粉煤灰与矿粉的叠加效应对高性能混凝土力学性能的影响

付宝华　盖东方　李军

[摘要]通过混凝土配合比试验，研究了粉煤灰与矿粉的叠加效应对高性能混凝土力学性能的影响，并分析了复合掺合料叠加效应的影响机理。结果表明，在粉煤灰与矿粉重量比为1.5 ∶1，总掺量为20%～40%范围内，混凝土各龄期的抗压强度均有所提高。粉煤灰与矿粉复掺后有助于改善粉体材料的颗粒级配、减小胶凝材料体系的空隙率、发挥掺合料的微集料效应和火山灰活性，使得水泥石的结构更加致密。粉煤灰与矿粉的叠加效应有利于混凝土力学性能的提高。

[关键词]混凝土；粉煤灰；矿粉；力学性能；叠加效应

文章编号：2095-4085（2016）07-0032-03

矿物掺合料是制备混凝土的重要原材料，可大幅度减少水泥用量、改善混凝土的综合性能，在实际工程中的应用越来越广泛。但单一的矿物掺合料对于混凝土性能的影响存在一些不足，如单掺粉煤灰的混凝土早期强度较低，单掺矿粉的混凝土拌合物易出现泌水量较大等问题，使得掺合料在工程中的应用受到限制。如在混凝土中同时掺粉煤灰和矿粉，比单掺粉煤灰或矿粉会具有更好的效果[1]。所以，两种或多种矿物掺合料复掺使用产生的叠加效应将成为改善混凝土综合性能的有效途径[2]。

国内外学者对不同矿物掺合料复合掺加的应用效果进行了大量研究。G.C.Isaia等人研究了矿物掺合料复掺对低强度混凝土性能的影响，认为复掺矿物掺合料可以有效提高低强度混凝土的力学性能，且90d后的效果要明显好于28d[3]；李宗津等人研究表明，复掺10%的高岭土和20%的矿渣时既可以提高混凝土的抗压强度又可以改善混凝土的流动性[4]；Ibrahim Turkmen等人研究了硅灰与矿粉复掺对混凝土性能的影响，认为10%的硅灰与20%的矿渣复掺可以使0.35水胶比的混凝土抗压强度最高[5]。以上研究主要对不同品种掺合料复合掺加后对中低强度混凝土性能的影响行了研究，缺乏在此领域对高性能混凝土性能的影响研究。为了更好的推广应用高性能混凝土、更有效的发挥不同品种矿物掺合料的叠加效应、实现大量固体废弃物的资源化利用，非常有必要研究粉煤灰与矿粉的叠加效应对高性能混凝土力学性能的影响。

1试验材料与方案

1.1试验原材料

水泥采用P.O 52.5水泥，具体性能指标见表1。

由图1可知，随粉煤灰掺量的增加，混凝土7d和28d的抗压强度均呈下降趋势，这主要是由于粉煤灰的活性较低所致。这说明粉煤灰掺量增加，不利于提高混凝土的抗压强度，更不利于提高早期抗压强度；矿粉掺量为10%时，混凝土7d和28d抗压强度略微高于基准混凝土，掺量进一步增加，强度呈下降趋势。这说明单掺矿粉也不利于提高混凝土的抗压强度。

粉煤灰与矿粉按1.5 ∶1的比例掺加到混凝土中，总掺量在20%～40%时混凝土的7d和28d抗压强度明显高于基准混凝土，7d抗压强度比基准混凝土最高增加14.7%，28d抗压强度比基准混凝土最高增加19.2%。掺量进一步增加，抗压强度出现回落趋势。

通过以上分析可知，粉煤灰和矿粉复掺的效果要明显优于单掺，尤其是在复掺量为20%～30%之间时，各项力学性能都达到最佳。粉煤灰不同品种的矿物掺合料复合掺加产生的叠加效应有助于提高混凝土的综合性能，有效避免单掺带来的不利影响，实现掺合料更大掺量。为了更好的发挥这种叠加效应，有必要深入研究复合掺合料产生叠加效应的机理。

