常用掺合料 Ⅱ 级粉煤灰和S95磨细矿渣粉的影响系数研究

郝会娟，孟志良，孟晨璇，姚志玉，王 云

(1.河南建筑职业技术学院，河南 郑州 450064；2.河北农业大学 城乡建设学院，河北 保定 071001；3.河北建设集团有限公司，河北 保定 071051；4.河北科技学院，河北 保定 071000)

粉煤灰是在煤燃烧后的烟气中收集的细灰，是燃煤电厂的主要固体废弃物[1-2]。矿渣是高炉炼铁得到的以硅铝酸钙为主的熔融物，磨细后的矿渣微粉作为混凝土的独立组分能够改善混凝土的性能[3-4]。大量的试验研究[5-9]表明:粉煤灰和矿粉的复配不仅可以改善混凝土的工作性能，而且其成本低于水泥，已经越来越多地被应用于各类土木建筑工程中，取得了良好的生态效应、经济效益和社会效益。因此，掺合料已经成为混凝土必不可少的第6种组成材料。现行JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》中，掺合料混凝土的水胶比计算公式中含有常用掺合料粉煤灰和磨细粒化高炉矿渣粉的影响系数，并在设计规程中给出了各等级粉煤灰和矿粉不同掺量的影响系数。文献[10]指出设计规程中常用掺合料影响系数是经过全国性大量试验验证的，同时建议有条件的单位可以自己实测掺合料影响系数。

实测掺合料的影响系数，无疑能够准确确定混凝土配合比，但是需要提前28 d测定掺合料影响系数。利用设计规程中的常用掺合料影响系数，虽然可以快速确定混凝土配合比，但是采用设计规程掺合料影响系数能否准确确定混凝土配合比，这方面值得研究。本文针对Ⅱ级粉煤灰和S95磨细矿渣粉(简称S95矿粉)2种常用掺合料，研究了实测影响系数与规程影响系数的相关关系，以及两者随掺合料掺量变化规律，并通过实例分析规程影响系数对混凝土配合比的影响。

1 水泥胶砂强度试验

1.1 原材料

水泥为曲寨P.O 42.5级普通硅酸盐水泥(C)，性能指标见表1；粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰(F)，性能指标见表2；矿粉为S95矿粉(S)，性能指标见表3；砂为ISO标准砂；水为自来水。

表1 曲寨P.O 42.5级普通硅酸盐水泥性能指标

表2 Ⅱ级粉煤灰性能指标

表3 S95矿粉性能指标

注：规范值含水率≤1%;烧失量≤3%;SO3≤4%。

1.2 试验方法

采用常用掺合料Ⅱ级粉煤灰和S95矿粉等量取代水泥，胶凝材料用量为450 g，水胶比为0.5，ISO标准砂为1 350 g。按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》进行胶砂强度试验。

1.3 试验方案

根据JGJ 55—2011确定掺合料掺量范围。当采用Ⅱ级粉煤灰等量取代水泥时，其掺量控制在5%～40%；当采用S95矿粉等量取代水泥时，其掺量控制在5%～50%；当复掺Ⅱ级粉煤灰和S95矿粉等量取代水泥时，其掺量控制在10%～45%。胶凝材料组成和胶砂试件28 d强度见表4。

表4 胶凝材料组成和胶砂试件28 d强度

注：J表示未掺掺合料胶砂；5F表示掺5%Ⅱ级粉煤灰胶砂；5S表示掺5% S95矿粉胶砂；5F5S表示掺5%Ⅱ级粉煤灰和5% S95矿粉胶砂。其余类同。

2 试验结果与分析

根据表4中胶砂试件抗压强度，计算出单掺Ⅱ级粉煤灰、S95矿粉和两者复掺不同掺量时的影响系数。根据JGJ 55—2011确定表4中对应的影响系数。

2.1 单掺Ⅱ级粉煤灰

单掺Ⅱ级粉煤灰时规程影响系数和实测影响系数的相关关系见图1，影响系数随Ⅱ级粉煤灰掺量的变化曲线见图2。

图1 单掺Ⅱ粉煤灰时规程影响系数与实测影响系数的相关关系

图2 影响系数随Ⅱ级粉煤灰掺量的变化曲线

由图1可见：单掺Ⅱ级粉煤灰时规程影响系数与实测影响系数相关系数R2=0.942，存在高度线性相关；该线性关系式中斜率略大于1，说明单掺Ⅱ级粉煤灰时规程影响系数总体上略小于实测影响系数。

由图2可见：①随着Ⅱ级粉煤灰掺量的增加，影响系数总体上是减小的；②当Ⅱ级粉煤灰掺量由0增加到5%时，实测影响系数在增大；③Ⅱ级粉煤灰掺量由5%增加到40%时，2种影响系数都在减小；④当粉煤灰掺量在15%以内时，规程影响系数小于实测影响系数，采用规程影响系数计算的水胶比低于采用实测影响系数计算的水胶比；⑤Ⅱ级粉煤灰掺量在15%～40%时实测影响系数与规程影响系数基本一致，采用规程影响系数计算的水胶比与采用实测影响系数计算的水胶比非常接近。

