不同矿物掺合料对混凝土力学性能影响研究

石伟，庞建勇 （安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

作为最常用到的基础建设材料，混凝土在土木、水利、交通等工程领域具有广泛应用。但是随着混凝土应用越来越广泛，其抗拉强度低、易于开裂、耐久性低等力学性能方面的缺陷日益显著。而我国作为基建大国，很多基础建设由于达不到规范所规定的正常使用年限而不得不提前拆除，造成了大量的经济损失。在此背景下，如何改善混凝土的力学性能，使其满足人们的需求，国内外学者对其不断地进行研究。经研究发现，利用矿物掺合料（即辅助性胶凝材料）替代部分水泥来制备混凝土，可以有效地改善混凝土的力学性能。

1 单种矿物掺合料的影响

现如今，矿物掺合料的来源十分广泛，这其中包括了很多的工业废料，如粉煤灰（FA）、硅灰（SF）、稻壳灰（RHA）等。种类不一样的矿物掺合料其组成成分、活性成分、细度也不同[1]。

1.1 粉煤灰

国内外学者研究发现粉煤灰的掺量、细度及种类对混凝土各种力学性能都有影响。姚文杰等[2]发现随粉煤灰用量的提高，抗压强度、劈拉强度、抗折强度均下降，在考虑各种因素后，得出粉煤灰的掺入量应在10%～20%为最佳。罗小博等[3]发现当水胶比不变时，用粉煤灰等量代替水泥，其掺量在15%～20%时，可以明显地改善高性能混凝土(HPC)的各项力学性能，并且对HPC 的其他性能也有一定提高。丁莎等[4]通过x-射线衍射法（XRD)、热重-差示热法（TGDSC)、扫描电镜法（SEM)对喷射粉煤灰混凝土进行微观结构的研究，同时研究了养护时间和粉煤灰掺量的变化对混凝土力学性能的影响。结果表明，在龄期28d 前，随粉煤灰掺入量的增加，喷射混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度均降低，28d 后，随着粉煤灰掺入量的增大，抗压强度呈现先升高后下降的趋势，但抗拉强度则呈上升趋势。何斌等[5]对硫酸盐侵蚀环境下粉煤灰混凝土的力学特性进行分析，结果表明，经过56d 的浸泡后，粉煤灰混凝土外观较普通混凝土更完整，并且随着硫酸镁溶液的加入和浸泡时间的延长，其抗压强度下降，但在龄期90d 时粉煤灰的强度损失率仅为28.9%，相对于普通混凝土的40.6%有了明显的提升。梁甲等[6]对在水围压下粉煤灰混凝土的含水量及动态力学特性进行了研究，研究发现，在相同的水围压下，含20%粉煤灰掺量的混凝土含水量最低，且随着应变速率的提高，动态抗压强度增加值增长速度明显高于粉煤灰掺量为0%、40%两种情况。李聪等[7]展开了粉煤灰对超高性能混凝土（UHPC）力学性能的影响研究，得出了在自由状态下，粉煤灰可以有效降低UHPC 早期自收缩，并显著减少UHPC 早期的开裂情况；略微降低抗压强度和弹性模量，但增加了劈裂强度，最高可达19.2%。Thuy等[8]研究了不同种类粉煤灰对膨胀混凝土性能的影响，发现SO3含量最高的粉煤灰最有效的改善了膨胀混凝土的膨胀，并且在一定的膨胀率下可以降低膨胀混凝土中膨胀剂的用量。

1.2 硅灰

阎培渝等[9]将加密硅灰和原状硅灰分别加入高强混凝土中，发现两者都可以提高混凝土强度，且加密硅灰增强效果比原状硅灰略强，但硅灰在水化7d 内不明显且增强幅度小于5%，同时发现提高养护温度可以提高掺入硅灰后的混凝土早期强度。游帆等[10]对再生骨料混凝土（RAC）、硅灰再生骨料混凝土（RACSF）进行弯曲疲劳性能的对比，发现硅灰可以有效地提高再生骨料混凝土的抗弯曲疲劳性能，且极大的提高了弯曲疲劳寿命。张雄等[11]研究了混凝土中的基相硅灰和界面硅灰对混凝土力学性能的影响，结果表明，在低掺量下，界面硅灰相对于基相硅灰可以显著地改善混凝土的强度同时减小其脆性。这是由于界面硅灰可以有效的提高界面粘结强度所导致的。张宪圆等[12]将硅灰掺入蒸压加气混凝土，并通过X-ray 衍射分析仪和扫描电子显微镜进行性能测试，结果表明，在蒸压加气混凝土中加入硅灰后，其抗压强度得到了明显的提高，其中当掺量低于5%时，其抗压强度得到了最大的提升。周璐等[13]将硅灰掺入透水混凝土中，发现硅灰能够有效地改善透水混凝土的致密性，从而大幅度改善透水混凝土的抗压、抗折强度，而硅灰掺量增加对其影响不大。刘红彬等[14]把0%、8%、12%、16%、22%五种不同掺量的硅灰掺入活性粉末混凝土（RPC）中，发现硅灰可以有效地改善RPC 的力学性能，综合考虑得出硅灰掺量在12%左右为最佳。在如今可持续发展大背景下，许多研究人员把废再生混凝土骨料(RCA)加入自密实混凝土（SCC）中，Hossein[15]把硅灰掺入这种新型自密实混凝土中研究对其性能的影响，发现硅灰会在早期降低含废再生混凝土骨料自密实混凝土的抗压强度，但在后期可以有效提高其抗压强度。

