掺加辅助胶凝材料高性能混凝土抗压强度研究

引言高性能混凝土是以工作性、力学性、耐久性、体积稳定性等全方位协调发展为目的新型混凝土，其一方面可以延长混凝土的使用寿命，实现经久耐用；另一方面又可以“变废为宝”，将工业废弃物资源化，避免二次污染，达到环境友好的效果，是当代混凝土的发展方向[1]。在高性能混凝土的配制过程中不可避免地需要使用胶凝材料，在这些胶凝材料中，水泥作为一种成熟的产品，其物理、化学性能较为稳定，在混凝土中的作用也明确清晰，所以可以将其称为“主体胶凝材料”；但诸如粉煤灰、矿渣粉等具有一定活性的材料，由于其物理、化学性能方面的限制，致使其在混凝土中的作用相较于水泥来说处于从属地位，因此将其称为“辅助胶凝材料”；作为主体胶凝材料的水泥，虽然在混凝土中具有举足轻重的地位，但却是一种高污染高能耗的工业产品，据权威统计显示，2021年中国二氧化碳排放总量达105.23亿吨，居于世界第一。水泥生产过程中产生的二氧化碳排放量占总碳排放量的5%～10%。因此，如何在保证水泥行业节能减排的同时，满足各类建设工程中对混凝土需求，成为迫切需要解决的问题。目前国内外都采用在水泥中掺入工业废物或工业废渣作为混合材的方法来解决这个问题。使用混合材能降低混凝土中水泥熟料用量，延长水泥基材料使用寿命，从而间接降低水泥生产能耗，减少二氧化碳排放量。时至今日这种来自于20世纪50年代苏联的方法，已经无法适应现代高性能混凝土的要求了。其弊端主要体现在以下几点：（1）掺量受限，由于水泥的物理化学性能要求，规范中对于混合材的掺量有明确的限制，通常不超过20%；（2）效果不佳，由于在水泥生产的“两磨一烧”工艺中，混合材和水泥熟料是一起磨细的，其细度和水泥熟料相差不大，无法起到微集料填充的效果，所以此时混合材加入水泥中的效果更像“酒里兑水”，不但不能提高混凝土的性能，还会影响混凝土的强度。基于以上问题，新型辅助胶凝材料的研发工作就显得十分重要。这种新材料需要不同品种的掺合料按照适当比例进行复合，从而起到多种组分性能的“超叠加效应”[2]，并应具有以下特点：（1）原材料应以存量大且急需处理的工业固体废弃物为突破口；（2）生产设备简单，生产成本有优势、低碳环保；（3）新型辅助胶凝材料的适应性好、强度适宜、耐久性及体积稳定性优良。针对新疆地区在混凝土工程应用过程中普遍遇到的冻融、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应等耐久性问题，结合本地区资源条件，通过试验研究将以粉煤灰和矿渣粉为主的各类工业废渣进行精细化和产业化升级，使其由原本的工业固体废弃物变为一种新型的辅助胶凝材料。并以此为基础进行系统试验研究，以求掌握其力学性能和耐久性能的变化规律。本文利用这种新型辅助胶凝材料等量替代水泥，进行混凝土抗压强度规律的研究。

