李 辉，谢 松，陈裕佳，张 浩，张东省，张志明

(1.西安建筑科技大学，西安 710055；2.陕西省交通建设集团公司，西安 710075)



BSF复合矿物掺合料对路面混凝土力学性能的影响

李 辉1，谢 松1，陈裕佳1，张 浩1，张东省2，张志明1

(1.西安建筑科技大学，西安 710055；2.陕西省交通建设集团公司，西安 710075)

本文借助扫描电子显微镜、压汞测试仪和力学性能测试手段对BSF复合矿物掺合料的使用对路面混凝土力学性能的影响进行了系统研究。结果表明：(1)使用BSF复合矿物掺合料可在一定程度上提高混凝土的28 d抗折强度，大幅降低混凝土的压折比，有效改善混凝土的脆性；(2)BSF复合矿物掺合料可有效改善混凝土的界面过渡区，使浆体更加密实，并且减少有害孔的数量；(3)在水化过程中，BSF复合矿物掺合料中的砖粉和矿渣微粉会反应生成对改善混凝土抗折强度有益的纤维状晶体。

路面混凝土； BSF复合矿物掺合料； 抗折强度

1 引 言

随着我国公路运输事业的快速发展，公路里程飞速增长，至2015年全国公路总里程已达446万公里。其中，水泥混凝土路面公路以其成本低、易养护和使用年限久等优点在公路中所占比例逐年增加，远超其他种类公路。水泥混凝土路面是承受车轮荷载作用的弯拉结构，其力学设计指标不是抗压强度，而是抗折强度[1]。作为一种刚性路面，其脆性较大，对超负荷重载非常敏感，在保证强度的前提下，降低脆性可提高其使用性能[2]。

使用矿物掺合料是改善混凝土性能的一种重要技术途径，如矿渣[3,4]、粉煤灰[5-6]等。目前该类材料在实际工程中的应用已越来越广，如李月英[7]通过添加30%矿渣改善了高性能路面混凝土的力学性能及变形能力，Nassar等[8]研究发现掺50%粉煤灰时路面混凝土的90 d抗折强度大幅上涨，比小掺量时提高20%。但在实际使用过程中人们也发现使用某些单一矿物掺合料对于改善混凝土性能还存在一些不足，例如混凝土掺粉煤灰后早期强度较低[9]等，这使得这些材料在工程中的应用受到一些限制。但是，如果将两种或多种矿物掺合料复合使用就可能产生组分性能的超叠加效应，赋予混凝土更加优异的技术经济性能[10-11]。

2014年，在陕西省交通厅的资助下，西安建筑科技大学粉体工程研究所与陕西省交通建设集团公司合作开展《建筑垃圾再生路用复合粉体材料的开发研究》工作，将废粘土砖超细粉磨得到废砖粉，用这种废砖粉与矿渣微粉及粉煤灰为主要原料外加少量改性剂，配制成BSF复合矿物掺合料(粘土砖粉的掺量≥20%)，并成功用于道路水泥稳定碎石基层的施工和小型混凝土预制件的制备。为探讨将这种复合矿物掺合料用于路面混凝土的可行性，本文研究了不同掺量BSF复合矿物掺合料的使用对混凝土力学性能，尤其是抗折强度的改善情况，并通过微观分析，研究其改善作用机理。

2 试 验

2.1 原材料

2.1.1 胶凝材料

水泥：本试验所用水泥为采用西安尧柏水泥有限公司生产的水泥熟料与天然二水石膏以95∶5混合粉磨后配制出的普通硅酸盐水泥。水泥熟料、天然二水石膏的化学组成见表1，配制水泥的基本性能见表2。

表1 水泥熟料、天然二水石膏的化学组成Tab.1 The chemical composition of cement clinker and dihydrate gypsum /wt%

表2 水泥的基本性能Tab.2 The basic properties of the cement

2.1.2 掺合料

表3 各种矿物掺合料的化学组成Tab.3 The chemical composition of each mineral admixtures /wt%

表4 各种矿物掺合料的物理性能Tab.4 The physical properties of each mineral admixtures

本实验所用BSF复合矿物掺合料为磨细黏土砖粉、矿渣微粉和粉煤灰按一定比例复掺并加少量改性剂得到的复合粉体材料，黏土砖粉掺量超过20%。其中，黏土砖粉来自西安市某拆迁工地，矿渣微粉由西安德龙粉体工程材料有限公司提供，粉煤灰为陕西某电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，试验中直接使用原灰。BSF复合矿物掺合料、砖粉、矿渣微粉和粉煤灰的化学组成见表3，基本物理性能见表4。

2.1.3 其他试验材料

实验所用粗、细集料均取自陕西某砂石料厂，其中粗集料由9.5～19 mm和19～31.5 mm两种级配组成，细集料各指标均满足《公路水泥混凝土路面施工规范》JTG F30-2003要求。实验所用减水剂为聚羧酸类减水剂，减水率为20%。

