李 超, 杨强斌, 张海裕

(1. 甘肃第三建设集团有限公司 科技研发中心, 甘肃 兰州 730030; 2. 重庆文理学院 化学与环境工程学院, 重庆 402160; 3. 甘肃正尚混凝土工程有限公司 技术检测中心, 甘肃 兰州 730050)

传统的混凝土材料组成仅为水泥、砂、石和水.水泥无替代品,用量较大,混凝土水化热较高,成本较高,使得资源浪费、污染环境,混凝土温度裂缝较多并伴随着大量含有CO2、SO2、NO2等烟气排放到大气中,造成空气污染；随着混凝土技术的不断发展和工程设计需要,粉煤灰单掺配合比、高效减水剂得到广泛应用,粉煤灰代替了部分水泥用量,使得水泥用量有所下降并节约成本、保护环境.但粉煤灰活性指数相对较低,使得混凝土初期强度增长缓慢,不能满足混凝土早期拆模要求,影响工程进度；近年来,高活性的矿渣粉掺杂到混凝土当中,使得混凝土强度得到显著提高[1-2],逐渐在水泥改性方面得到应用,彻底减少了混凝土中水泥的使用量.但矿渣掺量较大时, 早期强度低, 需要足够的养护时间, 不适宜于工期紧和冬季施工要求等[2].

“双掺技术”技术的发展,对提高混凝土强度及其耐久性发挥了重要作用[3].研究表明,混凝土双掺技术的合理设计不仅能满足混凝土高强度、耐久性、绿色环保等性能要求,同时可有效降低水泥使用量,使材料成本大幅降低,能取得较好的经济效果.

杨艳娟等[4]研究了双掺粉煤灰和硅灰对透水混凝土力学性能、有效孔隙率和透水性的影响.结果表明,适量粉煤灰和硅灰双掺较这两种物质单掺使混凝土孔隙率、透水性和抗压强度提高效果更加显著.刘业金[5]对混凝土复掺沸石粉和玻璃粉的研究表明,复掺沸石粉和玻璃粉能使混凝土的密实度显著提高、孔隙率显著降低,沸石粉和玻璃粉复掺有效改善了骨料与水泥基体的界面结构,从而使混凝土的综合性能显著提高.

基于目前“双掺技术”的研究现状,以及单掺粉煤灰、矿渣粉对混凝土性能改性的良好表现,对粉煤灰、矿渣粉双掺混凝土的改性进行系统研究具有重要的意义.

本文通过粉煤灰、矿渣粉“双掺技术”对混凝土性能进行改性,建立粉煤灰、矿渣粉双掺对混凝土强度影响的函数关系,对混凝土强度进行有效预控,从而可根据工程需要配置满足需求的双掺技术混凝土配方.

1 设计原理及研究方法

混凝土配合比参考JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[6],根据强度要求以及“鲍罗米公式”推算进行设计.在不影响混凝土设计强度和各性能指标的前提下,通过单掺、双掺配合比的适配,研究矿渣粉和粉煤灰掺量对混凝土强度的影响,建立粉煤灰、矿渣粉掺杂对混凝土强度影响的数学关系,根据双掺技术的混凝土力学性能发展趋势,得到相应的影响因素,优化设计双掺技术的配合比[7],进而有效预控混凝土强度指标,使水泥用量能够被大量有效替代,降低材料生产成本,节约资源,降低能耗和碳排放,保护生态环境.

2 试验材料

试验所用的水泥为甘肃省白银市景泰县水泥厂寿鹿山牌P·O42.5级普通硅酸盐水泥,水泥相关性能见表1.

表1 水泥检测结果

试验所用粉煤灰为兰州市热电有限责任公司所属电厂Ⅱ级粉煤灰,其主要性能见表2.

表2 粉煤灰料检测结果

试验所用矿渣粉为甘肃建投矿业永靖矿区生产的S95级矿渣粉,其主要性能见表3.

表3 矿渣粉检测结果

3 实验结果及讨论

3.1 单掺粉煤灰对混凝土强度的影响

以普通C30混凝土为基料,粉煤灰的掺量设计从5%至35%变化进行适配,研究粉煤灰对混凝土抗压强度的影响.实验结果见表4,根据实验结果绘制粉煤灰掺杂量对混凝土抗压强度影响的变化曲线,并建立其影响的数学模型,如图1所示.

