Vol ・35 No ・3
Jun. 2021
第35卷第3期
2021年 6月
粉煤灰综合利用
FLY ASH COMPREHENSIVE UTILIZATION
矿渣对轻骨料混凝土耐久性影响试验研究
Experimental Study on Effect of Slag on Durability of Lightweight Aggregate Concrete
陈学理s 赵玉红2，张陌2
(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州450003；
2.北京工业大学建筑与工程学院，北京100000)
摘 要：矿物掺合料能有效改善混凝土内部孔隙结构，提高混凝土密实度。本文针对轻骨料混凝土耐久性问题，
通过掺加不同比例的矿渣粉，对不同掺量比例的矿渣型轻骨料混凝土进行冻融循环与硫酸盐侵蚀试验研究，探究矿渣 粉掺量对不同强度等级的轻骨料混凝土抗冻性能及抗硫酸盐侵蚀性能的影响规律。结果表明：掺加一定量的矿渣对轻 骨料混凝土抗冻性能具有良好促进作用，矿渣掺量相同情况下，混凝土设计强度越高，抗冻性能促进效果较明显；相
同强度等级混凝土，随着矿渣掺量增加，抗冻性能呈先增加后减小趋势，矿渣内掺比例不宜超过40%，外掺比例可适 当增加；混凝土试件的质量损失率及抗压强度损失率在相同浓度硫酸盐溶液中随着矿渣粉的增加呈现先减小后增加的 趋势，研究成果可为冻融-硫酸盐侵蚀复合环境下轻骨料混凝土工程质量控制和耐久性评价提供理论依据。
关键词：矿渣；耐久性；抗压强度；冻融循环；硫酸盐
中图分类号：TU528. 2
文献标志码：A 文章编号：1005-8249 (2021) 03-0088-05
D0I ：10.19860/jki.issn1005-8249.2021.03.016
CHENXueli 1, ZHAO Yuhong 2, ZHANG Mo 2
(1. Yellow River Engineering Consulting Co. , Ltd. , Zhengzhou 450003, China ；
2. School of Beijing University of Technology, Beijing 100000, China )
Abstract : Mineral admixtures can effectively improve the internal pore structure of concrete and improve the density of concrete. Aiming at the durability problem of lightweight aggregate concrete , this paper studies the freeze-thaw cycle and sulfate corrosion test of slag lightweight aggregate
concrete with different proportion of slag powder , and explores the frost resistance of different strength grade lightweight aggregate concrete with
slag powder The results show that adding a certain amount of slag has a good promotion effect on the frost resistance of lightweight aggregate concrete. U nder the same slag conten
t , the higher the concrete design strength , the better the frost resistance ； for the same strength grade concrete , with the increa of slag content , the frost resistance first increas and then decreas. The results show that the mass loss rate and
