【研究探索】多元复合矿物掺合料对混凝土性能的影响

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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第3期

多元复合矿物掺合料对混凝土性能的影响

韩宇超，童小根，荆彪，张翔，孟刚，张凯峰

［摘 要］本研究对不同矿物掺合料进行搭配，研究了多元矿物掺合料不同搭配体系对混凝土性能的影响。试验结果表明，矿物掺合料进行合理搭配后能够显著改善混凝土的力学性能和耐久性能。通过对混凝土试样进行力学性能测试、耐久性测试和显微结构分析，发现复合矿物掺合料的最佳配比，并且混凝土的强度、抗渗性均得到了可数据量化。因此，多元复合矿物掺合料体系是一种有效改善混凝土性能，实现废物资源再利用的良好搭配。

［关键词］多元复合矿物掺合料；混凝土性能；力学性能；耐久性

0 引言

混凝土是建筑工程中常用的材料之一，其性能对工程结构的安全和耐久性具有重要影响。传统的混凝土配制中常使用水泥、砂和石等原材料。随着社会的快速发展和城市化进程，大量的固废产生并带来了严重的环境问题。固废的处理和处置已成为一个亟待解决的问题。因此将矿粉、粉煤灰等固废材料用作混凝土、砂浆掺合料，不仅能有效减少废弃物的排放，还能改善混凝土的性能。本文旨在研究不同比例矿物掺合料对混凝土性能的影响，并提供理论依据和试验数据支持。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

（1）水泥：陕西铜川声威特种水泥有限公司生产的PO42.5级水泥，基本性质见表1，化学成分见表2。

（2）粉煤灰：湖南鑫海环保科技有限公司生产Ⅱ级粉煤灰，基本性质见表2。

）矿粉：陕西德龙粉体工程材料有限公司生产的S95级矿粉，基本性质见表

）砂：西安直鑫旺晟商贸有限公司生产的的Ⅱ类天然中砂，外观呈黄色颗粒状，级配合格。砂的基本性质见表

）碎石：西安直鑫旺晟商贸有限公司生产的Ⅱ类碎石，外观呈青灰色粉末状，级配合格，粒径2.3626.5mm，最大粒径为26.5mm，基本性质见表

）减水剂：中建新材料科技有限公司生产的聚羧酸减水剂，固含量为47%，最佳掺量为1.5%，减水率为30%

（7）水：西安市鄠邑区市政用水。

1.2 试验方法

按照一定比例将矿物掺合料掺入净浆、水泥胶砂与混凝土中，制备净浆、水泥胶砂与混凝土试件。分别测试不同掺合料比例下净浆、水泥胶砂与混凝土的抗压强度、抗折强度和耐久性等性能。

1.2.1 配合比

1.2.1.1净浆配合比

根据混凝土的胶凝材料配比制定试验方案。试验设两组，将矿粉—粉煤灰复合掺合料分别以40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%掺入水泥中，其中第一组粉煤灰和矿粉按照1:7、1:8、1:9、1:11、1:12、1:13配矿粉—粉煤灰复合掺合料，第二组为1:7、2:7、3:7、4:7、5:7、6:7、7:7配比。设置P·O42.5级水泥为空白组，一共15组试件，每组取平均值。试验配合比数据如表6所示^[1]

1.2.1.2水泥胶砂配合比

在原有方案与净浆配比下，制定水泥胶砂配合比，设置C0为空白组，一共15组试件，每组取平均值。试验配合比数据如表7所示。

1.2.1.3混凝土配合比

本试验制备C30混凝土进行试验，所采用配合比为某搅拌站提供的常用C30混凝土的配比，每立方混凝土包括水泥240kg、矿粉60kg、粉煤灰80kg、砂850kg、碎石991kg、减水剂9.0kg、水170kg。本试验使用不同比例矿粉、粉煤灰逐步取代其胶凝材料总量进行试验研究，在原有方案与胶砂比例下，加入碎石作为粗骨料，水胶比为0.45，设置空白组，一共15组试件每组取平均值。试验配合比数据如表8所示。

1.2.2 净浆性能测试方法

按照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》国家标准使用维卡仪测试胶凝材料掺量对净浆性能的影响。

1.2.3 水泥胶砂性能测试方法

水泥胶砂强度试验按照GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行，试件尺寸为40mm×40mm×160mm，标准养护至7d、28d、56d后取出进行抗折、抗压强度测试。水泥胶砂流动度试验按照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行。

