大掺量掺合料对混凝土强度及使用性能的影响

周龙

摘 要：本文通过在混凝土中用较大掺量的粉煤灰、矿渣粉取代水泥后对其强度及使用性能的影响进行研究，结果表明大掺量掺合料的使用会明显改善混凝土的工作性能，水胶比较小时7天强度不会降低，反而略有提高。通过对胶凝材料的水化热进行检测也支持以上结论。大掺量粉煤灰、矿渣粉等工业废料在混凝土中应用具有广阔前景，可促进节能降耗、保护环境。

关键词：掺合料；矿粉；粉煤灰；抗压强度；混凝土

中图分类号：TU528.041

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2013）08-0142-02

1 前言

混凝土是当前用量最大的建筑材料，一直以来给人们的印象都是重污染、高能耗。据统计，2012年我国水泥产量达到21.84亿吨，2012年商品混凝土总产量达到88817万m3。因此提高混凝土中掺合料比例、降低水泥用量对节能降耗、保护环境、促进社会的可持续发展等具有重要意义。追求节能减排和耐久性上升为混凝土技术追求的主要目标[1]。

较低水胶比时，大掺量掺合料对混凝土的耐久性明显改善已经得到许多研究的证实，混凝土中掺入20%粉煤灰和30%矿渣粉对提高混凝土的抗氯离子渗透性有明显效果[2，3]，矿物掺合料复元组合能降低早期（3d）强度及提高混凝土后期强度增进率[4]。但在实际工程应用时，很多技术人员都认为大掺量掺合料对混凝土强度是有较大影响的，这种观念也限制了掺合料在混凝土中的大规模使用。针对大掺量掺合料对混凝土强度和使用性能的影响，进行了一些研究，以期促进大掺量掺合料混凝土的应用。

2 实验原材料选用说明

目前应用最广泛的掺合料是粒化高炉矿渣粉和粉煤灰。粒化高炉矿渣粉（以下简称矿渣粉）一般分为S105、S95、S75三个等级，本实验采用其中产量及使用量最大的S95级矿渣粉。粉煤灰分为I级、II级、III级，其中I级粉煤灰活性高，质量好，对混凝土的强度影响小，是可以真正实现大掺量的粉煤灰。但目前I级粉煤灰的供应量小，实际应用少，研究的指导意义较小，因此选用目前可大量供应的II级粉煤灰。为了更好地研究大掺量掺合料对混凝土的工作性能的改善效果，进一步扩大低品质原材料的应用范围，本实验采用细度模数较小、含泥量较高的砂和含泥量较高的卵石。

3 原材料检测情况

骨料：细骨料选用湘江产中砂，细度模数2.3，含泥量1.8%，泥块含量0.2%，堆积密度1540 kg/m3。粗骨料选用湘江产5mm～31.5mm连续级配卵石，含泥量0.8%，泥块含量0.2%，堆积密度1670kg/m3，针片状含量1%，压碎值9%。

水泥：湖南双峰海螺水泥有限公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥（见表1）

掺合料：矿渣粉选用湖南泰基建材有限公司生产的S95级粒化高炉矿渣粉，比表面积425m2/kg，密度2.86g/cm3，流动度比100%，7d活性指数83%，28d活性指数103%。粉煤灰选用益阳电厂的II级粉煤灰，细度18%，烧失量6.8%，需水量比97%，含水率1.0%。

减水剂：石家庄克罗曼建材有限公司生产的KLM-J聚羧酸高性能减水剂，减水率为26.8%。

4 试验方法

粉煤灰应用已经很成熟，但因其对混凝土的早期强度及碳化速度影响较大，一般推荐掺量控制在20%以内；矿渣粉具有较高的潜在活性，掺量范围较大。采用矿渣粉、粉煤灰双掺技术，两种材料的火山灰效应、形态效应和微集料效应相互叠加，充分发挥二者的“优势互补效应”，使混凝土的坍落度增加，和易性变好，粘聚性变好，泌水得到改善。在水化过程中，改变混凝土中水化产物的组成，可改善水泥石的界面结构和截面区的性能，并提高后期强度的增长率。本实验采用矿渣粉30%，粉煤灰15%的掺量对配合比进行设计，该掺量也符合JGJ55《普通混凝土配合比设计规程》中对复合掺合料最大掺量的规定。从C25至C50按正常配合比（16%矿渣粉，12%粉煤灰）及大掺量掺合料配合比（矿渣粉30%，粉煤灰15%）进行试配，控制两者的胶凝材料总量及砂石用量一致，减水剂掺量一致，通过调整混凝土的用水量，在保证每组混凝土的坍落度初始值为210mm±10mm的条件下，对比两组配合比的性能。

