矿粉、粉煤灰在混凝土中双掺时最佳比例研究

刘金荣，聂贵红，王美玲，张俊

（1. 山西信荣混凝土技术发展有限公司，山西 汾阳 032200；2. 汾阳市恒顺水泥混凝土搅拌有限公司，山西汾阳 032299；3. 汾阳市承昌混凝土搅拌有限公司，山西 汾阳 032203）

0 前言

随着混凝土工程的不断发展，掺合料越来越多，对混凝土的质量、成本等影响越来越大。不同厂家、不同品种的水泥对掺合料掺量有影响；季节温度，混凝土品种、体积及其所用部位不同等对掺合料掺量也有不同的要求。再者，现在的掺合料品质、性能都相差很大，有的质量根本就达不到标准要求，还有的没有经过试验就乱掺，既造成经济成本的提高又保证不了混凝土质量。

本文主要针对混凝土中最常用的掺合料，矿粉和粉煤灰双掺进行研究。在满足工作性的前提下，通过大量试验找到在不同掺量时不同比例的强度影响系数。

1 试验原材料、试验方法

1.1 原材料

水泥 1：山西吉港水泥有限公司 P·O42.5。28d 抗压强度 50.3MPa，比表面积 384m2/kg；标稠用水量27.6%，混合材料矿粉掺量 13.0%，粉煤灰掺量 6.5%。

水泥 2：山西中兴水泥有限责任公司 P·O42.5。28d抗压强度 49.2MPa，比表面积 344m2/kg；标稠用水量28.0%，混合材料矿粉掺量 8.0%、矿渣 6.0%，石灰石4.0%。

矿粉：山西中阳钢铁有限公司 S95 级。比表面积421m2/kg；流动度比 101%，28d 活性指数 103%。

粉煤灰：山西兆电粉煤灰有限公司Ⅱ级。细度18%，需水量比 97%，28d 活性指数 88%。

砂子：当地产砂卵石破碎的机制砂。细度模数 2.9，石粉含量 8.6%，泥块含量 0.8%，堆积密度1510kg/m3，颗粒级配Ⅱ区。

石子：当地产 5～25mm 连续级配碎石。含泥量0.8%，泥块含量 0.2%，堆积密度 1480kg/m3，针片状含量 6.0%。

外加剂：高性能聚羧酸减水剂。减水率 27%，28d抗压强度比 158%，泌水率比 45%。

1.2 试验方法

1.2.1 胶砂试配强度法

试验仪器设备：水泥胶砂搅拌机、水泥振实台、水泥恒应力试验机等。

试验方法：胶砂制作、成型、养护、强度抗压按 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行。

1.2.2 混凝土试配强度法

试验仪器设备：混凝土搅拌机、混凝土振实台、混凝土压力机、坍落度筒等。

试验方法：配合比设计按 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》；混凝土拌合物性能按 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》；混凝土立方体试块制作、成型、养护、抗压强度检测按 GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》。

2 试验结果

2.1 胶砂强度试配法

胶砂配合比用水量、成型、养护、抗压强度检测按 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》规定。

表1 和表2 是水泥 28d 胶砂抗压强度及双掺时矿粉、粉煤灰不同比例 28d 胶砂强度试验结果（表1 为吉港水泥掺合料双掺时的试验结果；表2 为中兴水泥掺合料双掺时的试验结果）。因经济性原因，试验时只选用了 5 种比例。

2.2 混凝土强度试配法

在胶材用量、用水量、容重、坍落度基本相同情况下，不掺掺合料时基准强度分别为 41.1MPa（吉港）和42.0MPa（中兴）。表3 和 表4 是 C30 泵送混凝土配合比（为求准确，做试验时矿粉和粉煤灰用量保留至小数点后两位）和试验强度结果。坍落度 (220±10)mm，其他工作性能满足泵送要求。

表1 使用吉港水泥的胶砂试验结果

表2 使用中兴水泥的胶砂试验结果

表3 使用吉港水泥的混凝土试验结果

表4 使用中兴水泥的混凝土试验结果

3 结果分析

3.1 强度分析

3.1.1 胶砂强度分析（矿粉、粉煤灰双掺）

（1）用吉港水泥时：从 25%～45% 之间的 28d 胶砂强度大部分都在 95% 以上，且基本上 7:3 和 3:7 比例时强度相对低；到 50% 以上后双掺时 28d 胶砂强度都在水泥强度的 95% 以下。

（2）用中兴水泥时：总掺量在 25%～35% 时，胶砂强度全部达到水泥强度的 100% 以上；总掺量 40%以上后基本上都在水泥强度的 100% 以下，且规律不太明显。

3.1.2 混凝土强度分析（矿粉、粉煤灰双掺）

（1）用吉港水泥时：混凝土 28d 强度相对比胶砂强度偏高一些，且规律和胶砂强度基本相同。

（2）用中兴水泥时：总掺量在 25%～40% 矿粉、粉煤灰比例为 6:4 和 5:5 时 28d 试块抗压强度基本都达到基准强度的 100%；总掺量在 45% 以下的混凝土 28d强度都达不到基准强度值。

3.2 成本分析

胶砂是为了和混凝土做对比，这里就不再分析胶砂成本。表5 为混凝土各原材料成本价格。

表5 当地原材料价格 元/t

（1）除大体积或者有 60d 以上要求的龄期外，用吉港水泥双掺矿粉、粉煤灰最大总掺量 50% 以上不再适合；用中兴水泥双掺矿粉、粉煤灰最大总掺量 45%以上不再适合。

（2）从表3～5 分析：在保证质量的前提下用吉港水泥双掺 45% 时相对成本最低；用中兴水泥双掺时40% 相对成本最低。

3.3 双掺最佳比例分析

除了水泥、矿粉、粉煤灰本身质量外，砂子细度，砂、石级配，技术指标要求是否满足标准，外加剂性能好坏，相互之间搭配的填充效应也是影响强度的主要因素。

达到工地后的浇筑、振捣、成型、养护、拆模等的影响因无法预料，不在此范围分析。

在兼顾强度、工作性、经济性的同时，根据表1～4 可以得出结论：双掺（矿粉:粉煤灰）最佳比例为6:4 和 5:5。

4 结论

（1）双掺技术应用，既能改善混凝土的工作性，提高强度和耐久性，又能降低成本，还能有效利用一部分工业废料，有利于节约资源和环境的保护。

（2）因龄期不同，工程混凝土体积、层高、技术要求不同；气温高低，材料技术指标不同等，都会影响掺合料的最佳掺量和比例，要根据实际情况而定。

（3）因各地方水泥中熟料成分组成，掺入的活性混合材料、非活性混合材料比例、类别等不同，矿粉、粉煤灰技术指标不同，以及混凝土中的其他材料的质量等区别很大，建议砼行在应用双掺技术时应经试验后再确定最佳掺量。