ABSTRACT

In this paper, the effect of different mineral admixture on the workability and compressive strength of concrete was investigated. As is shown in the results, the addition of fly ash can save the amount of cement and improve the workability of concrete, but also reduce the early strength of concrete. Slag can improve the early strength of concrete, but greatly reduce its fluidity. There is an optimal content of mineral admixture in the concrete with double mix of fly ash/slag. The reason can be attributed to that when the content is 30%, the dense filling effect reaches the maximum and the strength is high.

Keywords:Fly Ash, Slag, Concrete, Workability, Compressive Strength

矿物掺合料对混凝土物理力学性能的影响

陈坚钢^1*，裘泳²，赵景锋²，唐传辉³，黄孝³，徐亦冬³

¹宁波固特砼混凝土有限公司，浙江 宁波

²浙江省二建建设集团有限公司，浙江 宁波

³浙大宁波理工学院，浙江 宁波

收稿日期：2020年5月1日；录用日期：2020年5月22日；发布日期：2020年5月29日

摘 要

本文研究了不同矿物掺合料对混凝土工作性与力学性能的影响。结果表明：粉煤灰的掺入可以节约混凝土中水泥的用量、改善其和易性，但同时也使混凝土的早期强度降低；矿粉能使混凝土的早期强度得到提高，但却极大降低了其流动性；双掺粉煤灰/矿渣混凝土中矿物掺合料的掺量存在一个最佳掺量，其原因可能是当掺量为30%时，密实填充效应达到最大，所以强度较高。

关键词 :粉煤灰，矿粉，混凝土，工作性，抗压强度

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1. 引言

普通混凝土存在水泥用量较大、凝固时产生的水化热较高及后期延性较差的问题，一般可以通过外加剂及矿物掺合料来使其性能得到改善。矿物掺合料可以按照一定比例取代水泥，一方面改善了混凝土的工作性能，另一方面，由于减少了水泥的用量，从而有利于保护环境。随着人们对高性能混凝土研究的不断深入，逐渐认识到粉煤灰和矿粉的作用不仅仅是取代水泥、节约能源以及减少环境污染。目前，矿物掺合料作为混凝土改性的一种重要材料，在提升混凝土工作性能方面起着着不可或缺的作用 [1] [2] [3]。本文通过实验研究了单掺粉煤灰、单掺矿粉以及复掺粉煤灰和矿粉对混凝土流动性能、经时损失及早期强度的影响，研究结果可为实际工程提供一定的参考。

2. 实验

2.1. 实验原材料

水泥：采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其物理性能指标如表1所示。

粉煤灰：采用I级粉煤灰，其性能指标如表2所示。

矿渣粉：采用S95级矿渣粉，其性能指标如表3所示。

外加剂：高效减水剂，减水率为19%。

粗骨料：采用粒径为5~31.5 mm的碎石，针片状颗粒含量6.0%，含泥量0.4%，压碎指标为7.0%。

细骨料：中砂，细度模数2.6，含泥量0.5%，Cl⁻含量为0.01%。

水：自来水。

表1. 水泥主要物理性能指标

表2. 粉煤灰基本性能指标

表3. 矿渣粉基本性能指标

2.2. 试验配合比的选择

根据规范JGJ 55《普通混凝土配合比设计规程》进行配合比设计，确定混凝土砂率为44%，水胶比为0.54。矿物掺合料采用等量取代水泥的方法，粉煤灰、矿粉各等量取代水泥的20%、30%、40%；复掺粉煤灰和矿粉，各掺10%、15%、20%。混凝土的配合比如表4所示。

表4. 混凝土配合比(单位：kg/m³)

