多元礦物摻合料對機制砂自密實混凝土性能的影響

中圖分類號：TU528 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0073-05

Abstract：Self-compacting concreteis widelyusedinengineering practice，butduetoitslargeamountofcementitious materialsandstrictagregaterequirements，itspreparationcostishighInthisstudy，machine-madesandwasusedasraw materialtoprepareself-compactingconcrete.Atthesametime，theefectofmulti-componentsolidwastemineraladmixtureson theworkingperformanceandcompresivestrengthofmachine-madesandself-compactingconcretewasexplored，andthe corresponding microscopic mechanism wasanalyzedusing scaning electronmicroscope.Theresearchresultsshowthatading （20號 15% limestone powder +10% flyash +5% mineral powder to replace cement can effectively improve the working performance andcompresivestrengthofmachine-madesandself-compactingconcreteandimprovethecompactnessofthematrix.Thisstudy provides guidance for the application of mineral admixtures in machine-made sand self-compacting concrete.

Keywords：mineraladmixture;machine-madesand;self-compactingconcrete;workabilty；mechanicalproperty；microstructure

建材生產是建筑活動中最主要的碳排放來源之一，占整個建筑碳排放總量的 60% 以上。其中，混凝土作為用量最大的建筑材料之一，是建筑物中隱含碳排放的主要來源。混凝土生產過程中的碳排放，約55% 源自水泥生產。在水泥熟料生產過程中，每生產1t水泥約排放 0.86t 二氧化碳，因此，減少水泥用量對混凝土的碳減排具有顯著的效益。吳中偉院士4提出發展綠色高性能混凝土的理念，建議通過增加以工業廢渣為主的活性礦物摻合料，減少水泥用量，從而實現碳減排并降低環境污染。

機制砂是通過特定的制砂設備加工生產出來的砂料，利用機制砂替代天然砂，不僅可以有效應對天然砂資源短缺的問題，還能減少不可再生資源的消耗。范德科等探討了石粉摻量對機制砂混凝土性能的影響，研究發現，當石粉摻量低于 15% 時，混凝土的力學性能隨著石粉摻量的增加呈線性上升。 Xu 等探究了石灰石粉與粉煤灰不同比例摻量對機制砂混凝土性能的影響，研究結果表明，復摻石灰石粉與粉煤灰的混凝土拌合物在 ^1h 內的坍落度損失較小，石灰石粉與粉煤灰的摻量對混凝土的力學性能影響不顯著。王其莊的研究發現了礦渣粉、鋼渣粉和石灰石粉等礦物摻合料在適當的摻量下，均能提升機制砂混凝土的中后期力學性能。

本研究采用多元礦物摻合料替代部分水泥制備機制砂自密實混凝土，并研究其對混凝土工作性能和抗壓強度的影響。同時，結合SU3800型掃描電子顯微鏡（SEM）分析了多元礦物摻合料對機制砂自密實混凝土微觀形貌的影響機理。本研究為礦物摻合料在機制砂自密實混凝土中的應用提供指導。

材料與試驗方法

1.1 試驗材料

本研究采用P.042.5普通硅酸鹽水泥，中值粒徑為 17.7μm ，礦物摻合料包括石灰石粉、粉煤灰和礦粉，其微觀形貌如圖1所示。從圖中可以看出，石灰石粉和礦粉呈多棱角的不規則的顆粒狀，粉煤灰呈球形的顆粒狀。圖2為石灰石粉、粉煤灰、礦粉的粒徑分布曲線。從圖中可知，石灰石粉、粉煤灰、礦粉的中值粒徑分別為 17.4，13.6，11.1μm ，均小于水泥的中值粒徑1 17.7μm ）。細骨料為機制砂，細度模數為2.6，石粉含量為 6% ，粗骨料為碎石，含泥量為 0.3% ，針片狀顆粒含量為 6% ，減水劑為聚羧酸高性能減水劑，減水率不小于 20% ，拌合水為自來水。

圖1礦物摻合料的微觀形貌

圖2粉煤灰、石灰石粉、礦粉的粒徑分布圖

1.2 配合比設計

本研究水膠比固定為0.4，砂率為0.46，膠凝材料由水泥、粉煤灰、石灰石粉和礦粉組成，減水劑摻量為

膠凝材料的 1.5% 。礦物摻合料摻量為膠凝材料總質量的 30% ，采用粉煤灰、石灰石粉和礦粉等質量取代水泥進行配合比設計。見表1。

表1自密實混凝土配合比

1.3 測試方法

1.3.1 工作性能

依據行業標準T/CECS203—2021《自密實混凝土應用技術規程》相關規定，測定新拌混合物的坍落擴展度和擴展時間 T₅₀₀"。

1.3.2 力學性能

混凝土抗壓強度測試采用尺寸為 150mm×150mm× 150mm 的立方體標準試件，根據GB/T50081—2019

《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行測試。試件在標準養護條件下分別養護至 3，28，90d 齡期后進行抗壓強度測試。

