文 星

(巴音郭楞蒙古自治州水利水电勘测设计院，新疆 库尔勒 841000)

混凝土是由胶凝材料胶结集合骨料形成整体的一种人工复合材料，同时也是人类社会使用最多的人工建筑材料。现代水泥自从19世纪20年代被波兰特发明以来，其得益于原料丰富，价格低廉，生产工艺简单等优势，在包括水利工程在内的各个领域得到了广泛应用。随着中国经济社会的发展，水利工程建设对混凝土的需求量日益增加，其带来的环境问题也日渐突出。同时，随着水利工程技术水平的提升，水工结构对混凝土的性能也提出了更高的要求[1]。因此，寻求低污染的绿色高性能混凝土就成为水工材料研究领域的重要课题。相关研究显示，将矿粉、粉煤灰、钢渣等工业固废按照一定比例加入混凝土，可以有效改善水工混凝土的性能[2]。但是，目前针对工业固废掺合料提升混凝土性能的研究主要集中于固废类型的选择和掺加比例的优化，而常见的工业固废掺合料由于体积安定性不良，会影响到混凝土性能的改善效果[3]。另一方面，针对碳化改善工业固废掺合料的性质，进而提升水工混凝土性能的研究不多，具有移动的理论价值和实际应用价值[4]。基于此，此次研究选择碳化矿粉，通过室内试验的方式探讨其对水工混凝土力学性能的影响。

1.1 试验材料

1)水泥：考虑水工混凝土组分的复杂性，试验中如果选用矿渣水泥或火山灰水泥，可能会引起混凝土中所含胶凝材料成分变得复杂，不利于混凝土的配置和试验研究的顺利进行，而纯硅酸盐水泥制备并不容易，因此选择锦州方北水泥厂生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥。经测定，所选水泥材料样本的各项物理指标和化学组分均符合国家标准。

2)骨料：水工混凝土的骨料由粗骨料和细骨料组成。其中，细骨料一般选择来源广泛、级配良好、质地坚硬的河砂[5]。此次研究选择是锦州市鑫源砂石料厂的天然河沙，其细度模数为2.58，为中砂。试验中使用的粗骨料为级配碎石，其岩性为石灰岩，质地坚硬、压碎率低，和混凝土中的胶凝材料具有良好的亲和力。经测定，试验用粗骨料的粒径范围为5-20 mm，其堆积密度为1680kg/m3。

3)水和减水剂：试验中选用的是经化工合成的非引气型高效减水剂，化学名称萘磺酸盐甲醛缩合物，对水泥粒子具有较强的分散作用，试验中掺入含量为0.75%的粉剂。试验用水为当地的普通自来水。

4)碳化矿粉：试验用矿粉为山东济南鲁新新材有限公司生产的S90粒化高炉矿渣粉。在试验中首先利用室内试验用复式碳化搅拌装置进行碳化矿粉的制备。该装置主要由温度控制系统、湿度控制系统、压力控制系统和时间控制系统组成。该装置具有控制方便，操作简便的特点。

1.2 试验方案

结合试验的目的和相关研究成果，以水泥胶凝材料用量为标准，确定0%、5%、10%、15%和20%五种不同比例分别掺入碳化矿粉和普通矿粉取代部分胶凝材料制作混凝土试件，通过对不同试验方案试件在7 d和28 d龄期的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量的试验，分析碳化矿粉对水工混凝土力学性能的影响。

试验中混凝土试件采用的是100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，混凝土的制作采用的是小型搅拌机。在准备好试验所需要的各种材料之后，利用电子秤准确称量出各种材料的使用量，然后将粗骨料和细骨料倒入润湿过的搅拌锅中搅拌100 s，然后加入水泥、碳化矿粉、减水剂和水再连续搅拌70s，然后迅速将拌制好的混凝土取出，放在振捣台上振动90s。在振动完毕之后，将试件的上表面抹平[6]。制作好的试件在静置24h后脱模编号，然后放入标准养护室养护至试验规定的龄期。

对养护至规定龄期的混凝土试件进行抗压强度、抗折强度和弹性模量进行试验。其中，抗压其强度试验的加载速率控制在0.5 MPa/s，记录好试件破坏是的荷载值，并计算出抗压强度值[7]。在进行劈裂抗拉强度试验过程中，应该以0.2 MPa/s的加载速率进行均匀加荷试验。由于此次研究采用的是试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，并非标准尺寸，因此在劈裂抗拉强度试验计算时应该乘以折减系数0.85[8]。在弹性模量试验中，使用TM-II 型弹性模量测定仪测试试件的轴心抗压强度，然后再计算获取混凝土的弹性模量。此外，为了保证试验结果的科学性和准确性，每种试验方案测试三个试件，以其试验结果均值作为该方案的最终试验结果。

