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马来滨

廊坊市文安县公路事业发展中心

摘 要：首先对矿物掺合料的种类及混凝土配合比设计进行了简单地阐述，并对粉煤灰、矿渣、硅灰三种活性矿物掺合料对水泥混凝土抗压强度的影响进行了分析，通过28d氯离子扩散系数及氯离子电通量产生的变化对混凝土的渗透性能进行了评价，得出粉煤灰、矿渣粉和硅灰三种掺合料掺量相同时，龄期28d混凝土强度要高于3d、7d、14d，同时混凝土中粉煤灰、矿渣和硅灰的掺入也极大地提高了混凝土的抗渗性能。

关键词：混凝土配合比设计;抗压强度;氯离子扩散系数;电通量;

作者简介：马来滨（1980—），男，工程师，研究方向为公路工程。;

1 矿物掺合料的种类及化学性能

矿物掺合料主要是矿渣、Ⅰ级粉煤灰、硅灰三种。矿物掺合料细度为2.5%[1]，需水量比为95%，粉煤灰密度为2.85g/cm3，粉煤灰45μm方孔筛筛余量为4.9%，不同掺合料的化学性能及比表面积见表1。

表1 三种矿物掺合料化学性能及比表面积 下载原图

2 混凝土配合比设计

2.1 水灰比计算

根据设计规范，C30混凝土配制强度按式（1）计算。

式（1）中：fcu,0为混凝土配制强度（MPa);fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值，本试验混凝土强度为30MPa；σ为混凝土标准差（MPa）。

由于实验室内1～3个月无同一等级、同一品种的混凝土强度资料，混凝土标准差参照表2取值。

表2 标准差σ值 下载原图

单位：MPa

由表2可得C30混凝土标准差4.5，结合式2可得：

取fcu,0=37.40MPa进行计算。本试验混凝土设计强度不大于C60，因此水胶比按式（3）计算。

式（3）中：W B为混凝土水胶比；αa、αb为回归系数，按表3进行取值；fb为胶凝材料28d胶砂强度为45.5MPa

表3 回归系数αa、αb选用表 下载原图

通过表2和式2并结合表3，由于此次试验采用的是碎石，则有：

，根据相关混凝土搅拌站配合比资料，将水胶比固定为0.51。

2.2 每立方米混凝土的胶凝材料用量

每立方米混凝土的胶凝材料用量利用式（4）进行计算。

式（4）中：mbo为每立方米混凝土的胶凝材料用量；mwo为每立方米用水量，取198.2kg/m3。

通过式（4）计算，则有：

2.3 粗骨料和细骨料用量

采用质量法计算混凝土粗、细骨料用量时，应按式（5）和式（6）计算。

式（5)～(6）中：mgo为每立方米混凝土粗骨料用量（kg/m3);mso为每立方米混凝土的细骨料用量（kg/m3);mcp为每立方米混凝土拌和物的假定质量，可取2 500kg/m3。

假定每立方米混凝土拌和物的假定质量为2 500kg/m3，砂率为0.39，通过式（5）和式（6）计算得到砂为751.2kg/m3，碎石为1 162kg/m3。

2.4 混凝土配合比设计

本试验中的基准混凝土配合比的设计按C30设计，选用粉煤灰、矿渣和硅灰作为掺合料，矿物掺合料采取等量取代水泥的方法，设计粉煤灰掺量分别为水泥用量的5%、15%和30%，设计矿渣的掺量分别为水泥用量为20%、40%和60%[2]，硅灰的掺量为水泥用量的5%、10%、15%。综上所述，混凝土配合比如表4所示。

