08.16 雙摻硅粉和超細礦渣高性能混凝土配製的試驗研究

雙摻硅粉和超細礦渣高性能混凝土配製的試驗研究

孫家國 ，谷豔玲

（武夷學院 土木工程與建築學院，福建 武夷山 354300）

摘要：對雙摻硅粉、超細礦渣C50高性能混凝土的配製技術進行了研究，設計不同摻入量進行混凝土性能試驗，結果表明，硅粉摻入混凝土中後，將引起混凝土坍落度下降，超細礦渣的摻入對混凝土坍落度略有增加，確定硅灰摻量5%，超細礦渣15%時，混凝土的流動性最佳；硅粉對提高混凝土早期強度有很好的效果，而超細礦渣對提高混凝土的後期強度有非常好的功效，最佳配合比是硅粉摻量10%、超細礦渣摻量15%，混凝土具有較高的抗壓強度。根據試驗確定，科技大樓C50高性能混凝土硅粉摻量5%，超細礦渣摻量25%。

關鍵詞：高性能混凝土；硅粉；超細礦渣；抗壓強度；試驗

0 引 言

隨著混凝土技術的快速發展，高性能混凝土的應用越來越廣泛，而採用硅粉和超細礦渣已經成為配製高性能混凝土的重要技術手段[1]。研究資料表明，硅粉具有高活性，容易參與水泥的水化反應，可以提高混凝土的早期強度[2]。同時，超細礦渣等量取代水泥後，不僅降低了水泥用量，而且可以改善混凝土諸多方面的性能。另外，超細礦渣還能大大提高混凝土抗氯離子滲透能力和抗硫酸鹽侵蝕能力[3]。

武夷學院科技大樓位於福建省武夷山市西南部，主體結構五層，採用框架結構形式，建築面積1 3942.2m2。2011年10月開始動工，總工期1.5年。主體結構採用C50高性能混凝土，由於科技大樓地質條件複雜，當地氣候比較潮溼，對於混凝土的工作性能和強度要求比較高。我們選用硅粉和超細礦渣作為混凝土的摻合料，採用內摻技術對不同硅粉和超細礦渣摻量進行試驗，研究各種摻量對混凝土性能的影響，提出滿足技術要求的高性能混凝土的最優配合比[4]。研究結果表明，經過摻入適量硅粉和超細礦渣配製的混凝土具有良好的工作性能和較高的抗壓強度。

1 C50高性能混凝土配合比設計

1.1 原材料性能分析

（1）水泥：選用江西萬年青水泥股份有限公司生產的萬年青牌P.O 42.5級水泥，細度為1.2%，實測28天強度為53.1mpa。

（2）細骨料：選用武夷山市生產的天然河砂，細度模數為2.67，表觀密度為2650 kg/m³，含泥量為2.1%，泥塊含量0.48%。屬於Ⅱ區中砂。

（3）粗骨料：選用武夷山市當地碎石，顆粒級配5-20mm，主要技術性能見表1

（6）減水劑：選用高效能混凝土外加劑J-2型減水劑。

（7）水：選用武夷山市本地自來水。

1.2 配合比設計

根據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55-2000)的規定，混凝土在選定原材料後，重點考慮硅粉和超細礦渣摻入比例。為了確定科技大樓C50高性能混凝土中硅粉和超細礦渣的最優摻量，把硅粉和超細礦渣作為雙因素進行配合比試驗[5]，按照硅粉摻量5%-15%、超細礦渣摻量15%-30%進行設計，分別制定了14個試驗方案（其中方案1為基準配合比），配製了14組不同配合比的混凝土。其中水膠比0.43，砂率35%，減水劑摻入比例為1.5%。混凝土配合比設計見表4。

2 混凝土試驗方法

2.1坍落度試驗

坍落度試驗參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080-2002 ）的規定，分別測定不同組號混凝土拌合物的坍落度值，試驗結果見圖1。

試驗結果可得，坍落度隨著硅粉摻量的增加呈現先小幅度增大後大幅度減小的趨勢，其變化拐點是5%，摻量15%時坍落度達到最低值62mm。摻入超細礦渣後坍落度逐漸增加，在摻量30%時達到最大值134mm。當雙摻硅粉15%、超細礦渣20%時，坍落度降到78mm，總體坍落度情況良好。

2.2 抗壓強度試驗

抗壓強度試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）的規定，設計14組試驗方案，每組按照3d、7d 、28d和60d四個養護齡期分別製作12個試塊，一共168個試塊。當試件養護達到相應齡期時，進行抗壓強度試驗。使用液壓式強度試驗機，加壓速度控制在0.5-0.8MPa/s範圍內[6]。試驗分3d、7d 、28d和60d四次進行，每次從每組中選用三個試塊，強度結果取平均值。實測抗壓強度值見圖2。

3 試驗結果分析

3.1 硅粉和超細礦渣對坍落度的影響

由圖3可以看出，在硅粉摻量小於5%時，混凝土的坍落度比基準配合比有所增大，當摻量大於5%時，混凝土的坍落度出現較大幅度下降，說明當硅灰在一定摻量後能降低混凝土的流動性。這是由於在較小摻量（0-5%）下，硅粉的顆粒數量較少，具有明顯的物理填充效應，能提高混凝土的坍落度[7]。但是當硅粉摻量大於5%時，硅粉的顆粒數量增加，由於硅粉的粒徑比水泥要細好幾個數量級，直接導致了硅粉的表面積遠比水泥的表面積大，拌合後需水量增大，填充效應降低，降低了混凝土的坍落度[8]。因此，為了保證混凝土具有良好的工作性能，必須將硅粉的摻量控制在5%左右。

