粉煤灰对矿渣微粉改性水泥基材料力学性能及渗透性研究

摘要：为了研究粉煤灰对矿渣微粉改性水泥早期强度的影响，本文对水胶比为0.5的矿渣微粉改性水泥，在3种粉煤灰掺量掺量（10%、20%、30%）下对矿渣微粉改性水泥浆早期强度的影响开展了试验研究。试验结果表明：矿渣微粉将导致水泥浆早期强度降低，龄期越短水泥浆强度减小越显著；随着龄期的增长，水泥浆强度逐渐增加；在相同矿渣微粉掺量、养护龄期情况下，水胶比越小，强度越大；当矿渣微粉掺量为50%时，水胶比为0.5的水泥浆3天抗折、抗压强度分别降低47.98%和55.15%，水胶比为0.4的水泥浆14天抗折、抗压强度减小0.28%、1.4%。复掺矿渣微粉与粉煤灰时，水泥胶砂的抗氯离子渗透性能显著提高，在矿渣微粉掺量为50%、粉煤灰掺量为30%时，水泥胶砂28天康氯离子扩散性能改善效果最为明显。

关键词：粉煤灰；矿渣微粉；抗折强度；抗压强度，早期；氯离子扩散系数；

中图分类号：TU522文献标识码： A

1引言

现代建筑工程对混凝土材料耐久性提出了更高的要求，活性矿物掺合料在混凝土中的应用日益引起国内外土木工程材料与工程界的重视与关注。矿渣微粉是高炉炼铁得到的以硅铝酸钙为主的熔融物，具有较高的潜在活性。自20世纪80年代至今，国内外学者对矿渣微粉提高混凝土耐久性已经开展了一些研究工作[1-10]，大多集中在大体积混凝土、高强混凝土、及高性能混凝土方面。研究结果表明，掺入矿渣微粉能有效地提高混凝土28天抗压强度和抗渗性、使混凝土具有较好的抗冻性，可有效阻止碱集料反应，降低混凝土内部水化热、抵抗有害介质入侵等，显著提高混凝土材料的耐久性。然而，在工程建设的早期混凝土结构便开始已经承受荷载并遭受有害物质的侵蚀，势必造成混凝土材料的性能退化，致使结构形成初始损伤，直接影响混凝土结构物耐久性。因此，在利用矿渣微粉提高混凝土材料耐久性过程中，研究粉煤灰对矿渣微粉改性混凝土早龄期性能的影响规律，对有效保障混凝土材料耐久性具有重要意义。

为了研究粉煤灰对矿渣微粉改性水泥基材料早期性能的影响，本文通对不同掺量、不同养护龄期情况下，粉煤灰对矿渣微粉改性水泥早龄期抗折强度、抗压强度的影响规律，开展了详细的试验研究。为粉煤灰及矿渣微粉在工程建设中的应用，减小混凝土早期损伤，为提高混凝土耐久性提供科学依据。

2试验分组

2.1 原材料

本次试验所用水泥为大连小野田生产的PO·42.5R普通硅酸盐水泥，矿渣微粉选用大连金桥超细粉公司生产的S95级粒化高炉矿渣微粉，其化学成分及主要技术指标分别详见表1和表2，图1给出了矿渣微粉XRD分析图谱、矿渣微粉及粉煤灰的微观形貌。