表4 C30混凝土配合比 下载原图

3 矿物掺合料对混凝土力学性能影响

矿物掺合料对混凝土力学性能影响主要体现在抗压强度和抗折强度两大指标，在这里我们重点分析抗压强度这个指标[3]。

3.1 粉煤灰对混凝土试块抗压强度影响

对不同龄期，粉煤灰掺量占水泥掺量5%,15%和30%时的混凝土抗压强度进行试验，所得结果见图1。

图1 混凝土试块抗压强度与粉煤灰的关系图 下载原图

从图1可以看出，当粉煤灰的掺量从基准混凝土增加到水泥掺量的5%,C30混凝土在3d、7d、14d、28d的抗压强度随着掺量的加入都在不断下降，当粉煤灰的掺量从5%增加到15%,C30混凝土在3d、7d、14d、28d的强度随着掺量的加入在不断地上升，并达到了最高值，当粉煤灰的掺量从15%增加到30%，除了在3d的龄期强度随着粉煤灰掺量不断增强而加大，其他的龄期的强度随着粉煤灰掺量的加大而减小，另一方面，当矿渣掺量相同时，龄期混凝土抗压强度增加幅度比3d、7d、14d都大，可见，当粉煤灰的掺量在15%,C30混凝土28d抗压强度最好。

3.2 矿渣对混凝土试块抗压强度影响

按照矿渣的掺量分别为水泥用量的20%、40%和60%制作混凝土试块，将混凝土养护至3d、7d、14d、28d时进行抗压强度试验，得到的试验结果如图2所示。

图2 混凝土试块抗压强度与矿渣的关系图 下载原图

由图2可知，当混凝土3d龄期时，矿渣掺量为20%,C30混凝土的3d强度大于基准混凝土15.1MPa，当矿渣掺量大于20%时达到60%时，C30混凝土强度随着掺量加大而不断下降，都低于基准混凝土。当混凝土28d龄期时，掺入矿渣的C30混凝土强度都明显高于基准混凝土34.9MPa，当矿渣掺量相同时，龄期28d混凝土强度增加幅度比3d、7d、14d都大，且随着矿渣掺量的增加，其也是先增后减；随着矿渣掺量的加大，不同龄期的抗压强度也在不断发生变化，由增到减，并在矿渣掺量为20%时，不同龄期的混凝土抗压强度都达到了峰值。由此可见，矿渣掺量在20%时，不同龄期的混凝土强度都达到最大值。

3.3 硅灰对混凝土抗压强度的影响

在3d、7d、14d和28d时，对硅灰掺量5%,15%和30%时的混凝土抗压强度进行测试，所得实验结果见图3。

图3 混凝土试块抗压强度与硅灰关系图 下载原图

由图3可以看出，当硅灰掺量相同时，28d的龄期强度要大于3d、7d、14d的龄期强度；在不同的龄期范围内，随着硅灰掺量的加入，C30混凝土的抗压强度也在不断上升，并在龄期28d、掺量为15%的情况下，C30混凝土的强度达到了最大值，并且硅灰掺量在10%以内的混凝土强度增加速率最快。

4 矿物掺合料对混凝土渗透性能的影响

4.1 矿物掺量对混凝土28d氯离子扩散系数的影响

氯离子是造成钢筋锈蚀重要原因。氯离子的渗透性是评价混凝土抵抗氯离子侵蚀的一个重要参数。矿物掺合料对混凝土的抗渗性的影响主要是通过氯离子扩散系数快速测定法（NTBuild492法）和氯离子电通量两个指标进行评价。将粉煤灰5%、15%、30%、矿渣粉20%、40%、60%、硅灰5%、10%、15%的比例掺入到混凝土中时，养护至28d后，对其进行氯离子扩散系数快速测定试验（NTBuild492法），试验得到各个混凝土试件的氯离子扩散系数见图4。

图4 矿物掺量对混凝土28d氯离子扩散系数的影响 下载原图

由图4可以看出，当粉煤灰掺量从5%提高到了30%,28d龄期氯离子呈现下降的趋势，相比基准混凝土，粉煤灰掺量在5%、15%、30%，分别下降了25.9%、38.50%和46.7%。28d氯离子扩散系数随着混凝土中粉煤灰的掺入量加大而降低，说明粉煤灰的掺入提高了混凝土的抗渗性能。当矿渣粉掺量从20%增加到60%时，28d龄期氯离子随着矿渣掺量的增加而缓慢下降；相对于基准混凝土，矿渣粉掺量在20%、40%、60%,28d的氯离子扩散系数分别下降了34.0%、43.8%、58.3%，说明混凝土28d氯离子扩散系数随着矿渣粉的增加而下降，说明混凝土抗氯离子渗透性不断增强。当硅灰掺量5%增加到15%，混凝土的28d氯离子扩散系数从基准混凝土扩散系数23.15×10-12m2/s分别降低为10.95×10-12m2/s、3.66×10-12m2/s和2.13×10-12m2/s，分别降低了52.7%和84.2%、90.8%，当硅灰掺量在10%以内时，混凝土的28d氯离子扩散系数随着硅灰含量的增加而大幅度下降，混凝土的抗氯离子渗透性能迅速提高，但随着硅灰掺量的提高，硅灰含量超过10%达到15%时，混凝土的28d氯离子扩散系数变化很小，混凝土内部的结构密实度很难再改变，所以氯离子扩散系数很小，很难再降低[4]。

