矿渣细骨料混凝土孔隙结构对抗压强度的影响.pdf

2 0 1 6年 第 3期 总 第 3 1 7 期 N u mb e r 3 i n 2 0 1 6 T o t a l No ． 3 1 7 混 凝 土 Con c r e t e 原材料及辅助物料 M AT ERI AL AND ADMI NI CLE d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 3 5 5 0 ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 2 0 矿渣 纽骨料混凝土孔隙结构对抗压强度 的影 响 石东升 ， 王安 内蒙古工业大学 土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 0 1 0 0 5 1 摘要 通过试验分别测定了粒化高炉矿渣和天然砂分别作为细骨料时混凝土的抗压强度及孔隙分布和孔隙度 ， 分析 了混凝土 孔隙结构对其抗压强度的影响。 结果表明 与普通混凝土相 比， 粒化高炉矿渣代砂混凝土早期抗压强度略低于普通混凝土但其 后期强度增长较快 ， 且水胶比越大粒化高炉矿渣代砂混凝土后期强度增长越快 ； 混凝土孔隙度 随龄期 的增大而减小 。 在水胶比 相同的情况下， 普通混凝土孔隙度小于粒化高炉矿渣代砂混凝土孔隙度。 对于采用 同种细骨料的混凝土， 水胶 比越大其孔 隙度 也越大 ； 混凝土的抗压强度随孔隙度的增大而减小， 且孔隙尺寸越大数量越多混凝土的抗压强度越小。 关键词 粒化高炉矿渣； 混凝土； 孔隙分布； 孔隙度； 抗压强度 中图分类号 T U 5 2 8 ． 0 4 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 6 0 3 0 0 8 0 0 4 E ffe c t o f s l a g f i n e a g g r e g a t e c o n c r e t e p o r e s t r u c t u r e on c o mp r e s s i v e s t r e n g t h S HIDo n gs h e n g，WANG An S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g， I n n e r Mo n g o l i a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， H o h h o t 0 1 0 0 5 1 ， Ch i n a Abst r a c t Thr o ug h t h e e x p e r i me n t me a s u r e d i n t h e g r a n u l a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g a n d n a t u r a l s a n d a s fin e a gg r e g a t e c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d po r e d i s t rib ut i o n a n d p o r o s i t y， a n a l y z e s the i n f l u e n c e o f p o r e s tr uc t ur e o n the c o mp r e s s i v e s t r e n g t h． Th e r e s u l t s s h o w t h a t c o mp a r e d wi t h o r d i n a r y c o n c r e t e， t h e c o mp r e s s i v e s e n g t h o f c o n c r e t e c o n t a i n i n g g r a n u l a t e d b l a s t f ur n a c e s l a g a g g r e g a t e s a t e a r l y i s l o w b u t i t s l o n g a g e d s t r e n g th