复合矿物掺合料高性能混凝土的试验研究

孔令阳，江晨晖，2，陈 焱，龚 俊，陈国海，王亚东

（1.浙江华威混凝土有限公司，浙江 杭州311228；2.浙江建设职业技术学院，浙江 杭州311231；3.杭州华力建材有限公司，浙江杭州311136）

1 概 述

由于全社会对环保的日益重视，特别是清洁能源兴起带来的火电厂和钢铁厂的减少，以粉煤灰和矿渣粉为代表的传统优质矿物掺合料面临短缺和供不应求。为了满足日益增长的掺合料消耗，市场上不断出现造假、掺假、以次充好、质量水平低及不稳定的产品。有些商品混凝土企业为了节约成本而使用价低质差的掺合料，虽然生产的混凝土强度能达到要求，但其耐久性方面的指标往往差强人意。这势必造成混凝土结构的服役寿命得不到保证，甚至导致工程质量和安全事故［1-4］。

在此大背景下，以 “节能减排，优势互补” 为宗旨发展应用起来的复合矿物掺合料（以下简称 “复合掺合料” ），逐步得到工程界的认可，近十年来更是方兴未艾，大有应用和发展潜力。与单一的掺合料相比，复合掺合料能充分发挥各种材料的性能特点和技术优势，弥补单一材料的某些缺陷，发挥多种组分的 “超叠加效应” ，从而获得更好的应用效果。复合掺合料混凝土的工作性、物理力学性能、耐久性及经济成本都比普通混凝土具有潜在优势。通过技术调节，能获得满足混凝土工程应用多样化需求的复合掺合料系列化产品。因此，复合掺合料是现代混凝土中不可或缺的功能性材料［5-7］。

2 实 验

2.1复合掺合料的基本性质

基于X射线衍射（XRD）的化学成分分析法，对采用的复合掺合料产品进行了三次平行分析，数据见表1。复合掺合料的主要成分为非晶态无定型硅、钙和铝的氧化物，SiO2、Al2O3和Fe2O3的总质量分数（平均值）高达90%，甚至高于Ⅰ级F类粉煤灰。可见其火山灰活性满足作为混凝土掺合料的使用要求。

表1 复合掺合料化学分析测试数据

复合掺合料的性能须符合现行《混凝土用复合掺合料（JC／T 486—2015）》和《矿物掺合料应用技术规范（GB／T 51003—2014）》等标准规范的规定。经试验分析，本研究采用的复合掺合料产品，各项性能指标均符合上述标准对 “普通型II级” 的相关规定，见表2。

表2 采用复合矿物掺合料的技术指标

2.2 其他原材料的基本性质

所用原材料分别为：P·O 42.5水泥（新市南方和运河水泥）；II级粉煤灰（亿万）；S95矿粉（中天）；细骨料（天然砂和机制砂的混合砂）；高浓度萘系减水剂（科之杰Point－400G）。各批次细骨料性能指标见表3。由于本研究时间跨度较长，加上绝大部分原材料直接来自于搅拌站料仓，规格和质量存在一定差异，后文将对不同之处加以具体说明。

表3 细骨料性能检测数据

2.3 混凝土的配合比

复合掺合料混凝土的配合比设计主要遵循以下几个原则：

1）保证胶凝材料总量足够的前提下，合理增大复合掺合料的掺量，建议不宜低于30%。

2）与同强度等级的传统矿物掺合料混凝土相比，水胶比应略微下调。

3）保持与传统掺合料混凝土相同的工作性，通过调节骨料用量和高效减水剂掺量，确保混凝土的密实度和后期强度增长。

4）注意复合掺合料与水泥、外加剂的相容性，确保复合掺合料的匀质性和稳定性。

由于下述各试验的目的和对象有所差异，加上原材料的批次不尽相同，采用的混凝土配合比会有所区别。

2.4 试验方法

本研究采用的试验方法，主要参照现行国标《普通混凝土拌合物性能试验方法标准（GB／T 50080—2016）》和《混凝土物理力学性能试验方法标准（GB／T 50081—2019）》实施。自由干燥收缩采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件，成型24 h后拆模（拆模前未予覆盖）并开始测试，直至28 d龄期。具体方法参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB／T 50082—2019）》规定的 “接触法” 执行。采用混凝土氯离子电通量测定仪，以6 h通过混凝土试件的总电通量（C）（电通量法）作为评价混凝土的抗氯离子渗透能力（参照GB／T 50082执行）。该指标也能在一定程度上反映混凝土的密实性和耐久性。

本研究以传统掺合料应用方式（即单掺粉煤灰或复掺粉煤灰和矿粉）的混凝土作为基准情况，凸显复合掺合料混凝土（即复掺复合掺合料和粉煤灰的情况）的性能（包括拌合物工作性、强度、氯离子渗透性、自由收缩率等）和成本优势。

