礦粉質量對機制砂混凝土性能的影響

施妙泉

（舟山市豐翔預拌混凝土有限公司，浙江 舟山 316000）

0 前言

混凝土作為建筑結構材料，生產質量和澆筑質量直接影響建筑工程的服役和耐久性，影響混凝土生產質量的因素較多，水泥、礦物摻和料、砂石乃至拌和水、外加劑都會對混凝土工作性能和力學性能造成影響，進而影響混凝土的耐久性。

礦粉作為主要的礦物摻和料，含有較高活性的 SiO2和 Al2O3，可參與水泥發生二次水化[1]，使得混凝土密實度提高，空隙率降低，對混凝土后期強度和耐久性有利。礦粉根據自身活性特點，可分為 S105、S95、S75三個等級，三種等級的礦粉比表面積和活性大小不同，應用于混凝土也會有差異[2,3]。當前混凝土天然砂石緊缺，機制砂已普遍應用于混凝土生產，通過生產控制可以達到優于天然砂混凝土的和易性和力學性能[4]。研究不同質量的礦粉在機制砂混凝土中的應用特點，可以有效指導礦粉在不同領域及工程的應用，對于機制砂混凝土的生產也有參考意義。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥采用 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其技術指標見表 1。粉煤灰為Ⅱ級灰，需水比為 97%。礦粉取S105、S95、S75 三個等級，礦粉的技術指標見表 2。

表1 試驗水泥的技術指標

表2 礦粉的技術指標

細骨料采用機制砂，石灰石質，石粉含量 10%，細度模數 2.9，MB 值 2.0。石子為 5～20mm 連續級配，壓碎值為 9%。

外加劑為聚羧酸外加劑，含固量 15.2%，推薦摻量1.0%～3.0%。

1.2 試驗方法

混凝土坍落度和擴展度試驗按 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。

混凝土力學性能測試按 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，采用 100mm×100mm×100mm 混凝土試件，標準養護，測試混凝土7d、28d 的抗壓強度。

1.3 試驗配合比

采用 C30 混凝土，取礦粉摻量 0%、10%、20%、30%，混凝土配合比及原材料用量見表 3。

表3 混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結果及討論

2.1 礦粉質量對混凝土坍落度和擴展度的影響

混凝土施工需要混凝土滿足適宜的工作性能，坍落度和擴展度是評價混凝土施工效率的重要指標。測試了三種礦粉等級對混凝土坍落度和擴展度的影響，結果見表4。

表4 礦粉質量對混凝土坍落度和擴展度的影響

表4 結果顯示，礦粉的摻量和摻入礦粉的質量等級都會對混凝土坍落度和擴展度造成影響。礦粉摻量 10%時，礦粉的加入使得混凝土坍落度和擴展度增加，同時1h 損失后的坍落度和擴展度均優于基準組，這是因為礦粉的加入降低了水泥用量，水泥水化放熱速率降低，混凝土初始和易性和保坍性能都有所改善；礦粉摻量20% 時，S105 和 S95 礦粉加入后混凝土工作性能進一步改善，且保坍性能較好，其中添加 S105 礦粉后的混凝土 1h 坍落度和擴展度基本無損失；礦粉摻量 30%，S105、S95、S75 三種等級礦粉對混凝土保坍的正向作用降低，尤其是 S75 礦粉對混凝土工作性能的降低效應明顯。

相同等級礦粉隨著摻量增加，工作性能先提高后降低，這是因為適當的礦粉可以發揮顆粒效應，使得混凝土包裹性和粘聚性都增加，而礦粉持續增加，單位面積的水泥量減少，參與水化反應程度降低，從而使得混凝土和易性和保坍性能降低。同時低品質的礦粉在用量增加后對混凝土坍損作用更大，而比表面積大于水泥的S95 和 S105 級礦粉相對敏感度較低。

2.2 礦粉質量對混凝土強度的影響

混凝土強度是評價建筑結構承載力和服役安全性的重要指標，混凝土原材料性能、施工水平和養護等都會影響混凝土強度發展。按照礦粉摻量 0%、10%、20%、30% 等量取代水泥，砂石、外加劑和用水量均不變，室內攪拌成型，24h 拆模后進行標準養護，測試混凝土 7d、28d 抗壓強度，結果見表 5、圖 1。

