多种矿物掺合料复合在商品混凝土的应用研究

李金君

（哈尔滨长城宏业建筑材料有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引言

近些年，随着商品混凝土的日益发展，混凝土的施工性能和耐久性能越来越受到广泛的关注。因而矿物掺合料的应用就成为必然之趋，由于受限于矿物掺合料品质的优劣和本身性能，单一掺加可能无法满足混凝土的性能要求，于是就出现了两种或多种掺合料的复合使用，复合掺加在一定条件下不但提高了混凝土的各项性能指标，还对工业废料的综合应用、节能减排起到了很好的作用。

本研究通过不同水泥、多种矿物掺合料的比对试验，探讨多种矿物掺合料复合所带来的效果。试验环境温度：20%，相对湿度：32%。

1 原材料

1.1 水泥

（1）黑龙江冀东水泥有限公司 P·O42.5水泥，比表面积 370m2/kg，标准稠度用水量 25%，初凝时间198min，终凝时间 258min，3d 抗压强度 25.0MPa，28d抗压强度 51.2MPa，脱硫石膏掺量 5%，混合材品种有矿渣、石灰石和砂岩。

（2）辽源金刚水泥有限公司 P·O42.5 水泥，比表面积 410m2/kg，标准稠度用水量 30%，初凝时间150min，终凝时间 258min，3d 抗压强度 26.5MPa，28d抗压强度 46.1MPa，氟石膏掺量 3.5%，混合材品种有矿粉、石灰石、炉渣和粉煤灰。

1.2 掺合料

（1）粉煤灰，产地浩良河，细度 18%，需水量比97%，烧失量 2.0%。

（2）矿粉，产地吉林东晟，比表面积 426m2/kg，流动度比 113%，28d 活性指数 97%。

（3）稻壳灰，产地佳木斯，密度 2200kg/m3，28d活性指数 115%。

（4）沸石粉，产地阿城区蜚克图镇，细度 6%，需水量比 117%，28d 活性指数 98%。

1.3 砂

（1）产地浩良河，Ⅱ区中砂，细度模数 2.8，含泥量 0.8%。

（2）产地阿城区阿什河，Ⅱ区中砂，细度模数2.3，含泥量 2.8%。

1.4 碎石

产地国强采石场，5～31.5mm 连续粒级（5～16mm 60%，16～31.5mm 40%），针片状颗粒含量 8%，压碎值指标 5.7%。

1.5 减水剂

生产厂家哈尔滨中交土木工程材料有限公司，TCJO1 聚羧酸减水剂，减水率 30%。

2 材料之间的相容性

对于“相容性”，GB 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》中是这样定义的：即含减水组分的混凝土外加剂与胶凝材料、骨料、其他外加剂相匹配时，拌合物的流动性及其经时变化程度。

这里的相容性，可以从以下几个方面来考虑：（1）减水剂与水泥的相容性；（2）减水剂与胶凝材料的相容性；（3）减水剂与骨料之间的相容性。

2.1 减水剂与水泥的相容性

作为最主要的胶凝材料，水泥在整个混凝土体系内永远承担着最主导的作用，无论是矿物成分还是其物理指标。众所周知，硅酸盐水泥熟料的四种矿物成分有硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）、铁铝酸四钙（C4AF），它们对外加剂吸附性能依次为 C3A＞C4AF＞C3S＞C2S ，可以看出，铝酸三钙的水化反应速度最快，吸附性也最强，对于相容性影响最为明显，因此商品混凝土中应尽量选用铝酸三钙含量较低的水泥。一般，水泥熟料中铝酸三钙的范围 8% 以内。经检测，金刚水泥铝酸三钙含量为 9.69%，冀东水泥为 7.0%。

为了控制铝酸三钙的水化和凝结硬化速度，水泥中必须加入适量石膏，石膏的品种和掺量也是影响水泥与外加剂相容性的重要因素。石膏常分为天然类和工业类，二水石膏属于天然类，氟石膏、莹石膏、脱硫石膏属于工业类。试验证明，掺加二水石膏的水泥样品各项性能均符合国家标准，效果最好，而工业石膏与二水石膏相比，对混凝土凝结时间和强度都会有不同程度的影响。而由于资源的过度开采，天然石膏日趋减少，大多数水泥厂都通过试验，将天然石膏与工业石膏按一定比例复合使用，这样既保证了水泥的各项性能，还可以改善与外加剂的相容性，不失为一个好的做法。表 1 是两种水泥与减水剂相容性试验的比对试验。

