多掺合料对水工混凝土强度性能的影响探究

钟 胜,李飞隼,韩云童

(1.安徽水安建设集团股份有限公司，安徽 合肥 230601； 2.湖北水利水电职业技术学院，湖北 武汉 430202)

0 引言

当前，我国政府正在实现碳达峰、碳中和的节能承诺。水泥行业由于受传统原料结构和生产工艺的限制，是众所周知的二氧化碳排放大户，然而其作为主要胶凝材料又是工程项目建设过程中混凝土制配不可缺少的重要成分[1-2]。在保证混凝土各项性能前提下，众多学者围绕通过添加复合矿物掺合料降低水泥使用量等问题开展了丰富的实践研究，同时也是适应社会低碳发展的必然要求[3-5]。

矿物掺合料应用于混凝土的生产，其主要目的是减少水泥用量，同时提升混凝土的部分性能指标。其中，粉煤灰和矿粉是常见的工业废弃品，两种材料均可用作混凝土掺合料，通过添加适量的粉煤灰或矿粉，可改善混凝土和易性、控制水泥水化放热等，从而实现改善混凝土性能的目的[6]。但是，受产地资源环境的影响，掺合料的品质一般有较大差异，特别是掺料种类和用量比例对混凝土性能影响显著[7]。本次试验以某地所产粉煤灰和矿粉为掺合料，通过对多组水胶比环境下的不同龄期混凝土强度进行系列测试，探究多矿物掺合料对混凝土强度性能的影响。

1 试验原材料

1.1 水泥

试验采用安徽枞阳海螺水泥股份有限公司生产的P.O42.5水泥。水泥的物理性能品质检验结果见表1。检测结果表明该水泥的受检品质指标可满足GB 175—2007通用硅酸盐水泥标准的技术要求。

表1 水泥的物理性能检测

1.2 粉煤灰

此次试验采用铜陵电厂的F类Ⅱ级粉煤灰。粉煤灰品质检验结果见表2。检测结果表明，铜陵粉煤灰满足 GB/T 1596—2017用于水泥和混凝土中的粉煤灰中F类Ⅱ级粉煤灰的技术要求。

表2 粉煤灰品质检验结果

1.3 矿渣粉

采用铜陵市鹏泰超细矿粉有限责任公司生产的S95矿渣粉，其品质检测结果见表3。检测结果表明，该矿渣粉满足GB/T 18046—2017用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉中S95矿渣粉的技术要求。

表3 矿渣粉品质检验结果

1.4 细骨料

选取鄱阳湖产天然河砂，细度模数检测结果为2.49，符合SL 677—2014水工混凝土施工规范要求，鉴定为中砂，检测结果见表4。

表4 砂品质检验结果

1.5 粗骨料

试验粗骨料使用怀宁上峰石料厂和江西彭泽宏浩麻山矿业有限公司生产的人工碎石。经检测怀宁上峰石料厂的16 mm～31.5 mm碎石和江西彭泽宏浩麻山矿业有限公司碎石生产的5 mm～10 mm，10 mm～20 mm两种规格的碎石，颗粒级配符合JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准要求。其他部分检测指标结果见表5，亦符合SL 677—2014水工混凝土施工规范要求。

表5 碎石检测结果

1.6 外加剂

试验使用安徽明达生产的YD-1引气型聚羧酸减水剂，南京瑞迪的 HLC-IX 聚羧酸系高性能减水剂(引气型)。减水剂掺量均为推荐值1.5%。检测结果见表6。从受检品质指标来看，减水剂品质指标满足GB 8076—2008混凝土外加剂的要求。

表6 减水剂品质检验结果

2 配合比优化试验

2.1 混凝土设计指标与配制强度

按SL 352—2006水工混凝土试验规程规定，混凝土的配制强度按式(1)计算：

fcu,o=fcu,k+t

(1)

其中，fcu,o为混凝土的配制强度，MPa；fcu,k为混凝土设计龄期的强度标准值，MPa；t为概率度系数，依据保证率选定，见表7；σ为混凝土强度标准差，MPa，标准差选择见表8。

