袁雪蓮，胡 杰

1.皖江工學院土木工程學院，安徽馬鞍山，243001;

2.馬鞍山市中鑫工程質(zhì)量檢測咨詢有限公司，安徽馬鞍山 243001

我國北部沿海地區(qū)冬季寒冷，氣溫最低可達-20 ℃以下，東三省冬期施工長達3～6個月[1]，工程所占比重可達30%，寒冷地區(qū)混凝土建筑的施工安全越來越受到人們的重視[2]。混凝土是建筑、橋梁、隧道、水工等工程領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種材料，施工溫度降到4℃以下，混凝土中水分受冷膨脹，孔隙內(nèi)自由水凍結(jié)，混凝土強度會隨著未凍結(jié)孔隙的減少和液相的固態(tài)轉(zhuǎn)變而提高，強度較低的混凝土產(chǎn)生破壞。因此，低溫下服役的混凝土力學性能會受到一定的影響。低溫下混凝土的力學性能主要表現(xiàn)為以下四個特征[3-8]：(1) 低溫會導致混凝土彈性模量增加、強度提高；(2)低溫時混凝土含水率越高則抗壓強度增長越大，強度的增長跟含水率呈線性關(guān)系；(3)自由水凍結(jié)有利于提高混凝土強度，但是研究顯示在-120 ℃時，冰的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如繼續(xù)降溫，混凝土的強度變化出現(xiàn)離散性；(4)反復凍融會降低混凝土在低溫時的強度。

國內(nèi)外學者也對大摻量磨細礦渣混凝土低溫性能進行了報道，許賢敏和曹德辰[9-10]由試驗說明可通過添加粉煤灰和硅灰等外加劑在低溫海水條件下提高高強混凝土的性能，并分析了在此條件下混凝土受破壞的主要原因；程智清[11]研究了低溫養(yǎng)護條件下混凝土早期強度，早強劑和礦渣的加入有助于混凝土早期強度的提高，而采用磨細礦渣與超細粉煤灰雙摻的辦法不僅可以有效地提高混凝土的早期強度，還能改善混凝土的和易性；劉軍等[12]研究了不同摻量礦物摻合料的混凝土在低溫條件下的強度發(fā)展情況。但是鮮有學者將低溫環(huán)境和大摻量磨細礦渣混凝土進行耦合研究，本文系統(tǒng)地研究了低溫條件下大摻量磨細礦渣混凝土的力學性能，探明低溫條件下大摻量磨細礦渣混凝土的力學性能變化規(guī)律，為低溫環(huán)境大摻量磨細礦渣混凝土的工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 試 驗

1.1 原材料

試驗所使用的水泥為海螺公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥；試驗用粗骨料為10～20 mm小石， 20～40 mm中石，比例為3∶7，所用小石及中石都符合《建筑用卵石，碎石》(GB/T14685-2001)標準要求，均為Ⅱ類碎石。試驗所用細骨料砂為市場所購河砂，經(jīng)檢測細度模數(shù)2.3，為Ⅱ區(qū)Ⅱ類河砂，符合《建筑用砂》(GB/T14684-2001)標準要求。試驗采用磨細礦渣作為摻合料，符合《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》(GB/T18046-2000)標準中S105級的要求。試驗所用外加劑為江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的HLC高效減水劑，符合《混凝土外加劑》(GB8076-2008)標準要求。

1.2 配合比

以配合比(磨細礦渣摻量)和試驗溫度為變量，統(tǒng)一標準養(yǎng)護，研究大摻量磨細礦渣混凝土在低溫時的力學性能。試驗樣品分為KF0、KF55、KF65、KF75四個配合比分組，溫度分組為20 ℃、-5 ℃、-20 ℃、-40 ℃四個分組，具體配合比如表1所示。

表1 大摻量磨細礦渣混凝土配合比

1.3 拌合物性能

本試驗通過測量坍落度、坍落度損失、拌合物表觀密度來衡量混凝土拌合物的性能。試驗結(jié)果如表2中數(shù)據(jù)，四組混凝土拌合物均有坍落度損失，最小5.3%，最大達到了7.5%?？梢园l(fā)現(xiàn)，混凝土中加入礦渣后，流動性要好于未加礦渣的基準參照組，原因主要是礦渣的微集料效應(yīng)。礦渣其比表面積比水泥大得多，因此顆粒也更加細小，當?shù)V渣加進混凝土后，其細小顆粒能有效地填充水泥顆粒之間的各種縫隙，使得水泥漿體更加緊密，漿體的級配更加連續(xù)完整，降低標準稠度用水量，在保持相同用水量的條件下可以提高拌合物的流動性。