表4 C30混凝土抗压强度

图1 粉煤灰掺量与强度关系曲线图Fig.1 Relation curve of fly ash content and strength

由表4和图1可知,掺杂粉煤灰的混凝土养护7 d的强度随着粉煤掺杂量的增加表现为线性降低趋势,而养护28 d的强度随着粉煤灰用量的增加呈现先显著上升趋势,但掺杂量超过25%时又呈现降低趋势,说明粉煤灰掺杂量不易超过25%.各掺量下28 d养护明显具有较7 d养护更高的强度,说明粉煤灰对混凝土后期强度增长有明显提升作用.这是由于混凝土中水泥早期水化反应快,水化热大,吸水率较高,减少了粉煤灰所需水化反应的水分,粉煤灰本身的自凝效应较弱,凝结硬化速度较慢,导致早期强度较低,随着养护时间的增加和养护加强,水化反应程度逐渐提高,抗压强度得到提升.同时,当粉煤灰添加到混凝土中,与水泥搅拌均匀时,有效减少了水泥颗粒之间黏结而使水泥水化反应充分进行,有效保证了混凝土的硬化,但当粉煤灰添加量过量时,反而过量的粉煤灰使水泥的水化反应程度降低,固化能力下降,导致抗压强度反而下降.可见,粉煤灰的掺量对混凝土强度影响比较明显,应严格控制粉煤灰掺量,混凝土中粉煤灰的掺量应不大于25%.

对图1中10%～25%粉煤灰掺杂量下的混凝土强度拟合曲线求解其方程,得到如下公式：

fcf=10.8mf+37.61

(1)

式中：fcf为粉煤灰混凝土强度绝对值，MPa;mf为粉煤灰掺量，%.

再依据艾红梅等[8-10]提出的粉煤灰“胶凝系数β”的概念,结合上述粉煤灰与强度的关系,通过等式代换可得出掺入一定量粉煤灰时混凝土强度的预测值,即：

(2)

式中：fcu为单掺粉煤灰混凝土强度,MPa；mf为粉煤灰掺量,%；Rf为粉煤灰活性指数；Rc为基准混凝土抗压强度,MPa.

在实际应用时可利用式(2)进行混凝土强度值的预测.

3.2 矿渣粉掺杂量对混凝土的影响

矿渣粉因其活性指数较高,近年来通过矿渣粉掺杂改性混凝土性能的研究备受关注.试验表明,对混凝土采用矿渣粉单掺能有效提高混凝土强度,但单掺矿渣粉的混凝土和易性较差,且水分损失较快.因此混凝土单掺矿渣粉适用性较差[8].

为后续双掺技术强度预测模型建立,以胶砂为研究对象,矿渣粉掺量为0～25%时,评估矿渣粉对胶砂强度的影响.以28 d养护胶砂强度进行了统计,具体结果如图2所示.

图2 胶砂强度对比Fig.2 Contrast diagram of mortar strength

由图2实验结果可知,由于矿渣粉活性指数大于100%,矿渣粉掺杂显著提高了胶砂强度,但单掺矿渣粉使得混凝土早期强度增长较快,后期强度增长较慢,且根据研究发现,矿渣粉掺杂的混凝土和易性、保水性较差,易造成混凝土缺水干硬.所以不易在混凝土单掺矿渣粉.

3.3 双掺条件下矿渣粉对混凝土强度的影响

结合上述单掺粉煤灰时混凝土强度的变化关系,以及矿渣粉掺杂对混凝土强度的影响.选择粉煤灰掺杂量20%,矿渣粉掺杂量为0～25%的条件下对C30混凝土抗压强度进行试验研究,并建立强度预测模型,实验结果见表5,对实验结果进行曲线拟合并建立多项式数学模型,结果如图3所示.

表5 双掺混凝土抗压强度

图3中蓝色曲线为粉煤灰掺量为20%定值时矿渣粉掺量各节点的混凝土强度值,红色平滑曲线表示粉煤灰、矿渣粉单项式的和所形成的多项式.