表1 矿渣微粉化学成分

成分 CaO MgO Al2O3 SiO2 Fe2O3 K2O Na2O 其它

含量 /% 41.08 5.18 13.22 34.18 1.52 0.02 0.09 4.71

表2 矿渣微粉主要技术指标

比表面积/m2/kg 密度/g/cm3 流动度比/% 活性指数

7d 28d

425 2.90 97 81 104

矿渣微粉XRD分析图谱

b.矿渣微粉的微观形貌 c.粉煤灰的微观形貌

图1 矿渣微粉及粉煤灰的XRD分析图谱及微观形貌

2.2 试验过程及分组

为了揭示矿渣微粉与粉煤灰之间复合叠加效应对水泥基材料力学性能的影响规律，本项目对矿渣微粉掺量为50%时，复掺10%、20%、30%的粉煤灰水泥抗折、抗压强度的变化规律进行了实验研究。粉煤灰及矿渣微粉水泥试件制备时，先将水倒入水泥净浆搅拌锅中，再将水泥与矿渣微粉、粉煤灰的混合物倒入搅拌锅中，按照规范《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE30-2005）[9]中水泥净浆的制备方法，制备40mm×40mm×160mm的水泥试件。将浇注成型的试件放在标准养护箱（温度为20±1℃、相对湿度≥95%）中养护24小时后拆模，拆模后继续放入标准养护箱中养护3d、7d、14d，取出进行抗折、抗压试验和氯离子渗透试验。实验分组情况详见表3。

表3 水泥强度试验试件编号

试件编号 矿渣微粉掺量/% 粉煤灰掺量/% 水胶比w/b 养护龄期/d

S50F10 50% 10 0.50 3、7、14、28

S50F20 20

S50F30 30

试验时利用电动抗折试验机、YAW-YAW2000A型200t微机控制电液伺服压力试验机测试水泥的力学性能。整个试验过程遵照我国现行标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE30-2005）[11]中的规定进行：抗折强度试验中加荷速度为50N/s±10N/s，直至试件折断，并保持折断试件处于湿润状态直至抗压试验；在抗压强度试验前，需将折断的试件制备成40mm×40mm×40mm的标准试件，抗压强度试验的水泥试件加荷速度控制在2400N/s±200N/s速率范围内。

氯离子扩散系数试验利用RCM-DAL型氯离子扩散系数测定仪，主要包括氯离子扩散系数测定仪主机、夹具（硅胶筒、环箍、阴阳极接线柱、有机玻璃支架、电解槽）及测试线，测试主机为电流采集与控制的处理器，夹具用来固定混凝土试件并施加电压，测试主机通过测试线向夹具两端输出30±0.2V的电压。

3 试验结果分析与讨论

3.1力学性能

3.1.1水泥抗折强度

在试件养护到规定试验龄期后，测定其抗折强度，试验结果见表4。

表4 水泥抗折强度试验结果

试件编号 抗折强度/MPa

3d 7d 14d 28d

S50 2.79 5.18 6.29 7.65

S50F10 2.67 4.97 7.19 9.32

S50F20 2.06 4.15 6.97 8.27

S50F30 1.56 3.58 5.88 -

图2 水泥抗折强度与粉煤灰掺量之间的关系

由表4、图2数据可得，复掺粉煤灰后当养护到3天、7天时，抗折强度随粉煤灰掺量的增加而逐渐减小；当养护到14天、28天时，抗折强度随粉煤灰的掺入有先增大后减小的趋势，即在掺入50%矿渣微粉的水泥中复掺10%的粉煤灰，使其后期抗折强度增加。

图3.12 水泥抗压强度与养护时间之间的关系

由表4、图2可以看出，水泥抗折强度随养护龄期的增加逐渐增大，在粉煤灰掺量为10%、20%的水泥抗折强度，在养护14天时超过未掺加粉煤灰的水泥试件；其中粉煤灰掺量为10%的水泥抗压强度增长最快。

3.1.2 水泥抗压强度

根据我国标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE30-2005）中规定，抗折试验结束后，将折断的试块制备成40mm×40mm×40mm的立方体试件进行抗压强度试验，具体实验结果见表3.10。

表5 水泥抗压强度试验结果

试件编号 抗压强度/MPa

3d 7d 14d 28d

S50 10.05 18.69 28.01 37.91

S50F10 8.15 19.44 31.83 38.78

S50F20 7.15 15.42 23.48 28.14

S50F30 4.72 12.01 19.11 -

图3 水泥抗压强度与养护时间之间的关系

由表5与图3中数据可以看出，复掺粉煤灰后，水泥养护3天时抗压强度随其掺量的增加逐渐变小；在7天、14天时，复掺10%的粉煤灰使水泥的抗压强度增加，继续增大粉煤灰的掺量，又使其抗压强度逐渐减小；在养护28天时，当粉煤灰掺量小于10%时，水泥抗压强度先增大，当粉煤灰掺量超过10%后，其抗压强度又逐渐减小。

