雙摻粉煤灰和礦粉的混凝土配合比優化

姜山，周亮，劉曉

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

0 引言

粉煤灰是一種工業廢料，從微觀結構上看具有潛在的火山灰[1]活性物質，可取代部分水泥并與水泥進行二次水化反應[2]，有效地降低了混凝土水化熱反應的放熱峰值與反應速率，并有效地提高了混凝土的拌合物性能，可以應用于建材工業市場。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保型混凝土的開拓相結合，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度低、需水量大等缺點。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]的復合效應、堆積密度效應、微集料填充效應，從而改善拌合物性能，提高粉煤灰的利用率。通過水泥膠砂試驗調整摻合料摻量，以河北建設集團混凝土分公司多年實踐 C30 普通雙摻混凝土配合比為基準，對大摻量粉煤灰混凝土配合比進行設計優化。

1 試驗過程

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，細度模數 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

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

根據 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》，采用表 5 的配合比。共設計 21 組試塊，試件的制作與養護符合相關規范的要求。

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 抗壓強度影響，將數據繪制成圖 1～4。

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

表 5 單摻粉煤灰或礦粉膠砂試驗摻量與強度

圖 1 粉煤灰不同摻量的試體抗折強度對比

圖 2 粉煤灰不同摻量的試體抗壓強度對比

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

1.3 混凝土配合比設計

根據 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》、GBJ 146—90《粉煤灰混凝土技術應用規程》，采用了如表 6 配合比，其中 D0 為常用普通混凝土配合比。混凝土性能結果見表 6 和圖 5～8。

圖 3 礦粉不同摻量的試體抗折強度對比

圖 4 礦粉不同摻量的試體抗壓強度對比

2 配合比適配結果分析

理論上礦粉的作用機理是參與二次水化反應，在反應過程中吸收大量的 CH 晶體，使水泥石與骨料界面粘結程度及水泥漿體的細部結構得到改善，提高混凝土的密實性。雖然混凝土中摻加礦粉會降低前期強度，但影響程度并不大，且后期強度也會有所增長。而粉煤灰做為工業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遠小于水泥熟料，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度低于普通混凝土，且粉煤灰摻量越高早期強度越低。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短，在強度上產生一定的互補作用，體現出單摻所不具備的優勢，彌補單摻粉煤灰早期強度低的缺陷。

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 當礦粉摻量相同時（A1A2A3、B1B2B3、C1C2C3），粉煤灰每多取代水泥 5%，相同齡期強度值都有所下降，而 90d 強度下降值在2.4%～2.9%。在總摻合料摻量相同時（A1B1C1、A2B2C2、A3B3C3），每當礦粉增加5%、粉煤灰減少 5%，齡期強度值呈現出上升趨勢。雖然試驗批次 28d 強度普遍低于普通混凝土齡期強度，但由于二次水化反應的存在，28d 到 60d 和 90d 混凝土強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 強度超過了普通混凝土強度，從試驗可以得出結論配合比可以滿足設計強度要求。

3 結論

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

表 6 大摻量粉煤灰 C30 混凝土配合比及性能結果

圖 5 摻合料 50% 的混凝土抗壓強度

圖 6 摻合料 55% 的混凝土抗壓強度

圖 7 摻合料 60% 的混凝土抗壓強度

圖 8 A 組不同粉煤灰摻量齡期強度

圖 9 B 組不同粉煤灰摻量齡期強度圖

圖 10 C 組同粉煤灰摻量齡期強度

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

（3）結合膠砂單摻試驗和混凝土適配，發現礦粉的加入，能與粉煤灰產生一定的互補作用，體現出單摻所不具備的優勢，彌補單摻粉煤灰早期強度的缺陷。