大掺量矿物掺合料泵送混凝土性能研究

肖世玉，吴涛，和德亮＊，罗小东，陶俊，蒲东

（成都建工赛利混凝土有限公司，四川 成都 610015）

当前，混凝土行业所面临的生存环境非常严峻，环保压力持续增大，原材料供应持续紧张，尤其是水泥供应非常紧张，导致水泥价格高涨，使得混凝土企业不得不进一步提高矿物掺合料用量，以此来保证企业能生存下去。在实际应用中，一方面希望混凝土中矿物掺合料的掺量尽可能大，以便节约资源、保护环境和提高经济效益；另一方面，掺合料的加入使得水泥熟料用量减少，混凝土碱储备降低，致使混凝土更容易被碳化[1-7]，碳化又是影响混凝土结构耐久性的重要因素[8]。同时，四川地区优质粉煤灰和矿粉资源越来越少，当大掺量矿物掺合料混凝土使用非优质材料时，再结合当下对泵送混凝土施工性能的要求，必然进一步降低混凝土力学性能和抗碳化性能。S95 矿粉活性较高，使用其替代部分水泥进行混凝土生产，不仅可以降低生产成本，更重要的是可以降低能耗，减少污染；基于环保和价格考虑，混凝土企业倾向于增加掺合料的掺量来降低混凝土成本，而水泥用量降低会加剧混凝土碳化。因此，对于大掺量矿物掺合料混凝土碳化问题的研究具有十分重要的意义。在当下对泵送混凝土施工性能的要求下，大掺量矿物掺合料混凝土的抗碳化性能需要技术人员加大关注，并找到合适的解决办法。

1 原材料及试验

1.1 原材料

水泥：四川亚东水泥有限公司 P·O42.5R 水泥和P·I42.5 水泥，具体性能见表 1 所示。矿粉：四川双实建筑有限公司生产的 S75 级和 S95 级，比表面积分别为 410m2/kg 和 470m2/kg，密度≥2.8g/cm3。粉煤灰：成都搏磊粉煤灰综合开发有限公司Ⅱ级粉煤灰，比表面积 295m2/kg。骨料：粗骨料选用 5～31.5mm 连续级配碎石，细骨料选用细度模数 2.7 的机制砂，产于成都周边。外加剂：北京中安远大 ZA-I 型聚羧酸减水剂。

表 1 水泥性能检测

1.2 试验

（1）拌合物性能测定 按照 GB/T 50080－2016《普通混凝土拌合物性能试验方法》规定进行测试，在进行实验时，应同时对混凝土拌合物流动性、粘聚性和保水性进行观察。

（2）抗压强度测定 按照 GB/T 50010－2002《普通混凝土力学性能试验方法》规定，将混凝土拌合物制作成边长为 100mm 的立方体试件，在标准条件下，养护至龄期测得的抗压强度值即为混凝土抗压强度。

（3）碳化深度测试 按照规范要求进行试验，将其按规定要求养护、烘干、密封，将试件置于 CO2浓度为(20±3)%、相对湿度为 (70±5)%、温度为 (20±2)℃ 的碳化箱内进行快速碳化试验。达到预定碳化时间（3d、7d、14d、28d）后取出试件，劈裂，用浓度 1% 的酚酞指示剂滴于劈裂面，待颜色稳定后，从测试面边缘至未碳化区边界沿边长每隔 10mm 测量一次碳化深度值，并以其平均值作为该混凝土试件的碳化深度。

