矿物掺和料对机制砂高强高性能混凝土影响的研究

于新荣李从波詹镇峰宁成晋（佛山市鸿狮混凝土有限公司；广州大学土木工程学院）

矿物掺和料对机制砂高强高性能混凝土影响的研究

于新荣1李从波2詹镇峰2宁成晋2
（1佛山市鸿狮混凝土有限公司；2广州大学土木工程学院）

本文研究了矿物掺和料对机制砂高强高性能混凝土坍落度、扩展度、倒流时间和抗压强度等性能的影响。结果表明：当复掺矿粉和粉煤灰，矿粉占胶凝材料的9.7%，粉煤灰占胶凝材料的9.1%时，机制砂混凝土工作性能最佳，坍落度和扩展度分别为225mm和575mm，倒流时间降低到8s，，且强度满足要求，可以解决低石粉含量高强机制砂混凝土工作性和泵送性不能满足高性能混凝土的问题。

机制砂；高强高性能混凝土；掺和料

1　引言

随着我国经济建设和基础建设的飞速发展，以及我国对环境保护的重视，现有的天然砂资源已经不能满足工程实际的需要，机制砂在工程中的应用逐年增大。机制砂则是经过除土处理，由机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，且不包括软质、风化的颗粒，由专门的制砂机生产，多数呈灰白色或黑色，一般含有10%～15%左右的石粉 （粒径小于75um的岩石颗粒），粒形多呈三角体或方矩体，表面粗糙［1］。机制砂有级配差，细度模数大，表面粗糙有棱角、含有石粉等特点。机制砂的特性对于混凝土的工作性和力学性能有重要影响。矿物掺和料是配制高强高性能混凝土的重要材料，对矿物掺和料对机制砂高强高性能混凝土影响的研究，对配制机制砂高强高性能混凝土有重要的意义。

2　原材料

2.1 水泥

试验用的水泥来自珠江水泥厂的P.O.42.5R水泥。

2.2 机制砂

机制砂来自广东省梅州市茅山采石场生产的机制砂。石粉含量为3.5%；试验测得机制砂的表观密度为2670kg/m3，松散堆积密度为1620kg/m3，空隙率为35%，MB值为1.3。

2.3 碎石

试验用的碎石为5～25mm的连续级配碎石。

2.4 矿物掺和料

⑴矿粉：试验用的矿粉的主要性能如表1所示：

表1　矿粉主要化学成分和性能

⑵粉煤灰：试验用的粉煤灰的主要性能如表2所示：

表2　粉煤灰性能检测结果

⑶聚羧酸高性能减水剂：广州西卡公司生产的粉剂。

3　试验方案及配合比

⑴混凝土配合比参数为：水胶比为0.30，砂率为37%，减水剂为0.2%，高性能机制砂混凝土配合比为：胶结料：机制砂：碎石：水：减水剂=517：648：1103：155：1.034（单位：kg/m3）。胶结料为水泥、粉煤灰和矿粉。试验时胶结料保持总量，按设计确定水泥、粉煤灰和矿粉的质量。

⑵混凝性能试验

混凝土拌合后，测试混凝土拌合物的坍落度、扩展度等混凝土拌合物性能。浇模，并且在标准养护条件后，待到达龄期后进行抗压强度测试。

4　试验结果与分析

为配制价格低廉的高强高性能机制砂混凝土，本文研究了单掺不同矿粉、粉煤灰及混合矿粉和粉煤灰作掺和料的机制砂混凝土的工作性能以及强度影响规律，试验结果如表3和图1至图4所示：

从表3和图1中可以看出，在粉煤灰用量为零，单掺矿粉时，随着矿粉从0增加到97kg时，混凝土的坍落度和扩展度呈增加的趋势，坍落度从180mm增加到220mm，扩展度从490mm增加到580mm，工作性能越来越好。随着矿粉的增加，混凝土的倒流时间从8s增加到15s，混凝土泵送性能较没有掺加矿粉时有所下降。从图2中可以看出，随着矿粉的增加，机制砂混凝土的7d和28d抗压强度都有所下降，但变化幅度不大，7d和28d强度分别维持70MPa和84MPa左右，均满足C60高强高性能混凝土对强度要求。

