同水胶比下混凝土中水泥-矿渣-粉煤灰-硅灰醮混料效应.pdf

2 0 1 1年 第 1 2期 ( 总 第 2 6 6期 ) Nu mb e r 1 2 i n2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE ORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 1 2 0 0 1 同水胶比下混凝土中水泥一 矿渣一 粉煤灰一 硅灰的 混料效应 唐明。刘宏亮，李婧琦 ( 沈阳建筑大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 8 ) 摘要： 为探索同一水胶比下混凝土中水泥一 矿渣一 粉煤灰一 硅灰多元掺合料对强度和渗透性的混料效应， 通过混料设计， 研究了同一水 胶比下混凝土水泥、 矿渣、 粉煤灰和硅灰混料因子对 7 、 2 8 d 抗压强度和 2 8 d电通量的影响。 按多元混料回归设计的方法分析评价了各因 素影响的内在规律， 探讨了显著因素之间的交互作用。 研究表明： 建立的同一水胶比下水泥一 矿渣一 粉煤灰一 硅灰多元混料7 、 2 8 d 抗压强度 和 2 8 d 电通量的回归模型都是非常显著的， 在约束条件下绘制的三角坐标混料等高线很好地反映了混料因子间的内在规律， 试验结果的 直接分析中， 单掺硅灰的抗压强度最高， 电通量最低， 但较高硅灰掺量会增加混凝土的成本。 在2 8 d 抗压强度满足设计要求的情况下， 粉 煤灰掺量和矿渣掺量分别在 5 0 时的电通量和三元掺合料的电通量值也非常好。S E M结果分析表明， 同一水胶比下， 三元矿物掺合料显 著改善了混凝土材料的显微结构， 其宏观性能良好。 关键词： 混凝土；掺合料；氯离子扩散 ； 显微结构；强度 中图分类号 ： T U5 2 8 O 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 2 0 0 0 1 0 4 Mi x i n g a c , i o n s f r o m s l a g， f l y a s h a n d s i l i c a f u me i n c o n c r e t e o n t h e s a me wa t e r - b i n d e r r a t i o c o n d i t i o n T ANG M i n g， L I UHo n g - l i a n g， U J i n g- q i ( S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， S h e n y a n g J i a n z h u Un i v e r s i t y ， S h e n y ang 1 1 0 1 6 8 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： I no r d e r t o e x p l o r eth e mi x i n g a c t i o n s f r o mthe a d mi x tu r e s ， i n c l u d e s l a g a s h ， n ya s h a n d s i l i c a f u me , o nthe s t r e n g t handp e r me a b i l i ty o f the s a me wa t e r b i n d er r a t i o c o nc r e t e Re s e a r c h f a c t o r s a s fly ash， s l a g and s i l i c a f u me i n f l u e n c e o n the d i ffe r e n t s t r e n g t h g r a d e of 7 d c o mp r e s s i v e s e n g t h， 2 8 d c o mp r e s s i v e s tre n g t h a n d c h l o rid e d i f f u s i o n p e r f o r manc e o fc o n c r e t e ha d the s a me wa t e r - b i n d e r r a t i o， f o l l o we d the mi x t u r e d e s i g nUs e mult i e l e me n t r e gre s s i o n an a l y s i s t o e v a l u a t e the i n t e rn a l r u l e s o ft h e d i ffe r e nt i n flu e n c e f a c t o r s ， e x p l o r e th e i n t e r a c t i o n o fs i gn i f i c an t f a c t o r s Re s e arc h s h o ws t h a t ： the r e gre s s i o n mo d e l b e t we e n