3.1 抗压强度试验结果与分析

对不同试验方案的混凝土试件7d和28d龄期的抗压强度进行试验。根据试验结果绘制出混凝土抗压强度随矿粉掺量的变化曲线，7d龄期抗压强度变化曲线，见图1；
28d龄期抗压强度变化曲线，见图2。由图1和图2可以看出，矿粉掺量是混凝土抗压强度的主要影响因素之一。随着矿粉掺量的增加，混凝土在7 d和28 d龄期的抗压强度均呈现出先增大后平稳减小的变化特点。无论是7 d龄期还是28 d龄期，当矿粉掺量为10%时，混凝土的抗压强度值最大。但是，在7 d龄期条件下，混凝土抗压强度的变化量较小，而28 d龄期混凝土抗压强度的变化较为显著。就其原因，主要是矿粉的水化活性地域水泥，因此在早期水化产物的生成量较小，因此对混凝土抗压强度的影响不明显，而在养护后期，水泥中的活性水化组分完全消化，而矿粉仍可以持续水化，因此强度值变化较为明显。从不同性质矿粉的试验结果来看，在其他条件相同时，掺入碳化矿粉的混凝土抗压强度值明显偏大。以28 d龄期为例，掺入10%碳化矿粉时混凝土的抗压强度值为40.34 MPa，与掺入10%普通矿粉混凝土37.23 MPa的抗压强度值相比，增加了约8.35%。由此可见，采用碳化矿粉对提高水工混凝土抗压强度效果显著。

图1 7d龄期抗压强度变化曲线 图2 28d龄期抗压强度变化曲线

3.2 劈裂抗拉强度试验结果与分析

对不同试验方案的混凝土试件在7d和28d龄期的劈裂抗拉强度进行试验。根据试验结果绘制出混凝土劈裂抗拉强度随矿粉掺量的变化曲线，7d龄期劈裂抗拉强度变化曲线，见图3；
28d龄期劈裂抗拉强度变化曲线，见图4。由图3和图4可以看出，矿粉掺量会对混凝土劈裂抗拉强度产生显著影响，且对28d龄期的影响更为明显，其原因与抗压强度类似，这里不再敷述。随着矿粉掺量的增加，混凝土在7d和28d龄期的劈裂抗拉强度均呈现出先增大后平稳减小的变化特点。无论是7d龄期还是28d龄期，当矿粉掺量为10%时，混凝土的劈裂抗拉强度值最大。从不同性质矿粉的试验结果来看，在其他条件相同时，掺入碳化矿粉的混凝土劈裂抗拉强度值明显偏大。以28d龄期为例，掺入10%碳化矿粉时混凝土的劈裂抗拉强度值为7.30MPa，与掺入10%普通矿粉混凝土6.71MPa的劈裂抗拉强度值相比，增加了约8.79%。由此可见，采用碳化矿粉对提高水工混凝土的劈裂抗拉强度效果显著。

图3 7d龄期劈裂抗拉强度变化曲线 图4 28d龄期劈裂抗拉强度变化曲线

3.3 弹性模量试验结果与分析

对不同试验方案的混凝土试件在7 d和28 d龄期的弹性模量进行试验。根据试验结果绘制出混凝土弹性模量随矿粉掺量的变化曲线，7d龄期弹性模量变化曲线，见图5；
28d龄期弹性模量变化曲线，见图6。由图5和图6可以看出，矿粉掺量会对混凝土弹性模量产生显著影响，且对28 d龄期的影响更为明显。同时，混凝土试件弹性模量的变化规律与抗压强度的变化规律基本一致。由此可见，弹性模量和抗压强度之间存在较为密切的关系。从具体的变化规律来看，当矿粉的掺量为10%时，混凝土试件的弹性模量值最大，为矿粉的最佳掺量水平。

图5 7d龄期弹性模量变化曲线 图6 28d龄期弹性模量变化曲线

此次研究通过室内试验的方式，探讨了碳化矿粉对水工混凝土力学性能的影响，并获得如下主要结论：

1)水工混凝土中掺入矿粉，会对混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度以及弹性模量产生显著影响，且28 d龄期的影响更为显著。

2)混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度以及弹性模量随着矿粉掺量的增加先增大后减小，当矿粉掺量为10%时获得最大值。

3)在其他条件相同时，掺入碳化矿粉混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度以及弹性模量，明显偏大，说明掺入碳化矿粉更利于提高混凝土的力学性能。

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