1.2.4 混凝土性能测试方法

按照试验配比，将原料进行混料、浇筑、振实等步骤，制备成边长为100mm的立方体混凝土试块，在标准条件下养护至3d、7d、14d、28d龄期，按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》的规定进行抗压强度测试。混凝土抗水渗透性能试件在标准条件下养护27天取出，并擦拭干净晾干，第28天按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的电通量法测定氯离子扩散系数。

2 试验结果与分析

2.1 复合矿物掺合料对净浆性能的影响

试验结果见表9和图1、2。

由图1中可以看出，在粉煤灰固定掺5%组中，D1试块56天后抗压强度最高，达到49.1MPa，随着矿粉比例增大，净浆强度出现递减的趋势，在矿粉掺入60%之前强度均优于空白组，掺入60%矿粉时可在达到空白组强度的同时，实现经济最大化；在矿粉固定掺35%组中，随着粉煤灰比例增大，净浆强度出现递减的趋势，在粉煤灰掺入15%之前工作性能均优于空白组，掺入15%矿粉时在达到空白组强度的同时，经济效益最好^[2]

由图2可以看出，随着替换比例的增大，即粉煤灰和矿粉掺入量越高，净浆标准稠度用水量越小，凝结时间越大。净浆标准稠度用水量减小是因为矿粉、粉煤灰细度小、比表面积较大，与水接触表面积变大而且较完全，因而水化反应速度就较快，同时矿粉能够引发表面的水化反应，进而激发粉煤灰的水化，因此减少了需要的水量。凝结时间增大一方面是因为复合胶凝材料中矿渣和钢渣的水化放热、反应速度明显低于水泥；另一方面是因为矿粉、粉煤灰中的缓凝成分包括硅酸盐、氧化铝和铁氧化物等化合物。这些成分可以在水泥水化过程中起到缓慢水化的作用，在二者的共同作用下延长了水泥的凝结时间^[3-4]

2.2 复合矿物掺合料对水泥胶砂性能的影响

试验结果见表10和图3～5。

由图3和图4中可以看出，适量掺入粉煤灰和矿粉可以提高水泥胶砂的长期强度。这是因为粉煤灰和矿粉的微集料密实填充效应能够填充水泥基质中的孔隙，粉煤灰和矿粉因相互激发使火山灰活性逐渐发挥^[5]，增强了水泥胶砂的强度。然而，过高的掺入比例会降低水泥胶砂的强度，因为过高的矿物掺合料含量会导致水泥基质的凝结反应受到抑制，粉煤灰会与水泥的水化产物氢氧化钙发生二次水化反应，但是粉煤灰的活性较低，前期反应过程中，生成的C-S-H凝胶的速度较慢，引起胶砂强度下降^[6]

由图5中可以看出，适量的粉煤灰和矿粉的掺入可以改善水泥胶砂的流动性。原因可能是当掺合料较少时，掺合料起到微集料效应，填充在水泥颗粒之间，使水分溢出，增加了流动性；随着掺量的增加，掺合料由于比表面积大，需水量更大，掺合料比表面积起了主导因素，砂浆流动性有所降低^[7]

2.3 复合矿物掺合料对混凝土性能的影响

试验结果见表11和图6、7。

由图6中可以看出，粉煤灰固定掺5%时，随着矿粉掺入矿粉比例较少（不超过35%）强度有所增强。这是因为矿粉的火山灰反应在水泥水化初期就开始了，与粉煤灰相比，矿粉的活性更主要体现在对水泥水化不但没有影响反而还有促进作用。矿粉固定掺35%、粉煤灰比例不超过15%时，粉煤灰的微集料效应使混凝土早期强度增加，随着粉煤灰掺入量的增大，混凝土前期强度呈现递减趋势，这是因为粉煤灰的火山灰反应缓慢，造成了混凝土早期强度的大幅度降低^[8]

由图7中可知，适量的粉煤灰和矿粉掺入可以增强混凝土的流动性，从而提高扩展度。但是过高的掺量导致混凝土的扩展度降低。各组拌合物扩展度均530mm，这表明新拌混凝土具有较好的流动性和黏聚性；空白对照组具有较大的经时损失，初始坍落度170mm，60min后只有130mm，损失率达到23.5%；矿粉、粉煤灰能够明显提高混凝土坍落度初始值，有效改善了坍落度保持性，随着矿粉、粉煤灰掺量的增加，坍落度开始减小，这是因为粉煤灰和矿粉具有较高的细度，会减少混凝土颗粒间的润湿性和黏着性，从而降低混凝土的流动性^[9]。试验结果说明掺入适量范围的粉煤灰与矿粉能够降低坍落度损失，有效改善拌合物性能，其工作性能随掺量的增加逐渐改善^[10]

