不同礦物摻合料對混凝土力學性能影響研究

石偉，龐建勇 （安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

作為最常用到的基礎建設材料，混凝土在土木、水利、交通等工程領域具有廣泛應用。但是隨著混凝土應用越來越廣泛，其抗拉強度低、易于開裂、耐久性低等力學性能方面的缺陷日益顯著。而我國作為基建大國，很多基礎建設由于達不到規范所規定的正常使用年限而不得不提前拆除，造成了大量的經濟損失。在此背景下，如何改善混凝土的力學性能，使其滿足人們的需求，國內外學者對其不斷地進行研究。經研究發現，利用礦物摻合料（即輔助性膠凝材料）替代部分水泥來制備混凝土，可以有效地改善混凝土的力學性能。

1 單種礦物摻合料的影響

現如今，礦物摻合料的來源十分廣泛，這其中包括了很多的工業廢料，如粉煤灰（FA）、硅灰（SF）、稻殼灰（RHA）等。種類不一樣的礦物摻合料其組成成分、活性成分、細度也不同[1]。

1.1 粉煤灰

國內外學者研究發現粉煤灰的摻量、細度及種類對混凝土各種力學性能都有影響。姚文杰等[2]發現隨粉煤灰用量的提高，抗壓強度、劈拉強度、抗折強度均下降，在考慮各種因素后，得出粉煤灰的摻入量應在10%～20%為最佳。羅小博等[3]發現當水膠比不變時，用粉煤灰等量代替水泥，其摻量在15%～20%時，可以明顯地改善高性能混凝土(HPC)的各項力學性能，并且對HPC 的其他性能也有一定提高。丁莎等[4]通過x-射線衍射法（XRD)、熱重-差示熱法（TGDSC)、掃描電鏡法（SEM)對噴射粉煤灰混凝土進行微觀結構的研究，同時研究了養護時間和粉煤灰摻量的變化對混凝土力學性能的影響。結果表明，在齡期28d 前，隨粉煤灰摻入量的增加，噴射混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度均降低，28d 后，隨著粉煤灰摻入量的增大，抗壓強度呈現先升高后下降的趨勢，但抗拉強度則呈上升趨勢。何斌等[5]對硫酸鹽侵蝕環境下粉煤灰混凝土的力學特性進行分析，結果表明，經過56d 的浸泡后，粉煤灰混凝土外觀較普通混凝土更完整，并且隨著硫酸鎂溶液的加入和浸泡時間的延長，其抗壓強度下降，但在齡期90d 時粉煤灰的強度損失率僅為28.9%，相對于普通混凝土的40.6%有了明顯的提升。梁甲等[6]對在水圍壓下粉煤灰混凝土的含水量及動態力學特性進行了研究，研究發現，在相同的水圍壓下，含20%粉煤灰摻量的混凝土含水量最低，且隨著應變速率的提高，動態抗壓強度增加值增長速度明顯高于粉煤灰摻量為0%、40%兩種情況。李聰等[7]展開了粉煤灰對超高性能混凝土（UHPC）力學性能的影響研究，得出了在自由狀態下，粉煤灰可以有效降低UHPC 早期自收縮，并顯著減少UHPC 早期的開裂情況；略微降低抗壓強度和彈性模量，但增加了劈裂強度，最高可達19.2%。Thuy等[8]研究了不同種類粉煤灰對膨脹混凝土性能的影響，發現SO3含量最高的粉煤灰最有效的改善了膨脹混凝土的膨脹，并且在一定的膨脹率下可以降低膨脹混凝土中膨脹劑的用量。

1.2 硅灰

閻培渝等[9]將加密硅灰和原狀硅灰分別加入高強混凝土中，發現兩者都可以提高混凝土強度，且加密硅灰增強效果比原狀硅灰略強，但硅灰在水化7d 內不明顯且增強幅度小于5%，同時發現提高養護溫度可以提高摻入硅灰后的混凝土早期強度。游帆等[10]對再生骨料混凝土（RAC）、硅灰再生骨料混凝土（RACSF）進行彎曲疲勞性能的對比，發現硅灰可以有效地提高再生骨料混凝土的抗彎曲疲勞性能，且極大的提高了彎曲疲勞壽命。張雄等[11]研究了混凝土中的基相硅灰和界面硅灰對混凝土力學性能的影響，結果表明，在低摻量下，界面硅灰相對于基相硅灰可以顯著地改善混凝土的強度同時減小其脆性。這是由于界面硅灰可以有效的提高界面粘結強度所導致的。張憲圓等[12]將硅灰摻入蒸壓加氣混凝土，并通過X-ray 衍射分析儀和掃描電子顯微鏡進行性能測試，結果表明，在蒸壓加氣混凝土中加入硅灰后，其抗壓強度得到了明顯的提高，其中當摻量低于5%時，其抗壓強度得到了最大的提升。周璐等[13]將硅灰摻入透水混凝土中，發現硅灰能夠有效地改善透水混凝土的致密性，從而大幅度改善透水混凝土的抗壓、抗折強度，而硅灰摻量增加對其影響不大。劉紅彬等[14]把0%、8%、12%、16%、22%五種不同摻量的硅灰摻入活性粉末混凝土（RPC）中，發現硅灰可以有效地改善RPC 的力學性能，綜合考慮得出硅灰摻量在12%左右為最佳。在如今可持續發展大背景下，許多研究人員把廢再生混凝土骨料(RCA)加入自密實混凝土（SCC）中，Hossein[15]把硅灰摻入這種新型自密實混凝土中研究對其性能的影響，發現硅灰會在早期降低含廢再生混凝土骨料自密實混凝土的抗壓強度，但在后期可以有效提高其抗壓強度。