表3　矿物掺和料对机制砂混凝土工作性和强度的影响

图1　单掺矿粉的机制砂混凝土工作性能

图2　单掺矿粉的机制砂混凝土强度

从表3和图3中可以看出，在矿粉用量为零，粉煤灰掺量从0增加到60kg时，即单掺粉煤灰时，混凝土的坍落度和扩展度呈增加趋势，坍落度从180mm增加到215mm，扩展度从490mm增加到570mm，均满足高性能混凝土的要求。然而，当粉煤灰掺量增加到60kg时，混凝土出现泌水现象，混凝土流动性下降，混凝土拌和物倒流时间为12s，泵送性能也稍微变差。从图4中可以看出，单掺粉煤灰时，机制砂混凝土强度，7d强度变化不是很大，维持70MPa左右，28d强度相对于没有掺加粉煤灰时降低了3.7MPa，均满足C60高强高性能混凝土对强度的要求。

图3　单掺粉煤灰的机制砂混凝土工作性能

图4　单掺粉煤灰的机制砂混凝土强度

当混合矿粉和粉煤灰，分别为50kg和47kg加入混凝土当中，混凝土坍落度和扩展度好，分别为225mm和575mm，混凝土的倒流时间减低到8s，泵送性能及工作性能均很好，强度满足要求。主要是因为混合矿粉和粉煤灰后，使得体系中的各粒径的颗粒级配更加合理，并且矿物掺合料产生的微集料填充效应，可以降低了粉体材料的空隙，改善其流动度，从而起到了对混凝土和易性的改善作用。同时，在混凝土中混合矿粉和粉煤灰作掺和料时，可以产生复合交互效应。在水化过程中可以相互激发产生复合胶凝效应，在复合胶凝体系中，水泥熟料最先进行水化，生成CSH和CH，其中的CH和水泥中的石膏可对矿粉、粉煤灰的水化起激发作用。且因矿粉水化活性、表面能较粉煤灰大，故其反应速度快，可以帮助 CSH凝胶的增加，且矿粉析出的Ca2+对粉煤灰颗粒周围的CSH凝的形成起促进作用，由于粉煤灰颗粒中的铝、硅相的溶解，能够使得水化液相中的铝、硅浓度增加且能增加矿粉的水化过程。因此，混合矿粉和粉煤灰作掺和料，使得混凝土形成更加密实的结构，起到改善机制砂混凝土的力学强度的作用。

综上所述，通过矿物掺和料对机制砂混凝土工作性和强度影响的研究，发现矿粉和粉煤灰复掺技术，可以解决低石粉含量高强机制砂混凝土工作性差的问题。即当混合矿粉和粉煤灰分别为50kg和47kg（矿粉占胶凝材料的9.7%，粉煤灰占胶凝材料的9.1%）加入混凝土当中，此时机制砂混凝土工作性能最佳，坍落度和扩展度分别为225mm和575mm，混凝土的倒流时间降低到8s，泵送性能很好，且强度满足要求。由于矿粉和粉煤灰价格低廉，矿粉和粉煤灰复掺技术经济可行。

5　结语

⑴单掺矿粉时，混凝土的坍落度和扩展度分别可达到220mm和580mm，工作性能好，但是倒流时间为15s，机制砂混凝土的泵送性能一般；单掺粉煤灰时，混凝土的坍落度和扩展度分别可达到215mm和570mm，倒流时间12s，机制砂混凝土泵送性能一般，但当粉煤灰用量超过60kg（超过胶凝用量11.6%）时，混凝土开始出现泌水现象。

⑵矿粉和粉煤灰复掺技术，可以解决低石粉含量高强机制砂混凝土工作性和泵送性不能满足高性能混凝土的问题。即当混合矿粉和粉煤灰分别为50kg和47kg（矿粉占胶凝材料的9.7%，粉煤灰占胶凝材料的9.1%）加入混凝土当中，此时机制砂混凝土工作性能最佳，坍落度和扩展度分别为225mm和575mm，混凝土的倒流时间降低到8s，泵送性能很好，且强度满足要求。由于矿粉和粉煤灰价格低廉，矿粉和粉煤灰复掺技术经济可行。

［1］陈家垅.人工砂一新型建筑用砂 ［J］.新型建筑材料，2002 （6）：31-33.