2.2 试验方法

为探寻BSF复合矿物掺合料对路面混凝土力学性能的影响规律，本试验所配制混凝土胶凝材料总量为330 kg/m3，水胶比为0.35。在基准混凝土配合比保持不变的条件下只改变BSF复合矿物掺合料的掺入量，掺量比例为10%，20%，30%。试验所用配合比见表5。

表5 混凝土配合比Tab.5 The basic proportions of concrete mix /(kg/m3)

试验中混凝土的搅拌、成型、养护以及混凝土的力学性能测试均按照JTG/E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》要求规范操作。

2.3 表征方法

分别采用扫描电镜(SEM)和压汞(MIP)方法对混凝土的微观形貌和内部孔结构进行分析，从微观角度讨论BSF复合矿物掺合料的使用影响混凝土力学性能的机理。

3 结果与讨论

3.1 BSF复合矿物掺合料的使用对混凝土力学性能的影响

为研究加入BSF复合矿物掺合料后强度变化规律，按表5所示配比分别制作测试抗折和抗压强度的混凝土试块，试验结果如图1所示。

图1 不同BSF复合矿物掺合料掺量的混凝土7 d、28 d抗折强度(a)和抗压强度(b)Fig.1 Flexural strength and compressive strength of concrete with different content of BSF composite mineral admixture

由图1(a)抗折强度变化图可以看出随着BSF复合矿物掺合料掺量的增加，混凝土的7 d、28 d抗折强度均呈现先升高后降低的趋势。分析试块的7 d抗折强度数据可知，掺量为20%时试块强度有明显提高，其他掺量下提高效果不明显或有下降。养护龄期至28 d时，不同掺量下试块的抗折强度均有提高，掺量为20%时较为明显，比基准样提高了6%。因此BSF复合矿物掺合料的使用可在一定程度上提高混凝土的抗折强度，若考虑早期强度掺量不宜超过20%。

抗压强度试验结果如图1(b)所示，不同BSF复合矿物掺合料掺量的混凝土试块抗压强度均有所降低。其中28 d抗压强度较不掺BSF复合矿物掺合料试块无明显变化，当掺量为20%时强度下降较少，7 d抗压强度呈先降低后增加的趋势。因此BSF复合矿物掺合料的使用会使混凝土抗压强度略有降低。

3.2 BSF复合矿物掺合料对混凝土脆性的影响

脆性是表征路面混凝土力学性能的一个重要指标，目前工程界比较常用的一个脆性指标是压折比(混凝土的抗压强度与抗折强度之比)。由上文分析可知，随着BSF矿物掺合料掺量的变化，混凝土抗折强度与抗压强度变化程度并不一致，因此随着掺量变化，混凝土的压折比也会随之改变。若混凝土压折比降低，说明混凝土的脆性得到改善，反之则脆性增大[12]。图2是不同BSF复合矿物掺合料掺量下混凝土试块的28 d压折比。

如图2所示，掺入BSF复合矿物掺合料的混凝土压折比均大幅下降，下降幅度达到8.5%～10%，结合图1分析，混凝土在掺入BSF复合矿物掺合料后28 d抗压强度略有下降，抗折强度有较大提高，因此掺入BSF复合矿物掺合料后，混凝土的压折比呈降低趋势。所以BSF复合矿物掺合料的使用可以显著改善混凝土的脆性，降低路面混凝土的破坏风险。

图2 不同掺量BSF复合矿物掺合料的混凝土28 d压折比Fig.2 Ratio of compress strength/flexural strength of concrete with different content of BSF composite mineral admixture

图3 掺与不掺BSF复合矿物掺合料混凝土的界面结构 (×5000)(a)纯水泥混凝土的界面结构; (b)BSF复合矿物掺合料混凝土的界面结构Fig.3 Micro morphology of the concrete interfacial transition zone with different content of BSF composite mineral admixture

3.3 混凝土的微观形貌分析

混凝土材料的抗压破坏由压应力控制，抗压强度主要受浆体本身的强度控制，而抗折强度的大小则取决于抗拉强度，抗拉强度则主要依赖于混凝土材料界面的粘结强度及其均匀性。

界面过渡区是影响混凝土抗折强度的一个非常重要的因素，用扫描电子显微镜观察养护28 d后掺不同比例BSF矿物掺合料的混凝土界面部分的微观形貌，如图3示。

比较图3中两种界面过渡区的SEM图像比较，由图3a可以清楚的看到，纯水泥配制的混凝土，其浆体和骨料间的界面结构存在明显的微裂缝，即界面缝，它是混凝土强度降低的主要原因，微裂缝的出现主要是由于水泥浆体中的水分向上迁移过程中在粗骨料下面形成水膜而导致的，对比图3b发现，掺入BSF复合矿物掺合料的混凝土，其界面过渡区得到了明显的改善，观察不到微裂缝的存在。分析掺BSF复合矿物掺合料混凝土界面过渡区得到改善的原因主要是：BSF复合矿物掺合料可与水泥水化释放出的Ca(OH)2反应，生成水化硅酸钙，明显减少界面处Ca(OH)2的含量，并且生成大量水化产物填充界面过渡区，从而使浆体和骨料间的粘结力加强，界面过渡区结构密实。并且观察两图右侧的水泥浆体部分也可看出，添加BSF复合矿物掺合料的混凝土的水泥浆体部分更加密实。

