双掺粉煤灰和矿粉的混凝土配合比优化

姜山，周亮，刘晓

（1. 河北天博建设科技有限公司，河北 保定 071000；2. 河北建设集团股份有限公司混凝土分公司，河北 保定 071000）

0 引言

粉煤灰是一种工业废料，从微观结构上看具有潜在的火山灰[1]活性物质，可取代部分水泥并与水泥进行二次水化反应[2]，有效地降低了混凝土水化热反应的放热峰值与反应速率，并有效地提高了混凝土的拌合物性能，可以应用于建材工业市场。从研究大掺量粉煤的意义来看，它将高性能混凝土与低水泥环保型混凝土的开拓相结合，对于走绿色建材、新型建材的道路具有重要意义。

大掺量粉煤灰混凝土，将粉煤灰大量单掺于混凝土中，会使混凝土自身具有前期强度低、需水量大等缺点。本次研究特引入矿粉同时作为掺合料，利用矿粉与粉煤灰双掺[3]的复合效应、堆积密度效应、微集料填充效应，从而改善拌合物性能，提高粉煤灰的利用率。通过水泥胶砂试验调整掺合料掺量，以河北建设集团混凝土分公司多年实践 C30 普通双掺混凝土配合比为基准，对大掺量粉煤灰混凝土配合比进行设计优化。

1 试验过程

1.1 原材料

（1）水泥（C）：选用顺平曲寨 P·O42.5 水泥，主要性能指标见表 1。

（2）粉煤灰（F）：选用保定大唐Ⅱ级粉煤灰，主要性能指标见表 2。

（3）矿粉（K）：选用保定乾华建材 S95 级矿粉，主要性能指标见表 3。

（4）聚羧酸外加剂（A）：保定慕湖恒源新型建材有限公司，主要性能见表 4。

（5）石子（G）：本试验采用 5～25mm 天然卵碎石，级配良好，含泥 0.4%，泥块含量 0.2%，针片状颗粒 5%，表观密度 2670kg/m3，堆积密度 1570kg/m3。

（6）砂子（S）：满城天然砂，细度模数 2.8，级配良好，含泥 1.8%，泥块含量 0.2%，表观密度2720kg/m3，堆积密度 1560kg/m3。

表 1 水泥的物理性能指标

表 2 粉煤灰基本性能

表 3 矿粉基本性能

表 4 聚羧酸外加剂基本性能

1.2 胶砂试验

根据 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》，采用表 5 的配合比。共设计 21 组试块，试件的制作与养护符合相关规范的要求。

为了直观分析单掺掺合料 Ⅱ 级粉煤灰和 S95 矿粉掺量对胶砂 28d、60d、90d 抗压强度影响，将数据绘制成图 1～4。

由表 5 和图 1、图 3 可以看出：单掺粉煤灰抗折强度随着龄期时间的增长而增长，抗折强度峰值出现在30%～35% 之间；单掺矿粉的抗折强度却随着龄期时间的增长而下降，抗折强度的低谷值出现在 15%～20%之间。

表 5 单掺粉煤灰或矿粉胶砂试验掺量与强度

图 1 粉煤灰不同掺量的试体抗折强度对比

图 2 粉煤灰不同掺量的试体抗压强度对比

由表 5 和图 2、图 4 可以看出：单掺Ⅱ粉煤灰，当掺量为 5%～35% 时，各龄期抗压强度都比不掺粉煤灰的强度高。当掺量为 35% 以上时，胶砂试块强度呈加速下降趋势，虽然强度损失过快，但 90d、60d 的胶砂试块自身强度也有显著增长。由此看来粉煤灰掺量为 5%～35% 后期胶砂强度为增长幅度较大，掺量为15%～20% 时为最佳掺量。单掺 S95 矿粉，胶砂试块28d 龄期强度值随着掺量的增加也在下降，后期 60d、90d 强度有较大幅度增长，当掺量为 25% 时为强度峰值，根据 28d、60d、90d 胶砂试块强度综合分析掺量为20%～30% 时为最佳区间。

1.3 混凝土配合比设计

根据 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》、GBJ 146—90《粉煤灰混凝土技术应用规程》，采用了如表 6 配合比，其中 D0 为常用普通混凝土配合比。混凝土性能结果见表 6 和图 5～8。

图 3 矿粉不同掺量的试体抗折强度对比

图 4 矿粉不同掺量的试体抗压强度对比

2 配合比适配结果分析

理论上矿粉的作用机理是参与二次水化反应，在反应过程中吸收大量的 CH 晶体，使水泥石与骨料界面粘结程度及水泥浆体的细部结构得到改善，提高混凝土的密实性。虽然混凝土中掺加矿粉会降低前期强度，但影响程度并不大，且后期强度也会有所增长。而粉煤灰做为工业废料主要由大量表面光滑的球状玻璃体组成，可以改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性。由于粉煤灰的水化速度远远小于水泥熟料，有效的降低了混凝土的水化热，适用于大体积混凝土，同时掺加粉煤灰后混凝土的早期强度低于普通混凝土，且粉煤灰掺量越高早期强度越低。矿粉和粉煤灰的双掺不只是简单的混合，而是有意识的使两种混合材料取长补短，在强度上产生一定的互补作用，体现出单掺所不具备的优势，弥补单掺粉煤灰早期强度低的缺陷。

由表 6 可以看出：在选定的矿粉掺量为 20%、25%、30% 时，粉煤灰的掺量为 20%、25%、30%、35%、40%，总掺量为 50%、55%、60%。图 5～10 当矿粉掺量相同时（A1A2A3、B1B2B3、C1C2C3），粉煤灰每多取代水泥 5%，相同龄期强度值都有所下降，而 90d 强度下降值在2.4%～2.9%。在总掺合料掺量相同时（A1B1C1、A2B2C2、A3B3C3），每当矿粉增加5%、粉煤灰减少 5%，龄期强度值呈现出上升趋势。虽然试验批次 28d 强度普遍低于普通混凝土龄期强度，但由于二次水化反应的存在，28d 到 60d 和 90d 混凝土强度还有一定程度的增长，且增长速度超过了普通混凝土，甚至 60d 或 90d 强度超过了普通混凝土强度，从试验可以得出结论配合比可以满足设计强度要求。

3 结论

（1）胶砂单掺试验说明粉煤灰与矿粉的后期强度增长周期较长，缓慢的二次水化反应有助于混凝土强度的长期增长，粉煤灰的掺量在 5%～35% 时强度值增加明显，掺量 15%～20% 时出现强度峰值，矿粉的掺量在 25%～30% 时出现强度峰值。

表 6 大掺量粉煤灰 C30 混凝土配合比及性能结果

图 5 掺合料 50% 的混凝土抗压强度

图 6 掺合料 55% 的混凝土抗压强度

图 7 掺合料 60% 的混凝土抗压强度

图 8 A 组不同粉煤灰掺量龄期强度

图 9 B 组不同粉煤灰掺量龄期强度图

图 10 C 组同粉煤灰掺量龄期强度

（2）在 C30 混凝土中掺合料掺量在 50%～60% 区间、矿粉掺量为 25% 时，混凝土拌合物性能良好且抗压强度符合设计要求。

（3）结合胶砂单掺试验和混凝土适配，发现矿粉的加入，能与粉煤灰产生一定的互补作用，体现出单掺所不具备的优势，弥补单掺粉煤灰早期强度的缺陷。