compressive strength loss rate of concrete specimens in sulfate solution with the same concentration decrea at the first and then increa with the increa of slag powder. The rearch results can provide theoretical basis for the quality control and durability evaluation of lightweight aggregate
concrete under the combined environment of freeze -thaw -sulfate attack.Keywords : slag ； durability ； compressive strength ； freeze-thaw cycle ； sulfate
作者简介：陈学理（1980-），男，硕士，高级工程师，研究方
向：建筑材料试验研究。
收稿日期：2020-09-16
0引言
随着生产工艺发展及节能减排政策的实施，轻 骨料混凝土的应用案例越来越多。轻骨料混凝土具
有自重轻、绿色环保、保温及抗震性能好等特点，
・88
・白夜行名句
陈学理等：矿渣对轻骨料混凝土耐久性影响试验研究第3期
尤其生产工艺的进步使得高强度轻骨料混凝土应用越来越多。与普通碎石混凝土类似，轻骨料混凝土作为水泥基材料也面临耐久性问题。
硫酸盐侵蚀是导致水泥基材料耐久性破坏的一种常见现象［1-3］。具有火山灰效应的矿物掺合料可有效改善水泥基材料的微观结构，提高轻骨料混凝土胶凝材料之间、胶凝材料与集料之间的密实性与黏聚性，从而提高轻骨料混凝土抗冻性能及抗硫酸盐侵蚀性能［4-5］。矿渣与水泥水化产物能发生“二次水化反应”，促进水泥进一步生成C-S-H凝胶，降低水泥浆体的孔隙率，使混凝土的物理力学性能大幅度提高［6-10］。
东部沿海地区因气候原因导致混凝土构件易受冻融循环，也会导致水泥基材料耐久性破坏，环境温度处于0T以上时，混凝土表面水分沿孔隙或毛细孔通路向混凝土构件内部渗透；当环境温度降低到0T以下时，孔隙中的水分结成冰，产生膨胀应力，导致混凝土结构破坏。矿渣可增加混凝土密实度，降低
孔隙率，减少水分渗透率，改善混凝土构件抗冻性［11-12］。
本文主要研究了在冻融-硫酸盐侵蚀(5%硫酸钠溶液全浸泡)复合作用下，矿渣粉掺量对不同强度等级轻骨料混凝土宏观力学性能、抗冻性能及抗硫酸盐侵蚀性能的影响规律。本研究将有利于冻融-硫酸盐侵蚀复合环境条件下的轻骨料混凝土配合比设计优化。
1原材料
水：试验所用水为纯净自来水；水泥：P-O 42.5普通硅酸盐水泥，各项性能指标均符合GB/T 17671—1999国家标准，化学组成成分见表1，物理指标见表2；矿渣：选用比表面积400kg/m3~ 600kg/m3的矿渣粉，化学组成成分见表1，物理指标见表3；砂：试验用砂为中等普通河砂，含泥量等符合JGJ52—2006标准要求，堆积密度为1510kg/m3；陶粒：页岩型陶粒，粒度等级为9.5mm~16mm，筒压强度为1.8MPa，软化系数M 0.85，满足相应要求，饱和吸水率为9.86%，密度等级为400级，堆积密度480kg/m3。
Table1Chemical composition of fly ash for test/%
表1试验用胶凝材料化学组成成分
胶凝材料CaO SiO2Al2O3Fe2O3MgO SO3Na2O e q f-CaO Cl-烧失量矿渣粉36.1033.5211.10 1.321
1.200.970.53--0.73 P•O42.5水泥63.8920.13 4.08 3.67 1.61 3.310.240.520.035 2.80
表242.5级普通硅酸盐水泥物理指标
Table2Physical index of grade42.5Portland cement变蛋怎么做
凝结时间/m in 抗折强度
/MPa
抗压强度
/MPa
比表
面积/
(m2/kg)
安定
性
标准稠
度/%
初凝终凝3d28d3d28d
227289 5.48.326.554.3355合格27.9
表3试验用矿渣粉物理性能指标
Table3Physical property index of slag powder for test
密度/(kg/m3)比表面积/(m2/kg)需水量比/%流动度比29504109293
2试验配合比