s t r e n gth a n d the e l e c t r i c fl u x i s v e r y s i g n i fi c ant ， t h e mi x t u r e e q u i v a l e n c e c o n t o u r o f t r i an- g ul ar c o o r dina t e c an we l l d i s p l a y the 、 r e l a t e d b e tw e e n mi x t u r e f a c t o r s o n t h e c urbe d c o n d i t i o n S h o wi n g i n the v i s u a l ana l y s i s ， the c o n c r e t e o n l y mi x e d s i l i c o n ash h a v e t h e b e s t s tr e n gth and c h l o r i d e d i f l u s i o n r e s i s t anc e ， b u t mi x o v e rm u c h s i l i c a f l l n l e c l o u d i mp r o v e the c o s t i n g On t h e c o n d i t i o n t h a t ma y g e t a p p l i c a b l e s t r e n g t h ， c o n c r e t e mi x e d wi t h 5 0 a d d q u ant i ty s l a g a s h o r fl y ash ， c an a l s o g e t we l l c h l o ri d e d i f f u s i o n r e s i s t a n c e T h e r e s u l t s o fS E M s h o w tha t ， the c o n c r e t e o f a d mi x t u r e t h t h r e e s pe c i e s i mp r o v e the mi c r o s t r u c t u r e o f c o n c r e t e ma t e ria l ， there f o r e， i t s h o ws g o o d m a c r o p r o p e i e s Ke y w or d s： c o n c r e t e ； a dm i x t u r e s ； c h l o r i d e d i ffu s i o n； mi c r o s c o pi c s t r u c t u r e； s tre n g t h 0 引言 近年来， 随着混凝土工程的大型化和巨型化， 现浇工程量的 日益增大， 泵送混凝土得到了长足发展， 目前中国的泵送混凝土 中掺合料的用量相当之大， 诸多混凝土科学家和工程技术人员研 究了掺合料对混凝土强度和耐久性的影响， 但同一水胶比下， 多 元掺合料相互之间对强度和耐久性的影响方面研究仍显不足。 为深入探索同一水胶 比下混凝土中水泥一 矿渣一 粉煤灰一 硅 灰多元掺合料对强度和耐久性的混料效应， 本文通过混料设计 ， 研究 了同一水胶比下混凝土水泥、 矿渣、 粉煤灰和硅灰混料因 子对 7 、 2 8 d抗压强度和 2 8 d电通量的影响。 除对试验结果直 接分析外， 按多元混料回归设计的方法建立了相应的回 归方程 ， 通过约束条件下绘制出三角坐标混料等高线图， 描述混料因子 间的相互影响。 通过 S E M 结果分析三元矿物掺合料对混凝土 材料的显微结构的改善。 1 原材料、 试验方法及试验设计 1 1 原材料 ( 1 ) 水泥： 选用冀东牌 P O4 2 5水泥， 其化学成分见表 1 ， 性能指标见表 2 。 表 1 水泥化学成分 ( 2 ) 细集料： 按现行行业标准 J G J 5 2 2 o 0 6 普通混凝土用 砂、 石质量及检验方法标准 的相关规定检验， 细集料为第二级 配区中砂。 收稿 日期 ：2 0 1 l _ 0 6 - 0 9 基金项目：国家自然科学基金( 5 1 0 7 8 2 4 1 ) ； 国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) 项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 1 0 6 ) 表 7 C 5 0混凝土( 水胶 比为 O 3 8) 的混料及测试结果 2 2 统计分 析 表 7的试验结果经统计分析 ， 得到 7 、 2 8 d 抗压强度和2 8 d 电通量的混料数学模型如式( 3 ) ( 5 ) 。 