复掺高性能矿粉对高强机制砂混凝土力学性能的影响_郝卓佳.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-04-28基金项目 广西高校中青年教师科研基础能力提升项目(编号:2021KY1402)。作者简介 郝卓佳(1983),男,讲师,硕士。通信作者 张永亮(1975),男,教授,博士,博士研究生导师。复掺高性能矿粉对高强机制砂混凝土力学性能的影响郝卓佳1 张永亮2(1.柳州铁道职业技术学院建筑技术学院,广西 柳州 545616;2.兰州交通大学土木工程学院,甘肃 兰州 730070)摘 要 机制砂的使用能够有助于缓解河砂资源较为紧张的问题,与此同时,高性能矿粉作为矿物掺合料的典型代表,能够局部代替水泥,因而有助于减少单位质量胶凝材料生产所造成的碳排放量。为探究复掺高性能矿渣粉的高强机制砂混凝土的力学性能,采用坍落度和扩展度、抗压强度和抗折强度、弹性模量和氯离子迁移系数等测试手段分别对不同矿粉质量分数下的机制砂混凝土进行了分析。结果表明:当机制砂混凝土体系中不含矿粉时,坍落度和扩展度的值均为 5 组混凝土试样中最小,然而随着矿粉掺量增大,混凝土坍落度和扩展度均有所增大。矿粉质量分数增大使得早期和后期抗折强度均有所下降,然而后期抗压强度无显著变化,其中不掺入矿粉和掺 20%矿粉的混凝土 28 d 抗压强度分别为 87.4 MPa 和 87.1 MPa。当矿粉掺量为 5%时,弹性模量在 5 组配合比中最高,为 4.13104 MPa。当矿粉掺量超过 10%后,弹性模量则表现出显著下降。矿粉质量为 20%时,混凝土弹性模量最低。掺入矿粉的各组机制砂混凝土氯离子迁移系数均较为稳定,且随着矿粉掺量增加有小幅下降。关键词 矿粉 机制砂混凝土 坍落度和扩展度 力学性能 弹性模量 氯离子迁移系数 中图分类号TU528 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-260-06DOI 10.19614/ki.jsks.202302036Effect of High-performance Slag on the Mechanical Property of High Strength Manufactured Sand ConcreteHAO Zhuojia1 ZHANG Yongliang2(1.Architectural Institute of Technology,Liuzhou Railway Vocational Technical College,Liuzhou 545616,China;2.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)Abstract The application of manufactured sand sand can help alleviate the shortage of river sand resources.At the same time,the high-performance mineral powder,as a typical representative of mineral admixtures,can partially replace cement and thus help reduce the carbon emissions caused by the production of cementitious material per unit mass.In order to explore the mechanical properties of high-strength manufactured sand concrete mixed with high-performance slag,this study analyzed the classification of manufactured sand concrete under different blast-furnace slag mass fraction by means of slump and expansion,compressive strength and flexural strength,elastic modulus and chloride ion migration coefficient.The results show that:When there is no slag in the manufactured sand concrete system,the values of slump and expansion diameter are the lowest among the five groups of concrete.However,with the increase of slag content,the slump and expansion diameter of concrete in-crease.The increase of slag mass fraction makes the flexural strength decrease in the early and late stage,but there is no significant change in the later compressive strength.The 28 d compressive strength of concrete without slag and concrete with 20%slag are 87.4 MPa and 87.1 MPa respectively.When the content of slag is 5%,the elastic modulus