本研究以矿渣型混凝土的抗冻性能及抗硫酸盐侵蚀性能作为配合比设计依据，根据矿渣在胶凝材料中掺量的不同，设置7组梯度试验，矿渣掺加质量分数分别占胶凝材料总量0、10%、20%、30%、40%和50%，通过改变矿渣掺量，对不同强度等级混凝土试件的质量损失率、抗压强度损伤劣化进行试验，
以便研究混凝土抗冻性能及抗硫酸盐侵蚀性能良好的矿物掺合料比例。此外，研究“矿渣粉掺量-质量损失率”模型及“矿渣粉掺量-抗压强度损伤劣化”模型，便于施工应用。
各试验组材料用量采用质量比表示方法，以矿渣等质量取代水泥，保证各试验组胶凝材料总质量不变，以排除质量因素造成试验误差。试验配合比见表4。
3试验方法
(1)质量损失率冻融循环试验混凝土试件的质量损失率测试方法参照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。
(2)抗压强度制备150mmX150mmX150mm 标准立方体试块，参照GB/T4111—2013附录A块材标准抗压强度试验方法进行。
-89
-
第 35 卷
粉煤灰综合利用2021 年
表4试验配合比设计Table 4Test mix design
强度等级
矿渣水泥水砂陶粒
1.00
0. 35 1.610. 660. 10
0. 900. 35 1.610. 66C10
0. 200. 800. 35 1.610. 660.30
0. 700. 35 1.610. 660. 400. 600. 35 1.610. 660.500. 500. 35 1.610. 660
1.00
0. 32 1.700. 610. 10
我要去桂林0. 900. 32 1.700. 61C20
0. 200. 800. 32 1.700. 610.30
0. 700. 32 1.700. 610. 400. 600. 32 1.700. 610.500. 500. 32 1.700. 610
1.00
0. 28 1.760. 580. 10
0. 900. 28 1.760. 58C30
0. 200. 800. 28 1.760. 580.30
0. 700. 28 1.76
0. 58
0. 40 0. 60 0. 28 1.76 0.580. 50
0. 50
0. 28
1.76
0.58
4结果与分析
4.1质量损失率结果与分析
矿渣粉对混凝土微观结构会产生影响， 提高其
密实度，减少内部缝隙及孔隙数量，削弱水分沿缝
隙渗透率，从而降低在冻融-硫酸盐侵蚀复合作用下
遥控混凝土质量损失率。不同矿渣掺量下用于冻融-硫酸
盐侵蚀复合环境作用的混凝土质量损失结果见表5o
各试验组矿渣粉掺量与轻骨料混凝土冻融-硫 酸盐侵蚀复合环境作用下质量损失率变化关系如图
1所示，图2为不同强度等级混凝土质量损失率对
比图。
从表5可以看出，不同矿渣粉掺量对于混凝土
抗冻及抗硫酸盐侵蚀性能影响不同［13-14］。在矿渣
粉品质相同条件下，随着矿渣粉掺量增加，试件在 冻融-硫酸盐侵蚀复合作用下质量损失呈现先减小
后增加的趋势，如图1所示，掺矿渣粉混凝土的冻 融破坏机理主要是水分沿缝或孔隙进入其内部， 结
冰膨胀压力造成破坏［13-14］。矿渣粉具有火山灰效
应， 在混凝土中二次水化使得胶凝材料之间、 胶凝
材料与骨料之间的密实度提高，界面结构得到改
善，同时由于二次反应使得易受腐蚀的氢氧化钙数
量降低， 混凝土在冻融-硫酸盐侵蚀复合作用下耐
久性得到提高。
102030
C C C 二亠
.5
O .5
3.3.2%
補畫豊2.0
1.5
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
矿渣掺量
图1各试验组混凝土质量损失率变化图
Fig. 1 Change chart of concrete mass loss rate of each test group
68 l
66k -64k -62k -60k
%、>水聖嘲頤
58-----------------------------------------------------------------------------0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
矿渣掺量
图2各试验组抗压强度损失率
Fig. 2 Compressive strength loss rate of each test group
表5不同矿渣掺量混凝土质量损失测试结果
