矿物掺合料对高性能混凝土力学和耐久性的影响分析.pdf

2 0 1 0年第 4期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g l Ol 文章编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 0 ) 0 4 - 0 1 0 1 0 4 矿物掺合料对高性能混凝土力学 和耐久性 的影响分析 赵 年 全 ( 中铁十二 局集 团有 限公 司， 太 原0 3 0 0 2 4 ) 摘要 ： 矿 物掺 合料 作 为高性 能混凝 土 的重要 组 成部 分 ， 能改善 混 凝 土 的力 学和 工作 性 能 ， 提 高结 构 的耐 久性 。研 究不 同矿物掺 合料 对混凝 土 强度 增 长 、 电通 量 、 抗硫 酸 盐侵 蚀 性 能及 水化 热 的影 响 ， 为 铁路 工 程 高性能 混凝 土配合 比的设 计和优 化提供 了借 鉴和 经验 。 关键 词 ： 矿 物掺合 料 高性 能混凝 土 力学性 耐 久性 中图分类 号 ： T U 5 2 8 0 4 1 ；T U 5 2 8 3 1 文 献标识 码 ： B 添加矿物掺合料可以有效改善混凝土的工作性和 耐久性能 ， 常用的矿物掺合料有粉煤灰 、 磨细矿渣 、 硅 灰及其复合物等 ， 主要是煤炉发 电、 高炉炼铁、 冶炼硅 铁合金等过程中产生的副产品， 属于工业废渣， 合理地 利用这些材料作为混凝土 的掺合料 ， 不但可以节省大 量水 泥熟料 和生产成 本 ， 还 可 以减少对 环境 的污染 ， 具 有显著 的经 济性和环 保性 。 1 矿物掺合料的作用机理 高性能混凝土是一种新 型高技术混凝土 ， 在传统 的水泥 、 粗 骨料 、 细骨 料 、 水 四组 分基 础 上增 加 了矿 物 掺 合料 和化 学外 加剂后 成为 六组 分 。以环境条 件 和工 程 结构特点 为前 提 ， 以结构 的耐久性 设计 为主 要 目标 ， 重点保证混凝土的工作性、 强度 、 体积稳定性和经济性 等 ， 具有易浇筑 、 振捣时不离析、 结构密实 、 抗渗性和体 积稳定性好 、 水化热低 、 在恶劣环境下有较长的使用寿 命等特点。当前的客运专线和高速铁路建设 中都提出 了保证主体结构使用寿命 1 0 0年的质量控制 目标 ， 高 性能混凝 土 的应用则 是实 现这一 目标 的重要 手段 。 矿 物掺合 料对 高性 能 混凝 土工 作 性 、 长 期性 和 耐 久性的 改善 主要 是 由于 其 具有 形 态 、 微 集 料 和活 性 效 应 的作用 。 2 矿物掺合料对混凝土力学和耐久性能的影响 在混凝土中掺入一定 比例 的矿物掺合料 ， 充分发 挥其三大效应的作用 ， 能减少混凝土中的水泥用量 ， 起 收稿 日期： 2 0 0 9 - 1 2 - 1 5 ； 修 回日期 ： 2 0 1 0 1 - 2 0 作者简介： 赵年全( 1 9 7 2 一) ， 男 ， 湖北江陵人 ， 高级 工程师 。 到提高结构的密实性和强度的作用 ， 具有显著的技术 经济效益和社会效益 ， 结合 客运专线 1 0 0年耐久性 混凝土技术试验研究 课题 ， 试 验研究 了不同掺合料 对 混凝 土力学 性 能和耐 久性 能的影 响 。 2 1 原 材料及 配合 比情 况 2 1 1 原材料 1 ) 水 泥 ： 安 徽怀 宁 海螺 牌 P 0 3 2 5水 泥 ， 各 项 性 能 指标见 表 1 。 2 ) 粉煤灰 ： 安徽 淮南坪圩 电厂 级粉煤灰 ， 各项 性 能指标 见表 2 。 3 ) 矿粉： 芜湖朱家桥水泥有 限公司生产的磨细矿 粉 ， 各 项性 能指 标见 表 3 。 4 ) 外加 剂 ： 天 津 雍 阳减水 剂 厂 生 产 的 U N F 一 5 A S T 型聚羧酸高效减水剂 ， 各项性能指标见表 4 。 5 ) 粗 骨 料 ： 金 寨 隧 道 石 料 场 生 产 的 51 6 m m， 1 6 0 3 1 5 mm二级配碎石， 各项性能指标见表 5 。 6 ) 细 骨 料 ： 金 寨 朝 阳砂场 区 中砂 ， 各 项 性 能指 标 见表 6 。 7 ) 水 ： 饮 用水 。 2 1 2混 凝 土 配 合 比 混凝土配合比按 C 3 0强度等级进行设计 ， 测试其 各项性能指标 ， 掺入粉煤灰或矿粉时采取等量取代 的 方式 ， 基准配合 比参数见表 7 ， 砂率为 3 9 。 