6： Ca O +Mg O +A 1 2 0 3 ( 1 ) S i O u一 当 b 1 4时，矿渣粉的活性较高。 玻璃相中存在着两相结构 ，一种为连续相 ，另一 种相呈球状或柱状并均匀分散于连续相中。通过电子 探针元素分析可知，连续相含钙较多 ，球状和柱状相 含硅较多。由于富钙相是 连续 相 ，富硅 相是分散相 ， 在矿渣玻璃体中 ，富钙相相 当于胶结物 ，维持整个矿 渣玻璃体结构的稳定。当富钙相在碱性介质中与 O H一 迅速反应而溶解后 ，矿渣玻璃体解体 ，富硅相逐渐暴 露于碱性介质中 ，与 O H一 反应。我国的水淬矿渣的碱 度为 1 8以上 ，玻璃化率在 9 8 以上 ，所以这种矿渣 很适宜做水泥的掺和料 。本文对 大掺量矿渣混凝土的 抗压强度 、劈裂抗拉强度 、抗折强度 、抗 渗性 能和抗 氯离子渗透性等性能进行了系统的研究。 1 试验用原材料 采用以下试 验用 原材 料 ：韶 钢嘉 羊公 司生 产 的 $ 9 5级矿渣粉 ，其物理性能见表 1 ；广州水泥厂生产 的 P I I 型硅酸盐水泥 ，其强度等级为 4 2 5 R、物理力学 性能见表 2 ；花 岗石碎石 ，规格 为 52 0 m m 和 2 O一 4 0 m m，其物理性 能见表 3 ；河砂 ，其物理性 能见表 4；减水剂为 T L一 4 0 0高效缓凝减水剂 。 表 1 矿渣粉物理指标 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 21 0；修 回日期 ：2 0 1 4 0 31 3 作者简介：李嘉琳( 1 9 8 5 ) ，女 ，本科 ，助理工程师，从事项目管理工作。 6 7 2 0 1 4年 5月 第 5期 李嘉琳 ：矿渣混凝土的力学性能和耐久性试验研究 N o 5 M a y 2 0 1 4 表观密度 ( k g m ) 松散堆积密度 ( k g m ) 细度模 数 吸水率 含泥量 云母含量 2 9 1 2 1 3 0 2试验 方法 试件成型后采用标准养护 ，养护时间为 2 8 d ，养 护室温度为 2 0 2 ，湿度不小于 9 5 ，试验项 目包 括抗压强度 、劈裂抗拉强度 、抗折强度 、渗透 系数和 抗氯离子渗透性( 电量法) ，试验方法按 水工混凝土 试验规程 s t s 2 2 0 0 6的规定进行。 3 试验配合比设计 混凝土配合 比设计按 普通混凝 土配合 比设计规 程 J G J 5 5 2 0 1 1进行。粗细集料以风干状态为基准， 其中 5 2 0 m m和 2 0 4 0 mm两种规格碎石 的质量百 分数分别为4 0 和6 0 。矿渣粉等量取代水泥，掺量 为 3 0 和 6 0 。混凝土配合 比见表 5 ，水胶 比为 Q5 0 ，砂率为3 6 ， 水 、胶凝材料、砂、碎石的质量固定， 通过调整外加剂的掺量控制混凝土的坍落度为5 - 7 e m。 表 5 混凝土配合 比 由表 5可见 ，与基准混凝土相 比，为了达到相 同 的坍落度 ，采 用 3 0 矿渣粉 时所需外加剂掺量 最小 ， 采用 6 0 矿渣粉时外加剂掺量最高，这主要是由于矿 渣粉的颗粒形状 、表 面组织 、细度和级配组成与水泥 配组成和粉体 的表面性质 ，改善 了混凝 土的工作性 ， 从而具有减水作用 ，减小了外加剂的掺量 。 4 试 验结 果及 分析 4 1 力学性能 存在差异 ，掺入一定量的矿渣粉有利 于改善水泥的级 混凝土试验结果见表 6 。 表 6 混凝土试验结果 由表 6 、图 1可知 ，当试 验龄期相 同时 ，矿渣混 凝土试件抗压强度均 比基 准混凝土低 ，且随着掺量增 加 ，抗压强度降低 ，具有线性关 系。这是 由于矿 渣粉 中富钙相在碱性介质中与 O H一 反应而溶解后 ，矿渣玻 璃 体 解 体 ，富硅 相 逐 渐 暴 露 于碱 性 介 质 中 ，并 与 C a ( O H) ： 发生反应 ，形成凝胶体 ，产生强度 ，可见矿 渣粉的水化反应进程滞后于水泥熟料。早龄期 时，矿 渣粉水化作用 比较弱 ，形成凝胶体产生强度 的效应也 较小 ，因此 ，混凝土 7 d和 2 8 d龄期抗压强度比基准 混凝土小 ，且随矿渣粉掺量的增 大而减小。但 随着龄 期的增长 ，硬化混凝土 中矿渣粉逐渐水化 ，二次水化 效应逐渐显现，混凝土的空隙率减小，密实程度提高 ， 力学性能改善 ，矿渣混凝 土的力学性能可以赶上并超 6 8 过基准混凝土。