表7 保证率和概率度系数关系

表8 混凝土强度标准差σ值 MPa

此次试验设计大体积混凝土指标为 C25W4F100，依据相关规范规定，计算其配制强度为31.6 MPa，混凝土设计参数见表9。

表9 混凝土的设计指标与配制强度

2.2 混凝土参数优化

2.2.1 水胶比

根据SL 352—2006水工混凝土试验规程要求，强度试验可在适宜范围内选择3个～5个水胶比，通过前期试配建立强度与水胶比的回归方程式，确定此次研究采用 0.38，0.40，0.45三组水胶比进行试验。

2.2.2 粗骨料级配

怀宁上峰石料厂的16 mm～31.5 mm 碎石，江西彭泽宏浩麻山矿业有限公司生产的5 mm～10 mm和10 mm～20 mm规格的碎石，经筛分试验，颗粒级配符合JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准要求。对不同组合的粗骨料紧密密度试验，检测结果见表10。

表10 骨料组合紧密密度试验结果

从表10中试验结果可看出，D组骨料的紧密密度最大，空隙率最小。为提升混凝土拌和质量，试验确定取用该组合比例为粗骨料级配，即5 mm～10 mm∶10 mm～20 mm∶16 mm～31.5 mm=20∶35∶45。

2.2.3 砂率

参考JGJ/T 10—2011混凝土泵送施工技术规程规定：泵送混凝土砂率宜为35%～45%。根据试拌情况，确定水胶比为0.40时，最优砂率为40%，混凝土单位用水量为140 kg/m3，和易性满足施工要求。

2.2.4 掺合料掺量

GB 50496—2018大体积混凝土施工标准中第4.3.1条规定：粉煤灰掺量不宜大于胶凝材料的50%，矿渣粉掺量不宜大于胶凝材料的40%，粉煤灰和矿渣粉的掺量总和不宜大于胶凝材料的50%。本次试验采用混凝土配合比中粉煤灰掺入量为30%，矿渣粉的掺量为20%，符合规范要求。同时，增加选取20%粉煤灰掺量+20%矿渣粉的组合进行混凝土强度性能对比试验。

2.3 试验配合比

根据2.2.3节研究结果，首先确定混凝土单位用水量为 140 kg/m3，最优砂率为 40%。结合试拌结果，调整、优化混凝土配合比组合的水胶比等参数如表11所示。按照SL 352—2006水工混凝土试验规程中混凝土配合比计算要求，砂石料的含水状态以饱和面干状态为基准，砂石料计算按“绝对体积法”计算，得到单方混凝土中各材料的用量如表12所示。

表11 混凝土试验配合比的参数

表12 试验配合比单方混凝土中各原材料的用量 kg/m3

3 混凝土抗压与劈拉强度

试验按SL 352—2006水工混凝土试验规程进行，混凝土成型150 mm×150 mm×150 mm立方体试件，分别对标准养护条件下3 d，7 d，28 d和90 d龄期混凝土进行抗压以及劈拉强度测试，试验结果见表13，计算混凝土抗压强度增长率如表14所示。

表13 混凝土的抗压强度与劈拉强度

表14 混凝土抗压强度增长率 %

试验结果表明：1)双掺合料混凝土的强度亦随龄期增加不断增长，并且早期强度增长较快。3 d龄期混凝土的抗压强度为28 d标准龄期强度的63.9%～69.2%，7 d龄期混凝土的抗压强度占28 d强度增长的78.1%～82.7%，因此对双掺合料混凝土而言，虽减少了一定水泥用量,但其早期强度仍然可以快速提高。2)从标准龄期的强度试验结果可知，不同水胶比条件下的双掺料混凝土在28 d龄期时力学性能均能满足相应设计要求。3)当水胶比为0.45时各龄期混凝土强度可达到设计要求，同时较其他水胶比的混凝土强度增长更平稳。

4 结语

双掺合料混凝土强度与普通混凝土的强度变化特征具有相似性，即强度增长主要体现在早龄期阶段，其后逐渐减缓直至达到设计强度标准值，外掺料不会改变混凝土强度增长的总体规律。此外，通过选择合适的水胶比，混凝土中加入一定量的粉煤灰、矿粉等外掺料，可减少水泥用量、降低水化热，从而在满足设计强度要求的同时达到使混凝土强度增长速率更趋平稳的目的，对于大体积早强混凝土的抗裂保护具有积极效应。