i n c r e a s e s r a p i d l y， a n d t h e wa t e r b i n d e r r a t i o mo r e b i g t h e l o n g a g e d s t r e n g th o f t h e c o n c r e t e c o n t a i n i n g gr a n u l a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g f a s t e r g r o wth． Co n c r e t e p o r o s i t y d i m i n i s h e s wi t h a g e． I n t h e c a s e o f t h e s a m e wa t e r b i n d e r r a t i o， t h e p o r o s i t y of t he o r d i na r y c o n c r e t e i s l o we r t ha n t h e c o n c r e t e c o n t a i n i n g g r a n ul a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g ． To a d op t t h e s a me fin e a gg r e g a t e c o n c r e t e， wa t e r b i n d e r r a t i o t h e g r e a t e r t h e p o r os i t y i s l a r g e r ． Th e c o mp r e s s i ve s t r e n g th o f c on c r e t e d e c r e a s e s wi t h t h e i nc r e a s e o f p o r o s i t y， t he mo r e p o r e s i z e， the g r e a t e r the n u mb e r o f p o r e， t h e s ma l l e r t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g th o f c o n c r e t e ． Key wor ds g r a n u l a t e d b l a s t f u ma c e s l a g； c o n c r e t e； p o r e d i s t r i b u t i o n； p o r o s i t y； c o mp r e s s i v e s tre ng th 0 引言 1 原材料及试验方法 高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣 。 当 熔融状态的高炉矿渣经水淬骤冷成粒状矿渣 时， 称为粒化 高炉矿渣 。 粒化高炉矿渣的化学成分和普通硅酸盐水泥较 为接近 ， 具有一定的潜在水硬性。 粒化高炉矿渣 的物理性 质类似于天然砂。 与天然砂相 比， 粒化高炉矿渣颗 粒形状 不规则 、 表面较为粗糙且孔隙较多。 研究表 明， 粒化高炉矿 渣作为混凝土细骨料其压碎指标值要远远大于天然砂 。 在 相 同水胶 比的条件下 ， 粒化高炉矿渣代砂混凝土 的早期强 度略低于普通混凝土 ， 但其后期强度增长较快 ， 粒化 高炉 矿渣代砂混凝土后期强度 已和普通混凝土非 常接近 ， 有的 甚至 已超过普通混凝土强度 。 本研究通过试验分别测定 了粒 化高炉矿渣 和天然砂 分别作为细骨料时混凝土 的孔 隙分布和孔隙度 ， 研究 了混 凝土抗压强度和其孔隙结构之间的关系 ， 并结合 国外 已有 的孔隙度与强度的半经验计算式对试验数据进行拟合 。 1 ． 1 原材料及配合 比 水泥 P 0 5 2 ． 5 级水泥和 P L H 5 2 ． 5 级低热硅酸盐水 泥 ； 矿渣 选取 3种不 同产地 的粒化高 炉矿渣 ， 分 别记为 S一1 、 S一2和 s一3 ， 其 表观 密 度分 别 为 2 7 7 0 、 2 6 9 0 、 2 5 8 0 k g ／ m ， 含水率分 别为 0 ． 