固定水胶比下三元胶凝材料体系对混凝土力学及工作性能影响研究

时间：2024-10-10

魏勇，左文銮，张宏明，范建峰，陈雷

（南通众润混凝土有限公司利废技术开发中心，江苏南通 226600）

0 前言

近年来，随着房地产行业的发展，混凝土的需求量也随之不断增长。无论从节约成本、降低能耗，还是绿色环保的角度，粉煤灰和矿粉等工业废料在混凝土方面的运用都势在必行，尤其是在泵送混凝土大量应用的今天。粉煤灰和矿粉的加入能改善混凝土的孔隙结构，提高耐久性；粉煤灰与矿粉的颗粒比水泥小，能填充到水泥间隙中，提高混凝土的密实性，从而提高混凝凝土力学性能；其与水拌合粘性小于水泥与水拌合，从而改善混凝土的工作性能等等。许多科技工作者[1-4]研究了粉煤灰和矿粉对混凝土的力学及工作性能的影响，但从混料设计的角度研究三元胶凝材料水泥－粉煤灰－矿粉体系对混凝土力学及工作性能影响的研究鲜有报道。

本论文利用三因素极端顶点设计的混料设计方法[5]设计三元胶凝材料水泥—粉煤灰—矿粉体系，利用混料设计原理分析实验数据，研究了三元胶凝材料体系对混凝土力学及工作性能影响，建立了回归模型，绘制了三元胶凝材料水泥—粉煤灰—矿粉体系混凝土 3d、7d、28d、56d 的抗压强度等高线及粉煤灰与矿粉对混凝土坍落度及当量流动度作用曲面。也以此法，对今后的混凝土研究提供借鉴，方便人们利用及掌握。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料及性能

（1）胶凝材料

水泥采用磊达水泥厂生产的 P·O 42.5 级水泥。

粉煤灰采用南通华锦粉煤灰开发有限公司生产的 Ⅱ 粉煤灰。

矿粉采用南通市恒固建材科技有限公司生产的 S95 粒化高炉矿渣粉（简称 S95 矿粉）。

胶凝材料的部分性能指标见表1 ～ 3。

表1 水泥部分性能指标

表2 粉煤灰品质

表3 矿粉品质

（2）其他原材料

石子采用南京六合产 5～31.5mm 连续级配碎石及扬州仪征产 5～25mm 连续级配破碎卵石，按 3:7 的比例混合使用，两种石子的性能指标如表4 所示。

砂子采用洞庭湖产河砂，细度模数为 2.8，含泥量为0.9%。

减水剂采用江苏某公司生产的 JM—10 聚羧酸减水剂。

水采用自来水。

表4 粗骨料各项性能指标

1.2 试验方法

混凝土拌合物的出机坍落度控制在 (200±30)mm，混凝土的坍落度和抗压强度的测定，分别按照 GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》，GB/T50081—2002《普通混凝土力学试验方法》进行。

1.3 试验设计及混凝土配合比

为了探究三元胶凝材料水泥(C)—粉煤灰(F)—矿粉(SL)体系对混凝土力学及工作性能影响，本论文采用固定水胶比情况下三因素极端顶点设计的混料设计方法设计三元胶凝材料水泥—粉煤灰—矿粉体系，考察指标为 3d、7d、28d、56d 抗压强度和出机坍落度及扩展度。试验按水胶比＞0.4 的情况进行讨论。JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》中钢筋混凝土中复合矿物掺合料的最大掺量规定，当水胶比＞0.4 时，复合矿物掺合料的最大掺量为 45%，单掺粉煤灰最大掺量为 30%，单掺矿粉最大掺量为 45%。则当水胶比取 0.42时，各组分的约束条件是：

试验点的分布如图1 所示，其比例关系如表5 所示。

图1 试验点分布图

其混料模型为：

表5 各试验点胶凝材料比例关系

根据 GBT50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》选取胶凝材料用量为 380kg/m3，由图1 及表5 设计的混凝土配合比如表6 所示。