表5 礦粉質量對混凝土強度的影響

圖1a) 混凝土 7d 試驗結果顯示，添加 10% S105 和S95 礦粉后的混凝土 7d 抗壓強度略高于未摻礦粉混凝土，添加 S75 礦粉的混凝土都隨摻量增加而降低，這是因為礦粉摻量增加，水泥量降低，水化生成的水化產物被礦粉和粉煤灰顆粒包裹，進一步水化的阻力增加，使得混凝土早期強度下降。S105 和 S95 顆粒較細，自身的填充效應抵消了水泥量降低的影響。

圖1 礦粉質量對混凝土強度的影響

圖1b) 結果顯示，S105 和 S95 礦粉在摻量 20% 以內時，混凝土 28d 強度都高于基準組，其中 S105 和S95 級礦粉在 20% 時混凝土強度最高，隨后摻量增加混凝土強度下降，而 S75 級礦粉各個摻量的混凝土 28d強度都會有所降低，這是因為 S105 和 S95 礦粉比表面積大、活性較高，參與二次水化后能生成致密的水化產物[5]，從而對混凝土骨架形成有力支撐，使得混凝土強度提高。

2.3 礦粉質量對混凝土折壓比的影響

混凝土折壓比在一定程度上反映了混凝土的抗裂能力[6]，混凝土主要承受壓力荷載，剛性較大，相對拉伸強度較低。提高混凝土的韌性，改善混凝土的抗裂性能是提高混凝土服役壽命的重要途徑。研究了礦粉質量對混凝土 28d 折壓比的影響，測試結果見表 6、圖 2。

表6 礦粉質量對混凝土折壓比和碳化深度的影響

圖2 結果顯示隨著礦粉摻量增加，混凝土 28d 折壓比均有不同程度的上升，且隨著礦粉質量提升，混凝土折壓比提高越明顯。混凝土界面過渡區相對較為薄弱，漿體與骨料的粘接能力反映了混凝土強度優劣[7]。礦粉質量提升，參與水泥二次水化生成的水化產物增多，混凝土界面過渡區增強，從而使得混凝土抵抗開裂的能力提高。

圖2 礦粉質量對混凝土 28d 折壓比的影響

2.4 礦粉質量對混凝土碳化深度的影響

混凝土工程長期暴露在空氣當中，容易受到空氣中的 CO、SOx等酸性氣體侵蝕，發生由表及里的碳化反應，使得混凝土堿度下降，對鋼筋的保護作用降低[8]，因此碳化性能也是混凝土耐久性的重要指標。礦粉加入后，混凝土后期的火山灰反應，使得混凝土水化產物增多，對混凝土碳化必定具有一定作用。測試了加入礦粉后混凝土 28d 碳化深度，測試結果見表 6、圖 3。

圖3 結果所示，礦粉摻量提高對混凝土碳化深度的影響與礦粉質量密切相關，S75 礦粉摻量增加，混凝土碳化深度增加，而 S95 和 S105 礦粉由于活性更高，生成較多的水化產物，使得混凝土密實程度增加，混凝土抗碳化性能提高。

圖3 礦粉摻量對混凝土碳化的影響

3 結論

（1）礦粉等級和摻入比例對混凝土坍落度和擴展度造成影響，同摻量時 S105、S95 級礦粉可以提高混凝土初始坍落度和擴展度，混凝土保坍性能增加。相同等級礦粉，相同等級礦粉隨著摻量增加工作性能先提高后降低。

（2）添加礦粉后的混凝土 7d 抗壓強度與基準組相比無增長，S105 和 S95 礦粉摻量 20% 以內時混凝土 28d 強度都高于基準組，其中 S105 和 S95 級礦粉在20% 時混凝土強度最高，而 S75 級礦粉在各個摻量混凝土 28d 強度都會有所降低。

（3）質量優良的礦粉摻量提升，混凝土折壓比增加，抵抗混凝土開裂的能力增強。

（4）礦粉摻量提升，S95 和 S105 礦粉混凝土碳化深度降低，而 S75 級礦粉摻量增加會加深混凝土碳化。