3 结果及讨论

3.1 强度特性

不同胶凝材料组合的混凝土（C30～C50）配合比、初始坍落扩展度等信息均列于表4中。为直观起见，各配合比混凝土（区分不同强度等级和水胶比）的抗压强度随龄期的发展规律绘于图1中，对应的单位成本能获得的强度见图2。

表4 混凝土的配合比和基本性能

由表4所列数据不难发现：大体上来说，同强度等级的复合掺合料混凝土的工作性与基准（传统掺合料混凝土）情况相同。具体地，对于C40、C45和C50三个强度等级而言，复合掺合料混凝土的坍落扩展度较相应的传统掺合料混凝土略大；对于C30和C35两个较低的强度等级，则情况正好相反。

总体上来说，随着强度等级的提高和水胶比的降低，总胶凝材料用量增大，扩展度减小，混凝土的强度提高。

由图1和表5的数据可以看出：对于水胶比较高（均为0.49）的C30和C35而言，复合掺合料对混凝土强度的贡献较为显著。以C30为例，与OPC＋FA和OPC＋FA＋BS的情况相比，OPC＋FA＋CMA的胶凝材料总量减少10 kg，其各龄期的强度仍然为三者中的最高，且后期仍保持较大增幅。C35也有与此类似的表现。C35的4个配合比中，虽然OPC＋FA＋BS获得了最高强度，但其胶凝材料总用量最多（409 kg），较另一组OPC＋FA＋CMA高出21 kg。

对于水胶比下降后的C40、C45和C50而言，情况几乎是相反的。也即以复合掺合料部分取代水泥和矿渣粉之后，混凝土的强度降低，以C40和C45表现更为突出，强度最大降幅高达14.4%，最小降幅为3%。从另一角度分析，与设计强度等级相比，各强度等级的复合掺合料混凝土后期强度增幅比传统掺合料混凝土更大（表5）。

以标养28 d抗压强度（MPa）与单方成本价（元）之比作为衡量混凝土 “性价比” 的指标。以C35为例，不同胶凝材料组合的混凝土的 “性价比” 见图2。性价比最高的是 OPC＋FA＋BS，其次是OPC＋CMA。虽然前者的性价比更高，但胶凝材料总量高于后者，就早期抗裂性能而言是不利的。

表5 复合掺合料混凝土与传统掺合料混凝土的强度增进情况对比

图1 各配合比混凝土的强度发展历程

图2 不同胶凝材料组合的混凝土性价比

3.2 自由收缩特性

用于干燥收缩测试的两组混凝土的配合比信息见表6。两组混凝土28 d龄期内的干燥收缩随龄期发展的规律见图3。

图3 复合掺合料与传统掺合料混凝土干燥收缩对比

从这些试验数据不难发现：复合掺合料混凝土各龄期收缩率均小于传统掺合料混凝土。传统掺合料混凝土早期收缩增长幅度更大，14 d后逐渐趋于平稳。复合掺合料混凝土早期自由收缩增长幅度较小，21 d后逐渐趋于平稳。由此可见，复合掺合料对提高混凝土密实性和抗裂性能具有积极意义。究其原因，可能与复合掺合料整体水化活性偏低和包含的某些抑制收缩的组分有关［3-5］。

表6 混凝土干燥收缩试验配合比及基础试验数据

3.3 抗氯离子渗透性能

根据国家标准《预拌混凝土（GB／T 14902—2012）》，预拌混凝土的抗氯离子渗透性能等级按电通量大小划分为五级，分别是Q－Ⅰ、Q－Ⅱ、Q－Ⅲ、Q－Ⅳ、Q－Ⅴ，几乎相当于ASTM标准中的高（High）、中等（Moderate）、低（Low）、极低（Very Low）、可忽略（Negligible）四个等级。电通量越小，混凝土的内部结构越致密，抗渗性越好。如图4所示，对比两类混凝土的电通量试验数据，不难发现：复合掺合料混凝土比同强度等级的传统掺合料混凝土具有更低的渗透性和更高的密实性，前者的56 d电通量比后者降低23%～36%。

图4 两类混凝土冬、夏季56 d电通量对比

4 结 语

综合以上复合掺合料高性能混凝土的试验研究，可归纳以下：

1）对于水胶比较高的C30和C35而言，复合掺合料对混凝土强度的贡献较为显著。对于水胶比下降后的C40、C45和C50而言，情况几乎是相反的。低强度等级的复合掺合料混凝土的性价比优于传统掺合料混凝土。

2）复合掺合料混凝土28 d内各龄期干燥收缩均小于传统掺合料混凝土，且后者早期收缩增长幅度更大。

3）复合掺合料混凝土比同强度等级的传统掺合料混凝土具有更低的渗透性和更高的密实性。