Rt=5 4 0 5 x o +8 8 7 7 x + 3 2 4 1 广1 6 7 9 9 x s 厂7 4 8 3 l+ 1 0 6 7 x ,x f+ 2 6 5 4 8 x o x + 3 1 1 7 9 x x f ( 3 ) R2 8 =6 5 3 5 x + 7 8 8 0 x + 6 5 3 广3 4 2 0 4 x 3 3 5 0 x , 一 3 7 3 3 9 x ,x r+ 5 3 9 2 9 x ,； c e + 4 9 0 5 2 x x f ( 4 ) Q = 6 1 4 5 O x o - 1 5 1 9 5 O x , - 2 3 3 O O x f+ 2 4 3 5 0 4 5 x a + 2 7 7 0 O O x o c ,+ 7 5 O O x o x r1 3 2 6 1 9 o x o c 1 5 5 9 7 7 O x ,x f ( 5 ) 式中： 混凝土 7 d抗压强度， MP a ； R 混凝土 2 8 d抗压强度， MP a ； p混凝土 2 8 d电通量， C； 水泥的混料比率； 氟矿渣的混料比率； 新粉煤灰的混料比率； 硅灰的混料比率。 回归方程 ( 3 ) 的相关系数 r = 0 9 7 6 ， 方程( 4 ) 的相关系数 r = 0 9 8 2 ， 方程( 5 ) 的相关系数 r = 0 9 9 9 表明3个回归方程相关性 非常好。 回归方程及交互作用回归系数的方差分析见表 8 。 由方差分析可知， 3 个回归方程都是非常显著的， 在交互作 用因素中， 水泥混料比率和矿渣混料比率的交互作用因子( ) 对混凝土 7 d抗压强度影响显著， 矿渣混料比率和粉煤灰混料比 率的交互作用因子( ， ) 对混凝土 2 8 d 抗压强度的影响非常显 著， 水泥混料比率和矿渣混料比率( 。 ) 、 水泥混料比率和硅灰 作用因子对混凝土 2 8 d电通量影响非常显著。 回归方程的拟合 结果见表 9 。 由表 9 可知， 拟合的精度良好。 2 3 交互作 用分析 为深入分析交互作用因子的影响规律 ， 根据方程式( 3 ) 绘 制的水泥混料比率和矿渣混料比率的交互作用因子( 。 ) 对混 凝土 7 d抗压强度( ) 的效应如图 3 所示 ； 根据方程( 4 ) 绘制的 矿渣混料比率和粉煤灰混料比率的交互作用因子( ) 对混凝 土 2 8 d抗压强度( ) 的效应如图 4 所示 ； 根据方程( 5 ) 绘制的 水泥混料比率和矿渣混料比率( ) 、 水泥混料比率和硅灰混料 比率( ) 、 矿渣混料比率和粉煤灰混料比率( ， ) 的交互作用 因子对混凝土 2 8 d电通量( p) 的效应如图 5 所示。 由图 3 可知， 同种水胶比条件下 ， 单掺粉煤灰和单掺矿渣对 于 7 d抗压强度均产生负效应， 而粉煤灰与矿渣配合适当条件下， 可制备 7 d 抗压强度较高的混凝土。 由图4 可知， 同种水胶比 条件 下， 矿渣与粉煤灰的交互作用对 2 8 d 抗压强度具有显著增强效果。 由图 5 ( a ) 可知， 同种水胶比条件下， 单一的粉煤灰组分和 矿渣组分对改善混凝土的抗渗透性有显著的效果， 粉煤灰和矿 渣的交互作用对抗渗透性的改善具有更显著的效果。 由图 5 ( b ) 可知 ， 同种水胶比条件下， 随着硅灰掺量的增大， 混凝土的抗渗 透性得到明显的改善， 水泥与硅灰的交互作用具有同样的效果。 3 显微 结构分析 将空白试样与三元掺合料试样进行扫描电镜显微分析， 经 对比发现， 空白试样显微缺陷较多 ， 加入掺合料的的混凝土其 混料比率( ) 、 矿渣混料比率和粉煤灰混料比率( ) 的交互 显微结构均比较致密。 具体情况见图4 。 表 8 回归方程及交互作用的显著性 3 表 3 高流动混凝土气泡参数与冻融试验结果 水压力与渗透压力造成的， 因此 ， 混凝土的抗冻性与内部孔结 构有直接的关系嗍 。 图 5是抗冻耐久性指数与分形维数的关系， 由图5可见， 分形维数与抗冻耐久性指数具有良好的相关关系， 说明随着分形维数的增大， 抗冻耐久性指数逐渐增大。 究其原因， 分形维数是表征孔结构复杂程度的量化参数， 它与小于 1 0 0 n m 的孔隙比例密切相关。 而大量研究表明， 混凝土的抗冻性与孔径 大小 、 分布有关 ， 孔径越小 ， 冰点越低 ， 从而减小因结冰引起的 对混凝土的破坏 ， 分形维数越大 ， 其内部小于 1 0 0 n m的孔隙 比例越大， 即无害孔或少害孔所 占比例越大 ， 其内部孔结构更 趋于优化， 从而其抗冻性更好。 3 3 芝 3 1 2 9 荤 詈2 7 2 5 2 3 窿 2 1 1 9 1 7 1 5 2 分形维数 图 5 高流动混凝土抗冻耐久性指数与分形维数的关系 4结 论 ( J 高流动混凝土的孔表面积具有明显的分形特征且符合 基于热力学关系的分形模型， 计算得到的分形维数在 2 3 之间。 孔表面积分形维数随龄期的增长逐渐增大， 并随掺合料种类、 掺 量的不同而不同。 ( 2 ) 孔表面积分形维数作为孔结构复杂程度的量化参数， 与孔径分布、 中值孔径、 平均孔径密切相关。 分形维数越大， 混 凝土内部小于 l O O n m孔隙比例越高， 中值孔径与平均孔径越小 ， 因此， 可以用孔表面积分形维数表征孑 L 结构中无害孔与少害孔 上接第 4页 灰的交互作用对 2 8 d 抗压强度具有显著增强效果。 同种水胶比 条件下 ， 单一的粉煤灰组分和矿渣组分对改善混凝土的抗渗透 性有显著的效果， 粉煤灰和矿渣的交互作用对抗渗透性的改善 具有更显著的效果。 随着硅灰掺量的增大， 混凝土的抗渗透性得 到明显的改善 水泥与硅灰的交互作用具有同样的效果。 ( 4 ) S E M结果分析表明， 矿物掺合料显著改善了混凝土材 料的显微结构， 因此， 表现出良好的宏观性能。 