礦物摻合料對人工砂自密實混凝土性能的影響

王偉，楊善順，徐仁崇，連亞明

（廈門天潤錦龍建材有限公司，福建 廈門 361027）

礦物摻合料對人工砂自密實混凝土性能的影響

王偉，楊善順，徐仁崇，連亞明

（廈門天潤錦龍建材有限公司，福建 廈門 361027）

為保證人工砂自密實混凝土良好的工作性，通常會增大其膠凝材料的用量并復摻礦物摻合料。本文根據相關規程設計出人工砂自密實混凝土基準配合比，并采用 Design expert 對基準配合比中的礦物摻合料進行粉料設計，分別研究了礦物摻合料摻量對擴展度、J 環擴展度、T500、V 漏斗排空時間和28d 抗壓強度的影響。綜合考量確定了粉煤灰、礦粉和石粉的最佳摻量。

礦物摻合料；人工砂；自密實混凝土；design expert

0 前言

自密實混凝土配制技術越來越成熟，在大量特殊工程中成功運用的同時，也取得了巨大的經濟效益和社會效益[1-2]。然而自密實混凝土對原材料的要求較高，導致自密實混凝土的成本居高不下。國內的自密實混凝土的生產主要采用天然砂，采用人工砂配制自密實混凝土的工程應用相對較少。在河砂資源日益枯竭和河砂全面“禁采”的大環境中，采用人工砂配制自密實混凝土成為研究熱點[3-5]。

自密實混凝土的優異工作性源自于較高的膠凝材料用量，且各種礦物摻合料的摻量對自密實混凝土的工作性都有一定影響[6-7]。本試驗采用粉煤灰、礦粉和石粉復摻的方式，并用 Design expert 進行粉料設計，研究礦物摻合料對自密實混凝土性能的影響。

1 原材料和配合比

1.1 原材料

試驗選用福建紅獅水泥股份有限公司的 P·O42.5R水泥，表觀密度3100kg/m3，28d 抗壓強度50.2MPa；三鋼集團股份有限公司的 S95級礦粉，表觀密度2920kg/m3，28d 活性指數102%；廈門益材粉煤灰有限公司Ⅱ級粉煤灰，細度（45μm 篩）14.6%，28d 活性指數為78%；廈門某廠家的石粉，表觀密度2530kg/m3，需水量比95%，28d 活性指數65%；粗集料為普通碎石，表觀密度2670kg/m3，粒徑5～20mm；外加劑采用福建科之杰新材料有限公司的聚羧酸高性能減水劑，減水率30%；試驗用水為自來水，滿足現行行業標準 JGJ63—2006《混凝土用水標準》的要求；細集料為自制人工砂，具體性能指見表1。

表1 人工砂性能指標

1.2 配合比

本試驗參考 JGJ/T283—2012《自密實混凝土應用技術規程》進行配合比設計，并測試了擴展度、J 環擴展度、T500、V 漏斗排空時間對自密實混凝土的性能進行評價。經過計算，得到 C40人工砂自密實混凝土基準配合比如表2。

表2 C40人工砂自密實混凝土基準配合比 k g/m3

1.3 粉料設計

Design expert 是一款專門面向實驗設計和相關分析的軟件，和其他一些老牌的數理分析軟件如：JMP、SAS 和 Minitab 相比，它就是一款專注于實驗設計的工具軟件，使用簡單，不需要扎實的數理統計功底，就可以使用這款軟件設計出的高效實驗方案，并對實驗數據進行專業分析，給出全面、可視的模型及優化結果。本試驗借助于 Design expert 中的 Mixture 功能對礦物摻合料的摻量進行設計，為保證自密實混凝土的強度，其中水泥的摻量固定為60%，粉煤灰＋礦粉＋石粉＝40%，具體的設計方案如表3。

表3 礦物摻合料摻量 %

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

圖1～4是部分試驗的現場照片，具體的試驗結果見表4。

表4給出的礦物摻合料成本是依據三種礦物摻合料的成本價（進價）進行計算的，其中粉煤灰215元/t，礦粉240元/t，石粉120元/t。為了更好地分析礦物摻合料的摻量對人工砂自密實混凝土的影響，作圖如圖5～11。

圖1 擴展度

圖2 J環擴展度

圖3 V 漏斗排空

圖4 部分立方體試塊

圖5 礦物摻合料摻量對擴展度的影響

表4 試驗結果和礦物摻合料成本

圖6 礦物摻合料摻量對 J 環擴展度的影響

圖7 擴展度與 J 環擴展度的差值

圖8 礦物摻合料摻量對 T500的影響

如圖5礦物摻合料摻量對擴展度的影響所示，單摻粉煤灰時，擴展度達到720mm；單摻礦粉時，擴展度670mm；單摻石粉時，擴展度只有575mm。明顯看出粉煤灰具有良好的“減水效應”，隨著粉煤灰的增加，擴展度逐步增大；礦粉同樣可以改善混凝土的和易性，但是效果并不如粉煤灰優良；石粉摻量過高時導致混凝土的擴展度急速降低，這是因為石粉雖然具有一定的“形態效應”和“填充效應”，但是其本身的吸水率較高，當摻量較高時，導致混凝土和異性變差。

如圖6礦物摻合料摻量對 J 環擴展度的影響所示，單摻時，自密實混凝土的間隙通過性均不理想，礦物摻合料復摻時，可以很好的改善自密實混凝土的間隙通過性。然而單純的討論間隙通過性沒有實際意義，下面結合圖7，具體討論礦物摻合料摻量對自密實混凝土的影響。