2.4 耐久性

试验测定不同掺量矿粉—粉煤灰混凝土的氯离子扩散系数，并进一步分析影响规律，如表12和图8所示。

掺矿粉、粉煤灰组相较于空白组#0的氯离子扩散系数明显较低，说明矿粉、粉煤灰的掺入会使混凝土抗氯离子渗透能力上升。通过对比分析发现，#1、#3、#5、#7组混凝土的氯离子扩散系数随着矿粉与粉煤灰掺量的增加而增大，#8、#10、#12、#14组混凝土也表现出相似的变化规律，这是因为在胶凝材料中水泥粒径最大，矿粉与粉煤灰次之，经过适当比例的混合后会使其在拌水前形成良好的微集料级配，达到紧密堆积状态。水化过程中不同粒径的胶凝材料颗粒相互填充减少了颗粒间的空隙，从而进一步减少了复合胶凝材料体系凝结硬化后的总孔隙率，改善了孔结构以及二次水化产物的增加使混凝土的密实度提高，抗渗性和耐久性增大^[11]

3 结论

通过对不同比例矿物掺合料对混凝土性能的影响进行研究，我们得出结论：适量的矿物掺合料能够显著改善混凝土的力学性能、耐久性。

（1）矿粉、粉煤灰的掺入可以明显提高新拌混凝土坍落度初始值，有效改善拌合物坍落度保持性，降低坍落度损失，掺入适量的矿粉、粉煤灰可增强混凝土流动性，提高扩展度。

（2）矿粉掺入35%时，粉煤灰掺入不超过15%可在达到强度的同时经济效益最高；其次是粉煤灰掺入5%，矿粉掺入不超过15%也可实现。

（3）耐久性方面，掺入适当的矿粉、粉煤灰可提高混凝土的抗氯离子渗透性，耐久性由矿粉、粉煤灰掺入比例的增加而得到改善，推荐最佳掺量为粉煤灰5%，矿粉35%。

参考文献

[1] 陈征征，朱乐，周太华，等．不同比例复合矿物掺合料对混凝土抗压强度力学性能研究[J]．蚌埠学院学报，2021,10(05): 29-32．

[2] 黄日金．混凝土中粉煤灰与矿粉的配比分析[J]．居舍，2022(36): 22-24．

[3] 杨志强，赛音巴特尔，时朝昆，等．多固废耦合水泥制备 C30 混凝土性能研究[J]．环境工程，2023,41 (03): 143-147. DOI:10.13205/j.hjgc.202303019．

[4] 刘晓龙，柯国炬，田波，等．水胶比、粉煤灰和矿粉对混凝土性能的影响[J]．工业建筑，2015(Ⅱ): 6．

[5] 田伟丽，汪冬冬．粉煤灰和矿粉双掺的胶砂和混凝土试验研究[J]．粉煤灰，2008(04): 23-26．

[6] 李微，罗作球，张凯峰，等．硅铁冶炼副产品硅灰在普通混凝土中应用研究[J]．江西建材，2020(S1): 13-15+18．

[7] 曹瑞东，杜红秀，杨会伟，等．矿物掺合料对三元复合超早强砂浆性能的影响研究[J]．硅酸盐通报，2019,38(09): 3010-3014. DOI:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2019.09.047．

[8] 倪倩文．掺矿粉、硅灰和粉煤灰水工混凝土性能研究[J]．黑龙江水利科技，2023,51(08): 36-38+63．DOI: 10.14122/j.cnki.hskj.2023.08.018．

[9]倪倩文．掺石灰石粉水工混凝土耐久性研究[J]．黑龙江水利科技，2023,51(09): 21-24. DOI:10.14122/j.cnki.hskj.2023.09.020．

[10] 严海彬，杨德斌，邢李进．掺多元复合矿物外加剂高性能混凝土耐久性[J]．山西建筑，2009,35(34): 164-166．

供稿人：韩宇超，童小根

编辑员：李海亮

审核人：孙继成，宁夏

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