表2 混凝土拌合物性能

1.4 實驗方法

本文中硬化漿體性能測試按照《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346-2001)進行，力學性能測試按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL352-2006)的要求進行操作，試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的非標準試件，尺寸系數(shù)0.95。物相組成分析采用德國BRUKER D8 Advance型X射線衍射儀測定儀，顯微結(jié)構(gòu)分析采用日本HITACHI S3400-N型掃描電子顯微鏡。

本文測定選用維氏顯微硬度。試樣用凈漿攪拌機攪拌成型。分為四組：一組為不摻磨細礦渣的純水泥漿體，編號kf0，另三組分別為不同摻量磨細礦渣的水泥漿體，編號kf55、kf65、kf75，模具尺寸50 mm×50 mm×40 mm。恒溫恒濕養(yǎng)護箱養(yǎng)護28 d后取出，切割成尺寸為5 mm×5 mm×10 mm的試樣。試驗前將測試面依次用240#、500#和1000#的金相砂紙進行打磨至表面光滑，再用拋光機對測試表面進行拋光，硬化水泥水泥表面反光度很低，因此，為了在測試時能夠清晰地看到壓痕的大小，需對測試表面進行噴金處理。顯微硬度試驗采用HDX-1000數(shù)顯顯微硬度儀，荷載大小為0.1 kgf，加壓時間15秒。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對不同礦渣粉摻量混凝土力學性能的影響

測試不同礦渣粉摻量混凝土的3 d、7 d、28 d、56 d抗壓強度、溫度對不同礦渣粉摻量混凝土力學性能的影響，試驗結(jié)果見圖1。

圖1 不同溫度條件下大摻量磨細礦渣混凝土的抗壓強度

由圖1可知，隨著溫度的降低，各組配比混凝土試樣的抗壓強度隨之提高。不同配比的混凝土試樣，其抗壓強度都隨齡期的增長而增大，但KF0早期強度(3 d、7 d)明顯要高于摻入礦渣的另三組，如3 d、-20 ℃時，KF0、KF55、KF65、KF75的強度為35 MPa>34.2 MPa >34 MPa>33.3 MPa。隨著齡期的發(fā)展，28 d時，后三組的強度追趕上甚至高于KF0。56 d時，幾乎所有摻入礦渣的試樣強度都要高于KF0，如56 d、-20 ℃時，KF0、KF55、KF65、KF75的強度為59.6 MPa、61.5 MPa、63.5 MPa、64.7 MPa。以28 d時KF65的抗壓強度為例，KF65在-5 ℃時強度提升24.3%，-20 ℃時提升27.3%，-40 ℃提升35.8%。同時，溫度越低，強度提升越明顯。以28 d時KF65的抗壓強度為例，-5 ℃、-20 ℃和-40 ℃的強度提升幅度為24.3%、27.3%、35.8%，溫度越低強度提升幅度越大。這是由于混凝土中存在的裂隙與微裂縫孔徑大小各異且連續(xù)分布，范圍很廣。然而在毛細作用的影響下，較小的孔隙先水飽和，然后過渡到大孔隙。由于彎曲液面的影響，孔隙水的液-固相變臨界溫度是隨孔徑的減小而降低。所以，低溫時先是混凝土內(nèi)較大的孔隙水凍結(jié)，溫度降低到較小孔隙的臨界溫度時，較小孔隙水才開始凍結(jié)。所以當混凝土試樣溫度降到零下時，較大的孔隙其內(nèi)部的水開始凍結(jié)，對混凝土的抗壓強度起到提升的作用，如若溫度降至更低，較小的孔隙水也開始凍結(jié)，更進一步提高混凝土的強度。

2.2 溫度對不同礦渣粉摻量混凝土顯微硬度的影響

測試不同礦渣粉摻量混凝土的3 d、7 d、28 d、56 d顯微硬度、溫度對不同礦渣粉摻量混凝土微觀力學性能的影響，試驗結(jié)果見圖2。由圖2可知，四組的顯微硬度都隨溫度的降低而上升，例如KF65、28d時在20 ℃、-5 ℃、-20 ℃、-40 ℃的顯微硬度為75HV0.1、89 HV0.1、95 HV0.1、96 HV0.1。壓頭壓在硬化水泥漿體表面時，由于壓頭與漿體接觸的區(qū)域及其周圍有許多細小的孔隙，受壓漿體并非致密的整體，測試得到的硬度受孔隙應(yīng)力缺陷的削弱，不能真正代表漿體的硬度。而受低溫冷凍后，孔隙內(nèi)部水分凍結(jié)，將空洞撐滿，受壓時對孔隙起到一定的支撐作用，能顯著地提高受壓漿體的硬度。