表6 混凝土配合比数据 kg/m3

2 试验结果与分析

由表6 设计的混凝土，经力学性能及工作性能的测试后，其数据如表7 所示。

表7 各试验点的抗压强度及工作性能

表7 的试验结果经混料设计分析模型分析，得到混凝土3d、7d、28d、56d 抗压强度和出机坍落度及当量扩展度的混料模型如式（3）～（8）所示：

式中：

R3——混凝土 3d 抗压强度，MPa；

R7—— 混凝土 7d 抗压强度，MPa；

R28—— 混凝土 28d 抗压强度，MPa；

R56—— 混凝土 56d 抗压强度，MPa；

T —— 混凝土出机坍落度，mm；

D—— 混凝土当量扩展度，mm（注：当量扩展度指与扩展度的两个数相乘积相等的圆的半径，这样做是为了数值的模型计算）；

Xc——水泥占胶凝材料比例；

Xf——粉煤灰占胶凝材料比例；

Xsl—— 矿粉占胶凝材料比例。

各回归方程的相关系数及其显著性分别如表8、9 所示。由表8、 9分析可得（3）～（8）6 个回归方程的相关性很好，且方程都是显著的，即表明混料模型能很好的拟合混凝土的 3d、7d、28d、56d 抗压强度及坍落度和当量扩展度。其中水泥占胶凝材料比例与粉煤灰占胶凝材料比例的交互作用因子（XcXf）、水泥占胶凝材料比例与矿粉占胶凝材料比例的交互作用因子（XcXsl）、粉煤灰占胶凝材料比例与矿粉占胶凝材料比例的交互作用因子（XfXsl）对混凝土 28d、56d抗压强度影响显著，表明粉煤灰与矿粉对混凝土强度的影响在较长龄期内才显现出来。

表8 各回归方程的相关系数

表9 各回归方程及交互作用的显著性

图2 混凝土 3d 抗压强度等高线

由图2 与式（3）可知，无论单掺或是双掺粉煤灰与矿粉对混凝土 3d 抗压强度均产生负效应，即矿物掺合料掺量越大，混凝土 3d 抗压强度越低；混凝土的 3d 抗压强度主要由水泥的掺量决定，水泥掺量越大，混凝土 3d 抗压强度越高。通过式（3）中粉煤灰项与矿粉项系数的比较，粉煤灰的负效应大于矿粉的负效应，即粉煤灰的掺入对混凝土 3d 抗压强度的降低作用大于矿粉。

图3 混凝土 7d 抗压强度等强线

图4 混凝土 28d 抗压强度

由图3 与式（4）可知，单掺粉煤灰对混凝土 7d 抗压强度的影响与对混凝土 3d 抗压强度的影响一样，也产生负效应；而矿粉的掺入已能部分提高混凝土的强度，只是这种提高作用比起水泥的提高作用低。因此，矿粉比粉煤灰较先发挥强度作用。

图5 混凝土 56d 抗压强度

由图4 与式（5）可知，单掺粉煤灰对混凝土 28d 抗压强度与之前分析 3、7d 对抗压强度影响一样，产生负效应；矿粉的掺入已经能显著影响混凝土 28d 抗压强度。此时，混凝土 28d 抗压强度主要由水泥与矿粉决定，水泥与矿粉的掺量越多，混凝土 28d 抗压强度越高。

由图5 与式（6）可知，无论单掺或双掺粉煤灰与矿粉均能提高混凝土的 56d 抗压强度。这一结果与“二次水化”理论相一致。粉煤灰与矿粉只有与水泥水化的产物 Ca(OH)2反应才能水化，因此粉煤灰与矿粉的水化反应总是滞后于水泥，在较长龄期内才能显现出来。而且矿粉对 56d 抗压强度的影响已超过水泥。

由图6、7 与式（7）、（8）可知，无论单掺粉煤灰还是矿粉均能提高混凝土的工作性能；单掺粉煤灰比单掺矿粉更能提高混凝土的坍落度，单掺矿粉比单掺粉煤灰更能增加混凝土的流动度。因此，粉煤灰和矿粉双掺能实现优势互补，即提高了坍落度也增加了流动度，大大改善混凝土的工作性能。

图6 粉煤灰与矿粉对混凝土坍落度影响的作用曲面

图7 粉煤灰与矿粉对混凝土流动度影响的作用曲面