鐘 勝,李飛隼,韓云童

(1.安徽水安建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601； 2.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430202)

0 引言

當(dāng)前，我國政府正在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的節(jié)能承諾。水泥行業(yè)由于受傳統(tǒng)原料結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝的限制，是眾所周知的二氧化碳排放大戶，然而其作為主要膠凝材料又是工程項(xiàng)目建設(shè)過程中混凝土制配不可缺少的重要成分[1-2]。在保證混凝土各項(xiàng)性能前提下，眾多學(xué)者圍繞通過添加復(fù)合礦物摻合料降低水泥使用量等問題開展了豐富的實(shí)踐研究，同時(shí)也是適應(yīng)社會低碳發(fā)展的必然要求[3-5]。

礦物摻合料應(yīng)用于混凝土的生產(chǎn)，其主要目的是減少水泥用量，同時(shí)提升混凝土的部分性能指標(biāo)。其中，粉煤灰和礦粉是常見的工業(yè)廢棄品，兩種材料均可用作混凝土摻合料，通過添加適量的粉煤灰或礦粉，可改善混凝土和易性、控制水泥水化放熱等，從而實(shí)現(xiàn)改善混凝土性能的目的[6]。但是，受產(chǎn)地資源環(huán)境的影響，摻合料的品質(zhì)一般有較大差異，特別是摻料種類和用量比例對混凝土性能影響顯著[7]。本次試驗(yàn)以某地所產(chǎn)粉煤灰和礦粉為摻合料，通過對多組水膠比環(huán)境下的不同齡期混凝土強(qiáng)度進(jìn)行系列測試，探究多礦物摻合料對混凝土強(qiáng)度性能的影響。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 水泥

試驗(yàn)采用安徽樅陽海螺水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥。水泥的物理性能品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果見表1。檢測結(jié)果表明該水泥的受檢品質(zhì)指標(biāo)可滿足GB 175—2007通用硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

表1 水泥的物理性能檢測

1.2 粉煤灰

此次試驗(yàn)采用銅陵電廠的F類Ⅱ級粉煤灰。粉煤灰品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果見表2。檢測結(jié)果表明，銅陵粉煤灰滿足 GB/T 1596—2017用于水泥和混凝土中的粉煤灰中F類Ⅱ級粉煤灰的技術(shù)要求。

表2 粉煤灰品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果

1.3 礦渣粉

采用銅陵市鵬泰超細(xì)礦粉有限責(zé)任公司生產(chǎn)的S95礦渣粉，其品質(zhì)檢測結(jié)果見表3。檢測結(jié)果表明，該礦渣粉滿足GB/T 18046—2017用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉中S95礦渣粉的技術(shù)要求。

表3 礦渣粉品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果

1.4 細(xì)骨料

選取鄱陽湖產(chǎn)天然河砂，細(xì)度模數(shù)檢測結(jié)果為2.49，符合SL 677—2014水工混凝土施工規(guī)范要求，鑒定為中砂，檢測結(jié)果見表4。

表4 砂品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果

1.5 粗骨料

試驗(yàn)粗骨料使用懷寧上峰石料廠和江西彭澤宏浩麻山礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的人工碎石。經(jīng)檢測懷寧上峰石料廠的16 mm～31.5 mm碎石和江西彭澤宏浩麻山礦業(yè)有限公司碎石生產(chǎn)的5 mm～10 mm，10 mm～20 mm兩種規(guī)格的碎石，顆粒級配符合JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)要求。其他部分檢測指標(biāo)結(jié)果見表5，亦符合SL 677—2014水工混凝土施工規(guī)范要求。

表5 碎石檢測結(jié)果

1.6 外加劑

試驗(yàn)使用安徽明達(dá)生產(chǎn)的YD-1引氣型聚羧酸減水劑，南京瑞迪的 HLC-IX 聚羧酸系高性能減水劑(引氣型)。減水劑摻量均為推薦值1.5%。檢測結(jié)果見表6。從受檢品質(zhì)指標(biāo)來看，減水劑品質(zhì)指標(biāo)滿足GB 8076—2008混凝土外加劑的要求。

表6 減水劑品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果

2 配合比優(yōu)化試驗(yàn)

2.1 混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)與配制強(qiáng)度

按SL 352—2006水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，混凝土的配制強(qiáng)度按式(1)計(jì)算：

fcu,o=fcu,k+t

(1)

其中，fcu,o為混凝土的配制強(qiáng)度，MPa；fcu,k為混凝土設(shè)計(jì)齡期的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；t為概率度系數(shù)，依據(jù)保證率選定，見表7；σ為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa，標(biāo)準(zhǔn)差選擇見表8。

表7 保證率和概率度系數(shù)關(guān)系

表8 混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ值 MPa

此次試驗(yàn)設(shè)計(jì)大體積混凝土指標(biāo)為 C25W4F100，依據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，計(jì)算其配制強(qiáng)度為31.6 MPa，混凝土設(shè)計(jì)參數(shù)見表9。