表 1 两种水泥与减水剂相容性试验的比对试验

试验中，冀东水泥所加的水量和减水剂量都较金刚水泥要少，但砂浆扩展度值确明显更好，可以看出两种水泥与外加剂的相容性比对，冀东水泥更好。

2.2 减水剂与胶凝材料的相容性

混凝土中水泥和活性矿物掺合料总称为胶凝材料，活性矿物掺合料是以硅、铝、钙等一种或多种氧化物为主要成分，能与水泥水化反应生成的氢氧化钙[Ca(OH)2] 进行二次水化，生成具有胶凝能力的水化产物，如粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、沸石粉、硅灰、稻壳灰等都属于活性矿物掺合料。粉煤灰是应用最为广泛的工业废弃物，它不但作为混凝土中的掺合料，还可以作为混合材加入水泥当中。其主要成分为 SiO2、Al2O3和Fe2O3，还伴有未燃尽的碳和其他杂质，是一种非均质性物质，如果煤种不好，燃烧不完全，杂质含量就会偏高，不但增加混凝土的单位用水量，还对减水剂有一定的吸附，从而使其与减水剂之间的相容性变差，影响混凝土的流变性及耐久性能。和粉煤灰相比，矿粉的主要化学成分为 SiO2、Al2O3和 CaO，具有较高的活性，所以优质矿粉不仅可以等量取代水泥，而且使混凝土的各项性能获得显著改善，如表 2。

表 2 砂浆工作性能

由此可见，粉煤灰的掺入一定程度改善了砂浆的扩展度，但随着矿粉的加入，双掺之后与外加剂的相容性更好，对于单独使用水泥所带来的不利影响已经明显弱化了。通过图 1 可以更加直观的反应出来。

图 1 双掺粉煤灰和矿粉后水泥与外加剂的相容性

对于金刚水泥，单掺粉煤灰，砂浆初始扩展度由原来的 351mm 增加到 355mm，而 1h 后 265mm 增加到308mm；而粉煤灰和矿粉双掺，砂浆初始扩展度达到368mm，1h 后为 353mm。砂浆的 1h 扩展度损失由原来的 86mm 减小到最终的 15mm，可以看出双掺粉煤灰和矿粉使得外加剂也发挥了最大的效果。

诸如沸石粉、稻壳灰，由于本身的化学成分和具有更大的比表面积，复合使用可与外加剂更好的融合，所以在混凝土中作用不言而喻。

3 混凝土试验

3.1 胶凝材料抗压强度

对于配合比设计中最重要的参数，水胶比决定着混凝土的一系列相关性能，如胶凝材料总量、拌合物性能、力学性能以及长期和耐久性能等。而在确定水胶比之前，胶凝材料的抗压强度是一项关键指标。表 3 是掺合料在不同掺量情况下 28d 抗压强度。

表 3 混凝土抗压强度

由表 3 可知，加入 20% 的粉煤灰 28d 活性指数为90%，粉煤灰和矿粉各掺 10% 达到 103%，可见矿粉更有利于后期强度的增长；而当粉煤灰 20%、矿粉 10%比例时，活性指数也可达到 90%，对比粉煤灰 20% 的掺量可以得出，矿粉在一定条件下是可以等量取代水泥的。而随着稻壳灰和沸石粉的再次掺入，四种矿物掺合料同时使用，虽然水泥用量再减少，但 28d 的活性指数反而略有提高，可见，活性矿物掺合料相互之间的匹配性良好，可以取长补短，共同作用。

3.2 配合比试验

通过上述一系列试验，确定了 6 个配合比，其中C30 为 3 组，C50 为 3 组。在水胶比和减水剂掺量相同的条件下，找出不同品种水泥、不同种类矿物掺合料对于混凝土的各种性能的影响。表 4 为实验室配合比。

表 4 混凝土实验室配合比 k g/m3

配合比中 3 组 C30 水胶比为 0.42，减水剂掺量均为1.5%；3 组 C50 水胶比为 0.32，减水剂掺量均为1.7%，分别按 20L 进行试配，测得混凝土拌合物各项性能详见表 5。试验室条件：环境温度 20%，相对湿度32%。由表 5 可知，在相同条件下，四种矿物掺合料同时掺加，混凝土拌合物在坍落度、扩展度、粘聚性以及保水性上都有了很好的改观，含气量明显减小，而密实度也相对增加，凝结时间也无异常。混凝土的力学性能和长期耐久性见表 6。

表 6 混凝土力学与耐久性能

混凝土拌合物好，密实度高、体积稳定性越好，力学性能以及长期和耐久性能就越好，尤其四种矿物掺合料复合掺加，无论是抗压强度，还是抗渗、抗冻和抗氯离子渗透性能都有了很大的提高。

4 结论

多种矿物掺合料复合掺加：

（1）改进了胶凝材料与外加剂之间的相容性；（2）使混凝土拌合物性能得以改善；

（3）混凝土力学性、长期和耐久性能有了明显的提高。

综上所述，活性矿物掺合料以其化学成分、本身的活性及相互之间的互补性，通过一定的比例加入混凝土中，最大程度的发挥了彼此的效应，不仅提高了混凝土的品质，另外对节约成本、节能减排也起到了很大的调节作用，未尝不是一个好的出路。

表 5 混凝土拌合物性能