由表5以及图3可以看出,当粉煤灰掺量为20%时,混凝土和易性、保水性增强.掺入矿渣粉对混凝土28 d抗压强度影响较大,当矿渣粉掺杂量不超过15%时,混凝土抗压强度持续增长,但当其掺杂量超过15%时,强度出现明显下降趋势.此时双掺量总和为35%.对比单掺粉煤灰混凝土,在双掺总掺量不超过35%情况下,矿渣粉的掺杂使得混凝土抗压强度提高；对双掺条件下矿渣粉对混凝土强度影响的趋势进行多项式拟合,发现在粉煤灰掺杂量一定的条件下,矿渣粉掺量与抗压强度呈现四次多项式关系：其回归后方程如式(3)所示.

图3 双掺混凝土抗压强度影响曲线Fig.3 Influence curve of compressive strength of double-mixed concrete

(3)

式中：fcu为混凝土抗压强度,MPa；kf为矿渣粉掺杂量,%.

再次对粉煤灰掺量20%,矿渣粉掺杂量为5%～15%条件下的混凝土进行试验,分析矿渣粉掺杂量与强度的关系,结果如图4所示.结果表明矿渣粉掺杂量与抗压强度绝对值关系完全满足上述关系式.

结合图1和图4及式(2)和式(3),建立粉煤灰、矿渣粉复合掺杂对混凝土强度的影响关系如式(4)所示：

图4 粉煤灰掺量20%,矿渣粉掺量与混凝土强度曲线图

(4)

式中：fck为双掺时混凝土强度绝对值，MPa;mf为粉煤灰掺量，%；kf为矿渣粉掺量，%.

根据式(2)和式(4),结合去除小因素的原则[11-14].可以得到双掺条件下混凝土强度与双掺掺量之间的关系如下：

(5)

4 混凝土配合比设计优化及工程验证

按照普通混凝土配合比,结合上述单掺粉煤灰、单掺矿渣粉及双掺粉煤灰、矿渣粉对混凝土强度的函数关系,采用双掺技术对混凝土配合比进行优化设计.依据JGJ55—2011标准,确定混凝土配制强度,计算水胶比以及用水量[2];在混凝土强度确定基础上,依据式(2)确定配制强度下的粉煤灰掺量mf0；再根据双掺数学模型式(4)和式(5)按强度贡献最大化确定矿物粉掺量kf0；以C30混凝土为例进行计算,确定混凝土配制强度：

fcu,o=fcu,k+1.645σ=38.2

(6)

计算水胶比为

(7)

式中相关系数取值可按照JGJ55—2011查表取得.

根据式(6)在确定混凝土强度基础上,根据式(2)计算得到粉煤灰掺渣量为mf0=20%.再以对混凝土强度贡献最大化为依据,按照式(4、5)计算结果,利用MATLAB计算平台计算出矿渣粉掺量为kf0=15%.在上述掺杂量基础上,依据砂石料的细度模数,按照最小空隙体积理论进行砂石比例的确定,以及适配、调整、确定双掺混凝土配合比的外加剂用量.

综合上述优化方案,最终优化设计出如表6所列(双掺)的掺杂改性后的C30混凝土配合比.

表6 C30混凝土配合比

根据上述配合比,制备多组试样,对各试样力学性能进行了工程现场应用验证,所得数值见表7.

表7 优化后配合比应用验证

由上试验数据可知,通过多次工程实际验证,28 d保养的抗压强度和实体回弹强度基本稳定,各试件间相对波动幅值较小,说明所建立的双掺技术理论模型与实验结果相符度较好,采用所建立的双掺技术数学模型是可行性的.

5 结论

通过试验建立粉煤灰、矿渣粉单掺混凝土的数学模型基础上,建立了粉煤灰、矿渣粉双掺技术的混凝土抗压强度的理论预测模型,通过工程验证,根据模型优化配置的混凝土性能稳定,完全符合工程实际的需求.所建立的预测模型在工程中应用有效发挥了粉煤灰、矿渣粉各自性能优势,能最大限度取代混凝土的水泥用量,减少水泥水化产生的CO2、SO2、NO2等气体所造成大气污染,最终达到降低混凝土生产成本,节约资源目的.