雙摻粉煤灰和礦粉的混凝土配合比優(yōu)化

姜山，周亮，劉曉

（1. 河北天博建設(shè)科技有限公司，河北 保定 071000；2. 河北建設(shè)集團(tuán)股份有限公司混凝土分公司，河北 保定 071000）

0 引言

粉煤灰是一種工業(yè)廢料，從微觀結(jié)構(gòu)上看具有潛在的火山灰[1]活性物質(zhì)，可取代部分水泥并與水泥進(jìn)行二次水化反應(yīng)[2]，有效地降低了混凝土水化熱反應(yīng)的放熱峰值與反應(yīng)速率，并有效地提高了混凝土的拌合物性能，可以應(yīng)用于建材工業(yè)市場。從研究大摻量粉煤的意義來看，它將高性能混凝土與低水泥環(huán)保型混凝土的開拓相結(jié)合，對于走綠色建材、新型建材的道路具有重要意義。

大摻量粉煤灰混凝土，將粉煤灰大量單摻于混凝土中，會使混凝土自身具有前期強(qiáng)度低、需水量大等缺點(diǎn)。本次研究特引入礦粉同時作為摻合料，利用礦粉與粉煤灰雙摻[3]的復(fù)合效應(yīng)、堆積密度效應(yīng)、微集料填充效應(yīng)，從而改善拌合物性能，提高粉煤灰的利用率。通過水泥膠砂試驗(yàn)調(diào)整摻合料摻量，以河北建設(shè)集團(tuán)混凝土分公司多年實(shí)踐 C30 普通雙摻混凝土配合比為基準(zhǔn)，對大摻量粉煤灰混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

1 試驗(yàn)過程

1.1 原材料

（1）水泥（C）：選用順平曲寨 P·O42.5 水泥，主要性能指標(biāo)見表 1。

（2）粉煤灰（F）：選用保定大唐Ⅱ級粉煤灰，主要性能指標(biāo)見表 2。

（3）礦粉（K）：選用保定乾華建材 S95 級礦粉，主要性能指標(biāo)見表 3。

（4）聚羧酸外加劑（A）：保定慕湖恒源新型建材有限公司，主要性能見表 4。

（5）石子（G）：本試驗(yàn)采用 5～25mm 天然卵碎石，級配良好，含泥 0.4%，泥塊含量 0.2%，針片狀顆粒 5%，表觀密度 2670kg/m3，堆積密度 1570kg/m3。

（6）砂子（S）：滿城天然砂，細(xì)度模數(shù) 2.8，級配良好，含泥 1.8%，泥塊含量 0.2%，表觀密度2720kg/m3，堆積密度 1560kg/m3。

表 1 水泥的物理性能指標(biāo)

表 2 粉煤灰基本性能

表 3 礦粉基本性能

表 4 聚羧酸外加劑基本性能

1.2 膠砂試驗(yàn)

根據(jù) GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》，采用表 5 的配合比。共設(shè)計 21 組試塊，試件的制作與養(yǎng)護(hù)符合相關(guān)規(guī)范的要求。

為了直觀分析單摻摻合料 Ⅱ 級粉煤灰和 S95 礦粉摻量對膠砂 28d、60d、90d 抗壓強(qiáng)度影響，將數(shù)據(jù)繪制成圖 1～4。

由表 5 和圖 1、圖 3 可以看出：單摻粉煤灰抗折強(qiáng)度隨著齡期時間的增長而增長，抗折強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在30%～35% 之間；單摻礦粉的抗折強(qiáng)度卻隨著齡期時間的增長而下降，抗折強(qiáng)度的低谷值出現(xiàn)在 15%～20%之間。

表 5 單摻粉煤灰或礦粉膠砂試驗(yàn)摻量與強(qiáng)度

圖 1 粉煤灰不同摻量的試體抗折強(qiáng)度對比

圖 2 粉煤灰不同摻量的試體抗壓強(qiáng)度對比

由表 5 和圖 2、圖 4 可以看出：單摻Ⅱ粉煤灰，當(dāng)摻量為 5%～35% 時，各齡期抗壓強(qiáng)度都比不摻粉煤灰的強(qiáng)度高。當(dāng)摻量為 35% 以上時，膠砂試塊強(qiáng)度呈加速下降趨勢，雖然強(qiáng)度損失過快，但 90d、60d 的膠砂試塊自身強(qiáng)度也有顯著增長。由此看來粉煤灰摻量為 5%～35% 后期膠砂強(qiáng)度為增長幅度較大，摻量為15%～20% 時為最佳摻量。單摻 S95 礦粉，膠砂試塊28d 齡期強(qiáng)度值隨著摻量的增加也在下降，后期 60d、90d 強(qiáng)度有較大幅度增長，當(dāng)摻量為 25% 時為強(qiáng)度峰值，根據(jù) 28d、60d、90d 膠砂試塊強(qiáng)度綜合分析摻量為20%～30% 時為最佳區(qū)間。