7 4 ％、 0 ． 6 7 ％和 2 ． 4 5 ％； 天然 砂 中砂 ， 细度模数 2 ． 7 9 ， 表观密度为2 6 0 0 k g ／ m ， 含水率 为 2 ． 0 9 ％； 碎石 粒径 5 ～ 1 5 mm 的碎石 ； 减水 剂 聚羧 酸高 效减水剂。 混凝土配 合 比设 计 4个 强 度 等 级 ， 水 胶 比分别 为 0 ． 5 5 、 0 ． 4 0 、 0 ． 3 0 、 0 ． 2 5 ， 水胶 比为 0 ． 2 5时采用低热硅酸盐水 泥 ， 其余 的均采用普通硅酸盐水泥。 每 个强度等级 的混凝 土均采用 4种不同的细骨料 ， 分别为天然砂和 3种不同产 地的粒化高炉矿渣 S一 1 、 S一 2 、 S一 3 ， 水胶 比为 0 ． 5 5和 O ． 4 O时 ， 拌合物坍落度通过减水剂控制在 1 7 0 2 2 0 n q lT l 之 间 ， 水胶 比为 0 ． 3 0和 0 ． 2 5时 ， 拌合物扩展度通过减水剂控 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 4 0 7 基金 项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 2 6 8 0 4 1 ； 内蒙 占草原英才支撑项 目； 国家留学基金 委西部人才培养特别项 目 8 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1混凝土 配合 比 制在 5 5 0 ～ 6 5 0 m m 之间， 具体 的配合 比见表 1 。 1 ． 2试 验 方 法 混凝土的拌和采 用 6 0 L的单 卧轴强制式搅拌机 。 试 件 尺寸 为 1 5 0 m m z 1 5 0 mm x 1 5 0 mm。 所有混凝土成 型 试件均在温度为 2 0 5 ℃的条件下养护 2 4 h后脱模 ， 再 在温度为 2 0 2 o C， 相对湿度 为 9 5 ％以上 的标准养 护条 件 下养护 至规 定龄 期。 混凝 土抗压 强度 的测 定按 G B ／ T 5 0 0 8 1 --2 0 0 2 普通混凝 土力学性能试验方法标准 进行 ； 混凝 土 细 骨 料 的 孔 径 分 布 和 孑 L 隙度 的 测 定 按 G B ／ T 2 1 6 5 0 ． 1 _2 0 0 8 压汞法 和气体吸附法 测定 固体材料孔 径 分布和孔隙度 进行。 2 试验结果与分析 2 ． 1抗 压 强 度 表 2为 4种不 同细骨料混凝土各龄期的抗压强度 ， 由 表 2可见 4种不 同细 骨料混凝 土的抗压强度 随时间的变 化趋势是一致 的， 即随着龄期 的不断增 加抗压强度也不断 提高。 在相 同水胶 比的条件下 ， 粒化高炉矿渣代砂 混凝土 的早期抗压强度略低 于普通混凝土 ， 但 其后期强度增长较 快 ， 特别是在 2 8 d后 ， 普通混凝土 的强度增长 已经非常缓 慢 ， 但粒化高炉矿渣代砂混凝土仍能以较快的速度保持增 长 ， 且水胶 比越大其后期增长速度越快。 当水胶 比为 0 ． 5 5 时 ， 粒化高炉矿 渣代砂混凝 土 9 1 d的抗压强度甚 至 已经 超过普通混凝 土。 2 ． 2孔隙分布和孔 隙度 表 3 、 4为 4种细骨料混凝土 2 8 、 9 1 d的孔 隙分布和孔 隙度。 由表 3 、 4可知 4种不 同细骨料混凝土的孔隙度 随龄 期的变化趋势是一致的 ， 即随着龄期的增加混凝 土的孔 隙 度逐渐变小。 在水胶 比相同的情况下 ， 普通混 凝土孔 隙度 要小于粒化高炉矿渣代砂混凝土孔隙度 。 对于采用同种细 骨料的混凝土 ， 水胶 比越大其孔隙度也越大 。 分析出现上 述情况的原因可能是 因为随着龄期的不 断增长 ， 水泥的水 化反应逐渐完全加上 内部混凝 土的收缩使原来 的大 孔逐 渐变成小孔 ， 小孔逐渐消失 ， 进而导致孔隙度减小。 因为粒 化高炉矿渣颗粒形状不规则 ， 表面较为粗糙且其孔隙较多 所以导致粒化高炉矿渣代砂混 凝土的孔 隙度大 于普 通混 凝土的孔隙度 。 水胶 比越大水量越大 ， 即混凝 土内部的游 离水就越多 ， 水泥水化产 生的凝胶体就越少 ， 无法充 分填 充混凝土 内部 的孔隙， 所以导致混凝IT L 隙度增大 。 表 2混凝 土抗 压强 度 2 ． 