3. 结果与讨论

3.1. 试验结果

根据表4中的10组混凝土配合比进行试拌，对拌合物的坍落度、坍落扩展度及坍落度经时变化进行测试，得到试验结果见表5。

3.2. 流动性

由表5与图1可知，当粉煤灰掺量为20%、30%、40%时，坍落度分别为165 mm、220 mm、160 mm。与基准组的坍落度60 mm相比，单掺粉煤灰混凝土的坍落度有较大幅度提升，且在掺量为30%时坍落度达到最大。所以，在混凝土中掺入适量的粉煤灰可以有效的提高混凝土的流动性，分析认为其原因是粉煤灰的主要颗粒为球状颗粒，其中80%以上为多孔玻璃体，其球形颗粒的形貌效应可以减少骨料与砂浆之间的摩擦，起到了对水泥粉体颗粒的分散和润滑作用，从而可以显著提高混凝土的流动性。当矿粉掺量为20%、30%、40%时，坍落度分别为110 mm、75 mm、70 mm。相比于基准混凝土，单掺矿粉混凝土的坍落度也有一定的提升，但是由于矿粉具有很强的胶凝活性，能够提高混凝土拌合物的粘聚力，故随着矿粉的掺量增加，混凝土的坍落度却随之下降。当粉煤灰的掺量为20%、30%、40%时，混凝土拌合物的坍落扩展度分别为460 mm、480 mm、500 mm，故混凝土的坍落扩展度随着粉煤灰掺量的增加而增大，而单掺矿粉的混凝土则无坍落扩展度。由此可以看出，单掺粉煤灰的混凝土比单掺矿粉的混凝土具有更好的流动性。此外，周啸尘提出了有效拌和水比的概念，即填充水的数量与固体颗粒空隙率的比值；由于粉煤灰的填充效应能改善混凝土的颗粒级配，减少混凝土的空隙率，增大有效拌和水比；且粉煤灰颗粒较细，导致比表面积较大，所需表面层水的数量会增多，这会减少填充水的数量，从而降低有效拌和水比 [4] [5] [6] [7]。

表5. 试验结果

图1. 不同掺量矿物掺合料对混凝土坍落度的影响

3.3. 坍落度损失

从表5中可以看出，基准混凝土的坍落度损失很大，1 h后混凝土基本上已经失去了流动性。在掺入了一定量的粉煤灰后，混凝土的坍落度损失得到明显的改善，虽然随着时间的增加，其坍落度损失也在增加，但是相较于基准混凝土，单掺粉煤灰的混凝土仍能保持较高的流动性。对于单掺矿粉的混凝土，当矿粉掺量为20%和30%时，混凝土的坍落度经时损失较小，其流动性几乎不随时间变化而减小；当矿粉掺量为40%时，混凝土的坍落度经时损失较大。由此可以看出，粉煤灰和矿渣粉均有改善混凝土坍落度经时损失的效果 [8]，但是对于单掺矿粉时，需要注意控制其掺量，过大的掺量会使得其效果变差。混凝土坍落度的变化，实质上是水泥浆体流动性的变化，也就是水泥颗粒的分散与聚集的结果。在掺入粉煤灰和矿粉后，由于矿物掺合料表面较为光滑密致，在混凝土的搅拌过程中，这些粒子能够对水泥颗粒起到分散作用，且这种分散效果不随时间的增加而减弱；掺合料取代了部分水泥，降低了水泥水化热，一定程度上减少了混凝土拌合物内部温度的升高 [9]；粉煤灰具有很强的保水作用，能减少拌合物水分的外溢，而矿粉其保水性没有粉煤灰好，故其对混凝土坍落度经时损失的改善效果不如粉煤灰好。对于远距离运输的泵送的高性能混凝土，在设计配合比时会添加粉煤灰、矿粉等掺合料，不仅能降低混凝土成本，同时有利于改善混凝土的和易性及工作性 [8]。

3.4. 抗压强度

按表4所示配合比浇筑试件并进行标准养护，分别对每组试件的7 d抗压强度进行测试，比较了相同掺量下单掺粉煤灰、单掺矿粉以及复掺粉煤灰和矿粉对混凝土早期强度的影响，试验结果如图2所示。

图2. 混凝土7天强度

从图2可以看出，单掺粉煤灰混凝土7d的强度随着粉煤灰掺量的增加呈明显下降趋势，原因是粉煤灰的火山灰活性较低，在早期潜在的水硬性无法发挥，导致强度明显下降；而单掺矿渣以及双掺粉煤灰/矿渣混凝土则存在一个最佳掺量，当掺量为30%时强度最高，其原因一是与矿渣粉的火山灰活性较高有关，二是当粉煤灰-矿渣双掺且掺量为30%时，此时其密实填充效应达到最大，所以强度较高。

4. 结论

通过实验可以得到以下结论：粉煤灰的掺入极大的提高了混凝土的流动性，但由于活性较低，导致对早期强度产生了不利影响；掺矿渣微粒的混凝土比掺同等粉煤灰的混凝土早期强度高，但工作性相对较差，矿物掺合料的加入有助于降低坍落度损失；矿物掺合料双掺时存在一个最佳掺量(30%)，其原因可能是掺量为30%时密实填充效应达到最大，所以强度较高。

致谢

感谢浙江省建设科技项目(2019K060)、浙江大学宁波理工学院大学生创新创业计划、宁波市自然科学基金(2018A610229)的支持。

文章引用

陈坚钢,裘 泳,赵景锋,唐传辉,黄 孝,徐亦冬. 矿物掺合料对混凝土物理力学性能的影响
Effects of Mineral Admixtures on Physical and Mechanical Properties of Concrete[J]. 土木工程, 2020, 09(06): 557-562. https://doi.org/10.12677/HJCE.2020.96059

参考文献