图4水泥抗压强度与养护时间之间的关系

由表5与图4中数据可以看出水泥抗压强度随养护龄期的延长逐渐增大，其中粉煤灰掺量为10%、在养护7天时，水泥抗压强度超过未掺加粉煤灰的水泥试件，并随养护龄期的增加，其抗压强度逐渐增大，且较未掺加粉煤灰的水泥试件大。

综上，矿渣微粉复掺粉煤灰后对水泥的强度的影响效应主要是由于：细颗粒的填充效应和火山灰效应，以及不同颗粒间的相互叠加效应，有效地增大了水泥的堆积密度，降低了水泥的孔隙率，从而适量的矿渣微粉与粉煤灰能够改善水泥的力学性能。

3.2 氯离子扩散系数

粉煤灰对矿渣微粉改性水泥胶砂氯离子扩散系数，试验结果详见表6和表7。

表6 水泥胶砂氯离子扩散系数试验结果

试件编号 氯离子扩散系数/m2/s

7d 28d 56d

S50 2.37297E-11 4.78341E-12 1.84855E-12

S50F10 8.62882E-12 3.28327E-12 1.15965E-12

S50F20 3.65747E-12 2.94445E-12 8.38137E-13

S50F30 6.89098E-12 - 6.86841E-13

表7 水泥胶砂氯离子扩散系数试验结果

试件编号 氯离子扩散系数增长百分数/%

7d 28d 56d

S50 0 0 0

S50F10 -63.64 -31.36 -37.27

S50F20 -84.59 -38.44 -54.66

S50F30 -70.69 - -62.84

通过表6和表7，可以得到以下结论：

a、由表6可得，在试验龄期为7天时，矿渣微粉水泥胶砂试件的氯离子扩散系数先减小后增大，其中在粉煤灰掺量为20%时最大，较未掺加粉煤灰的水泥胶砂试件减小84.59%，能够显著提高水泥胶砂抗氯离子渗透性能。

b、在表6可得，试验养护56天时，矿渣微粉水泥胶砂试件的氯离子扩散系数，随粉煤灰掺量的增加逐渐减小，其中粉煤灰掺量为30%的水泥胶砂试件的氯离子扩散系数，较未掺加粉煤灰的水泥胶砂试件减小62.84%，即其抗氯离子渗透性能最佳。

c、通过表7可得，所有水泥胶砂试件的氯离子扩散系数随养护龄期的增加逐渐减小，其中粉煤灰掺量为30%的水泥胶砂试件的氯离子扩散系数随养护龄期的增加减小最快。

综上，矿渣微粉水泥胶砂试件的氯离子扩散系数明显降低，即其抗氯离子渗透性能显著提高，主要是由于矿渣微粉与粉煤灰之间的叠加效应促进了水泥水化反应的进行，使水泥胶砂试件的微观结构更加密实，孔隙率降低，进而提高了水泥胶砂的抗氯离子渗透性能。

4 结论

本文通过研究粉煤灰对矿渣微粉改性水泥基材料不同龄期时力学性能、氯离子扩散系数的影响规律，可以得到如下结论：

（1）复掺50%矿渣微粉和10%粉煤灰水泥抗折抗压强度改善效果最好；水泥14天、28天抗折、抗压强度分别提高14.26%、21.83%和13.44%、2.9%；复掺矿渣微粉与粉煤灰对水泥抗折强度的作用效果优于其抗压强度。

（2）复掺50%矿渣微粉和20%粉煤灰的水泥胶砂7天、14天、28天抗氯离子渗透性分别提高84.59%、38.44%和54.66%；当粉煤灰掺量为30%时，水泥胶砂28天抗氯离子渗透性能提高最为显著，较普通水泥胶砂提高62.84%。

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