is the highest among the five groups of mix proportion,which is 4.13104 MPa.However,when the content of slag exceeds 10%,the elastic modulus decreases significantly.When the mass of slag is 20%,the elastic modulus of concrete is the lowest.The chloride ion migra-tion coefficient of each group of manufactured sand concrete mixed with slag is relatively stable and decreases slightly with the increase of slag content.Keywords slag powder,manufactured sand concrete,slump and expansion,mechanical property,elastic modulus,chlo-ride ion migration coefficient062 随着我国的基础设施建设规模日益扩大,对天然砂的需求也与日俱增,不可避免地导致了天然砂资源的急剧减少和短缺1-2。作为天然砂的主要替代材料,机制砂已被广泛用于混凝土体系中1-5。机制砂是指使用制砂机和其他辅助设备加工的砂,最终成品比较均匀,可以加工成各种所需粒径的砂从而适应不同工艺的需要。与天然砂相比,机制砂的颗粒表面不均匀,棱角较多6,这也是其与表面较为光滑规则的天然砂的最主要区别。机制砂不规则的表面形态,会导致其具有更大的比表面积从而需要更多体积的浆体来包裹,从而影响其早期和易性以及容易泌水。机制砂混凝土的力学性能的影响因素众多,包括石粉含量、砂率和级配等。与天然砂相同,不同粒径分布的机制砂会显著影响混凝土骨料的密实填充状态,从而影响混凝土的力学强度7-9。与此同时,有研究表明,较高含量的石粉不利于混凝土强度的发展,并且还会导致机制砂的级配不良从而降低混凝土体系的和易性10-11。因此目前的现行标准仍然对石粉含量有严格的限制。高强混凝土材料致密且坚硬,抗渗透和抗碳化性优良,具有高强度和高耐久等特性12-14。目前,高强混凝土除了应用在高层建筑和大跨度桥梁等工程以外,还可被应用在海洋等对耐海水侵蚀和冲刷能力要求较高的领域。由于其更为广泛的工程应用范围和前景,高强混凝土仍是目前混凝土行业具有发展前景的方向。与此同时,由于水泥的生产需要消耗大量能源以及排放二氧化碳,矿物掺合料作为局部代替水泥用量的组分被越来越广泛地应用在胶凝材料中,因此它们也可被称为替代胶凝材料15-17。矿粉、粉煤灰和偏高岭土是目前较为常见的矿物掺合料,其中矿渣粉是炼铁工业的废料,以玻璃质为主且具有火山灰特性。相关研究表明:掺入矿渣可增加混凝土的氯离子渗透性和水泥浆体在新拌阶段的流动性18-19。由此可见,矿粉已经成为配制大多数混凝土常用的矿物掺合料。综上所述,将机制砂和高性能矿粉引入混凝土体系中能够在达到天然砂所对应混凝土强度的前提下,进一步节省混凝土材料成本、能源消耗和碳排放。本研究分别从坍落度和扩展度、抗压强度和抗折强度、弹性模量和氯离子迁移系数等方面分析了高性能矿粉对高强机制砂混凝土力学特性的影响,为优化机制砂混凝土性能提供理论和试验参考。1 试 验1.1 原材料及配合比采用 PO 42.5 普通硅酸盐水泥作为主要胶凝材料,复掺的高性能高炉矿渣为 S95 级。其中,水泥和矿渣的密度和比表面积分别为 3.11 g/cm3、341 m2/kg 和 2.97 g/cm3、408 m2/kg。水泥和矿粉的化学组成见表 1。采用聚羧酸减水剂来分散水泥浆体中的絮凝结构以改善其流动性,其减水率为 22.7%。本研究采用的机制砂和碎石母岩均为玄武岩,其主要指标分别见表 2 和表 3。表 1 水泥和高性能矿渣粉化学组成Table 1 Chemical composition of cement and high performance slag powder%材料SiO2CaOFe2O3Al2O3MgOK2ONa2O水泥18.4565.893.214.541.710.810.13矿渣粉24.2932.0315.0213.828.45表 2 机制砂的主要指标Table 2 Main indicators of machine-made sand检测指标细度模数压碎值/%含泥量/%氯化物含量/%吸水率/%表观密度/(kg/m3)检测值3.2812.380.10.001 61.972 846表 3 碎石的主要指标Table 3 Main indicators of crushed stone级配粒径/mm表观密度/(kg/m3)压碎值/%孔隙率/%520267910.4932.5 本研究的 5 组配合比见表 4,从 C1到 C5依次为每组混凝土试样进行编号。本研究 C80 高强混凝土胶凝材料用量根据普通混凝土配合比设计规程(JGJ552011)确定为 500 kg/m3,高性能矿粉掺量为 025%,水胶比恒定为 0.3,砂率为 40%,减水剂根据调整后确定其掺量为 6%。表 4 机制砂混凝土配合比Table 4 Manufactured sand concrete mix ratiokg/m3配合比水泥矿渣粉机制砂碎石水减水剂C15000717.71 076.61506C247525717.71 076.61506C345050717.71 076.61506C442575717.71 076.61506C5400100717.71 076.615061.2 试验方法(1)坍落度和扩展度。坍落度和扩展度均按照普通混凝土拌合物性能试验方法标准(GB/T 50080