通过电镜观察，发现掺BSF复合矿物掺合料的混凝土其胶凝材料浆体部分出现大量纤维状晶体，这些纤维晶体不定向的生长、穿插在胶凝材料中，是混凝土抗折强度提高的另一原因，如图4所示。

为研究这种纤维状晶体的形成原因，用砖粉、矿渣微粉和粉煤灰三种原料按表6所示方案制备净浆试块。

表6 净浆试块中各原料所占比重Tab.6 The proportion of each material in different paste sample /%

图4 掺BSF复合矿物掺合料混凝土的胶凝材料 浆体微观形貌(×5000)Fig.4 Micro morphology of the concrete slurry with BSF composite mineral admixture

图5 净浆试块S5的浆体部分(×1000) (a)7 d;(b)28 dFig.5 Micro morphology of the cement paste S5

结果显示，在同时加入砖粉和矿渣微粉的S5试块(图5b)中，出现大量纤维状晶体，这些纤维状晶体不定向的生长在水泥浆体中，显著增加了试块的抗折强度。且由试块S5的7 d电镜照片(图5a)可知，该纤维状晶体在试块水化7 d时已经大量生程，说明其早期抗折强度提高也与此相关。

除试块S5外，其他试块均未出现该纤维状晶体，如图6所示。

图6 其他净浆试块的微观形貌(×1000)(a)S1;(b)S2(c)S3;(d)S4;(e)S6;(f)S7Fig.6 Micro morphology of the other cement paste samples

扫描电镜观察说明混凝土中的纤维状晶体是由BSF复合矿物掺合料中的砖粉和矿渣一同参与水化反应生成，且在水化初期就已经产生了该晶体。

3.4 混凝土的孔结构分析

图7 混凝土B2与基准样B0的孔隙率Fig.7 Cumulative porosity of concrete sample B0 and B2

利用压汞法测试基准样B0和混凝土试块B2(BSF掺量为20%)的孔隙率，进一步探讨BSF矿物掺合料对混凝土强度影响的机理。根据吴中伟院士对孔结构的研究，混凝土中的孔可依孔径分为四个等级，即孔径小于20 nm的无害孔、介于20～50 nm 之间的少害孔、50～200 nm之间的有害孔以及大于200 nm 的多害孔，孔径超过100 nm则孔会对混凝土性能造成不利影响[13]。基于压汞法试验结果，对试块B0和B2的孔进行累计统计，结果如图7所示。

由图7可知，BSF复合粉掺量为20%时，混凝土中小于20 nm的无害孔的累计孔隙率远高于基准样，在20～50 nm孔径范围内，少害孔的累计孔隙率部分低于基准样，孔径大于100 nm时，有害孔和多害孔均大幅度低于基准样。测试结果说明掺入BSF复合粉后，混凝土的无害孔相对增加，有害孔和多害孔相对减少，使孔结构有明显的改善，这是混凝土力学性能提高的重要原因。

4 结 论

(1)BSF复合矿物掺合料的使用可在一定程度上提高混凝土的28 d抗折强度，随掺量增加抗折强度先增高后降低；

(2)BSF复合矿物掺合料可大幅降低混凝土的脆性，改善混凝土性能；

(3)在参与水化反应的过程中，BSF复合矿物掺合料中的砖粉和矿渣会一同参与水化反应，生成对改善混凝土抗折强度有效的纤维状晶体；

(4)BSF复合矿物掺合料可有效改善界面过渡区，使水泥浆体更加密实，并且减少有害孔的数量。

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Influences of BSF Composite Mineral Admixture on the Mechanical Properties of Pavement Concrete

LIHui1,XIESong1,CHENYu-jia1,ZHANGHao1,ZHANGDong-sheng2,ZHANGZhi-ming1

(1.Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China;2.Shaanxi Provincial Communication Construction Group,Xi'an 710075,China)

With the aid of Scanning Electron Microscope (SEM) and Mercury Intrusion Porosimetry (MIP), the influence of BSF composite mineral admixture on the mechanical properties of pavement concrete was investigated. The results show that(1) Involving BSF composite mineral admixture could enhance the flexural strength of concrete after curing for 28 d, decrease the ratio of compress strength to flexural strength significantly, as well as, improve the brittleness of concrete. (2) The use of BSF composite mineral admixture was helpful for improving the microstructure of interface transition zone by densified microstructure and reduced harmful micropores. (3) During hydration, the brick and granulated blast furnace slag powder used to prepare BSF admixture could generate massive fibrous micro crystal, which is good for improving the flexural strength of concrete.

concrete pavement;BSF composite mineral admixture;flexural strength

交通运输部建设科技项目(2013318J16890)

李 辉(1971-)，女，教授，博导.主要从事固体废弃物的资源化利用研究工作.

U414

A

1001-1625(2016)09-3014-06