1、试验部分

1.1试验材料水泥：采用青松P·O42.5R级水泥，其物理技术性质和化学成分见表1、表2。表1水泥的性能指标表2水泥熟料的化学及矿物成分%粉煤灰：玛纳斯热电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰，该电厂粉煤灰已进行过二次分选分级，通过电镜扫描观测，该粉煤灰颗粒多呈实心的微细球形，表面比较光滑。粉煤灰形貌形态如图1所示，其理化性能检验结果见表3，化学成分检测结果见表4。图1呈实心球状的粉煤灰颗粒表3粉煤灰理化性能指标表4粉煤灰化学成分%矿渣粉：高炉冶炼生铁时所得的硅酸钙和铝硅酸钙主要成分的熔融物,经水淬冷成粒后再经磨细后的产品。本试验所使用的矿渣粉为八钢生产、屯河水泥厂磨细加工的矿渣粉，通过电镜扫描观测，该矿渣粉颗粒多呈破碎的玻璃状，表面比较光滑。矿渣粉形貌形态如图2所示，其理化性能检验结果见表5，化学成分检测结果见表6。图2呈破碎玻璃状的矿渣粉颗粒表5八钢粒化高炉矿渣粉理化性能指标表6矿渣粉化学成分%骨料：（1）细骨料为乌鲁木齐河河砂，细度模数3.1，连续级配，含泥量1.8%；（2）粗骨料为乌鲁木齐河河卵石，最大粒径20mm，连续级配。外加剂：新疆北方同创新材料技术有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，其最佳掺量为0.5%，在水胶比低于0.30的配合比中最佳掺量为0.75%。水：试验中拌合水和养护水均来自实验室自来水。1.2试验方案通过激光粒度仪分析试验所用粉煤灰和矿渣粉微的观颗粒级配，在得到二者微观颗粒级配后采用二元线性回归法计算二者的最优比例，以获得与Fuller曲线拥有最大的拟合度。在前述工作基础上进行5个水胶比（0.40、0.35、0.30、0.25、0.20）条件下，分别掺加前述复合辅助胶凝材料比例为0%、30%、40%、50%、60%、70%的混凝土试配、成型工作，并检测其在各龄期（3、7、14、28、60、90d）下的抗压强度，试配方案见表7。表7掺辅助胶凝材料的高性能混凝土试配方案2、结果与分析

2.1曲线拟合根据试验方案，首先运用激光粒度仪，将各种胶凝材料进行微集料的筛分（见表8）。然后采用二元线性回归法计算得出最符合Fuller曲线的掺合料复配比例（见表9），得出基于最优颗粒级配理论的辅助胶凝材料配制方法和配置比例。然后，按照上述方法掺配出新型的辅助胶凝材料。表8不同胶凝材料颗粒分布情况及Fuller曲线要求的最优密实度分布表9辅助胶凝材料掺配比例计算表由表8可知，单纯某一种的胶凝材料其颗粒级配并不优良，为了更好的配制出各方面性能良好的混凝土，需要通过复配的形式获得一种微观颗粒级配优良的新型胶凝材料。粉煤灰的颗粒和矿渣粉的颗粒分布情况与Fuller曲线差距较大，因此需要对二者的比例进行调整，而调整的原则，则是需要使混合好后的辅助胶凝材料尽可能的趋近于Fuller曲线。以此需要采取回归分析的方式，采用二元线性回归分析对二者的比例进行计算，得出最合适的比例。二元线形正规方程的表示见式（1）、式（2）：b1、b2为方程的偏回归系数。用行列式求解这组正规方程即得：将具体数值代入正规方程，可得：b1=0.49≈0.50、