3复掺粉煤灰与矿粉对高性能混凝土的影响机理分析

为了探讨复掺粉煤灰与矿粉对高性能混凝土的影响机理，对不同组成的胶凝材料颗粒的粒度分布及硬化水泥石的孔隙率进行了检测分析。

3.1复掺粉煤灰与矿粉对胶凝材料粒度分布的影响

采用激光粒度分布仪，对粉煤灰和矿粉掺量为30%的胶凝材料以及粉煤灰和矿粉比例为1.5 ∶1、总掺量为30%的胶凝材料进行颗粒力度分布检测，复掺粉煤灰与矿粉对胶凝材料粒度分布的影响如图2所示。

由图2可以看到，水泥和矿粉组成的胶材体系颗粒分布较为集中，而水泥和粉煤灰组成的胶材体系中小于10μm的细粉含量较多。水泥、粉煤灰和矿粉组成的胶材体系颗粒分布更接近于正态分布，有助于改善粉体材料的颗粒级配，减小胶凝材料体系的空隙率、使胶材体系的组成更趋密实，更有利于发挥复合掺合料的叠加效应。

3.2复掺粉煤灰与矿粉对水泥石孔隙率的影响

采用自动压汞测试仪，对粉煤灰和矿粉掺量为30%的胶凝材料以及粉煤灰和矿粉比例为1.5 ∶1、总掺量为30%的胶凝材料形成的水泥石进行孔隙率检测。在水化龄期为28d、水胶比同为0.32条件下，复掺粉煤灰与矿粉对水泥石孔隙率的影响如图3所示。

由图3可知，粉煤灰与矿粉复掺能够明显降低混凝土中水泥石的孔隙率。孔隙率降低说明水泥石的密实性得到提高，混凝土的综合性能也会得到提高。这是因为粉煤灰和矿粉复合掺加后，不同掺合料颗粒相互填充，能够充分发挥掺合料的微集料效应，各组成材料堆积更加紧密。同时，不同品种掺合料复合掺加更有利于掺合料火山灰效应的发挥，多

重效应相互叠加，使得水泥石的孔隙率进一步降低，有利于提高高性能混凝土的力学性能。

3结语

（1）粉煤灰与矿粉复合掺加，在粉煤灰与矿粉重量比为1.5 ∶1、总掺量为20%～40%范围内，混凝土各龄期的抗压强度和抗折强度均有所提高。粉煤灰与矿粉的叠加效应有利于提高高性能混凝土的力学性能。

（2）粉煤灰与矿粉复合掺加，有助于改善粉体材料的颗粒级配，减小胶凝材料体系的空隙率、使胶材体系的组成更趋密实。有助于不同品种掺合料的微集料效应和火山灰活性的发挥，多重效应相互叠加，使得水泥石的结构更加致密，有利于提高高性能混凝土的力学性能。

参考文献：

[1]杨华全，董维佳，王仲华.掺矿渣微粉和粉煤灰的混凝土性能试验研究[J].人民长江，2001，（11）：30-32.

[2]Hassan K E，Cabrera J G，Maliehe R S.The effect of mineral admixtures on the properties of highperformance concrete[J].Cement and Concrete，2000，（22）：267-271.

[3]G C Isaia，A L G Gastaldini，R Moraes.Physical and pozzolanic action of mineral additions on the mechanical strength of high-performance concrete[J].Cement & Concrete Composites，2003，（25）：69-76.

[4]Zongjin Li，Zhu Ding.Property improvement of Portland cement by incorporating with metakaolin and slag[J].Cement and Concrete Research，2003，（33）：579-584.

[5] I·brahim Tu¨rkmen，Mehmet，Gavgal，Rustem Gul.Influence of mineral admixtures on the mechanical properties and corrosion of steel embedded in high strength concrete[J].Materials Letters，2003，（57）：2037-2043.