固定水膠比下三元膠凝材料體系對混凝土力學(xué)及工作性能影響研究

魏勇，左文鑾，張宏明，范建峰，陳雷

（南通眾潤混凝土有限公司利廢技術(shù)開發(fā)中心，江蘇 南通 226600）

0 前言

近年來，隨著房地產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展，混凝土的需求量也隨之不斷增長。無論從節(jié)約成本、降低能耗，還是綠色環(huán)保的角度，粉煤灰和礦粉等工業(yè)廢料在混凝土方面的運(yùn)用都勢在必行，尤其是在泵送混凝土大量應(yīng)用的今天。粉煤灰和礦粉的加入能改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，提高耐久性；粉煤灰與礦粉的顆粒比水泥小，能填充到水泥間隙中，提高混凝土的密實(shí)性，從而提高混凝凝土力學(xué)性能；其與水拌合粘性小于水泥與水拌合，從而改善混凝土的工作性能等等。許多科技工作者[1-4]研究了粉煤灰和礦粉對混凝土的力學(xué)及工作性能的影響，但從混料設(shè)計(jì)的角度研究三元膠凝材料水泥－粉煤灰－礦粉體系對混凝土力學(xué)及工作性能影響的研究鮮有報(bào)道。

本論文利用三因素極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)的混料設(shè)計(jì)方法[5]設(shè)計(jì)三元膠凝材料水泥—粉煤灰—礦粉體系，利用混料設(shè)計(jì)原理分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了三元膠凝材料體系對混凝土力學(xué)及工作性能影響，建立了回歸模型，繪制了三元膠凝材料水泥—粉煤灰—礦粉體系混凝土 3d、7d、28d、56d 的抗壓強(qiáng)度等高線及粉煤灰與礦粉對混凝土坍落度及當(dāng)量流動度作用曲面。也以此法，對今后的混凝土研究提供借鑒，方便人們利用及掌握。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料及性能

（1）膠凝材料

水泥采用磊達(dá)水泥廠生產(chǎn)的 P·O 42.5 級水泥。

粉煤灰采用南通華錦粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的 Ⅱ 粉煤灰。

礦粉采用南通市恒固建材科技有限公司生產(chǎn)的 S95 粒化高爐礦渣粉（簡稱 S95 礦粉）。

膠凝材料的部分性能指標(biāo)見表1 ～ 3。

表1 水泥部分性能指標(biāo)

表2 粉煤灰品質(zhì)

表3 礦粉品質(zhì)

（2） 其他原材料

石子采用南京六合產(chǎn) 5～31.5mm 連續(xù)級配碎石及揚(yáng)州儀征產(chǎn) 5～25mm 連續(xù)級配破碎卵石，按 3:7 的比例混合使用，兩種石子的性能指標(biāo)如表4 所示。

砂子采用洞庭湖產(chǎn)河砂，細(xì)度模數(shù)為 2.8，含泥量為0.9%。

減水劑采用江蘇某公司生產(chǎn)的 JM—10 聚羧酸減水劑。

水采用自來水。

表4 粗骨料各項(xiàng)性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土拌合物的出機(jī)坍落度控制在 (200±30)mm，混凝土的坍落度和抗壓強(qiáng)度的測定，分別按照 GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》，GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及混凝土配合比

為了探究三元膠凝材料水泥(C)—粉煤灰(F)—礦粉(SL)體系對混凝土力學(xué)及工作性能影響，本論文采用固定水膠比情況下三因素極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)的混料設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)三元膠凝材料水泥—粉煤灰—礦粉體系，考察指標(biāo)為 3d、7d、28d、56d 抗壓強(qiáng)度和出機(jī)坍落度及擴(kuò)展度。試驗(yàn)按水膠比＞0.4 的情況進(jìn)行討論。JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中鋼筋混凝土中復(fù)合礦物摻合料的最大摻量規(guī)定，當(dāng)水膠比＞0.4 時(shí)，復(fù)合礦物摻合料的最大摻量為 45%，單摻粉煤灰最大摻量為 30%，單摻礦粉最大摻量為 45%。則當(dāng)水膠比取 0.42時(shí)，各組分的約束條件是：

試驗(yàn)點(diǎn)的分布如圖1 所示，其比例關(guān)系如表5 所示。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)分布圖

其混料模型為：

表5 各試驗(yàn)點(diǎn)膠凝材料比例關(guān)系

根據(jù) GBT50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》選取膠凝材料用量為 380kg/m3，由圖1 及表5 設(shè)計(jì)的混凝土配合比如表6 所示。

表6 混凝土配合比數(shù)據(jù) kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表6 設(shè)計(jì)的混凝土，經(jīng)力學(xué)性能及工作性能的測試后，其數(shù)據(jù)如表7 所示。

表7 各試驗(yàn)點(diǎn)的抗壓強(qiáng)度及工作性能

表7 的試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)混料設(shè)計(jì)分析模型分析，得到混凝土3d、7d、28d、56d 抗壓強(qiáng)度和出機(jī)坍落度及當(dāng)量擴(kuò)展度的混料模型如式（3）～（8）所示：

式中：

R3——混凝土 3d 抗壓強(qiáng)度，MPa；

R7—— 混凝土 7d 抗壓強(qiáng)度，MPa；

R28—— 混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度，MPa；

R56—— 混凝土 56d 抗壓強(qiáng)度，MPa；

T —— 混凝土出機(jī)坍落度，mm；

D—— 混凝土當(dāng)量擴(kuò)展度，mm（注：當(dāng)量擴(kuò)展度指與擴(kuò)展度的兩個(gè)數(shù)相乘積相等的圓的半徑，這樣做是為了數(shù)值的模型計(jì)算）；