2 结果与讨论

混凝土配合比及性能分别见表 2 和表 3，混凝土强度等级为 C30～C60。采用生产配合比作为基准组，并研究 S95 矿粉掺量对混凝土性能影响。

表 2 混凝土配合比及拌合物性能

表 3 混凝土抗压强度及碳化深度

2.1 混凝土拌合物性能

从表 2 可以看出，采用 P·I42.5 水泥加上 20% 粉煤灰代替 P·O42.5R 水泥组混凝土泵送剂掺量均较采用 P·O42.5R 水泥组明显增加，C30、C40 等级混凝土泵送剂用量增加 0.2%，而 C50、C60 等级混凝土泵送剂用量增加超过 0.7%，P·I42.5 水泥比表面积较大［P·I 水泥用量 I3（194kg）、I4（229kg）、I5（288）、I6（326kg）］，Ⅱ级粉煤灰颗粒级配较差［粉煤灰增量 I3（48kg）、I4（57kg）、I5（82kg）、I6（82kg）］；加入 S95 矿粉后泵送剂掺量进一步增加；随着 S95 矿粉替代 P·I42.5 水泥掺量增加，混凝土泵送剂用量基本保持不变；从以上几组混凝土初始及3h 和易性来看，混凝土初始和易性良好，但 3h 损失均较大。由于 P·I42.5 水泥表面积较普通硅酸盐水泥大，在用水量保持不变情况下需加入更多减水剂来达到流动性；S95 级矿粉颗粒主要为多角形玻璃体，与水泥之间的接触面积更大，造成颗粒之间内部摩擦相对更高[9]，所以加入矿粉后混凝土拌合物更粘稠，和易性相对较差。

2.2 混凝土抗压强度

C30～C60 等级混凝土抗压强度如图 1 所示。从图中可以看出，采用 P·I42.5 水泥的 I3～I6 组混凝土 3d、7d、28d 和 90d 抗压强度均与采用 P·O42.5R 水泥的O3～O6 组基本相当或略微增加。

从图 1a) 可以看出，随着 S95 矿粉替代 P·I42.5 水泥掺量增加，C30 混凝土 3d、7d、28d 和 90d 抗压强度均达到强度等级要求且变化不大，但较 O3 和 I3 组明显降低，3d、7d、28d 和 90d 抗压强度最多分别下降3.0MPa、3.6MPa、4.6MPa 和 4.6MPa。加入 S95 矿粉各组均较 I3 组多加了 40kg 粉煤灰少加了 40kg S75 矿粉，而粉煤灰的火山灰活性较矿粉差，因此使得各组强度降低。

从图 1b) 可以看出，随着 S95 矿粉替代 P·I42.5 水泥掺量增加，C40 混凝土 3d、7d、28d 和 90d 抗压强度逐渐降低，3d 和 7d 抗压强度较 O4 和 I4 组明显降低，3d 和 7d 抗压强度最多分别下降 7.7MPa 和 10.7MPa，28d 和 90d 抗压强度较 O4 和 I4 组降低 3～4MPa。加入S95 矿粉各组以 46kg 粉煤灰代替 S75 矿粉，而粉煤灰对早期强度的贡献较矿粉差，因此使得各组早期强度明显下降，而后期强度差距缩小。另一方面，泵送剂用量增加引入更多的缓凝组分，也使得混凝土早期强度发展变慢。

从图 1c) 可以看出，随着 S95 矿粉替代 P·I42.5 水泥掺量增加，C50 混凝土 3d 抗压强度逐渐降低，且均较 O5 和 I5 组低；7d、28d 和 90d 抗压强度先增加后降低，在 S95 矿粉掺量为 44kg 时达到最高，且均较 O5和 I5 组高。

从图 1d) 可以看出，随着 S95 矿粉替代 P·I42.5 水泥掺量增加，C60 混凝土 3d 抗压强度逐渐降低且均较O5 和 I5 组低；7d、28d 和 90d 抗压强度先增加后降低，在 S95 矿粉掺量超过 49kg 时后混凝土强度较 O4和 I4 组降低。

综合来看，采用 P·I42.5 水泥加上 20% Ⅱ 级粉煤灰替代 P·O42.5R 水泥后，泵送剂用量大幅度增加，加入S95 矿粉后，泵送剂用量进一步增加。C30 和 C40 等级混凝土中加入 S95 矿粉后试块 3d、7d、28d 和 90d 强度有所降低，而在 C50 等级混凝土中加入 S95 矿粉后其7d、28d 和 90d 强度均有提高，在 C60 等级混凝土中，S95 矿粉掺量适当时混凝土强度有所增加。