4.2 矿物掺合料对氯离子电通量的影响

将配合比5%、15%、30%的混凝土养护至28d后，水泥用量为323kg/m，粉煤灰掺量5%、10%、15%、30%、矿渣掺量20%、40%、60%、硅灰掺量5%、10%、15%试验得到各个混凝土试件的氯离子电通量见图5。

图5 混凝土氯离子电通量与矿物掺量的关系 下载原图

从图5可以看出，当粉煤灰掺量从5%增加到30%，混凝土的28d氯离子电通量从基准混凝土的3 063.2C分别变为2 962.8C、2 074.3C、2 066.3C，分别降低了32.8%、32.3%和67.5%，当粉煤灰掺量在5%范围内对混凝土的电通量变化不是很大，随着粉煤灰掺量增加到15%和30%后，相对基准混凝土（不掺加粉煤灰）电通量的下降幅度很大，特别是粉煤灰掺量在5%～15%，更是呈现出直线下降的趋势，当粉煤灰掺量在15%～30%时，混凝土的28d氯离子电通量的变化很小，由此可见，混凝土电通量会随着粉煤灰的掺量的增加而不断地下降，粉煤灰掺量在5%～15%时尤为明显。随着矿渣掺量从0%增加到60%，混凝土28d的氯离子电通量从基准混凝土的3 063.2C分别变为2 215.3C、1 851.6C和1 301.3C，分别降低了27.7%、39.2%和57.5%，说明矿渣掺量的增加，会导致混凝土的氯离子电通量的降低，矿渣对混凝土28d的氯离子抗渗性有很好的改善作用。当硅灰掺量从5%增加到15%，混凝土的28d氯离子电通量从基准混凝土的3 063.2C分别变为1 462.4C、876.5C、706.5C，分别降低了52.3%、71.4%,76.9%，当硅灰掺量在5%范围内混凝土的电通量变化幅度很大，硅灰掺量为10%～15%时，电通量的下降幅度较平缓[5]，由此可见，混凝土电通量会随着硅灰的掺量的增加而不断下降，在掺量10%以内下降的幅度表现更加明显。

5 结论

(1）当粉煤灰掺量15%、矿渣掺量为20%、硅灰掺量控制在10%时，不同龄期的C30混凝土抗压强度最好。粉煤灰、矿渣粉和硅灰三种掺料掺量相同时，龄期28d混凝土抗压强度比3d、7d、14d要更高。

(2) 28d氯离子扩散系数随着混凝土中粉煤灰、矿渣和硅灰的掺入量的加大而不断降低，说明掺入量的大小有效地影响了凝土的抗渗性能，掺入量越大，抗渗性能越好。

(3) 28d氯离子电通量随着粉煤灰、矿渣和硅灰的掺入量加大而降低，说明三种矿物掺入量能有效地改善氯离子抗渗性。

参考文献

[1] 于景超.大掺量复合矿物掺合料高性能混凝土在桥梁工程中的应用[J].混凝土，2012(2):101-104.

[2] 马骅，裘智辉，仲新华. C50高性能混凝土在邢衡高速公路工程中的应用[J].中外公路，2013(3):300-303.

[3] 罗伯光，覃荷瑛.矿物掺合料对再生混凝土抗氯离子渗透性能的影响[J].公路工程，2014(5):72-74.

[4] 徐长伟，高杰，张阳，等．利用正交设计方法分析矿物掺合料对混凝土渗透性的影响[J].混凝土，2012(3):101-103.

[5] 杨雪.基于早期电阻率进行水泥28d抗压强度预测的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

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