Xc——水泥占膠凝材料比例；

Xf——粉煤灰占膠凝材料比例；

Xsl—— 礦粉占膠凝材料比例。

各回歸方程的相關(guān)系數(shù)及其顯著性分別如表8、9 所示。由表8、 9分析可得（3）～（8）6 個(gè)回歸方程的相關(guān)性很好，且方程都是顯著的，即表明混料模型能很好的擬合混凝土的 3d、7d、28d、56d 抗壓強(qiáng)度及坍落度和當(dāng)量擴(kuò)展度。其中水泥占膠凝材料比例與粉煤灰占膠凝材料比例的交互作用因子（XcXf）、水泥占膠凝材料比例與礦粉占膠凝材料比例的交互作用因子（XcXsl）、粉煤灰占膠凝材料比例與礦粉占膠凝材料比例的交互作用因子（XfXsl） 對混凝土 28d、56d抗壓強(qiáng)度影響顯著，表明粉煤灰與礦粉對混凝土強(qiáng)度的影響在較長齡期內(nèi)才顯現(xiàn)出來。

表8 各回歸方程的相關(guān)系數(shù)

表9 各回歸方程及交互作用的顯著性

圖2 混凝土 3d 抗壓強(qiáng)度等高線

由圖2 與式（3）可知，無論單摻或是雙摻粉煤灰與礦粉對混凝土 3d 抗壓強(qiáng)度均產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，即礦物摻合料摻量越大，混凝土 3d 抗壓強(qiáng)度越低；混凝土的 3d 抗壓強(qiáng)度主要由水泥的摻量決定，水泥摻量越大，混凝土 3d 抗壓強(qiáng)度越高。通過式（3）中粉煤灰項(xiàng)與礦粉項(xiàng)系數(shù)的比較，粉煤灰的負(fù)效應(yīng)大于礦粉的負(fù)效應(yīng)，即粉煤灰的摻入對混凝土 3d 抗壓強(qiáng)度的降低作用大于礦粉。

圖3 混凝土 7d 抗壓強(qiáng)度等強(qiáng)線

圖4 混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度

由圖3 與式（4）可知，單摻粉煤灰對混凝土 7d 抗壓強(qiáng)度的影響與對混凝土 3d 抗壓強(qiáng)度的影響一樣，也產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)；而礦粉的摻入已能部分提高混凝土的強(qiáng)度，只是這種提高作用比起水泥的提高作用低。因此，礦粉比粉煤灰較先發(fā)揮強(qiáng)度作用。

圖5 混凝土 56d 抗壓強(qiáng)度

由圖4 與式（5）可知，單摻粉煤灰對混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度與之前分析 3、7d 對抗壓強(qiáng)度影響一樣，產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)；礦粉的摻入已經(jīng)能顯著影響混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度。此時(shí)，混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度主要由水泥與礦粉決定，水泥與礦粉的摻量越多，混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度越高。

由圖5 與式（6）可知，無論單摻或雙摻粉煤灰與礦粉均能提高混凝土的 56d 抗壓強(qiáng)度。這一結(jié)果與“二次水化”理論相一致。粉煤灰與礦粉只有與水泥水化的產(chǎn)物 Ca(OH)2反應(yīng)才能水化，因此粉煤灰與礦粉的水化反應(yīng)總是滯后于水泥，在較長齡期內(nèi)才能顯現(xiàn)出來。而且礦粉對 56d 抗壓強(qiáng)度的影響已超過水泥。

由圖6、7 與式（7）、（8）可知，無論單摻粉煤灰還是礦粉均能提高混凝土的工作性能；單摻粉煤灰比單摻礦粉更能提高混凝土的坍落度，單摻礦粉比單摻粉煤灰更能增加混凝土的流動度。因此，粉煤灰和礦粉雙摻能實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，即提高了坍落度也增加了流動度，大大改善混凝土的工作性能。

圖6 粉煤灰與礦粉對混凝土坍落度影響的作用曲面

圖7 粉煤灰與礦粉對混凝土流動度影響的作用曲面

3 結(jié)論

本文通過三因素極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)的混料設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)三元膠凝材料水泥—粉煤灰—礦粉體系，研究了三元膠凝材料體系對混凝土力學(xué)及工作性能影響可以得出以下結(jié)論：

（1）本文所用的三元混料模型能很好的擬合混凝土的3d、7d、28d、56d 抗壓強(qiáng)度及及坍落度和當(dāng)量擴(kuò)展度數(shù)據(jù)，精度較高。且通過各膠凝材料組分之間的交互作用，表明粉煤灰與礦粉對混凝土強(qiáng)度的影響在較長齡期內(nèi)才顯現(xiàn)出來。

（2）單摻粉煤灰 28d （包括 28d）齡期前，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加而降低；而單摻礦粉 7d（包括 7d）齡期后，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著礦粉摻量的增加而增加。無論單摻或雙摻粉煤灰與礦粉均能提高混凝土的 56d 抗壓強(qiáng)度，而且礦粉對 56d 抗壓強(qiáng)度的影響已超過水泥。

（3）無論單摻粉煤灰還是礦粉均能提高混凝土的工作性能，而粉煤灰和礦粉雙摻能實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，即提高了坍落度也增加了流動度，大大改善混凝土的工作性能。

[1] 王宇，王福戰(zhàn).粉煤灰、礦粉雙摻技術(shù)在高性能混凝土中的應(yīng)用研究[J].粉煤灰綜合利用，2010(6): 35-39.

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