1.3 混凝土配合比設(shè)計

根據(jù) JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》、GBJ 146—90《粉煤灰混凝土技術(shù)應(yīng)用規(guī)程》，采用了如表 6 配合比，其中 D0 為常用普通混凝土配合比?；炷列阅芙Y(jié)果見表 6 和圖 5～8。

圖 3 礦粉不同摻量的試體抗折強(qiáng)度對比

圖 4 礦粉不同摻量的試體抗壓強(qiáng)度對比

2 配合比適配結(jié)果分析

理論上礦粉的作用機(jī)理是參與二次水化反應(yīng)，在反應(yīng)過程中吸收大量的 CH 晶體，使水泥石與骨料界面粘結(jié)程度及水泥漿體的細(xì)部結(jié)構(gòu)得到改善，提高混凝土的密實(shí)性。雖然混凝土中摻加礦粉會降低前期強(qiáng)度，但影響程度并不大，且后期強(qiáng)度也會有所增長。而粉煤灰做為工業(yè)廢料主要由大量表面光滑的球狀玻璃體組成，可以改善混凝土拌合物的流動性、粘聚性和保水性。由于粉煤灰的水化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水泥熟料，有效的降低了混凝土的水化熱，適用于大體積混凝土，同時摻加粉煤灰后混凝土的早期強(qiáng)度低于普通混凝土，且粉煤灰摻量越高早期強(qiáng)度越低。礦粉和粉煤灰的雙摻不只是簡單的混合，而是有意識的使兩種混合材料取長補(bǔ)短，在強(qiáng)度上產(chǎn)生一定的互補(bǔ)作用，體現(xiàn)出單摻所不具備的優(yōu)勢，彌補(bǔ)單摻粉煤灰早期強(qiáng)度低的缺陷。

由表 6 可以看出：在選定的礦粉摻量為 20%、25%、30% 時，粉煤灰的摻量為 20%、25%、30%、35%、40%，總摻量為 50%、55%、60%。圖 5～10 當(dāng)?shù)V粉摻量相同時（A1A2A3、B1B2B3、C1C2C3），粉煤灰每多取代水泥 5%，相同齡期強(qiáng)度值都有所下降，而 90d 強(qiáng)度下降值在2.4%～2.9%。在總摻合料摻量相同時（A1B1C1、A2B2C2、A3B3C3），每當(dāng)?shù)V粉增加5%、粉煤灰減少 5%，齡期強(qiáng)度值呈現(xiàn)出上升趨勢。雖然試驗(yàn)批次 28d 強(qiáng)度普遍低于普通混凝土齡期強(qiáng)度，但由于二次水化反應(yīng)的存在，28d 到 60d 和 90d 混凝土強(qiáng)度還有一定程度的增長，且增長速度超過了普通混凝土，甚至 60d 或 90d 強(qiáng)度超過了普通混凝土強(qiáng)度，從試驗(yàn)可以得出結(jié)論配合比可以滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

（1）膠砂單摻試驗(yàn)說明粉煤灰與礦粉的后期強(qiáng)度增長周期較長，緩慢的二次水化反應(yīng)有助于混凝土強(qiáng)度的長期增長，粉煤灰的摻量在 5%～35% 時強(qiáng)度值增加明顯，摻量 15%～20% 時出現(xiàn)強(qiáng)度峰值，礦粉的摻量在 25%～30% 時出現(xiàn)強(qiáng)度峰值。

表 6 大摻量粉煤灰 C30 混凝土配合比及性能結(jié)果

圖 5 摻合料 50% 的混凝土抗壓強(qiáng)度

圖 6 摻合料 55% 的混凝土抗壓強(qiáng)度

圖 7 摻合料 60% 的混凝土抗壓強(qiáng)度

圖 8 A 組不同粉煤灰摻量齡期強(qiáng)度

圖 9 B 組不同粉煤灰摻量齡期強(qiáng)度圖

圖 10 C 組同粉煤灰摻量齡期強(qiáng)度

（2）在 C30 混凝土中摻合料摻量在 50%～60% 區(qū)間、礦粉摻量為 25% 時，混凝土拌合物性能良好且抗壓強(qiáng)度符合設(shè)計要求。

（3）結(jié)合膠砂單摻試驗(yàn)和混凝土適配，發(fā)現(xiàn)礦粉的加入，能與粉煤灰產(chǎn)生一定的互補(bǔ)作用，體現(xiàn)出單摻所不具備的優(yōu)勢，彌補(bǔ)單摻粉煤灰早期強(qiáng)度的缺陷。