1.3.3 微觀性能測試

采用Mastersizer-3000型激光粒度分析儀分別對粉煤灰、石灰石粉、礦粉的粒徑分布進行測試。采用SEM表征樣品的微觀形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 工作性能

石灰石粉和粉煤灰雙摻對機制砂自密實混凝土工作性能的影響如圖3所示。LP25FA5、LP20FA10、LP15FA15和LP10FA20組坍落擴展度分別為605、635、565和 528mm ，擴展時間分別為 3.2、3.0、4.8 和7.2s 。由圖3可知，隨著石灰石粉摻量的降低，粉煤灰摻量的增加，混合物的坍落擴展度先增大后減小，擴展時間先略微縮短后增加，其中，LP20FA10組的坍落擴展度最大，擴展時間最小。當粉煤灰摻量達到 20% 時，混合物的擴展時間迅速增大。這表明，摻入適量粉煤灰有利于改善新拌機制砂自密實混凝土的工作性能，過高摻量的粉煤灰會降低其工作性能。

石灰石粉與礦粉雙摻對機制砂自密實混凝土工作性能的影響如圖4所示。隨著石灰石粉摻量的降低，礦粉摻量的增加，混合物的坍落擴展度逐漸增大，擴展時間持續縮短，其中LP15S15組的坍落擴展度為622mm ，擴展時間為3.0s，表現出良好的工作性能。雖然LP10S20組坍落擴展度最大，擴展時間最短，分別為 646mm 和 2.3s ，但是其存在泌水現象，工作性能不佳。這表明，摻人適量的礦粉可以改善新拌機制砂自密實混凝土的工作性能。

石灰石粉、粉煤灰和礦粉三摻對機制砂自密實混凝土工作性能的影響如圖5所示。從圖中可以看出，隨著粉煤灰和礦粉摻量的增加，混合物坍落擴展度逐漸提高，擴展時間逐漸縮短。這表明三摻礦物摻合料可以改善混凝土的工作性能，特別是LP15FA10S5組，坍落擴展度為 645mm ，擴展時間為 3.0s ，工作性能最優。與LP20FA5S5組相比，坍落擴展度提高了 6.8% ，擴展時間下降了 11.8% ，與LP15FA5S10組相比，坍落擴展度提高了 3.2% ，擴展時間下降了 6.3% 。說明摻入適量粉煤灰對改善新拌機制砂自密實混凝土的工作性能有積極效應。LP10FA10S10稍泌水，導致混凝土的工作性能較差。

圖3石灰石粉與粉煤灰雙摻對機制砂自密實混凝土工作性能的影響

圖4石灰石粉與礦粉雙摻對機制砂自密實混凝土工作性能的影響

2.2 力學性能

石灰石粉與粉煤灰雙摻對機制砂自密實混凝土力學性能的影響如圖6所示。固定粉煤灰和石灰石粉的總摻量為膠凝材料的 30% ，隨著粉煤灰摻量的增加，石灰石粉摻量的降低，混凝土的強度呈現出先上升后下降的趨勢，LP15FA15組試件的抗壓強度最高，28d 抗壓強度達到了 45.2MPa 。這可能是由于石灰石粉活性較低，而粉煤灰中含有大量的 SiO₂ 和 Al₂O₃ 等活性氧化物，能夠與水泥水化產物中的 Ca（OH）₂ 發生二次水化反應生成水化鋁酸鈣（C-A-H）和水化硅酸鈣（C-S-H）等，可以有效填充混凝土中的孔隙，進而增強混凝土的力學性能。然而，摻入過量的粉煤灰1 20% ）會導致混凝土強度降低，這可能是由于粉煤灰摻量過高，漿體中大量的水分被吸收，水泥水化不充分，水化產物減少導致的強度損失。