Table 5 Test results of concrete quality loss with different slag contents
强度等级
初始质量m 0/kg 最终质量叫/kg △叫/%11. 86±0. 3311.30+0.28 4. 72
11.62±0. 27
11. 19+0.26 3.7011.52+0.2111. 11+0. 19
3.60C10
11.41±0. 22
11.04+0.23 3.24
11.36+0.2111.03+0.22
2. 9011.24+0. 1810. 73+0. 19 4. 5412. 96+0. 28
12. 43+0. 23 4. 09
12.73+0. 26
12. 29+0. 27 3.46
12.51+0. 2512. 12+0.22
3. 12C20
12. 30+0. 23
11.99+0.21 2. 5212.22+0.2111.97+0.22 2. 0512. 11+0. 19
11.74+0.20
3.0613.77+0.3113. 29+0. 29 3.4613.58+0. 29
13. 15+0.28 3.02
13.37+0. 2613. 04+0. 24 2. 47C30
13. 18+0. 2412. 92+0. 23 1.9713. 11+0. 23
12. 89+0. 24 1.68
13.04+0.2112. 67+0. 20
2. 84
不同矿渣粉掺量对于轻骨料混凝土抗冻及抗硫
酸盐侵蚀性能影响不同。强度等级不同，相同掺量
矿渣粉对混凝土抗冻性能影响略有差异， 随着轻骨
・90
・
陈学理等：矿渣对轻骨料混凝土耐久性影响试验研究第3期
料混凝土强度等级的增加，相同矿渣掺量试件在冻融-硫酸盐侵蚀复合作用下质量损失均呈现减小的趋势，但不同强度等级影响效果不同（如图2所示）。在矿渣粉掺量40%时，对轻骨料混凝土抗冻及抗硫酸盐侵蚀性能影响效果较好（如图1所示），冻融循环试验结束后，质量损失率最低。采用内掺矿
物料的方法，根据混凝土体系内部空隙颗粒间的填充原则，矿渣等掺合料协同填充水泥颗粒之间的空隙，增加拌合物的黏聚性，从而提高混凝土力学性能。仅选择矿渣粉作为掺合料，且采用内掺方式，超过一定比例后对轻骨料混凝土抗冻性能影响效果较低，不宜超过40%，采用外掺方式可适当增加掺量比例。
4.2抗压强度结果与分析
矿渣对轻骨料混凝土微观结构会产生影响，提高其密实度，不同矿渣掺量下用于冻融-硫酸盐侵蚀复合环境作用的轻骨料混凝土抗压强度损伤劣化数据见表6，强度损失率用4表示。
表6不同矿渣掺量混凝土抗压强度测试结果
Table6Test results of concrete quality loss with different slag contents 强度等级初始强度/MPa最终强度/MPa4/%
12.69±0.46 4.18±0.2267.06
12.13±0.37 4.45±0.2363.31
11.68+0.41 4.32±0.1863.01
C10
11.22±0.38 4.25±0.2162.12
10.86±0.29 4.12±0.1762.06
9.45±0.31 3.46±0.1463.38
24.38±0.428.78±0.3363.97
22.89±0.388.61±0.3462.38
22.11+0.408.53±0.2961.42
C20
21.86±0.378.49±0.3161.16
21.39±0.338.46±0.2860.45
20.87±0.347.76±0.2562.82
33.51±0.5512.78±0.2261.86
32.26±0.4612.45±0.2361.41
31.69+0.5012.28±0.1861.25
C30
31.02±0.4712.05±0.2161.15
30.15±0.3812.02±0.1760.13
29.87±0.4211.37±0.1461.94
由表6可知，矿渣粉掺量40%陶粒混凝土强度损失率相对较低，相对于其余试验组混凝土试件具有良好的抗冻性及抗硫酸盐侵蚀性能。取样进行成分检测，在冻融循环试验结束时，矿渣掺量40%陶粒混凝土试件中侵蚀产物含量较低，继续增加掺量侵蚀产物会反增。因此，冻融-硫酸盐侵蚀复合环境中，混凝土中掺加过多的矿渣粉作用效果较低，建议矿渣掺量不宜超过40%左右。
由图2各试验组抗压强度损失率可以看出，冻融-硫酸盐侵蚀试验结束后，矿渣掺量40%试验组抗压强