1.3 稻殼灰

張朝輝等[16]人研究了不同煅燒溫度下的摻稻殼灰超高性能混凝土，發現稻殼灰降低了超高強混凝土的早期強度，在摻入量為30%，煅燒溫度為600℃時，可以顯著提高混凝土的強度。姚韋靖等[17]研究發現適量的稻殼灰可以有效提高混凝土的強度，以稻殼灰代替9%的水泥效果最好，且在硫酸鹽侵蝕環境下，與普通混凝土相比，摻稻殼灰混凝土的力學性能明顯提高。王收等[18]研究了稻殼灰對高強混凝土的影響，發現稻殼灰的摻入提高了高強混凝土的抗壓強度，其中在相同齡期時，10%摻入量的稻殼灰可以明顯地提高抗壓強度增長率。在對比抗折強度與抗壓強度之后發現盡管稻殼灰也提高了抗折強度，但抗折強度的增長率明顯較低。袁繼峰等[19]研究發現由于磨細稻殼灰越細，化學反應活性越高導致膠凝體系強度提高，最終導致混凝土強度提高，且當抗壓強度比大于100%時，磨細稻殼灰越細，其最大摻量就越大。Pokpong 等[20]把稻殼灰作為水泥基材料加入再生骨料混凝土中，發現在較長的養護時間后，用稻殼灰代替20%的水泥摻入再生骨料混凝土中可以明顯增強混凝土的抗壓強度。

2 多種礦物摻合料的影響

在單一礦物摻合料對混凝土力學性能改變的研究基礎上，國內外學者對復合礦物摻合料對混凝土力學性能的影響進行了深入研究和探討。張波等[21]對養護條件為-3℃時，復合礦物摻合料對混凝土性能的影響進行了研究，結果表明，-3℃養護條件時，粉煤灰/礦粉的摻入量增加，使其抗壓強度降低，但隨著齡期的增長，其強度損失率明顯低于基礎混凝土。王喆等[22]將礦渣-粉煤灰、礦渣-鋼渣、礦渣-石灰石粉、粉煤灰-鋼渣、粉煤灰-石灰石粉、鋼渣-石灰石粉六種不同的復合礦物摻合料分別摻入混凝土中，發現含礦渣的復合礦物摻合料摻入混凝土時可以顯著提高混凝土的力學性能；含粉煤灰的復合礦物摻合料，以及鋼渣與石灰石粉復合礦物摻合料，混凝土的力學性能有明顯下降。胡輝等[23]將兩種不同粒徑的超細粉煤灰（UFA1、UFA2）和超細礦粉（US）摻入混凝土中，結果表明，在一定摻量范圍內，復摻與單摻都可以有效提高混凝土抗壓強度，當混凝土中復合摻入UFA2 與US 時，且當UFA2 摻量為4%時，混凝土28d 抗壓強度達到最高。王維紅等[24]將稻殼灰與硅灰、粉煤灰復合摻入混凝土中，研究發現，10%稻殼灰/5%硅灰和10%稻殼灰/15%粉煤灰/5%硅灰這兩種摻入方式對混凝土強度提升效果最好。殷建光等[25]將粉煤灰和硅灰混合摻入自密實混凝土中，發現在粉煤灰用量不變的情況下，在自密實混凝土中摻入4%的硅灰可以顯著改善自密實混凝土的抗壓強度和抗折強度；其中當粉煤灰摻入量為30%時，增強效果最好。同時，復摻硅灰與粉煤灰的自密實混凝土早期強度較單獨摻入粉煤灰時有明顯改善。李恒等[26]在再生混凝土中摻入粉煤灰-礦渣、粉煤灰-硅灰兩種不同的復合礦物摻合料，研究結果表明，粉煤灰-礦渣僅能改善再生混凝土的抗拉強度，而摻入粉煤灰-硅灰時，其抗壓、抗拉強度均有所改善。侯晏鵬等[27]人在輕骨料混凝土中摻入粉煤灰-礦渣粉復合礦物摻合料，發現這種復合摻合料降低了輕骨料混凝土早期強度，但提升了后期的抗壓強度，且當粉煤灰與礦渣粉摻量比為2：3，總摻量為30%時，其抗壓強度有較大的改善。Liu等[28]在混凝土中摻入鋼渣與硅灰形成的礦物摻合料，結果表明，摻入后的混凝土早期抗壓、抗拉強度低于普通混凝土早期抗壓、抗拉強度，盡管隨著硅灰摻量的增加其強度有一定的改善，同時在研究中發現，該復合礦物摻合料摻入后對混凝土后期的抗壓強度和抗拉強度有一定程度的改善作用。

3 結論與展望

①通過國內外眾多學者的研究發現，無論是單摻還是復摻礦物摻合料都可以提高混凝土的后期力學性能，但對于混凝土的早期力學性能卻可能有不利的一面。

②單摻礦物摻合料可能會降低混凝土的力學性能，在近年來的研究中，粉煤灰的最優摻量為10%～20%，硅灰最優摻量約為5%，稻殼灰最優摻量約為9%。

③復摻礦物摻合料相對于單摻礦物摻合料，能夠更加有效地改善混凝土的力學性能，但復合摻入礦物摻合料導致實驗研究的難度進一步加大，也使得其對混凝土力學性能的影響更加復雜，提高了對其影響機理研究的難度。

④可以深入探究復合礦物摻合料對混凝土的影響機理。

⑤在如今提倡可持續發展的大環境下，可以進一步研究更多不同種類的工業廢料復合摻入混凝土，研究其對混凝土力學性能的影響。

⑥可以更多考慮從微觀層面來研究礦物摻合料對混凝土力學性能的影響。