1.3 稻壳灰

张朝辉等[16]人研究了不同煅烧温度下的掺稻壳灰超高性能混凝土，发现稻壳灰降低了超高强混凝土的早期强度，在掺入量为30%，煅烧温度为600℃时，可以显著提高混凝土的强度。姚韦靖等[17]研究发现适量的稻壳灰可以有效提高混凝土的强度，以稻壳灰代替9%的水泥效果最好，且在硫酸盐侵蚀环境下，与普通混凝土相比，掺稻壳灰混凝土的力学性能明显提高。王收等[18]研究了稻壳灰对高强混凝土的影响，发现稻壳灰的掺入提高了高强混凝土的抗压强度，其中在相同龄期时，10%掺入量的稻壳灰可以明显地提高抗压强度增长率。在对比抗折强度与抗压强度之后发现尽管稻壳灰也提高了抗折强度，但抗折强度的增长率明显较低。袁继峰等[19]研究发现由于磨细稻壳灰越细，化学反应活性越高导致胶凝体系强度提高，最终导致混凝土强度提高，且当抗压强度比大于100%时，磨细稻壳灰越细，其最大掺量就越大。Pokpong 等[20]把稻壳灰作为水泥基材料加入再生骨料混凝土中，发现在较长的养护时间后，用稻壳灰代替20%的水泥掺入再生骨料混凝土中可以明显增强混凝土的抗压强度。

2 多种矿物掺合料的影响

在单一矿物掺合料对混凝土力学性能改变的研究基础上，国内外学者对复合矿物掺合料对混凝土力学性能的影响进行了深入研究和探讨。张波等[21]对养护条件为-3℃时，复合矿物掺合料对混凝土性能的影响进行了研究，结果表明，-3℃养护条件时，粉煤灰/矿粉的掺入量增加，使其抗压强度降低，但随着龄期的增长，其强度损失率明显低于基础混凝土。王喆等[22]将矿渣-粉煤灰、矿渣-钢渣、矿渣-石灰石粉、粉煤灰-钢渣、粉煤灰-石灰石粉、钢渣-石灰石粉六种不同的复合矿物掺合料分别掺入混凝土中，发现含矿渣的复合矿物掺合料掺入混凝土时可以显著提高混凝土的力学性能；含粉煤灰的复合矿物掺合料，以及钢渣与石灰石粉复合矿物掺合料，混凝土的力学性能有明显下降。胡辉等[23]将两种不同粒径的超细粉煤灰（UFA1、UFA2）和超细矿粉（US）掺入混凝土中，结果表明，在一定掺量范围内，复掺与单掺都可以有效提高混凝土抗压强度，当混凝土中复合掺入UFA2 与US 时，且当UFA2 掺量为4%时，混凝土28d 抗压强度达到最高。王维红等[24]将稻壳灰与硅灰、粉煤灰复合掺入混凝土中，研究发现，10%稻壳灰/5%硅灰和10%稻壳灰/15%粉煤灰/5%硅灰这两种掺入方式对混凝土强度提升效果最好。殷建光等[25]将粉煤灰和硅灰混合掺入自密实混凝土中，发现在粉煤灰用量不变的情况下，在自密实混凝土中掺入4%的硅灰可以显著改善自密实混凝土的抗压强度和抗折强度；其中当粉煤灰掺入量为30%时，增强效果最好。同时，复掺硅灰与粉煤灰的自密实混凝土早期强度较单独掺入粉煤灰时有明显改善。李恒等[26]在再生混凝土中掺入粉煤灰-矿渣、粉煤灰-硅灰两种不同的复合矿物掺合料，研究结果表明，粉煤灰-矿渣仅能改善再生混凝土的抗拉强度，而掺入粉煤灰-硅灰时，其抗压、抗拉强度均有所改善。侯晏鹏等[27]人在轻骨料混凝土中掺入粉煤灰-矿渣粉复合矿物掺合料，发现这种复合掺合料降低了轻骨料混凝土早期强度，但提升了后期的抗压强度，且当粉煤灰与矿渣粉掺量比为2：3，总掺量为30%时，其抗压强度有较大的改善。Liu等[28]在混凝土中掺入钢渣与硅灰形成的矿物掺合料，结果表明，掺入后的混凝土早期抗压、抗拉强度低于普通混凝土早期抗压、抗拉强度，尽管随着硅灰掺量的增加其强度有一定的改善，同时在研究中发现，该复合矿物掺合料掺入后对混凝土后期的抗压强度和抗拉强度有一定程度的改善作用。

3 结论与展望

①通过国内外众多学者的研究发现，无论是单掺还是复掺矿物掺合料都可以提高混凝土的后期力学性能，但对于混凝土的早期力学性能却可能有不利的一面。

②单掺矿物掺合料可能会降低混凝土的力学性能，在近年来的研究中，粉煤灰的最优掺量为10%～20%，硅灰最优掺量约为5%，稻壳灰最优掺量约为9%。

③复掺矿物掺合料相对于单掺矿物掺合料，能够更加有效地改善混凝土的力学性能，但复合掺入矿物掺合料导致实验研究的难度进一步加大，也使得其对混凝土力学性能的影响更加复杂，提高了对其影响机理研究的难度。

④可以深入探究复合矿物掺合料对混凝土的影响机理。

⑤在如今提倡可持续发展的大环境下，可以进一步研究更多不同种类的工业废料复合掺入混凝土，研究其对混凝土力学性能的影响。

⑥可以更多考虑从微观层面来研究矿物掺合料对混凝土力学性能的影响。