2.2 单掺S95矿粉

单掺S95矿粉时规程影响系数与实测影响系数的相关关系见图3。影响系数随S95矿粉掺量变化曲线见图4。

图3 单掺S95矿粉时规程影响系数与实测影响系数的相关关系

图4 影响系数随S95矿粉掺量变化曲线

由图3可见:单掺S95矿粉时规程影响系数与实测影响系数相关系数R2=-0.107，两者不具有线性相关关系。其原因是JGJ 55—2011中规定，当单掺S95矿粉且掺量在0%～30%时其影响系数均为1；而单掺S95矿粉且掺量在5%～30%时其实测影响系数均小于1。

由图4可见：随着S95矿粉掺量的增加，影响系数总体上是减小的，当S95矿粉掺量分别为35%和45%时，其实测影响系数明显偏离总体变化趋势，存在试验误差。当S95矿粉掺量在30%以内时，规程影响系数大于实测影响系数，且其差值随着S95矿粉掺量的增加而增大，导致采用规程影响系数计算的水胶比高于采用实测影响系数计算的水胶比。S95矿粉掺量在30%～50%时规程影响系数与实测影响系数相差不大。

2.3 复掺Ⅱ级粉煤灰与S95矿粉

复掺Ⅱ级粉煤灰和S95矿粉时规程影响系数和实测影响系数的相关关系见图5。掺合料掺量为20%～45%时影响系数随复掺比例变化曲线见图6。

图5 复掺掺合料时规程影响系数与实测影响系数的相关关系

图6 掺合料掺量为20%～45%时影响系数随复掺比例变化曲线

由图5可见：复掺Ⅱ级粉煤灰与S95矿粉时规程影响系数与实测影响系数相关系数R2=0.807，两者存在显著线性相关。该线性关系式中斜率略大于1，说明了复掺掺合料时规程影响系数总体上略小于实测影响系数。

由图6可见：复掺的掺量一定，2种掺合料的比例(粉煤灰：矿粉)变化实质上是Ⅱ级粉煤灰掺量在增加，S95矿粉掺量在减少，2种影响系数总体上均在减小。Ⅱ级粉煤灰：S95矿粉为25∶10和15∶30时实测影响系数明显偏离了总体变化趋势，存在试验误差。Ⅱ级粉煤灰：S95矿粉为5∶35和5∶40时规程影响系数明显偏离了总体变化趋势，特别是比例为5∶40时规程影响系数明显偏低，需要用实测值进行修正，否则会影响到混凝土配合比设计的准确性。当复掺的掺量为20%，25%，30%，35%，40%和45%时，在33种不同复掺比例中，仅有9种规程影响系数大于实测影响系数，其中2种实测影响系数存在明显试验误差，剩余24种规程影响系数小于实测影响系数。因此，复掺Ⅱ级粉煤灰和S95矿粉时规程影响系数总体上小于实测影响系数，导致采用规程影响系数计算的水胶比低于采用实测影响系数计算的水胶比。

Ⅱ级粉煤灰和S95矿粉等常用掺合料单掺和复掺时，规程影响系数与实测影响系数之间的差异会影响到水胶比的计算，那么是否会进一步影响到混凝土配合比设计的准确性，以下采用实例进行验证。

3 实例验证

采用实测强度为48 MPa的普通硅酸盐水泥和碎石配制C25混凝土，根据JGJ 55—2011中水胶比计算公式，分别计算出规程影响系数和实测影响系数所对应的水胶比及其差值，见表5。表中，规程影响系数、实测影响系数简称为规程、实测。

表5 规程影响系数和实测影响系数所对应的水胶比及其差值

注：差值=规程影响系数所对应的水胶比-实测影响系数所对应的水胶比。

由表5可见：单掺Ⅱ级粉煤灰且掺量在40%以内时，采用规程影响系数计算的水胶比与采用实测影响系数计算的水胶比差值在-0.05～0.01；单掺S95矿粉且掺量在50%以内时，采用规程影响系数计算的水胶比与采用实测影响系数计算的水胶比差值在-0.06～0.05；复掺Ⅱ级粉煤灰与S95矿粉且掺量在45%以内时，采用规程影响系数计算的水胶比与采用实测影响系数计算的水胶比差值在-0.08～0.08。

S95矿粉掺量为45%、Ⅱ级粉煤灰：S95矿粉为25:10时实测影响系数存在明显试验误差，Ⅱ级粉煤灰：S95矿粉比例为5:40时规程影响系数明显偏低。如果不考虑这些因素，单掺Ⅱ级粉煤灰、单掺S95矿粉、复掺Ⅱ级粉煤灰和S95矿粉时，采用规程影响系数计算的水胶比与采用实测影响系数计算的水胶比差值分别在-0.05～0.01,-0.02～0.05和-0.05～0.05。在进行混凝土配合比设计时，强度检验在基准水胶比±0.05 范围内进行。由此可见，Ⅱ级粉煤灰和S95矿粉等常用掺合料单掺和复掺时，在一定掺量范围内采用规程影响系数计算水胶比不会影响到混凝土配合比设计的准确性。

4 结论

1)单掺Ⅱ级粉煤灰且掺量在40%以内时，规程影响系数与实测影响系数存在高度线性相关；单掺S95矿粉且掺量在50%以内时，规程影响系数与实测影响系数不存在线性相关；复掺Ⅱ级粉煤灰和S95矿粉且掺量在45%以内时规程影响系数与实测影响系数显著线性相关。

2)考虑到实测影响系数的误差和规程影响系数的偏差，采用规程影响系数不会影响到混凝土配合比设计的准确性。