3 混凝土抗 压强度 和孔 隙度 的关 系 在水泥石强度理论 中， 孔 隙度模型 因易于计算 、 模 型 与试验结果吻合较好等特点而得 到推 崇 。 长期 以来 ， 人 们建立了多达十余种描述孔 隙度 与强 度关 系的半经验计 算式 ， 其 中最具代表性 、 应 用较广泛 的有 以下 2种 R y s h k e v i t c h计算式和 T ． C ． P o w e r s 计算式。 R y s h k e v i t c h计算式 为 ．81 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 混凝土 2 8 d孔隙分布和孔隙度 F F o e 1 式中 F 实际的抗压强度 ； 孔隙度为零的理想条件下的抗压强度 ； p 孔隙度 ； b 试验常数。 T ． C ． P o w e r s 计算式为 F A P 2 式 中 F 。 实际的抗压强度 ； P 孔隙度 ； A， ， z 试验常数 。 。 运用以上两个半经验计算式对总体 3 2组孔隙度 一 强 度数据进行拟合 ， 并考虑到粒化高炉矿渣和天然砂的物理 化学性质存在一定 差异 ， 对 混凝 土强度存在一定影 响， 故 运用以上两个半经 验计算 式分别 对 4种细骨料混凝土孔 隙度 一 强度数据进行拟合。 表5为不同计算式拟合结果比 较 ， 图 1 为运用不同计算式拟合得到 的曲线 。 ． 8 2 表 5 不同计算式拟合比较结果 由表 5可以看 出各组数据拟合结果 比较理想 ， 3种不 同粒化高炉矿渣细 骨料混凝 土和天然砂 细骨料 混凝土 的 抗压强度和孔隙度 的关 系均很好 地符合 2种半 经验计算 式 ， 并考虑到粒化高炉矿渣代砂混凝 土的强度和普通混凝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 的强度非常接近 ， 故从强度方 面来看 ， 粒化 高炉矿渣可 以代替天然砂作为混凝土的细骨料。 由图1 可以直观的看 出混凝土 的抗压强度随孔隙度的减小而增大。 分析其 原因 可能是因为孔隙度大混凝土 内部含有 的孔洞多且大 ， 在结 构上存在一定缺陷 ， 且在早期水泥水化 反应 不完全 ， 造成 其早期抗压强度较低 。 随着 时间的推 移 ， 水 泥水化将继续 进行 ， 混凝土内部的孔隙逐渐由大变小 ， 孔隙度 逐渐减少 ， 孑 L 隙的空 间联结度加大 ， 抗压强度 因而增加。 矗 耋 营 孔 隙度／ ％ a R y s h k e v i t c h 扎 隙 厦 ／ ％ f b T ．C ． P o we r s 模 型 图 1 两种计 算式拟 合 曲线 另外从 表 2可以看 出粒化 高炉矿渣代砂混凝土后期 强度增长较快 ， 这是 因为粒化 高炉矿 渣存在 潜在水硬性 ， 导致其后期水化作用大于普通混凝土 ， 水泥进一步水 化的 同时又改善优化了混凝土的孑 L 隙结构 ， 所 以粒化高炉矿渣 代砂混凝土 的后期强度增长较快 。 目前 国内粒化高炉矿渣 主要用于水泥原料 以及磨细后作 为混凝土 的掺合料 ， 但无 论是作为水泥原料还是加工成微粉 末作为混凝土 的掺合 料 ， 都需要对粒化高炉矿渣进行磨细 ， 而且其 的潜 在活性 需要磨 细到 比表面积大于 4 0 0 m ／ k g才能发挥 ， 相关研究 结果表明粒化高炉矿渣微粉末的比表面积大于 6 0 0 m ／ 才能充分发挥潜在活性 ， 而普通硅酸盐水泥的 比表 面积 只 有 3 0 0 m ／ k g 。 此外 ， 粒化高炉矿渣的玻璃体含量高 ， 易碎 难磨 ， 而且粒化高炉矿渣粉体颗粒的球形度随着粒径的减 上接第 7 9页 [ 7 ]王震宇， 王俊亭， 袁杰． 活性粉末混凝土配置技术的试验研究I- J - 1 ． 施工技术 ， 2 0 0 5 ， 3 4 增刊 7 3 7 6 ． [ 8 ]冯乃谦． 新实用混凝土大全 2版 [ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 5． 3 5 4 3 60 ． [ 9 ]苏捷， 方志． 不同骨料组分混凝土立方体抗压强度尺寸效应试 验研究[ J ] ． 建筑结构学报， 2 0 1 4 ， 3 5 2 1 5 21 5 6 ． [ 1 0 ] 何峰， 黄正宇． 硅灰和石英粉对活性粉末混凝土抗压强度贡献 的分析[ J ] ． 