基准混凝土 2 8 d抗压强度 比 7 d增长 2 8 ，3 0 矿渣 昆 凝土增长 4 3 ，而 6 0 矿渣 昆凝土 2 8d ) l(7 d 0 2 O 4 0 6 0 矿渣粉掺量 图 1 砼抗压强 度 一矿渣粉掺 量关系 2 0 1 4年 5月第 5期 广东水利水电 N o 5 Ma y 2 0 1 4 增长达到 5 2 ，可见 ，随着龄期 的增长，矿渣混凝土 抗压强度会有更大的增长 ，从而减小与基准混凝土的 强度差 。 由表 6 、图 2可知 ，当试验龄期相 同时 ，矿渣混 凝土试件劈裂抗拉强度和抗折强度均比基准混凝土低 ， 且随着掺量的增加 ，则抗压强度降低 ，具有线性关系 ， 与抗压强度具有相似规律。当矿渣 与水 初始接触 时， 在矿渣的表面就形成渗透率很低 的假 晶层 ，它阻碍了 外部水分渗入矿渣颗粒表 面，抑制矿渣的溶解 ，所 以 较粗的矿渣颗粒可以在相当一段时间内保持一个未水 化的内核 。但在混凝土后期 ，细度对矿渣活性指数的 影响较小。矿渣粉 颗粒越 细 ，混凝土 的密实度越高 ， 强度亦越高 ，渗透性越小 ，抗氯离子渗透也越小 J 。 6 O 2 O 4 O 6 O 矿渣粉掺量 图 2 砼 抗折( 抗拉 ) 强度 一矿渣粉掺量关 系 4 2 耐久性 混凝土的耐久性 问题涉及 内容较多 ，影响因素和 破坏机理也很复杂 ，但其共同点是 ：都与水或其他有 害液体或气体向其内部传输的难易程度有关。混凝土 材料的腐蚀大多是在有水及有害液体、气体侵入的条 件下发生的。所以，提高? 昆 凝土结构的耐久性 的关键 是增加混凝土材料 的密实性 ，以有效提高其抗渗能力 。 这样才能阻挡水分 、氧气 、二氧化碳及有 害化学物质 的侵入 。大量研究表 明，混凝土 的渗透性与其耐久性 之 间有着密切的联系，因此通常认为渗透性是评价混 凝土耐久性 的最重要指标 J 。正如有些专家评论 的那 样 ：渗透性低 的混凝 土 ，其 耐久 性一般 来说 是 比较 好 的。 依据试验原理的不 同，我 国混凝土渗透性试验方 法大致可分为两大类 ：渗透系数法 和电参数法。混 凝土渗透系数试验方法：试验采用高度为 1 5 0 ff l ln的 圆台 形 试 件 ( 顶 面 直 径 为 1 7 5 mm，底 面 直 径 为 1 8 5 mm) ，6个试件 为 1组 ，试验时 ，将抗渗仪水 压 力一次加到 0 8 MP a ，在此压力下恒压 2 4 h ，然后降 压 ，取出试件 。试验过程 中，当试件端面呈有渗水现 象时，即可停止试验 ，记下渗水时间。将表面未渗水 的试件劈开后 ，测试渗水 深度 ，可计算得 到其渗透系 数。混凝土抗氯离子渗透试验方法 ( 电量法 ) ：直流 电量法是我国水利行业标准 S L 3 5 22 0 0 6采用的方法 ， 是 目前国际上应用最广泛 的混凝 土渗透性评价方法 。 直流 电量法是利用直流电压作用下 ，氯离子可 以通过 混凝土试件向正极方 向移 动的原理 ，依据在规定时间 内通过混凝土电量的高低来快速评价混凝土抗氯离子 渗透的能力。要求试验在 2 0 c =2 5 的恒温室 内进 行。混 凝 土 试 件 的 直 径 约 为 1 0 0 m m，厚 度 约 为 5 0 m lT l ，试验龄期为 5 6 d ，试验前进行真空饱水处理 ， 然后将试件安装于试验槽 内。试件量侧槽 中分别注入 浓度为 3 的 N a C 1 溶液 和 0 3 m o l L的 N a O H溶 液 ， 两侧铜网对应连接 电源的负极和正极 。准备就绪后 ， 在电极间施加 6 0 V直流恒电压 ，并每隔 53 0 mi n记 录 1 次 电流值 ，直至通 电6 h 。通过绘制电流与时间的 关系曲线 ，即可得到试验 6 h所通过的电量( 曲线下 的 面积 ) 。 由表 1 可知 ，当矿渣粉掺量 由 0增大 6 0 时，混 凝土的 2 8 d龄期渗透系数 由 0 6 71 0 e r n s 减小至 0 4 41 0 一e m s ，6 h电通 量 也 由 2 6 1 3 C减 小 到 1 4 8 0 C，可见矿渣粉在降低混凝 土早期力学性能的 同 时 ，可以降低混凝土的渗透性 ，改善其抗水侵蚀和抗 氯离子侵蚀 的能力 ，从而改善混凝土的耐久性 ，尤其 是在氯盐和海水侵蚀环境下的耐久性 。 。 。 渗透性是多孔材料的基本性质之一 ，它反映 了材 料内部孔隙的大小 、数量 、分布以及 连通等情况 。混 凝土是一种多孔的、在各种尺度上多相的非均质复合 材料 。概括地说 ，混凝土 的渗透性是指气体 、液体或 离子受压力、化学势或电场作用在混凝土 中渗透、扩 散或迁移 的难易程度 。它衡量 的是混凝土抵抗各种介 质人侵的能力 ，但渗透 、扩散及迁移 的机理各不相 同。 