度损失相对较低。随着矿渣掺量的增加，抗压强度损失率呈现先减小后增大趋势，单掺较多的矿渣粉对于轻骨料混凝土抗硫酸盐侵蚀性能效果并不是一直递增，这一点与碎石混凝土略有区别。
4.3抗压强度与硫酸盐侵蚀时间相关性分析
各试验组试件在硫酸盐侵蚀环境下抗压强度随时间变化结果见表7，变化趋势如图3所示。
表7抗压强度随侵蚀时间变化数据/MPa Table7Data of compressive strength changing with erosion time 强度等级0d10d20d40d80d
12.6912.718.76 6.69 4.18
12.1312.228.41 6.47 4.45
11.6811.898.07 6.15 4.32
C10
11.2211.608.29 6.38 4.25
10.8611.137.93 6.07 4.12
9.459.777.72 5.63 3.46
24.3824.4114.469.638.78
22.8922.9312.879.558.61
22.1122.0912.349.288.53
C20
21.8621.8811.539.178.49
21.3921.4610.989.028.46
20.8720.8810.118.867.76
33.5133.5415.5712.9712.78
32.2632.4315.1112.4612.45
31.6932.0114.2612.3812.28
初一历史思维导图
C30
31.0231.2713.8812.2612.05
什么的烟花30.1530.3213.6312.1312.02
29.8730.0713.1211.8611.37
从图3各试验组试件抗压强度随硫酸盐侵蚀时间变化趋势可以看出，各组试件抗压强度均呈现先增加后减小趋势，最后基本趋于稳定，此阶段陶粒混凝土强度性能损失较重，不具备结构功能性砌块砌体对强度的要求。开始阶段，硫酸盐环境在一定程度下会影响混凝土碱集料反应，促使混凝土有强度上的提升，但作用效果有限，且后续阶段因硫酸盐侵蚀陶粒混凝土强度会逐渐降低。在硫酸盐侵蚀环境中80d龄期、强度等级相同情况下，40%矿渣掺量试验组试件强度相对于其余试验组较高，抗压强度损失率相对较低；矿渣掺量相同情况下，随着强度等级的提高，轻骨料混凝土抗硫酸盐侵蚀性能有所提高。矿渣粉在内掺超过50%时，轻骨料混凝土强度达不到设计强度等级，强度有损失，采用内
-91
8月1日是什么星座
-
第35卷粉煤灰综合利用2021 年
掺矿渣粉的方式改善混凝土微观结构建议掺量比例 不宜过高。
40 80
O
10 20
硫酸盐侵蚀时间/d
( a ) C10
m a w
爵
馆
6420864208
222211111-»-0
-*-0.10
-^0.20
-f-0.30
-<-0.40
T-0.50
10 20硫酸盐侵蚀时间/d
( b ) C20
40 80
35
0 5 0 5
3 2 2 110 -5 _____I _____I _____I _____I _____I _____I _____I _____I _____I
0 10 20 40 80
硫酸盐侵蚀时间/d
( c ) C30
图3各试验组抗压强度-硫酸盐侵蚀时间变化图Fig. 3 Variation chart of compressive strength sulfate
erosion time of each test group
5 结论
通过对掺矿渣混凝土进行抗压强度损伤劣化及
质量损失率试验， 研究矿渣粉掺量对混凝土抗冻性
及抗硫酸盐侵蚀性能的改良效果， 主要结论如下：
(1) 掺入矿渣粉可提高混凝土的抗冻性能及抗
硫酸盐侵蚀性能。 此外， 本文采用内掺方式， 矿粉
掺量不宜过高，建议不超过40%比例，否则水泥较
少会影响耐久性能。
(2) 采用内掺方式， 随着矿渣粉掺量比例的增
加， 轻骨料混凝土抗冻性能及抗硫酸盐侵蚀性能均
呈现先增后减趋势，在矿渣掺量40%时效果较好, 因轻骨料强度因素，这一点与碎石混凝土略有区别。
(3) 单掺矿渣粉时， 掺量较高， 会影响轻骨料混
凝土初始强度，且对混凝土抗冻性能及抗硫酸盐侵蚀 性能作用效果相对较低，建议采用双掺方式或外掺。
(4) 强度等级较高的混凝土试件在矿渣粉掺量
一致的情况下， 抗冻性能及抗硫酸盐侵蚀性能效果
略有提升。
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・92
・