5 试验结果及分析

大掺量掺合料配合比的实际水胶比都低于标准配合比，因为无论是粉煤灰还是矿渣粉，都具有一定的减水效果，提高掺量可适当降低混凝土的用水量。

大掺量掺合料配合比混凝土的3d强度基本上都低于标准配合比的混凝土3d强度。因为掺合料取代水泥引起水化反应速度下降，所以掺入较高掺合料的混凝土在水胶比接近的情况下，早期强度会有所偏低，但因掺合料的适当减水效果，降低的幅度并不是很大，特别是C35、C40混凝土3d强度降低很少。

大掺量掺合料混凝土的7d强度，基本等同于标准配合比的混凝土，甚至在水胶比较小的情况下还有所提高，是因大掺量掺合料配合比中矿渣粉的用量较高，矿渣粉反应速度较快，对混凝土7天强度影响较大所致。

水胶比低于0.45时，大掺量掺合料混凝土的28天强度反而高于标准配合比。该区间正是混凝土强度为C30以上等级的区间，也是应用数量最多的混凝土的强度区间。因此大掺量掺合料混凝土的应用前景和社会效益是十分明显的。

所有强度等级的混凝土提高掺合料的掺量，混凝土的坍落度损失都明显减小，工作性能明显改善。随着商品混凝土的推广，混凝土运输时间加长，施工时间也延长。如何在越来越劣质化的原材料条件下保证混凝土的良好工作性能是摆在混凝土技术人员面前的大难题。通过增加混凝土中掺合料的用量既可改善了混凝土的工作性能，又能保证混凝土的强度符合要求，还节约资源降低成本，可以说是一举数得。值得注意的是，因矿物掺合料的性质，滞后性水化，对工程结构的养护要求比较高。如果工程养护的时间和湿度不够，结构实体强度与标养强度相差较大。因此搅拌站在使用大掺量矿物掺合料配比时，必须和工地进行很好的沟通，指导工地做好混凝土早期以及后期的养护工作[5]。

对胶凝材料水化热分析的结果也支持以上实验结论。采用美国TAM AIR型号微量热仪进行热量跟踪检测，在水胶比为0.45，20℃恒定温度下检测以下不同组成胶凝材料的72h（3d）和168h（7d）水化放热速率和总放热量。（表2、表3）

对以上胶凝材料水化热检测数据进行分析，掺入掺合料的胶凝材料3天水化速度都有不同程度的下降，峰值降低，但掺入较多矿渣粉的胶凝材料7d水化热反而升高，说明矿渣粉在早期就参与水化反应，也印证了上述实验中，大掺量掺合料混凝土的7d强度和28d强度在水胶比小于0.45时就基本无下降反而升高的现象。

6 结论

6.1在出机坍落度相近的情况下，提高混凝土中掺合料的比例，混凝土3d强度会略有下降；

6.2在矿渣粉掺量30%，粉煤灰掺量15%，出机坍落度相近且水胶比低于0.45的情况下，混凝土的7d、28d强度不会下降，甚至略有提高；

6.3采取粉煤灰、矿渣粉双掺的方法，提高掺合料用量可显著改善混凝土的工作性能，降低混凝土的坍落度损失。

6.4要降低胶凝材料的水化热，宜采用大掺量的粉煤灰，使用矿渣粉降低水化热的效果远不及粉煤灰好。

参考文献：

[1]宋少民，廉慧珍. 现代混凝土技术的哲学思考. 混凝土世界，2013，5，No.47，P32-38.

[2] 欧阳东，吴亭亭，黄华县，傅浩，孔琳洁，易超. 双掺海砂混凝土的性能研究. 混凝土，2012，9，No.275，P123-125.

[3] 盛之会. 高速铁路高性能混凝土抗氯离子渗透影响因素的探讨. 混凝土，2012，5，No.271，P141-143.

[4] 周群，杨全忠，周堂贵，王章夫，郑应生.材料质量与抗裂混凝土配合比设计和管理. 混凝土，2005，2，No.187，33-37.

[5] 李京红.大掺量矿物掺合料在商品混凝土中的应用.科技资讯，2006，NO.30，P36-37.