b2=0.48≈0.50。按照上述比例将粉煤灰和矿渣粉进行掺配得到新型的辅助胶凝材料的颗粒分布，将其与传统的水泥和Fuller曲线进行对比后可发现其与Fuller曲线的拟合度要高于传统的水泥，见表10。表10辅助胶凝材料颗粒分布情况及与水泥和Fuller曲线的对比相似度的计算见式（3）：将表10中的数值代入式（3）可知，辅助胶凝材料颗粒曲线与Fuller曲线的相似度为93.4%，而水泥与Fuller曲线的相似度为85.1%，由此可见辅助胶凝材料颗粒曲线的拟合度要高于传统的水泥。由表10可以做出Fuller曲线与水泥颗粒以及复合后的辅助胶凝材料颗粒的曲线图，可以更加直观清晰地看出两种不同胶凝材料与Fuller曲线（目标曲线）的相似程度，如图3所示。图3辅助胶凝材料颗粒曲线、水泥颗粒曲线与Fuller曲线的对比由图3可知，辅助胶凝材料的曲线与Fuller曲线的拟合度要好于单纯的水泥颗粒，但由于混凝土的强度是由水化水泥浆体强度、骨料强度以及水化水泥浆体与骨料的界面黏结强度三部分组成。强度大小并不决定于三者的平均水平，而是取决于最薄弱的部分，这部分则被视为混凝土中的强度限制相[3]。这也是为什么掺加了辅助胶凝材料的混凝土，只有在较低水胶比情况下，其强度才能超越纯水泥混凝土的原因。2.2抗压强度在上述工作的基础上，再根据试验计划的配合比依次进行混凝土拌合物的试配和浇筑成型工作，然后在标养至规定龄期进行抗压强度试验，试验结果如图4～图8所示。图40.40水胶比时不同辅助胶凝材料掺量下各龄期混凝土强度图50.35水胶比时不同辅助胶凝材料掺量下各龄期混凝土强度图60.30水胶比时不同辅助胶凝材料掺量下各龄期混凝土强度图70.25水胶比时不同辅助胶凝材料掺量下各龄期混凝土强度图80.20水胶比时不同辅助胶凝材料掺量下各龄期混凝土强度由图4～图8可知，（1）标准养护下，所有水胶比条件下，掺任何掺量辅助胶凝材料的混凝土的抗压强度都随龄期的增加而增长。龄期是影响抗压强度的一个重要因素。（2）水胶比不大于0.30时，辅助胶凝材料掺量越大，同龄期混凝土的抗压强度就越低，水胶比大于0.30时，辅助胶凝材料掺量30%时，同龄期混凝土的抗压强度开始全面大于纯水泥的抗压强度，由此可以看出，辅助胶凝材料掺量是影响抗压强度的一个重要因素，且其优势作用的发挥作用需要在水胶比低于0.30的情况下实现。（3）当辅助胶凝材料掺量一定时，水胶比越小，同龄期混凝土的抗压强度就越高。由此可以看出，水胶比也是影响抗压强度的一个重要因素。混凝土的强度是由水化水泥浆体强度、骨料强度以及水化水泥浆体与骨料的界面黏结强度三部分组成。强度大小并不决定于三者的平均水平，而是取决于最薄弱的部分，被视为混凝土中的强度限制相。高性能混凝土的配制技术决定了其结构的特点是高密实度。2.3微观结构用电镜观察本项目中水胶比为0.40、辅助胶凝材料掺量为30%的混凝土的结构，如图9～图12所示。由图9可知，水泥石中的孔隙数量少，孔径不大，结构很致密。混凝土中的粉煤灰颗粒填充在水泥石中，起到了微集料填充作用和二次水化作用[4]。由图10、图11可知，辅助胶凝材料的颗粒水化程度是随着龄期不断变化的，早期（28d）颗粒形状完整，此时未发生水化反应，表面无水化产物，颗粒只是分散在水泥水化产物和孔隙之间，而后期（90d）颗粒开始发生水化反应，颗粒表面产生的水化产物与周围的水泥石结构开始紧密地结合起来。图9

混凝土的孔隙（W/B=0.40,辅助胶凝材料=35%，龄期28d）图10

分散在水泥石中的辅助胶凝材料颗粒（W/B=0.40,辅助胶凝材料=30%，龄期28d）图11

长龄期时发生二次水化反应的辅助胶凝材料颗粒（W/B=0.40,辅助胶凝材料=30%，龄期90d）图12辅助胶凝材料颗粒周围“丛生”的CSH（W/B=0.40,辅助胶凝材料=30%，龄期90d）结论

（1）采用高性能混凝土配制技术，使用P.O42.5R和工业废渣复合后的辅助胶凝材料，以28d为标准设计龄期时，可以配制出C25～C75不同强度等级的高性能混凝土。（2）通过对比发现，掺加辅助胶凝材料后，可