2.3 混凝土碳化

图 1 各等级混凝土抗压强度

从图 2 可以看出，采用 P·I42.5 水泥加上 20% Ⅱ 级粉煤灰替代 P·O42.5R 水泥后，混凝土碳化深度明显增加，表明粉煤灰掺量越高混凝土抗碳化性能越差；加入S95 矿粉替代水泥后，随着 S95 矿粉掺量增加，混凝土碳化深度逐渐增加，当 C30 混凝土中 S95 矿粉掺量达到 40kg 时，混凝土碳化深度超过 15mm。从图 2c) 可以看出，采用 P·O42.5R 水泥组混凝土快速碳化 28d 后仍未发生碳化，而采用 P·I42.5 水泥加上 20% Ⅱ 级粉煤灰组快速碳化 14d 时碳化深度为 1.9mm；加入 S95 矿粉替代水泥后，矿粉掺量为 15kg 时快速碳化 3d 后才开始发生碳化，但碳化趋势仍表现为混凝土碳化深度随着 S95矿粉掺量增加而增加。从图 2d) 可以看到，掺加大量粉煤灰及加入 S95 矿粉替代水泥后，各组混凝土均未发生碳化，表明当混凝土足够密实时，只要混凝土中碱含量不超过限定值，混凝土将不会发生碳化。

对比图 2a) 中的 I3 组和图 2b) 中的 I4S35 组，两组水泥用量相同，I4S35 组混凝土水胶比较低、粉煤灰掺量、胶凝材料用量更多，二者快速碳化 3d、7d 和 14d的碳化深度 I4S35 组均低于 I3 组，但是快速碳化至 28d时二者的碳化深度已基本相当。通过比较二者 28d 强度可知，I4S35 组 28d 强度较 I3 组高了两个等级，表明其混凝土密实度较 I3 组高，因此其早期碳化深度均低于I3 组。由于影响混凝土碳化的主要因素是混凝土密实度和碱含量，所以当混凝土密实度差异不是很大时，影响长期碳化的主要因素仍是碱含量。

图 2 各等级混凝土快速碳化深度

总的来说，混凝土的抗压强度与碳化深度之间存在很强的相关性[10]，影响混凝土碳化的主要因素是混凝土密实度和碱含量，对于密实度好的混凝土来说，碱含量只要不低于限定值就不会对发生碳化。

3 结论

（1）采用 P·I42.5 水泥加上 20% 粉煤灰代替P·O42.5R 水泥后，泵送剂用量大幅度增加，加入 S95矿粉后，泵送剂用量进一步增加，混凝土变黏稠。因此，采用二者进行生产时宜进行外加剂调整。

（2）C30 和 C40 等级混凝土中加入 S95 矿粉后试块 3d、7d 和 28d 强度有所降低，而在 C50 等级混凝土中加入 S95 矿粉后其 3d、7d 强度均有提高，在 C60 等级混凝土中，S95 矿粉掺量适当时混凝土强度与未掺时的强度基本相当，掺量过高或过低均会导致其强度降低，C50、C60 等级混凝土 28d 强度在加入 S95 矿粉后有一定提高。

（3）在同等条件下提高矿物掺合料中粉煤灰的用量，混凝土抗碳化能力明显下降。但是，当混凝土足够密实时，粉煤灰掺量只要不超过限定值则不会发生碳化。

（4）当混凝土密实度相差不大时，对于混凝土碱含量相同的两组混凝土，较为密实的混凝土早期抗碳化能力较强，而长期抗碳化能力基本相当。

（5）随着 S95 矿粉替代水泥量增加，混凝土抗碳化能力逐渐下降。