矿物掺合料对轻质高强混凝土性能的影响

陈俊心

摘要：随着轻质混凝土应用领域的不断扩大，轻集料混凝土应用中所存在的造价高、强度低、性能不稳定等问题也日趋被人们所重视，粉煤灰、矿渣等外掺料在轻质混凝土中应用确可以在降低轻质混凝土的工程造价，缓解轻集料上浮现象，提高混凝土强度等方面起到积极作用。

关键词：矿物掺合料；混凝土性能；影响

1材料选择及研究方案

1.1材料选择

（1）水泥。为了实现混凝土高强度，水泥强度要达到P.O42.5或以上，同时要具有较好的粘聚性以控制轻集料混凝土的离析泌水现象。

（2）砂。具有合理级配的Ⅱ区中砂，细度模数2.7,堆积密度1550kg/m3。

（3）轻质粗集料。粗集料的要求较高：轻质具有较高的强度等级、较小的吸水率以及合理的级配和粒径范围。

（4）矿物掺和料。粉煤灰，选用北京某厂家生产的Ⅰ级粉煤灰；矿渣，北京首钢工业副产品，比表面积450m2/kg。

（5）外加剂。多组分复配外加剂，其有效组分包括高效减水、引气、消泡、增稠、缓凝等。

1.2研究方案

选用具有代表性的几种配合比对粉煤灰、矿渣在高强轻集料混凝土中的作用效果进行探讨。其配合比包括：（1）粉煤灰单掺量分别为0、10%、20%、25%的轻集料混凝土；（2）矿渣单掺量分别为0、10%、20%、25%的轻集料混凝土；（3）粉煤灰与矿渣复合使用，掺量为0、FA10%+SL10%、FA15%+SL15%、FA20%+SL20%（FA为粉煤灰缩写，SL为矿渣缩写）。通过以上不同配合比混凝土的性能测试，确定轻集料混凝土中粉煤灰和矿渣复掺的合理使用范围。

2试验方法及结果

2.1试验方法

本课题研究中主要采用的试验方法包括以下几种，并遵循相应的试验规范、标准。

（1）抗压强度试验：采用普通混凝土抗压强度试验方法，试件尺寸100mm×100mm×100mm。

（2）收缩试验：采用棱柱法，每个配合比成型3个100mm×100mm×515mm的棱柱体收缩试件，试件在标准养护室养护1d后立即拆模将其送入恒温恒湿室测定其初始长度。室内控制温度（20±0.5）℃，湿度（50±10）%。测定试样7d、30d、60d、90d时的长度值，进行对比分析。

（3）抗冻试验：依据标准GB/T82-85中混凝土快速冻融试验方法进行，试件尺寸100mm×100mm×400mm。

（4）抗渗试验：采用NEL法测混凝土氯离子渗透性能，轻集料混凝土试件尺寸100mm×100mm×50mm。

（5）微观试验：采用电镜扫描。

2.2强度试验

成型试件每组6块进行抗压试验；试件尺寸100mm×100mm×100mm,试验室内成型，标准养护，28d抗压强度值。①单掺粉煤灰降低混凝土容重，同时降低强度明显；②单掺矿渣掺量达到20%（即单方掺量96kg）其强度没有明显降低；③双掺时，当各掺量分别为10%（即单方掺量48kg）时其强度可以达到最大值58.4MPa。当掺量超过20%,强度明显降低。

2.3收缩试验

试件尺寸100mm×100mm×515mm,每组3块，标准条件下测长，计算收缩率。粉煤灰用量对轻集料混凝收缩性能的影响,①不掺粉煤灰的收缩曲线（即基准线），收缩量随龄期延长而逐渐增加；②掺量10%曲线：28d龄期之前的收缩量大于基准量，28d龄期之后的收缩量小于基准量；③掺量20%曲线，28d龄期之前的收缩量大于10%掺量的，而28d龄期之后，其收缩增加量减小，其长期（90d）收缩量与基准和10%粉煤灰混凝土相比显著降低；④掺30%曲线，28d龄期之前的收缩量大于其他掺量的，而28d龄期后，收缩量与20%粉煤灰掺量混凝土相比没有明显降低。

2.4抗冻试验

依据混凝土快速冻融试验方法，试件标准养护28d,每组3块：①与空白混凝土相比，粉煤灰矿渣掺入使混凝土抗冻性能提高；②配合比4抗冻性能最好，即复掺各掺量为10%其抗冻性能明显高于单掺；③配合比3和6、2和5相比，单掺量由10%增加到20%,抗冻性能没有明显的变化；④通常普通C45混凝土经过200次冻融循环以后，其剩余弹性模量将降至80%左右，而轻集料混凝土经过800次冻融循环后剩余弹性模量仍大于90%,相比之下，轻集料混凝土剩余弹性模量随着冻融循环次数的增加其值下降缓慢。另外，通过对1500次冻融循环后试块的观察，发现其仍具有较好的整体性而只有局部产生脱落现象，破坏主要产生部位并不明显，为了更进一步了解轻集料混凝土冻融破坏产生的原因，又增加了200次冻融循环，其1700次冻融循环。

