矿物掺合料对水泥基材料力学性能影响的实验研究

矿物掺合料对水泥基材料力学性能影响的实验研究

摘要：本文以掺合料种类及掺量为主要考察因素，以抗压强度和腐蚀后的对比强度为指标进行试验研究，确定了矿物掺合料的合理使用方法与用量，以期对实际工程应用加以指导。

关键词：水泥净浆 硅灰 粉煤灰 矿渣 抗压强度 抗腐蚀性

0 前言

试验研究了硅酸盐水泥中掺入硅灰、硅灰和粉煤灰、硅灰和矿渣等混合材料对水泥净浆性能的影响。研究结果表明，在硅酸盐水泥中掺加硅灰、粉煤灰和矿渣等混合材料可以改善水泥净浆的综合性能。矿物混合材料的复合掺入比单独掺入能更好地改善水泥净浆的抗侵蚀性能。掺矿物掺合料水泥净浆的后期强度可以达到较高的水平，水泥净浆抗压强度和抗腐蚀性能不仅取决于矿物掺合料的水泥取代分数，也取决于硅灰和粉煤灰及矿渣的掺配比例。

1原材料

本课题所研究的水泥净浆是由水泥、矿物掺合料（硅灰、粉煤灰、矿渣）及水按一定配比配制而成一种新型水泥基复合材料。以下三表分别是水泥、硅灰、粉煤灰的基本物理性质，水泥砂浆强度试验依据GB∕T17671-2007标准，矿渣采用河北省宣化环京集团公司生产的S75级粒化高炉矿渣粉。

表1 水泥基本性能（宣化水泥厂生产的金隅牌P·O42.5水泥）

表2硅灰的基本物理性质（北京凯木斯新建筑材料有限公司生产）

表3 粉煤灰的化学成分及指标（河北省张家口化工有限公司）

2 实验方法

为考察矿物掺合料对强度的影响，试验采用2cm×2cm×2cm的模具，按确定后的配合比精确称量原材料并放入搅拌锅，在规定时间下拌合，将拌和后的水泥净浆按标准方法成型，在温度（20±1）℃、相对湿度（65±5）%条件下养护24h后脱模，放在温度为（20±1）℃的水中养护到指定龄期，然后检测其抗压强度。另按照同样配比，制取相同试件，按照规定方法进行硫酸盐侵蚀试验，同样记录抗压强度数据，进行对比分析。

3 实验结果与分析

3.1 试件28天强度变化趋势

由图1、图2可得：当掺加纯硅灰时，在8%到20%内水泥净浆的28天抗压强度随硅灰掺量的增加而提高。当硅灰和粉煤灰比为1：4时，其28天抗压强度随矿物掺合料的增加而降低。硅灰和矿渣双掺合料中，当矿物掺合料总取代水泥量为20%时，28天抗压强度相对较高，硅灰矿渣比为1：3时强度最低，硅灰矿渣比为1：4时最高。

图1（水泥净浆28天抗压强度）

图2（水泥净浆28天抗压强度）

综上分析得出，选用硅灰与矿渣取代水泥用量的20%时最为适宜，此时其28天抗压强度得到较大提高。且当硅灰：矿渣=1：3时，水泥净浆试件的28天抗压强度均较低。

3.2 试件腐蚀前后强度变化趋势

掺加纯硅灰后经硫酸盐腐蚀后试样抗压强度降低。当硅灰粉煤灰掺量8%时经硫酸盐腐蚀后试样的抗压强度降低。在硅灰粉煤灰掺量为16%、20%时，试件硫酸盐腐蚀后抗压强度反而提高，可能养护28天后再经腐蚀试样继续水化，抗压强度提高。当硅灰矿渣总掺量12%、16%、20%时，腐蚀后试样抗压强度总体下降，说明试样受到硫酸盐腐蚀，现举例绘制硅灰粉煤灰及硅灰矿渣掺量为8%及20%时的曲线图。掺硅灰和粉煤灰时，当矿物掺合料量较大时，腐蚀后抗压强度反而增大，可能是由于当矿物参合料较少时，水泥水化形成的Ca（OH）2较多，Ca（OH）2 与SiO2和Al2O3 反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙钙矾石，钙矾石体积膨胀，抗压强度降低，当矿物掺合料较多，水泥水化产物Ca（OH）2较少，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，成为水化产物的一部分，其微细颗粒均匀分布在水泥浆中，填充孔隙，改善混凝土孔结构，提高混凝土的密实度，从而使试件的强度得到提高。

为进一步研究硅灰与粉煤灰、矿渣三种矿物掺合料的掺量对水泥净浆性能的影响，从而确定硅灰与粉煤灰或硅灰与矿渣的最佳掺加量为选用硅灰与粉煤灰共同取代水泥用量的10%，硅灰与粉煤灰的适宜比例为1：1。

图3（硅灰粉煤灰掺量8﹪） 图4（硅灰粉煤灰掺量20﹪）

图5（硅灰矿渣掺量8﹪） 图6（硅灰矿渣掺量20﹪）

4结论

经实验研究表明，选用矿物掺合料（硅灰与粉煤灰和硅灰与矿渣）取代水泥用量是完全可行的，而且也取得了预期的效果。

硅灰与粉煤灰复掺总体上对试件强度的提高作用不太明显，且随取代水泥质量分数的提高，下降的越快，只在少数几个配比下起到了提高效果，如取代水泥

质量分数为8%，硅粉比为1：2。与硫酸盐腐蚀后的试件强度相比，也可发现硅灰、粉煤灰复掺要劣于单纯使用硅灰的抗腐蚀效果。硅灰与矿渣复掺有利于提高强度，随取代水泥质量分数的增大，效果要越明显，其中效果最好的配比为：取代水泥质量分数为20%，硅矿比为1：4。抗硫酸盐侵蚀效果较好的为取代水泥质量分数8%，此时掺合料中的硅灰比例较高，其微集料效应使孔隙率大为下降，有效阻止了硫酸盐的侵蚀作用，因此强度下降不明显。

参考文献：

[1]钱觉时.粉煤灰特性与粉煤灰混凝土.北京：科学出版社，2002.

[2]吴中伟、廉慧珍.高性能混凝土.北京：中国铁道出版社，1999.9.

[3]姚燕.新型高性能混凝土耐久性的研究与工程应用.北京：中国建材工业出版社， 2004.1