固定水膠比下三元膠凝材料體系對混凝土力學及工作性能影響研究

魏勇，左文鑾，張宏明，范建峰，陳雷

（南通眾潤混凝土有限公司利廢技術開發中心，江蘇 南通 226600）

0 前言

近年來，隨著房地產行業的發展，混凝土的需求量也隨之不斷增長。無論從節約成本、降低能耗，還是綠色環保的角度，粉煤灰和礦粉等工業廢料在混凝土方面的運用都勢在必行，尤其是在泵送混凝土大量應用的今天。粉煤灰和礦粉的加入能改善混凝土的孔隙結構，提高耐久性；粉煤灰與礦粉的顆粒比水泥小，能填充到水泥間隙中，提高混凝土的密實性，從而提高混凝凝土力學性能；其與水拌合粘性小于水泥與水拌合，從而改善混凝土的工作性能等等。許多科技工作者[1-4]研究了粉煤灰和礦粉對混凝土的力學及工作性能的影響，但從混料設計的角度研究三元膠凝材料水泥－粉煤灰－礦粉體系對混凝土力學及工作性能影響的研究鮮有報道。

本論文利用三因素極端頂點設計的混料設計方法[5]設計三元膠凝材料水泥—粉煤灰—礦粉體系，利用混料設計原理分析實驗數據，研究了三元膠凝材料體系對混凝土力學及工作性能影響，建立了回歸模型，繪制了三元膠凝材料水泥—粉煤灰—礦粉體系混凝土 3d、7d、28d、56d 的抗壓強度等高線及粉煤灰與礦粉對混凝土坍落度及當量流動度作用曲面。也以此法，對今后的混凝土研究提供借鑒，方便人們利用及掌握。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料及性能

（1）膠凝材料

水泥采用磊達水泥廠生產的 P·O 42.5 級水泥。

粉煤灰采用南通華錦粉煤灰開發有限公司生產的 Ⅱ 粉煤灰。

礦粉采用南通市恒固建材科技有限公司生產的 S95 粒化高爐礦渣粉（簡稱 S95 礦粉）。

膠凝材料的部分性能指標見表1 ～ 3。

表1 水泥部分性能指標

表2 粉煤灰品質

表3 礦粉品質

（2） 其他原材料

石子采用南京六合產 5～31.5mm 連續級配碎石及揚州儀征產 5～25mm 連續級配破碎卵石，按 3:7 的比例混合使用，兩種石子的性能指標如表4 所示。

砂子采用洞庭湖產河砂，細度模數為 2.8，含泥量為0.9%。

減水劑采用江蘇某公司生產的 JM—10 聚羧酸減水劑。

水采用自來水。

表4 粗骨料各項性能指標

1.2 試驗方法

混凝土拌合物的出機坍落度控制在 (200±30)mm，混凝土的坍落度和抗壓強度的測定，分別按照 GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法》，GB/T50081—2002《普通混凝土力學試驗方法》進行。

1.3 試驗設計及混凝土配合比

為了探究三元膠凝材料水泥(C)—粉煤灰(F)—礦粉(SL)體系對混凝土力學及工作性能影響，本論文采用固定水膠比情況下三因素極端頂點設計的混料設計方法設計三元膠凝材料水泥—粉煤灰—礦粉體系，考察指標為 3d、7d、28d、56d 抗壓強度和出機坍落度及擴展度。試驗按水膠比＞0.4 的情況進行討論。JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規程》中鋼筋混凝土中復合礦物摻合料的最大摻量規定，當水膠比＞0.4 時，復合礦物摻合料的最大摻量為 45%，單摻粉煤灰最大摻量為 30%，單摻礦粉最大摻量為 45%。則當水膠比取 0.42時，各組分的約束條件是：

試驗點的分布如圖1 所示，其比例關系如表5 所示。

圖1 試驗點分布圖

其混料模型為：

表5 各試驗點膠凝材料比例關系

根據 GBT50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》選取膠凝材料用量為 380kg/m3，由圖1 及表5 設計的混凝土配合比如表6 所示。

表6 混凝土配合比數據 kg/m3

2 試驗結果與分析

由表6 設計的混凝土，經力學性能及工作性能的測試后，其數據如表7 所示。

表7 各試驗點的抗壓強度及工作性能

表7 的試驗結果經混料設計分析模型分析，得到混凝土3d、7d、28d、56d 抗壓強度和出機坍落度及當量擴展度的混料模型如式（3）～（8）所示：

式中：

R3——混凝土 3d 抗壓強度，MPa；

R7—— 混凝土 7d 抗壓強度，MPa；

R28—— 混凝土 28d 抗壓強度，MPa；

R56—— 混凝土 56d 抗壓強度，MPa；

T —— 混凝土出機坍落度，mm；

D—— 混凝土當量擴展度，mm（注：當量擴展度指與擴展度的兩個數相乘積相等的圓的半徑，這樣做是為了數值的模型計算）；

Xc——水泥占膠凝材料比例；

Xf——粉煤灰占膠凝材料比例；

Xsl—— 礦粉占膠凝材料比例。

各回歸方程的相關系數及其顯著性分別如表8、9 所示。由表8、 9分析可得（3）～（8）6 個回歸方程的相關性很好，且方程都是顯著的，即表明混料模型能很好的擬合混凝土的 3d、7d、28d、56d 抗壓強度及坍落度和當量擴展度。其中水泥占膠凝材料比例與粉煤灰占膠凝材料比例的交互作用因子（XcXf）、水泥占膠凝材料比例與礦粉占膠凝材料比例的交互作用因子（XcXsl）、粉煤灰占膠凝材料比例與礦粉占膠凝材料比例的交互作用因子（XfXsl） 對混凝土 28d、56d抗壓強度影響顯著，表明粉煤灰與礦粉對混凝土強度的影響在較長齡期內才顯現出來。