混凝土， 2 0 0 6 1 3 9 4 2 ． 小而变差 ， 这使得粒化高炉矿渣微 粉末 的应用受到一定 的 限制 。 但从 上述试 验结果 可以看 出 ， 粒 化高炉矿渣不作处 理直接作为混凝土 的细骨料 ， 既可以充分发挥粒化高炉矿 渣 的潜在 活性 ， 又可 以拓宽粒化 高炉矿 渣的利用途径 、 减 少混凝土对天然砂 的消耗 、 保护 自然环 境 ， 符 合我 国 目前 经济 、 社会 、 生态三者协调统一发展的 目标 。 3 结论 1 在相同水胶 比的条件下 ， 粒化 高炉矿渣代砂混凝 土的早期抗压强度略低于普通混凝土， 但其后期强度增长 较快 ， 特别是在 2 8 d后 ， 普通混凝 土的强度增长 已经非 常 缓慢 ， 但粒化高炉矿渣代砂混凝土仍能以较快 的速度保持 增长 ， 且水胶比越大其后期增长速度越快 。 2 混凝土孔隙度 随龄期 的增 大而减小 ， 在水胶 比相 同的情况下 ， 普通混凝土孔隙度要小于粒化高炉矿渣代砂 混凝土孔隙度 。 对于采用 同种细骨料 的混凝土 ， 水胶 比越 大其孔 隙度也越大。 3 混凝土的抗压强度 随孔 隙度 的减小 而增大 ， 且普 通混凝土和粒化高炉矿渣代砂 混凝土 的抗压强度 和孔隙 度的关系均很好地符合 R y s h k e v i t c h 计 算式 和 T ． C ． P o w e r s 计算式 。 从强度方 面来看 ， 粒化高炉矿渣可 以代替 天然砂 作为混凝土的细骨料 。 4 粒化高炉矿渣作 为混凝土 的细 骨料 ， 既可以充分 发挥粒化高炉矿渣 的潜在活性 ， 又可以拓宽粒化高炉矿渣 的利用途径 、 减少混凝土对天然砂 的消耗 、 保护 自然环境。 参考文献 [ 1 ]依田彰彦． 高炉七 、／ 高炉又 骨材老粗 合扫世允 j、／夕l J 性簧} 二 ， [ J ] ． 足利工棠大学研究集 ， 2 0 0 7． 41 4 5 5 O． [ 2 ]刘数华 ， 阎培渝． 石灰石粉对水泥浆体填充效应和砂浆孔结构 的影H E J ] ． 硅酸盐学报， 2 0 0 8 ， 3 1 6 9 7 2 ． [ 3 ]贺行洋 ， 苏英， 曾三海 ， 等． 水泥石强度分析与孔隙率强度模型 构造r J ] ． 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 1 1 4 1 9 2 2 ． 1- 4 ]R Y S H K E WI T C H E ． C o m p r e s s i o n s t r e n g t h o f p o r o u s o f s i n t e r e d a l u m i n a a n d z i r c o n i a [ J ] ． J o u r n a l o f t h e C e r a mi c S o c i e t y ， 1 9 5 3 ， 3 6 2 一 1 9 2 2 ． [ 5 ]P O WE R S T C ． S t r u c t u r e a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f h a r d e n e d p o t l a n d c e m e n t [- J ] ． J o u r n a l o f t h e C e r a m i c S o c i e t y ， 1 9 5 8 ， 4 1 1 6 ． 第 一作 者 联 系地址 联系电话 石东升 1 9 7 1 一 ， 男， 工学博士 ， 教授， 研究方向 建筑 材料、 预应力混凝土。 内蒙古工业大学土木工程学院 0 1 0 0 5 1 1 5 2 48 1 5 0 8 7 6 [ 1 1 ] 谢友均 ， 刘宝举 ， 龙广成． 掺 超细粉煤灰活性粉末混凝土的研 究r J ] ． 建筑材料学报 ， 2 0 0 1 ， 4 3 2 8 0 2 8 4 ． 第一作者 联 系地址 联系电话 马恺泽 1 9 8 1一 ， 男， 副教授 ， 研究方向 混凝土结构 抗震及延性材料研究。 长安大学建筑工程学院 7 1 0 0 6 1 1 5 8 2 9 3 9 7 0 0 0 8 3 加如加m∞ 蚰 加∞如∞如 、 睡 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m