由圖4可以看出，超細礦渣會使混凝土坍落度增大，在摻量小於15%時增幅比較明顯，以後則比較平緩，當摻量30%時達到最大值134mm，說明超細礦渣能提高混凝土的流動性。這是由於超細礦渣是細微球狀體，其表面光滑，且吸水量小，在混凝土中能夠起到滾珠潤滑作用，減少了摩擦阻力，降低了混凝土的塑性粘度，改善了混凝土拌合物的流動性[9]。研究表明，在水膠比一定的前提下，超細礦渣使混凝土具有良好的工作性能。

由圖5可以看出，同時摻入硅粉和超細礦渣，混凝土坍落度變化明顯放緩。研究認為，這是硅粉和超細礦渣共同影響作用的結果[10]，當硅粉摻量5%，超細礦渣15%～20%時，混凝土坍落度保持與基準配合比的坍落度基本一致；而當硅粉摻量保持不變，超細礦渣摻量加大到25%時，混凝土坍落度的增大趨勢明顯；當硅粉摻量大於5%時，無論超細礦渣的摻量如何變化，混凝土坍落度遠小於基準配合比的坍落度；當硅粉摻量繼續加大達到15%時，坍落度下降更為明顯，幾乎不受礦渣摻量的控制。這說明硅粉摻量在小於5%時，雙摻硅粉、超細礦渣混凝土的坍落度由硅粉、超細礦渣共同控制，超細礦渣起主導控制地位。而當硅灰摻量大於5%時，雙摻硅粉、超細礦渣混凝土的坍落度幾乎全部由硅粉控制，超細礦渣的影響基本消失[11]。

研究表明，對雙摻硅粉、超細礦渣高性能混凝土，要想獲得良好的工作性能，重點是把硅粉摻量控制在5%左右，而超細礦渣摻量則影響較小。

3.2硅粉和超細礦渣對抗壓強度的影響

（1）由圖6可得，單摻硅粉混凝土各齡期的抗壓強度均比基準配合比（方案1）相應齡期的抗壓強度高，各齡期提高的幅度各不相同。可以看出，硅粉對混凝土早期強度提高幅度較大，並且隨硅粉摻量的增多，強度提高幅度逐漸增加。這是由於硅粉產生了火山灰反應和微填料作用，改善了水泥漿與骨料界面過渡區，改變了孔結構，提高了混凝土的密實度[12]。同時，3d和7d的抗壓強度明顯高於基準配合比同齡期的抗壓強度，而60d的抗壓強度增幅低於基準配合比抗壓強度增幅。研究表明，摻入硅粉主要能提高混凝土的早期強度，而對增加後期強度的貢獻不大。

（2）由圖7可得，單摻超細礦渣混凝土3d的抗壓強度略低於基準配合比（方案1）同齡期的抗壓強度，並且隨超細礦渣摻量的增加，抗壓強度降低的越大；在7d和28 d的抗壓強度卻略超過基準配合比相應齡期的抗壓強度，且28d增幅趨勢均比7d的明顯；到60d齡期時，當超細礦渣摻量15%以下，其抗壓強度與基準配合比的抗壓強度基本無變化，但當超細礦渣摻量達到15%以上時，抗壓強度出現顯著地增長趨勢，不僅大大超過基準配合比60d的抗壓強度，同時也超過了同摻量硅粉混凝土同齡期的抗壓強度。

這是由於礦渣在水化過程中吸收了大量的Ca(OH)2，進一步形成水化硅酸鈣產物，改善了混凝土界面的粘結強度，加快了水化發應速度，使混凝土的早期強度只受到較小的影響，隨著礦渣的不斷水化，提高了混凝土的後期強度[13]。研究結果表明，超細礦渣對混凝土的早期強度影響較小，但摻量在高於15%後對提高混凝土的後期強度有很大貢獻。

(3) 由圖8可得，雙摻硅粉和超細礦渣混凝土的抗壓強度由硅粉和超細礦渣共同作用。3d齡期時，混凝土抗壓強度的提高由硅粉決定，即在15%範圍內硅粉摻量越大，抗壓強度高於基準配合比；7 d齡期時，雙摻硅粉和超細礦渣混凝土抗壓強度均高於單摻硅粉混凝土的抗壓強度，說明雙摻對增加混凝土強度的作用高於單摻；28d和60d齡期時，雙摻硅粉和超細礦渣混凝土抗壓強度仍然高於基準配合比，說明超細礦渣在摻入硅粉時，對提高混凝土後期強度仍舊有很好的效果[14]。

同時，從圖8還可以得出，硅粉、超細礦渣的摻量不能盲目的增加，當硅粉摻量達到15%，超細礦渣達到20%時，他們的各齡期抗壓強度都會有所下降。研究結果表明，對抗壓強度而言，雙摻硅粉、超細礦渣高性能混凝土的最佳配合比是硅粉摻量10%、超細礦渣摻量15%。

4 結語

研究結果表明，在C50高性能混凝土中摻入適量的硅粉和超細礦渣，能夠有效提高混凝土現場的工作性能和大樓主體結構的強度。同時，礦渣又是工業廢料，有利於環境保護和降低造價，符合生態文明建設的要求。

（1）硅粉摻入到混凝土中後，引起混凝土坍落度下降，超細礦渣的摻入對混凝土坍落度略有增加。從降低混凝土經濟成本和擁有良好的工作性能兩方面考慮，硅灰摻量5%，超細礦渣摻量15%為宜。

（2）硅粉對提高混凝土早期強度有很好的效果，而超細礦渣對提高混凝土的後期強度有非常好的功效。雙摻硅粉和超細礦渣時，混凝土各齡期抗壓強度均優越於兩者單摻的混凝土。

（3）綜合試驗結果，充分考慮科技大樓C50高性能混凝土的工作性能和強度後，確定硅粉摻量5%，超細礦渣摻量25%。

參考文獻

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