如圖7所示，給出了礦物摻合料摻量對擴展度與 J環擴展度的差值的影響，對自密實混凝土而言，二者差值越小，自密實混凝土的和易性就越好。單摻粉煤灰時，二者差值達到110mm；單摻礦粉時，二者差值達到70mm；單摻石粉時，二者差值只有35mm，即保持擴展度相同時，適當增加石粉的摻量可以有效地改善混凝土的間隙通過性。

如圖8礦物摻合料摻量對 T500的影響所示，礦物摻合料單摻時，T500流動時間較長，其原因是單摻粉煤灰和礦粉雖然其擴展度較大，但是混凝土的粘聚性較大，導致混凝土的流動速度較慢；單摻石粉雖然可以降低混凝土的粘聚性，但是其本身的擴展度較小，所以其流動的時間也較慢。當三種礦物摻合料復摻時，可以提高混凝土的流動速度。

如圖9礦物摻合料摻量對 V 漏斗排空時間的影響所示，礦物摻合料單摻時，V 漏斗排空時間較長，其中單摻礦粉時，V 漏斗排空時間長達29.4s，礦粉和石粉復摻時效果最佳，V 漏斗排空時間為14.3s。

圖9 礦物摻合料摻量對 V 漏斗排空時間的影響

圖10 礦物摻合料摻量對28d 強度的影響

圖11 礦物摻合料摻量對礦物摻合料成本的影響

如圖10礦物摻合料摻量對28d 強度的影響所示，單摻礦粉時，混凝土28d 抗壓強度67.2MPa；單摻粉煤灰時，混凝土28d 抗壓強度50.1MPa；單摻石粉時，混凝土28d 抗壓強度39.3MPa；基本反映出三種礦物摻合料的活性指數，為保證混凝土的強度，應減少石粉的摻量。

如圖11礦物摻合料摻量對礦物摻合料成本的影響所示，單摻礦粉時，礦物摻合料成本是17.28元；單摻粉煤灰時，礦物摻合料成本是15.48元；單摻石粉時，礦物摻合料成本是8.64元，結果由三種礦物摻合料的單價決定。

2.2 優化分析

綜合考慮擴展度與 J 環擴展度的差值、T500、V 漏斗排空時間、28d 抗壓強度和礦物摻合料成本五個因素，計算出礦物摻合料的最佳摻量。

擴展度與 J 環擴展度的差值在35cm 以內時，粉煤灰的摻量是0～27.7%，礦粉的摻量是0～32.7%，石粉的摻量是0～40%；

T500流動時間小于2.4s 時，粉煤灰的摻量是2.4%～26.7%，礦粉的摻量是4%～23%，石粉的摻量是2.8%～21.1%；

V 漏斗排空時間在20s 以內時，粉煤灰的摻量是0～22%，礦粉的摻量是0～29.7%，石粉的摻量是10.3%～32.7%；

28d 抗壓強度在48.2～51.2MPa 之間時，粉煤灰的摻量是0～40%，礦粉的摻量是0～20.4%，石粉的摻量是0～29.3%；

礦物摻合料成本在14元以內時，粉煤灰的摻量是0～31.2%，礦粉的摻量是0～24.8%，石粉的摻量是0～40%。

綜合考慮五個因素，得到三種礦物摻合料的最佳摻量范圍：粉煤灰2.4%～22%，礦粉4%～20.4%，石粉10.3%～21.1%。然后利用 MATLAB 軟件，畫出了三種礦物摻合料的最佳摻量區域圖，如圖12所示。

圖12 礦物摻合料最佳摻量區域

3 結論

（1）混凝土中摻入一定比例的礦物摻合料可以有效地改善混凝土的和易性，其中復摻相對于單摻的效果更好。

（2）綜合考慮擴展度與 J 環擴展度的差值、T500流動時間、V 漏斗排空時間、28d 抗壓強度、礦物摻合料成本五個因素，得到三種礦物摻合料的最佳摻量范圍：粉煤灰2.4%～22%，礦粉4%～20.4%，石粉10.3%～21.1%。

[1] Ouchi M. Self-Compacting Concrete[J]. Structural Concrete,2000,1(1)：3-17.

[2] 沈剛，王輝誠，陳立勝，等．陽江核電4號機組安全殼截錐體自密實混凝土施工方法[J]．工業建筑，2015(10)：138-141．

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[6] 周聰聰，連春明，白健，等．機制砂生態自密實混凝土的工作性研究[J]．武漢理工大學學報，2016,38(4)：19-25．

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［通訊地址］福建省廈門市海滄區東孚鎮鳳山村鳳美四路39號 廈門天潤錦龍建材有限公司（361027）

Effect of mineral admixture on artificial sand self-compacting concrete performance

Wang Wei, Yang Shanshun, Xu Renchong, Lian Yaming
(Xiamen Tianrun Jinlong Building Materials Co., Ltd., Fujian Xiamen 361027)

In order to ensure the workability ofthe artificial sand self-compacting concrete is good. It is commonly used to increase the amount of gels and the mixed mineral admixture. According to the relevant regulations,designs the basic mix proportion of artificial sand self-compacting concrete, Design expert is used to make the powder design of the mineral admixtures onbasic mixproportion, the effect of admixture by mineral admixture was studied, such as Slump development degree, J ring expansion degree, T500, V funnel empty time, and28days compressive strength. The optimum amount of flyash, mineral powder and rock powder is determined.

mineral admixtures; artificial sand; self-compacted concrete; Design expert

王偉（1988—），男，工程師，福建廈門，主要從事新型混凝土及建筑材料研究工作。