渗透是指液体或气体在压力作用下的运动 ；扩散是指 气体或液体中的粒子由于存在浓度差进行 的运动 ；迁 移是指液体中的带电粒子在电场作用下的运动。介质 在混凝土中传输过程不是单一的 ，往往是几种传输方 式叠加 的结果 ，并在一定的条件下 以其 中一种方式 为 主。混凝土的渗透性是反映混凝土材料本身性质的一 个参数 ，与流经混凝土 的介质无关 ，扩散系数或渗透 系数都与材料的内部孔隙大小、数量以及连通等情况 有关 ，其间有一定的联系 。 混凝土的多孔性决定 了混凝土具有一定的渗透性。 6 9 5 4 3 2 1 0 B d H ， 越鹱g 一 辖 2 0 1 4年 5月 第 5期 李嘉琳 ：矿渣混凝土的力学性能和耐久性试验研 究 N o 5 Ma y 2 0 1 4 混凝土的渗透性主要取决于水 泥石 的孔结构和骨料 的 性能。研究表明，孔隙率并不是影响渗透性的最 主要 因素 ，即使是孔隙率相 同的混凝土 ，性能也可能有很 大差别 ，而总孔隙率较高 的混凝土 ，渗透性也不一定 高 ，这说明并不是所有的孔隙和裂缝都能成为渗透 的 通道。A b b a s 明确指 出，混凝土 的渗透性 与孔 隙率相 关 ，但两者之间并不是简单 的函数关系 ，其渗透性 高 低 主要取决于内部孔隙的连通状况以及渗透路径的曲 折性 ，即孔结构的特征 。P K Me h t a试验指出 ，只 有大于 1 0 0 n m的孔才影响混凝土强度和渗透性 。小于 5 0 n I T 1 的孔数量可能反映凝胶 数量的多少 ，而凝胶数 量越多则混凝土的强度越高，其抗渗性越好。吴中伟 教授也认为 ，增加 5 0 B 1T I 以下的孔 、减少 1 0 0 n m以上 的孔可大大改善混凝土的性能。 混凝土的孔结构随着水化程度的提高和龄期的延 长不断变化 ，因为有凝胶孔的水泥凝胶体积 比未水化 的水泥体积增大 1 2倍 ，因而水化产物充填 了由拌和 水占有的那部分体积。毛细孔体积减小，凝胶孔体积 增加 ，同时 ，小于5 0 n m的毛细孑 L 隙增多 ，大于5 0 n ll l 的毛细孔隙较少。高效减水剂、超细矿物掺合料及其 二次水化反应正是通过毛细孔孔径减小 ，阻断孔隙的 连通状况 以及增加渗透路径 的曲折性来大幅改善混凝 土的渗透性 ，这是矿渣粉能大幅提高混凝土后期 的抗 渗性能的关键所在 。 与渗透性类似 ，混凝 土的导 电性不仅与混凝土的 孔隙率相关 ，孔隙 的连通状况及 曲折 程度影 响更 大。 矿渣粉不仅通过改变 了孔隙液 的组成影响混凝土 的导 电性 ，更重要 的是通过二次水化反应大幅改善 了孔结 构 ，有害孔减少 ，无害或少害孑 L 增多 ，增加孔 隙的曲 折程度 ，并阻碍孔隙之 间的连通 ，从而显著增大混凝 土的电阻，减小混凝土的导电性 ，从 而提高混凝土抗 海水侵蚀的能力。 5结论 1 )矿渣混凝土早期强度 比基准混凝 土低 ，且随着 掺量 的增加 ，强度则降低 ，具有线性关 系。但随着龄 期的增长，矿渣混凝土强度的增长更大 ，可 以赶上并 超过基准混凝土 。 2 )矿渣混凝土 2 8 d抗渗性和抗氯离子渗透性优于 基准混凝土，掺量越大，其作用越明显。 参考文献 ： 1 Me h t a P K C o n c r e t e d u r a b i l i t yfi f t y y e a r s p r o g r e s s C P r o c Of 2 I n t e r Co n f o n C o n c r e t e Du r a b i l i t y ACI S P 1 2 6 1 ，1 9 9 1 ： 13 1 2 J a u W C ，T s a y D S A S t u d y o f t h e B a s i c E n g i n e e r i n g P r o p e r - t i e s o f S l a g Ce me n t C o n c r e t e a n d I t s Re s i s t a n c e t o S e a wa t e r C o r r o s i o n J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ，1 9 9 8 ，2 8 ( 1 0 ) ：1 3 6 31 3 7 1 f 3 1 B T a i l i n g ， J B r a n d s t e t r 。 