参考文献 ： 【 1 】刘建忠， 等 矿物掺合料对混凝土抗压强度和氯离子渗透性能的影 响 J J _ 混凝土与水泥制品， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 1 1 - 1 3 2 1 ME H T A P K， B U R R O WS R W B u i l d i n g d u r a b l e s t r u c t u r e s i n t h e 2 1 s t e e mu r y J C o n c r e t e I n t e rna t i o n a l ， 2 0 0 1 ( 3 )： 5 7 一 - 6 3 3 】 何廷树， 等不同水胶比下矿渣粉与粉煤灰对混凝土强度及抗氯离 子渗透性能的影响J J j 昆 凝土， 2 O L O ( 1 ) ： 8 6 8 8 的分布状况， 评定高流动混凝土内部孑 L 结构的优劣性。 ( 3 ) 孑 L 表面积分形维数与抗冻耐久性具有一定的联系， 分 形维数越大 ， 无害孔或少害孔所 占的比例越大， 高流动混凝土 内部孔结构更优化， 高流动混凝土的抗冻性越好。 本研究探讨了高流动混凝土的孔表面积分形维数与内部 孑 L 结构、 抗冻性的关系， 试验中的高流动混凝土均未掺引气剂， 而掺人引气剂后分形特征与抗冻性的变化及关系还有待研究。 参考文献： 【 1 李永鑫， 陈益民， 贺行洋， 等 粉煤灰一 水泥浆体的孔体积分形维数及 其与孔结构和强度的关系 J 硅 酸盐学报 ， 2 0 0 2 2 - 2 韦江雄， 余其俊 ， 曾小星， 等 混凝土中孔结构的分形维数研究【 J 华 南理工大学学报， 2 0 0 7 【 3 】Z H AN G B， L I S D e t e r mi n a t i o n o f t h e s u r f a c e f r a c t a l d i me n s i o n f o r p o r o u s me d i a b y me r c u r y p o r o s i me t ry J I n d u s t r i a l a n d E n g i n e e ri n g C h e mi s t ry Re s e a r c h， 1 9 9 5 4 】陈三强， 刘永忠， 程光旭， 等用 压汞法计算冻干物料的表面分形维 数 J 1 食品科学， 2 0 0 4 5 r 5 吴中伟， 廉慧珍 高性能混凝土【 M 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 9 6 廉慧珍， 童良， 陈恩义建筑材料物相研究基础 M E 京 ； 清华大学出 版社 ， 1 9 9 6 【 7 】黄孝蘅， 许彩虹， 王丽文 硬化混凝土中气泡性质对抗冻性影响的试 验研究 J 港湾建设， 2 0 0 3 8 张士萍， 邓敏， 吴建华， 等孑 L 结构对混凝土抗冻性的影响【 J 武汉理 工大学学报 ， 2 0 0 8 作者简介 联 系地址 联 系电话 王剑( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 道路混凝土材料。 北京市朝阳区平乐园 1 00 号 北京工业大学交通研究中心 ( 1 0 0 1 2 4 ) 1 5 21 0 8 3 4 8 8 9 【 4 S HA H S P， WA N G K， WE I S S J Mi x t u r e p r o p o r t i o n i n g f o r d u r a b l e c o n c r e t e J ,C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a1 2 0 0 0 ( 9 ) ： 7 3 7 8 5 1 AS TM Cl 2 0 05， S t a n d a r d t e s t me t h o d for e l e c t ric a l i n d i e a t i o n o f c o n - c r e t e s abi l i t y t o r e s i s i t c h l o ri d e i o n p e n e t r a t i o n S We s t C o n s h o h o c k e n ， 2 O O 5 6 唐明 ， 陈亍 工程试验优化设计I n 北京： 中国计量出版社， 2 0 0 9 ： 1 4 5 14 9 【 7 张武满 混凝土结构中氯离子加速渗透试验与寿命预测【 D 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 3 - 4 8 】 冷发光， 田冠飞 混凝土抗氯离子渗透性试验方法 J _ 东南大学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 6 6 u p i i ) ： 3 2 3 8 作者简介： 唐明( 1 9 5 6 一 ) ， 男， 教授， 博士。 联系地址： 沈阳市浑南新区浑南东路 9 号( 1 1 0 1 6 8 ) 联 系电话 ： 0 2 4 2 4 6 9 0 3 0 9 1 5