表9 混凝土的設(shè)計(jì)指標(biāo)與配制強(qiáng)度

2.2 混凝土參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 水膠比

根據(jù)SL 352—2006水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程要求，強(qiáng)度試驗(yàn)可在適宜范圍內(nèi)選擇3個(gè)～5個(gè)水膠比，通過前期試配建立強(qiáng)度與水膠比的回歸方程式，確定此次研究采用 0.38，0.40，0.45三組水膠比進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.2 粗骨料級配

懷寧上峰石料廠的16 mm～31.5 mm 碎石，江西彭澤宏浩麻山礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的5 mm～10 mm和10 mm～20 mm規(guī)格的碎石，經(jīng)篩分試驗(yàn)，顆粒級配符合JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)要求。對不同組合的粗骨料緊密密度試驗(yàn)，檢測結(jié)果見表10。

表10 骨料組合緊密密度試驗(yàn)結(jié)果

從表10中試驗(yàn)結(jié)果可看出，D組骨料的緊密密度最大，空隙率最小。為提升混凝土拌和質(zhì)量，試驗(yàn)確定取用該組合比例為粗骨料級配，即5 mm～10 mm∶10 mm～20 mm∶16 mm～31.5 mm=20∶35∶45。

2.2.3 砂率

參考JGJ/T 10—2011混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程規(guī)定：泵送混凝土砂率宜為35%～45%。根據(jù)試拌情況，確定水膠比為0.40時(shí)，最優(yōu)砂率為40%，混凝土單位用水量為140 kg/m3，和易性滿足施工要求。

2.2.4 摻合料摻量

GB 50496—2018大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)中第4.3.1條規(guī)定：粉煤灰摻量不宜大于膠凝材料的50%，礦渣粉摻量不宜大于膠凝材料的40%，粉煤灰和礦渣粉的摻量總和不宜大于膠凝材料的50%。本次試驗(yàn)采用混凝土配合比中粉煤灰摻入量為30%，礦渣粉的摻量為20%，符合規(guī)范要求。同時(shí)，增加選取20%粉煤灰摻量+20%礦渣粉的組合進(jìn)行混凝土強(qiáng)度性能對比試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)配合比

根據(jù)2.2.3節(jié)研究結(jié)果，首先確定混凝土單位用水量為 140 kg/m3，最優(yōu)砂率為 40%。結(jié)合試拌結(jié)果，調(diào)整、優(yōu)化混凝土配合比組合的水膠比等參數(shù)如表11所示。按照SL 352—2006水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程中混凝土配合比計(jì)算要求，砂石料的含水狀態(tài)以飽和面干狀態(tài)為基準(zhǔn)，砂石料計(jì)算按“絕對體積法”計(jì)算，得到單方混凝土中各材料的用量如表12所示。

表11 混凝土試驗(yàn)配合比的參數(shù)

表12 試驗(yàn)配合比單方混凝土中各原材料的用量 kg/m3

3 混凝土抗壓與劈拉強(qiáng)度

試驗(yàn)按SL 352—2006水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行，混凝土成型150 mm×150 mm×150 mm立方體試件，分別對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下3 d，7 d，28 d和90 d齡期混凝土進(jìn)行抗壓以及劈拉強(qiáng)度測試，試驗(yàn)結(jié)果見表13，計(jì)算混凝土抗壓強(qiáng)度增長率如表14所示。

表13 混凝土的抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度

表14 混凝土抗壓強(qiáng)度增長率 %

試驗(yàn)結(jié)果表明：1)雙摻合料混凝土的強(qiáng)度亦隨齡期增加不斷增長，并且早期強(qiáng)度增長較快。3 d齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度為28 d標(biāo)準(zhǔn)齡期強(qiáng)度的63.9%～69.2%，7 d齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度占28 d強(qiáng)度增長的78.1%～82.7%，因此對雙摻合料混凝土而言，雖減少了一定水泥用量,但其早期強(qiáng)度仍然可以快速提高。2)從標(biāo)準(zhǔn)齡期的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，不同水膠比條件下的雙摻料混凝土在28 d齡期時(shí)力學(xué)性能均能滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)要求。3)當(dāng)水膠比為0.45時(shí)各齡期混凝土強(qiáng)度可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)較其他水膠比的混凝土強(qiáng)度增長更平穩(wěn)。

4 結(jié)語

雙摻合料混凝土強(qiáng)度與普通混凝土的強(qiáng)度變化特征具有相似性，即強(qiáng)度增長主要體現(xiàn)在早齡期階段，其后逐漸減緩直至達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，外摻料不會改變混凝土強(qiáng)度增長的總體規(guī)律。此外，通過選擇合適的水膠比，混凝土中加入一定量的粉煤灰、礦粉等外摻料，可減少水泥用量、降低水化熱，從而在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的同時(shí)達(dá)到使混凝土強(qiáng)度增長速率更趨平穩(wěn)的目的，對于大體積早強(qiáng)混凝土的抗裂保護(hù)具有積極效應(yīng)。