表8 各回歸方程的相關系數

表9 各回歸方程及交互作用的顯著性

圖2 混凝土 3d 抗壓強度等高線

由圖2 與式（3）可知，無論單摻或是雙摻粉煤灰與礦粉對混凝土 3d 抗壓強度均產生負效應，即礦物摻合料摻量越大，混凝土 3d 抗壓強度越低；混凝土的 3d 抗壓強度主要由水泥的摻量決定，水泥摻量越大，混凝土 3d 抗壓強度越高。通過式（3）中粉煤灰項與礦粉項系數的比較，粉煤灰的負效應大于礦粉的負效應，即粉煤灰的摻入對混凝土 3d 抗壓強度的降低作用大于礦粉。

圖3 混凝土 7d 抗壓強度等強線

圖4 混凝土 28d 抗壓強度

由圖3 與式（4）可知，單摻粉煤灰對混凝土 7d 抗壓強度的影響與對混凝土 3d 抗壓強度的影響一樣，也產生負效應；而礦粉的摻入已能部分提高混凝土的強度，只是這種提高作用比起水泥的提高作用低。因此，礦粉比粉煤灰較先發揮強度作用。

圖5 混凝土 56d 抗壓強度

由圖4 與式（5）可知，單摻粉煤灰對混凝土 28d 抗壓強度與之前分析 3、7d 對抗壓強度影響一樣，產生負效應；礦粉的摻入已經能顯著影響混凝土 28d 抗壓強度。此時，混凝土 28d 抗壓強度主要由水泥與礦粉決定，水泥與礦粉的摻量越多，混凝土 28d 抗壓強度越高。

由圖5 與式（6）可知，無論單摻或雙摻粉煤灰與礦粉均能提高混凝土的 56d 抗壓強度。這一結果與“二次水化”理論相一致。粉煤灰與礦粉只有與水泥水化的產物 Ca(OH)2反應才能水化，因此粉煤灰與礦粉的水化反應總是滯后于水泥，在較長齡期內才能顯現出來。而且礦粉對 56d 抗壓強度的影響已超過水泥。

由圖6、7 與式（7）、（8）可知，無論單摻粉煤灰還是礦粉均能提高混凝土的工作性能；單摻粉煤灰比單摻礦粉更能提高混凝土的坍落度，單摻礦粉比單摻粉煤灰更能增加混凝土的流動度。因此，粉煤灰和礦粉雙摻能實現優勢互補，即提高了坍落度也增加了流動度，大大改善混凝土的工作性能。

圖6 粉煤灰與礦粉對混凝土坍落度影響的作用曲面

圖7 粉煤灰與礦粉對混凝土流動度影響的作用曲面

3 結論

本文通過三因素極端頂點設計的混料設計方法設計三元膠凝材料水泥—粉煤灰—礦粉體系，研究了三元膠凝材料體系對混凝土力學及工作性能影響可以得出以下結論：

（1）本文所用的三元混料模型能很好的擬合混凝土的3d、7d、28d、56d 抗壓強度及及坍落度和當量擴展度數據，精度較高。且通過各膠凝材料組分之間的交互作用，表明粉煤灰與礦粉對混凝土強度的影響在較長齡期內才顯現出來。

（2）單摻粉煤灰 28d （包括 28d）齡期前，混凝土的抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增加而降低；而單摻礦粉 7d（包括 7d）齡期后，混凝土的抗壓強度隨著礦粉摻量的增加而增加。無論單摻或雙摻粉煤灰與礦粉均能提高混凝土的 56d 抗壓強度，而且礦粉對 56d 抗壓強度的影響已超過水泥。

（3）無論單摻粉煤灰還是礦粉均能提高混凝土的工作性能，而粉煤灰和礦粉雙摻能實現優勢互補，即提高了坍落度也增加了流動度，大大改善混凝土的工作性能。

[1] 王宇，王福戰.粉煤灰、礦粉雙摻技術在高性能混凝土中的應用研究[J].粉煤灰綜合利用，2010(6): 35-39.

[2] 陳華艷，羅才松，畢賢順.粉煤灰、礦粉摻量對混凝土強度的影響[J].福建工程學院學報，2011,9(1):23-26.

[3] 趙俊梅.雙摻磨細礦渣粉和粉煤灰大流動性混凝土配合比的多元線性回歸分析[J].混凝土，2007(12):32-34.

[4] 李志剛，李家和，張洪貴.粉煤灰與礦渣復合摻合料對混凝土強度影響[J].低溫建筑技術，2009(4):17-19.

[5] 關穎男.混料試驗設計[M].上海科技出版社，1990.