2 2粉煤灰 对 混凝 土长期 性和 耐久性 的影 响 2 2 1 粉煤灰对混凝土力学性能的影响 掺粉煤灰混凝土的强度增长主要决定于粉煤灰的 火山灰效应 ， 图 1和图 2是不同粉煤灰掺量和试验龄 期时 混凝 土的 强度试 验结果 。 1 0 2 铁道建筑 A p r i l 2 0 1 0 表 2粉煤灰性能指标 表 3矿粉性能指标 表 4外加剂性能指标 表 5粗骨料性能指标 表 6细骨料性能指标 表 7混凝 土基准配合 比 k g 6 O 5 0 4 0 3 O 2 0 1 0 O 1 0 2 O 3 O 40 5 O 6 O 龄期 d 一 O +1 0 +2 O *一3 O +4 0 +5 0 图 1 不 同粉煤灰掺量混凝土强度与龄期关 系 6 0 5 0 4 0 3 O 2 0 1 O 0 1 0 2 0 3 O 4 0 5 O 6 O 粉煤灰掺量 _ -3d 7 d r _ 1 9 d *_2 8 d -I - -5 6 d 图 2 不 同龄期混凝土强度与粉煤灰掺量关系 由图 1和图2中可以看 出， 粉煤灰掺量对混凝土 抗压强度有一定的影响 ， 随着粉煤灰掺量的增加， 抗压 强度逐渐降低， 尤其是对早期强度影 响较大 ， 但 2 8 d 以后仍有一定的强度增长空间， 最终其 5 6 d抗压强度 苫 嚼 苫 越 氍 2 0 1 0年第 4期 矿物掺合料对高性能混凝土力学和耐久性的影响分析 l O 3 与基准混凝土的抗压强度基本相当， 对掺入粉煤灰的 混凝土在 2 8 d后仍要继续加强养护。 2 2 2 粉 煤灰 对混凝 土抗 氯 离子渗 透性 能的影 响 氯盐环境下混凝土劣化的最主要形式就是 由于氯 离 子侵 入所 引起 的钢筋 锈 蚀 ， 电通 量 法 是 目前 评 价 混 凝土抗氯离子渗透性 的主要方法。 图3是不同粉煤灰掺量对混凝土电通量的影响试 验 结果 ， 可 以看 出 ， 随着 粉 煤 灰 掺量 的增 加 ， 混 凝 土 的 电通量 降低 ， 抗 氯离 子渗 透性能 明显 增强 。 U 删 蚓 2 l O O 1 9 0 0 1 7 0 0 1 5 0 0 1 3 0 0 1 1 0 0 9 0 0 7 0 o 5 o 0 图 3 不 同龄期混凝土 电通量与粉煤灰掺量关系 2 2 3 粉煤 灰 对混凝 土抗硫 酸 盐侵 蚀性 能 的影响 混凝土的化学侵蚀包括硫 酸盐侵蚀 、 盐类结 晶侵 蚀 、 酸性介质侵蚀 以及镁盐侵蚀等， 其中硫酸盐侵蚀是 混凝土化学侵蚀中最常见的形式。采用不同粉煤灰掺 量的胶凝材料胶砂试体浸泡在硫酸钠溶液 中， 检测其 抗折强度与浸泡在洁净 的饮用水中的同龄期抗折强度 之比计算抗蚀系数 ， 可用来 比较胶凝材料抗硫酸盐侵 蚀 的性 能 ， 试 验结果 见 图 4 。 籁 基 筵 图 4 粉煤灰 掺量 与混凝 土抗硫 酸盐侵蚀性能关系 试验结 果表 明 粉 煤 灰 掺 量 为 05 0 时 ， 抗 蚀 系 数均 0 8 0， 其抗硫酸盐 侵蚀性能合格。粉煤灰掺量 在 0 4 0 范围内时 ， 随着粉煤灰掺量 的增加 ， 混凝土 的抗腐蚀系数逐 渐增加， 当掺量超过 4 0 达到 5 0 后 ， 抗腐蚀系数减小 ， 抗硫酸盐侵蚀能力降低。 2 2 4粉 煤灰 对水 泥水化 热 的影响 水泥的水化反应是一个放热反应 ， 产生 的热量能 使混凝土达到相 当高 的温度 。由于混凝土导热性 能 差 ， 大体积混凝土在浇筑初期容易造成 内外温差 ； 随着 龄期增长 ， 混凝土又会逐渐降温而发生体积收缩 ， 这样 的温度变化会产生温度应力 ， 导致混凝 土发生裂缝。 用粉煤灰代替一部分水泥 ， 能降低混凝土的内部温度 ， 有 利于控 制混 凝土 内外 温差 ， 减少裂 缝 的发 生 。 图 5和 图 6分别 是不 同掺量 粉煤 灰 的时间一放 热 速率曲线和时间一热量曲线， 可以看出， 随着粉煤灰掺 量的增加 ， 不但水泥的单位放热量降低， 而且放热速率 向后推移 ， 最大放热速率值也明显降低， 说明掺入粉煤 灰后降低 了水泥的水化放热量 ， 掺量越 大， 降低的越 多 ， 有利于减少因温差产生的温度裂缝 ， 提高耐久性。 0 1 0 2 O 3 O 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 时间 h +O 一3 O +4 O 图 5 不 同掺量粉煤灰 的时 间一放热速率曲线 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 * 1 0 0 5 0 O l 2 3 4 5 6 7 8 龄期 d +O +3 O +40 x 一5 O 图 6 不同掺量粉煤灰的时间一热量 曲线 2 3粉煤 灰和矿 粉 配 伍对 混 凝 土 力学 和 耐 久性 的 影 响 图 7 、 图 8是 不 同粉 煤 灰一 矿 粉 配 伍 比例 对 混 凝 土力学性能和电通量的影响 曲线。