圖2 不同溫度條件下大摻量磨細礦渣水泥漿體的顯微硬度

雖然顯微硬度隨著溫度的降低而升高，但總體趨勢趨于平緩。如t-20對于t-5的提升要大于t-40對于t-20的提升。這是因為孔隙越小，內(nèi)部的水只有在更低溫度時才會凍結(jié)。t-20時，大部分的較大孔隙已經(jīng)凍結(jié)，而溫度降到t-40時，相比t-20只有少數(shù)細小孔隙的水分凍結(jié)，因此對受壓局部漿體硬度的提升不再那么明顯。但是四組顯微硬度均在t-5時有較大幅度的增長，在0 ℃時大部分較大的孔隙中水分凍結(jié)，對硬度提升效果最明顯。

2.3 不同礦渣粉摻量混凝土微觀結(jié)構(gòu)

2.3.1 XRD衍射分析

從圖3中可以很明顯地看出，摻入礦渣后水化產(chǎn)物中Ca(OH)2的含量明顯變少。摻入礦渣的水泥加入水后，熟料與水反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣和氫氧化鈣。整個漿體為堿性環(huán)境，Ca(OH)2作為礦渣的堿性激發(fā)劑，能夠解離礦渣里的玻璃體結(jié)構(gòu)，釋放SiO2和Al2O3進入溶液，發(fā)生二次反應(yīng)生成更多的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，使集料界面區(qū)Ca(OH)2晶粒變小，降低了孔隙率，提高了界面處的黏結(jié)力，提高了漿體的物理性能。

圖3 純水泥(SN)和摻入礦渣的水泥(KF)漿體圖譜

2.3.2 SEM掃描電鏡分析

由圖4對比可直觀看出，不摻磨細礦渣的純水泥漿體和摻入礦渣的水泥漿體在500倍時沒有太大區(qū)別，可見礦渣的摻入對硬化漿體中較大的孔隙沒有起到明顯的作用。在5 000倍時，摻入礦渣的硬化水泥漿體要比不摻磨細礦渣的純水泥漿體致密些，水化產(chǎn)物間膠結(jié)更緊密，沒有松散的片狀晶體結(jié)構(gòu)。細小孔隙減少了漿體內(nèi)部的應(yīng)力缺陷，提高了硬化漿體的強度。從圖4中可明顯看出，不摻磨細礦渣的純水泥漿體硬化后孔洞內(nèi)部有大量的鈣礬石針狀晶體，而摻入礦渣的漿體孔洞處較為致密平整。礦渣的加入大大地減少了鈣礬石數(shù)量，硬化漿體更加致密，水化更加完全，強度更高。礦渣的作用是與氫氧化鈣(Ca(OH)2)發(fā)生二次水化反應(yīng)，從而消耗大部分的氫氧化鈣，從XRD分析可以看出加入礦渣后漿體中氫氧化鈣數(shù)量驟減，抑制了水化鋁酸四鈣的形成，最終減少鈣礬石的生成。因此，SEM圖譜中摻入礦渣的硬化水泥漿體中幾乎找不到鈣礬石的存在，礦渣作用明顯。

圖4 純水泥(SN)和摻入礦渣的水泥(KF)漿體SEM圖譜

3 結(jié) 論

本文研究了大摻量磨細礦渣混凝土在低溫時的力學性能，設(shè)計混凝土立方體抗壓試驗、硬化水泥漿體XRD和SEM試驗和顯微硬度試驗，得出結(jié)論如下：

(1)低溫能提高混凝土的抗壓性能。低溫能將混凝土中的孔隙水凍結(jié)，凍結(jié)后的水填滿孔隙和裂縫，在混凝土受壓破壞時，對孔隙和裂縫起到一定的支撐粘結(jié)作用，延緩了裂紋的擴大和發(fā)展，提高混凝土的抗壓強度；

(2)低溫能提高硬化水泥漿體的顯微硬度。低溫能凍結(jié)受壓局部漿體的內(nèi)部孔隙水，凍結(jié)的孔隙水在孔隙受壓時能起支撐作用，從而提高整體受壓局部漿體的硬度。添加礦渣后使得硬化漿體的致密度更高、孔隙率更低，受壓局部漿體更加密實，從而提高顯微硬度。

(3)礦渣的摻入能有效降低硬化水泥漿體中氫氧化鈣(Ca(OH)2)的含量，減小氫氧化鈣晶粒的大小，從而大大地減少鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)的生成，使得松散的針狀鈣礬石晶體幾乎不存在，提高了硬化水泥漿體的密實度，減小孔隙率，提高界面強度。