矿粉质量对机制砂混凝土性能的影响

时间：2024-10-02

施妙泉

（舟山市丰翔预拌混凝土有限公司，浙江舟山 316000）

0 前言

混凝土作为建筑结构材料，生产质量和浇筑质量直接影响建筑工程的服役和耐久性，影响混凝土生产质量的因素较多，水泥、矿物掺和料、砂石乃至拌和水、外加剂都会对混凝土工作性能和力学性能造成影响，进而影响混凝土的耐久性。

矿粉作为主要的矿物掺和料，含有较高活性的 SiO2和 Al2O3，可参与水泥发生二次水化[1]，使得混凝土密实度提高，空隙率降低，对混凝土后期强度和耐久性有利。矿粉根据自身活性特点，可分为 S105、S95、S75三个等级，三种等级的矿粉比表面积和活性大小不同，应用于混凝土也会有差异[2,3]。当前混凝土天然砂石紧缺，机制砂已普遍应用于混凝土生产，通过生产控制可以达到优于天然砂混凝土的和易性和力学性能[4]。研究不同质量的矿粉在机制砂混凝土中的应用特点，可以有效指导矿粉在不同领域及工程的应用，对于机制砂混凝土的生产也有参考意义。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥采用 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其技术指标见表 1。粉煤灰为Ⅱ级灰，需水比为 97%。矿粉取S105、S95、S75 三个等级，矿粉的技术指标见表 2。

表1 试验水泥的技术指标

表2 矿粉的技术指标

细骨料采用机制砂，石灰石质，石粉含量 10%，细度模数 2.9，MB 值 2.0。石子为 5～20mm 连续级配，压碎值为 9%。

外加剂为聚羧酸外加剂，含固量 15.2%，推荐掺量1.0%～3.0%。

1.2 试验方法

混凝土坍落度和扩展度试验按 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。

混凝土力学性能测试按 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，采用 100mm×100mm×100mm 混凝土试件，标准养护，测试混凝土7d、28d 的抗压强度。

1.3 试验配合比

采用 C30 混凝土，取矿粉掺量 0%、10%、20%、30%，混凝土配合比及原材料用量见表 3。

表3 混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果及讨论

2.1 矿粉质量对混凝土坍落度和扩展度的影响

混凝土施工需要混凝土满足适宜的工作性能，坍落度和扩展度是评价混凝土施工效率的重要指标。测试了三种矿粉等级对混凝土坍落度和扩展度的影响，结果见表4。

表4 矿粉质量对混凝土坍落度和扩展度的影响

表4 结果显示，矿粉的掺量和掺入矿粉的质量等级都会对混凝土坍落度和扩展度造成影响。矿粉掺量 10%时，矿粉的加入使得混凝土坍落度和扩展度增加，同时1h 损失后的坍落度和扩展度均优于基准组，这是因为矿粉的加入降低了水泥用量，水泥水化放热速率降低，混凝土初始和易性和保坍性能都有所改善；矿粉掺量20% 时，S105 和 S95 矿粉加入后混凝土工作性能进一步改善，且保坍性能较好，其中添加 S105 矿粉后的混凝土 1h 坍落度和扩展度基本无损失；矿粉掺量 30%，S105、S95、S75 三种等级矿粉对混凝土保坍的正向作用降低，尤其是 S75 矿粉对混凝土工作性能的降低效应明显。

相同等级矿粉随着掺量增加，工作性能先提高后降低，这是因为适当的矿粉可以发挥颗粒效应，使得混凝土包裹性和粘聚性都增加，而矿粉持续增加，单位面积的水泥量减少，参与水化反应程度降低，从而使得混凝土和易性和保坍性能降低。同时低品质的矿粉在用量增加后对混凝土坍损作用更大，而比表面积大于水泥的S95 和 S105 级矿粉相对敏感度较低。

2.2 矿粉质量对混凝土强度的影响

混凝土强度是评价建筑结构承载力和服役安全性的重要指标，混凝土原材料性能、施工水平和养护等都会影响混凝土强度发展。按照矿粉掺量 0%、10%、20%、30% 等量取代水泥，砂石、外加剂和用水量均不变，室内搅拌成型，24h 拆模后进行标准养护，测试混凝土 7d、28d 抗压强度，结果见表 5、图 1。

表5 矿粉质量对混凝土强度的影响

图1a) 混凝土 7d 试验结果显示，添加 10% S105 和S95 矿粉后的混凝土 7d 抗压强度略高于未掺矿粉混凝土，添加 S75 矿粉的混凝土都随掺量增加而降低，这是因为矿粉掺量增加，水泥量降低，水化生成的水化产物被矿粉和粉煤灰颗粒包裹，进一步水化的阻力增加，使得混凝土早期强度下降。S105 和 S95 颗粒较细，自身的填充效应抵消了水泥量降低的影响。

图1 矿粉质量对混凝土强度的影响

图1b) 结果显示，S105 和 S95 矿粉在掺量 20% 以内时，混凝土 28d 强度都高于基准组，其中 S105 和S95 级矿粉在 20% 时混凝土强度最高，随后掺量增加混凝土强度下降，而 S75 级矿粉各个掺量的混凝土 28d强度都会有所降低，这是因为 S105 和 S95 矿粉比表面积大、活性较高，参与二次水化后能生成致密的水化产物[5]，从而对混凝土骨架形成有力支撑，使得混凝土强度提高。

2.3 矿粉质量对混凝土折压比的影响

混凝土折压比在一定程度上反映了混凝土的抗裂能力[6]，混凝土主要承受压力荷载，刚性较大，相对拉伸强度较低。提高混凝土的韧性，改善混凝土的抗裂性能是提高混凝土服役寿命的重要途径。研究了矿粉质量对混凝土 28d 折压比的影响，测试结果见表 6、图 2。

表6 矿粉质量对混凝土折压比和碳化深度的影响

图2 结果显示随着矿粉掺量增加，混凝土 28d 折压比均有不同程度的上升，且随着矿粉质量提升，混凝土折压比提高越明显。混凝土界面过渡区相对较为薄弱，浆体与骨料的粘接能力反映了混凝土强度优劣[7]。矿粉质量提升，参与水泥二次水化生成的水化产物增多，混凝土界面过渡区增强，从而使得混凝土抵抗开裂的能力提高。

图2 矿粉质量对混凝土 28d 折压比的影响

2.4 矿粉质量对混凝土碳化深度的影响

混凝土工程长期暴露在空气当中，容易受到空气中的 CO、SOx等酸性气体侵蚀，发生由表及里的碳化反应，使得混凝土碱度下降，对钢筋的保护作用降低[8]，因此碳化性能也是混凝土耐久性的重要指标。矿粉加入后，混凝土后期的火山灰反应，使得混凝土水化产物增多，对混凝土碳化必定具有一定作用。测试了加入矿粉后混凝土 28d 碳化深度，测试结果见表 6、图 3。

图3 结果所示，矿粉掺量提高对混凝土碳化深度的影响与矿粉质量密切相关，S75 矿粉掺量增加，混凝土碳化深度增加，而 S95 和 S105 矿粉由于活性更高，生成较多的水化产物，使得混凝土密实程度增加，混凝土抗碳化性能提高。

图3 矿粉掺量对混凝土碳化的影响