可以看 出， 矿粉的 掺人也有利于改善混凝土的力学性能和抗氯离子渗透 性能 ， 并且在一定的 比例范围 内， 随着矿粉 比例 的增 加， 粉煤灰 比例的减少， 混凝 土的抗压强度有所增加 ， 电通量逐渐降低。达到一定 比例后， 矿粉掺量的变化 对 强度 的影 响不大 ， 而 电通量 又逐 渐增大 ， 可见 二者有 一 个最佳掺配 比例 ， 在试配时应通过多次比选 ， 以使其 力 学和 耐久性 能达 到最佳 。 55 50 4 5 4 0 35 3 0 2 5 2 0 3 0 ： 7 0 4 0 ： 6 0 5 0 ：5 0 6 0 ： 4 0 7 0 ：3 0 矿 粉： 粉煤灰 +7 d 抗压强度 +2 8 d 抗压强度 图 7 矿粉一 粉煤灰的比例对混凝 土力学性 能的影响 = 谜霞 铁道建筑 U 嘲 明 脚 0 00 5 00 0 0 0 5 o o 0 0 0 5 0 0 00 0 5 0 0 0 0 0 5 0 0 O +7 d电通量 +2 8 d电通量 +5 6 d电通量 图 8 矿粉一粉煤灰 比例对混凝土电通量 的影 响 2 4 不 同种类 矿物 掺 合 料对 混 凝 土 力学 和 耐 久性 的 影 响分析 以纯硅酸盐水泥为全部胶凝 材料 的配合 比为基 准 ， 在分别采取单掺和复合掺加粉煤灰 、 矿粉和硅灰的 条件下进行力学和耐久性试验， 比较其不同龄期时的 力学性能和抗氯离子渗透性能 ， 配合 比数据见表 8 ， 试 验结 果分别 见 图 9 、 图 1 0 。 表 8不 同矿物掺合料的混凝土配合 比 +OP C +PSL +PF A PS F 一 P S F +P S F S 图 9 不同矿物掺合 料混凝土 的抗压强度 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 蓦8 0 0 60 0 40 0 2 o o 0 OP C P S L P F A P S F P S F P S F S 胶凝材料类型 图 1 0 不同矿物掺合料 对混凝土 电通量 的影响 图 9是不同类型矿物掺合料的混凝土标准养护试 件在 7 d 、 2 8 d和 5 6 d龄期时的抗压强度试验结果 ， 可 以看出， 掺有矿物掺合料的混凝土较基准混凝土早期 抗 压强 度低并 且发 展缓 慢 ， 而 后期 强 度 ( 5 6 d ) 增 长较 大， 复合掺加矿物掺合料 的 P S F组 和 P S F S组混凝 土的各龄期抗压强度均 比单掺矿 粉 ( P S L ) 或粉煤灰 ( P F A) 的高， 说明施工时可以结合工程特点和各种材 料供应情况 ， 采取不 同矿物掺合料配和的方式优化混 凝土配合 比。 图 1 0是不同类型矿物掺合料混凝土的电通量试 验结果 ， 可以看出， 与基准纯水 泥混凝土相 比， 掺有矿 物掺合料 的各组混凝土的电通量都有不同程度的降 低 ， 因此不同矿物掺合料 的掺入都能有效地 改善混凝 土的抗氯离子渗透性能， 提高结构的耐久性。 3 结语 在混凝土中掺入一定 比例 的矿物掺合料 ， 能够提 高其抗侵蚀能力 ， 增强结构的耐久性。掺人矿物掺合 料有利于延迟水化热峰值时间、 降低水化热， 减少温度 裂缝的发生。在施工中结合工程特点和各种材料供应 情况 ， 采取 不 同的矿 物掺 合 料 配伍 方 式 优化 混 凝 土配 合比， 能够为企业创造 良好的技术经济效益和社会效 益 。 参 考 文 献 1 赵国堂 ， 李 化 建 高 速 铁 路 高 性 能 混 凝 土应 用 管 理 技 术 M 北京 ： 中国铁道出版社 ， 2 0 0 9 2 安文汉 ， 黄直 久 ， 赵 年全 ， 等客运专 线 1 0 0年耐 久性混凝 土技术试验研究 R 太原 ： 中铁 十二局集 团有 限公司 ， 2 0 0 7 3 谭盐 宾， 李化建 ， 谢永江 ， 等烧 失量和 细度对粉 煤灰浆体 流变特性 的影响 J 铁道建筑 ， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 1 2 7 - 1 3 0 ( 责任 审编 王红) 如 如 加 芑 隈