矿物成分改性混凝土强度的研究

摘要：利用纳米黏土、飞灰和稻壳灰分别按照0、12.5%、25%、37.5%和50%的比例替代水泥制备了混凝土试样，并对试样的强度进行测试。结果表明：含飞灰试样的抗压强度随着替代比的增加先增后减，在掺量=12.5%时达到最大值，其他试样的抗压强度则随着替代比的增加逐渐降低；抗折强度随着替代比的增加先增后减，在掺入比=12.5%时试样的抗折强度达到最大值。

关键词：混凝土、矿物成分、强度

引言

冻融耐久性是混凝土的关键特性之一，尤其在寒冷地区，混凝土构筑物经常经历季节性的冻融循环过程；若混凝土的冻融耐久性不足，就无法达到设计年限也难以保证工程安全，这需要对普通混凝土进行改性以提高其冻融耐久性，改性混凝土强度应满足实际要求。

许多学者利用不同的材料对混凝土进行改性，并对改性后混凝土的冻融耐久性进行研究。例如有学者利用塑钢纤维[1， 2]、聚乙烯纤维[2， 3]和玄武岩纤维[4]制备了混凝土试样，冻融循环试验和力学试验结果表明塑钢纤维可有效地抑制轻骨料混凝土的冻融损伤；钢纤维和聚丙烯纤维对混凝土的抗折强度有明显的促进作用，而对抗压强度的影响较为微弱；玄武岩纤维能一定程度地提高混凝土的起裂韧度和失稳韧度，但不能完全抑制冻融循环对混凝土的损伤效应。除了纤维材料之外，国内外的学者也利用粉煤灰多时会对混凝土的耐久性产生不利影响。同时，也有学者对矿渣[11， 12]、粉煤灰[11， 12]和橡胶粉[13]改性的再生骨料混凝土的耐久性进行了试验研究，试验结果指出15%的粉煤灰对混凝土的冻融耐久性最佳；粉煤灰和矿粉能够明显改善再生骨料混凝土的抗氯离子渗透性能。

综上可知，目前对混凝土耐久性进行改善的常用材料主要有纤维材料和矿物掺合料两大类。相比于上述材料，农业副产品稻壳灰具有数量大，价格低的特点；同时，纳米矿物掺合料也目前研究的热点；而这两种材料对混凝土强度影响的较少。为此本文利用纳米粘土、稻壳灰以及飞灰对混凝土进行改性，并对改性后试样的强度进行研究；通过对比获得三种不同材料对混凝土强度的影响规律；以此为这些材料在混凝土耐久性方面的应用给出建议。

1. 试验材料与方法

1.1 试验材料

胶凝材料为42·5级普通硅酸盐水泥；矿物外掺料为纳米黏土、飞灰和稻壳灰，水泥和矿物掺料的化学成分见表1。细骨料为河砂，细度模数为2.51，比重为2.64；粗骨料为碎石，最大粒径22mm。

1.2配合比设计及试样制备

纳米黏土、飞灰和稻壳灰均按照0%、12.5%、25%、37.5%和50%的比例替代水泥进行混凝土试样的制备。同时，以未掺入任何矿物成分的试样为对照组，所有试样的分组和配合比见表2。

参照表2共需制备13种试样；按照实验配合比表进行材料配比、混合、搅拌和浇筑的步骤进行试样制备；抗压试验试样为150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体；抗折试验试样为150 mm×150 mm×600mm的标准棱柱体。采用分批浇筑，在浇筑的过程中对试样进行震动密实；24 h后进行试样脱模和编号，并放入标准养护环境（20±2℃和相对湿度 95%以上）下养护。

达到养护龄期之后参照《GB/T50081-2019混凝土物理力学性能试验方法标准》进行强度测试。

2. 试验结果

2.1抗压强度

强度试验结果如表3所示。为了更加清晰的显示试样的抗压强度随着矿物成分替代比的变化规律，将不同试样试验结果绘成如图1所示的曲线。由图1可知，在未经历冻融循环时，FA试样的抗压强度随着替代比的增加先增后减，在替代比=12.5%时达到最大值。而其他试样的抗压强度则随着替代比的增加逐渐降低，如图1。表明12.5%的飞灰能够提高混凝土的试样，而用纳米黏土和稻壳灰替代水泥会对混凝土的强度产生负面影响。

2.2. 抗折强度

不同试样的抗折强度如图3所示。同抗压强度，在此也只展示了0次和50次冻融循环后的试验结果。在未经历冻融循环时，除NC-90d的试样外，其他试样的抗折强度均随着替代比的增加先后减，且12.5%为最优掺量。在掺量=12.5%和28d龄期下FA试样的抗折强度最高，为8.4MPa。而经历50次冻融循环之后， FA-90d试样抗折强度随着替代比的增加先增后减，在12.5%时达到最大值6.4MPa。而，其他试样的抗折强度均随着替代比的增加逐渐降低。但是，整体上90d龄期时试样的强度均较28d时的强度要高。

3结论

为了分析纳米黏土、飞灰和稻壳灰改性混凝土的强度，本文利用这三种矿物材料按照一定比例替代水泥制备了混凝土试样，并进行了强度，获得了以下结论：

1. FA试样的抗压强度随着替代比的增加先增后减，在替代比=12.5%时达到最大值；其他试样的抗压强度则随着替代比的增加逐渐降低。

2.抗折强度均随着替代比的增加先后减，在12.5%达到最大值。在90d龄期下的平均抗折强度高于28d龄期下的平均抗折强度。

参考文献：

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项目支持：本文得到宁夏回族自治区创新训练计划项目“矿物成分改性混凝土强度的研究”的支持。

作者简介：高路宽（2002-）男，本科生，河北邯郸人。E-mail：1578920358@qq.com。

通信作者：冯娜（1984-）女，山西临县人，硕士，副教授。研究方向：土木工程材料。E-mail：369478853@qq.com。