圖5石灰石粉、粉煤灰和礦粉三摻對機制砂自密實混凝土工作性能的影響

圖6石灰石粉與粉煤灰雙摻對機制砂自密實混凝土抗壓強度的影響

石灰石粉與礦粉雙摻對機制砂自密實混凝土力學性能的影響如圖7所示。隨著礦粉摻量的增加，石灰石粉摻量的降低，試件的抗壓強度先增大后減小。其中LP15S15組試件的抗壓強度最高，28d抗壓強度達到了 46.5MPa ，而摻入 20% 的礦粉（LP10S10）試件抗壓強度大幅降低。這主要是因為，礦粉中富含潛在活性的氧化鈣，能夠促進水泥水化反應，且其顆粒粒徑較小，能夠填充水泥石中的孔隙，增強混凝土的密實度，提升其強度。但是，摻人大量的礦粉會導致拌合物出現離析和泌水現象，導致漿體與骨料的分離，形成孔隙缺陷，從而降低混凝土的強度。

石灰石粉、粉煤灰和礦粉三摻對機制砂自密實混凝土力學性能的影響如圖8所示。從圖中可以看出，三摻礦物摻合料對機制砂自密實混凝土的力學性能有積極影響，特別是摻入 15% 石灰石粉、 10% 粉煤灰和 5% 礦粉（LP15FA10S5）試件的抗壓強度最高，28d抗壓強度達到了 47.8MPa ，90d抗壓強度達到了 57.6MPa ，與28d 強度值相比， 90d 抗壓強度提高了 20.5% 。這說明三摻礦物摻合料能夠較大提升混凝土后期強度。而在LP10FA10S10試件中，強度有所降低，這是由于泌水現象導致新拌混凝土表面形成浮漿層，硬化后混凝土內部出現蜂窩麻面的現象，結構變得疏松，降低了試件的密實度，從而降低試件的強度。

圖7石灰石粉與礦粉雙摻對機制砂自密實混凝土抗壓強度的影響

2.3 微觀形貌

選取養護 28d 的LP20FA10、LP15S15和LP15FA10S5試樣在掃描電子顯微鏡5000倍放大倍數下觀察其基體的微觀形貌，如圖9所示。從圖中可以發現，LP20FA10試件基體主要由 Ca（OH）₂ ，C-S-H和AFt等水化產物和部分未水化顆粒、孔隙和微裂縫組成。這主要是由于礦物摻合料吸水率較高，減小了有效水膠比，導致水泥水化不充分，形成了更多的孔隙和微裂縫。與LP20FA10試件相比，LP15S15試件的基體更加均勻致密，孔隙數量顯著降低，C-S-H的含量進一步增加，且AFt的分布更加均勻。C-S-H和AFt的協同作用使得基體更為密實[]。在所有試樣中，LP15FA10S5試件基體的微觀結構最為均勻密實，C-S-H等水化產物之間彼此緊密鏈接，試樣中未觀察到明顯的裂縫和孔隙。說明摻入 15% 石灰石粉、 10% 粉煤灰和 5% 礦粉有效改善了基體的微觀結構。這是因為三摻礦物摻合料優化了膠凝材料體系的顆粒級配，顯著促進了水泥水化反應，且礦物摻合料火山灰反應生成的水化產物可以有效填充基體的裂縫和孔隙，從而改善了混凝土的力學性能，因此，三摻礦物摻合料試樣28d抗壓強度值相比于雙摻試樣較高。

圖8石灰石粉、粉煤灰和礦粉三摻對機制砂自密實混凝土抗壓強度的影響

圖9機制砂自密實混凝土28d基體的SEM圖

3結論

1）復摻礦物摻合料能夠顯著改善機制砂自密實混凝土的工作性能，其中摻入 15% 石灰石粉、 10% 粉煤灰和 5% 礦粉（LP15FA10S5）對新拌機制砂自密實混凝土的改善效果最佳。LP15FA10S5試件的坍落擴展度和擴展時間 T₅₀₀ 分別為 645mm 和 3.0s 。

2）相比于雙摻，三摻礦物摻合料對機制砂自密實混凝土的力學性能具有更好的改善作用，尤其是摻入15% 石灰石粉、 10% 粉煤灰和 5% 礦粉（LP15FA10S5）效果最為顯著，試件的 28d 的抗壓強度達到了 47.8MPa 90d 抗壓強度達到了 57.6MPa 。

3）LP20FA10、LP15S15和LP15FA10S5試件的微觀結構中，LP15FA10S5試件基體的微觀結構最為均勻密實，C-S-H等水化產物之間彼此緊密鏈接，試樣中未觀察到明顯的裂縫和孔隙。這歸因于三元礦物摻合料之間的協同作用，提高了水泥的水化程度，生成了更多的二次水化產物。

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