2.5抗渗试验

采用NEL法测量混凝土氯离子渗透性能，试件尺寸100mm×100mm×50mm,每组6块。①由2、3、4、5、6与1相比，抗渗效果提高，即单掺量为10%、20%或复掺各占10%和20%时，提高了混凝土的抗渗性能；②复掺各占10%,对改善混凝土抗渗性能效果最明显；③单掺量为25%或复掺各占25%,混凝土的抗渗性能低于空白混凝土。

2.6微观试验

为了进一步了解轻集料混凝土宏观现象产生的原因，本课题对轻集料混凝土的微观结构进行了测试，界面处片状氢氧化钙晶体的数量较多，即普通混凝土界面处定向排列的氢氧化钠等晶体多于轻集料混凝土界面处晶体量；氢氧化钙晶体的数量较多，水化硅酸凝胶（C-S-H凝胶）的量较少，即未掺入矿料的轻集料混凝土的界面区富集了较多的定向排列或者片状结构的晶体，而水化硅酸凝胶的生成量减少；少量的块状晶体生成，即双掺10%轻集料混凝土水化硅酸凝胶的生成量最大，其次是单掺粉煤灰，单掺矿粉的效果与前两者相比较小；轻集料混凝土中C-S-H凝胶部分进入集料内部生长。

3试验结果分析

（1）对强度的影响：从微观电镜图可看出，掺入矿物掺合料有利于轻集料混凝土中C-S-H凝胶的生长，且由于轻集料表面的特殊状态，使掺有粉煤灰的混凝土界面区部分水化产物进入集料内部生长，从而提高了轻集料混凝土界面强度，而粉煤灰掺量继续增加则混凝土中水泥砂浆的强度大幅度降低，导致混凝土的整体强度降低；矿粉对轻集料混凝土界面区具有同样的影响，但其对水泥砂浆的强度影响不大，当矿粉掺入量为20%其强度较高。另外，由于粉煤灰和矿渣两种矿物掺合料的“叠加效应”，提高了混凝土界面强度及水泥砂浆强度，当复掺量占10%—20%时混凝土强度达到了较大值，复掺量占10%时其强度达到最大值。

（2）对收缩性能的影响：试验结果表明，单掺矿物掺合料对轻集料混凝土早期收缩性能不利，但选用合理掺量时对控制其后期收缩性能有利，通过矿物掺合料的反应机理得知，矿渣和粉煤灰的水化速度比水泥慢，尤其是粉煤灰，其大部分水化反应通常发生在后期，即水泥在28d内已经完成大部分水化，而粉煤灰在28d以后仍有大部分在进行水化，并随着水化生成C-S-H凝胶，不断填充混凝土中的空隙使混凝土更致密，从而对混凝土的后期收缩有一定的阻碍作用，即降低了混凝土后期收缩量。不同的矿物掺合料的选用及用量有着不同的效果，由试验结果可知当复掺量占10%—20%或单掺粉煤灰达到20%以上时最有利于降低混凝土后期收缩量。

（3）对抗冻性能的影响：轻集料混凝土产生抗冻破坏多是陶粒自身发生破坏，由于碎石型页岩陶粒内部有一定的纹理走向，其内部孔隙有一定量是沿着一定方向排列的连通孔，水进入这些连通孔会发生冻胀，这对其抗冻性能不利，所以提高其界面的密实性有利于提高其抗冻性能。由微观分析的结果可以看出，当粉煤灰矿渣掺入量各占10%左右时可以使轻集料混凝土界面处C-S-H凝胶的生长量更大，同时有大量凝胶由于轻集料的“微泵效应”而进入集料内部生长，进一步增加了轻集料混凝土界面的密实性。由抗冻试验结果可以看出，随着界面密实度的提高，其抗冻能力提高。

（4）对抗渗性能的影响：对于普通混凝土而言，其水分主要是通过界面处，在混凝土硬化以后形成的微裂纹以及连通孔洞渗入混凝土内部。而轻集料混凝土的界面处较为致密不易产生渗透，从而提高了轻集料混凝土的抗渗性能，同时，从微观角度我们以看出，当矿料复掺占10%左右时界面处更为致密，水泥石中C-S-H凝胶含量更高、质地更密实，反映了粉煤灰和矿渣的“叠加效应”在轻集料混凝土中所起的作用。

参考文献

[1]郑秀华.引气剂与粉煤灰对大流动性轻集料混凝土性能的影响[J].混凝土，2005,（4）：88-92.

[2]田耀刚.高强轻集料混凝土的早期自收缩研究[J].混凝土，2005,（2）：29-31.