P r e s e n t s t a t e a n d f u t u r e o f a l k a l i a e t i v a t e d s l a g c o n c r e t e s C 3 r d I n t e rn a t i o n a l C o n f e r e n c e o n F l y A s h ， S i l i c a F u me ， S l a g a n d N a t ura l P u z z o l an s i n c o n c r e t e ， A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 8 9 ：1 5 1 9 1 5 4 6 ( S P l 1 4 7 4 ) 4 A M B o d d y ， R D H o o t o n ，M D AT h o m a s ， T h e e f f e c t o f t h e s i l i c a f u me o n i t s a b i l i t y t o c o n t r o l a l k a l is i l i c a r e a c t i o n J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ，2 0 0 3 ( 3 3 ) ：1 2 6 31 2 6 8 5 洪乃丰混凝土中钢筋腐蚀与结构物的耐久性 J 公 路，2 0 0 1 ，3 6 ( 2 ) ：6 6 6 9 6 王立华，陈理达，刘佳矿渣和粉煤灰对胶砂力学性能 的影响研究 J 广东水利水电，2 0 1 2 ( 3 ) ：1 92 2 7 王立华，陈理达，刘佳 ，等矿渣和粉煤灰混凝土的抗 裂性能研究 J 广东水利水电，2 0 1 2 ( 6 ) ：2 9 3 1 ( 本文责任编辑马克俊) S t u d y o n t h e M e c h a n i c s P e r f o r ma n c e a n d Du r a b i l i t y o f S l a g Co n c r e t e L I J i a l i n ( G u a n g d o n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r ，G u a n g z h o u 5 1 0 6 3 5， C h i n a ) Ab s t r a c t ：S l a g p o wd e r ，w i t h h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s ，c a n s a v e c e me n t a s a d mi x t u r e a p p l i e d d i r e c t l y t o t h e c o n c r e t e T h r o u g h t h e s e c o n d h y d r a t i o n r e a c t i o n ，i t c a n i mp r o v e t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e I t i s e s s e n t i al c o mp o n e n t e s p e c i a l l y i n c o n c r e t e i n t h e s e a wa t e r e r o s i o n e n v i r o n me n t I n t h i s p a p e r ， t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h，s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n gth，fl e x u r a l s t r e n g t h，a n t i p e r me a b i l i t y p e r f o r m a n c e a n d r e s i s t a n c e t o c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n o f s l a g c o n c r e t e w e r e s t u d i e d Ke y wo r d s ：s l a g ；c o n c r e t e ；me c h a n i c s p e r f o rm a n c e ；d u r a b i l i t y 7 0