矿物掺合料对人工砂自密实混凝土性能的影响

王伟，杨善顺，徐仁崇，连亚明

（厦门天润锦龙建材有限公司，福建 厦门 361027）

［摘 要］为保证人工砂自密实混凝土良好的工作性，通常会增大其胶凝材料的用量并复掺矿物掺合料。本文根据相关规程设计出人工砂自密实混凝土基准配合比，并采用 Design expert 对基准配合比中的矿物掺合料进行粉料设计，分别研究了矿物掺合料掺量对扩展度、J 环扩展度、T500、V 漏斗排空时间和28d 抗压强度的影响。综合考量确定了粉煤灰、矿粉和石粉的最佳掺量。

［关键词］矿物掺合料；人工砂；自密实混凝土；design expert

0 前言

自密实混凝土配制技术越来越成熟，在大量特殊工程中成功运用的同时，也取得了巨大的经济效益和社会效益[1-2]。然而自密实混凝土对原材料的要求较高，导致自密实混凝土的成本居高不下。国内的自密实混凝土的生产主要采用天然砂，采用人工砂配制自密实混凝土的工程应用相对较少。在河砂资源日益枯竭和河砂全面“禁采”的大环境中，采用人工砂配制自密实混凝土成为研究热点[3-5]。

自密实混凝土的优异工作性源自于较高的胶凝材料用量，且各种矿物掺合料的掺量对自密实混凝土的工作性都有一定影响[6-7]。本试验采用粉煤灰、矿粉和石粉复掺的方式，并用 Design expert 进行粉料设计，研究矿物掺合料对自密实混凝土性能的影响。

1 原材料和配合比

1.1 原材料

试验选用福建红狮水泥股份有限公司的 P·O42.5R水泥，表观密度3100kg/m3，28d 抗压强度50.2MPa；三钢集团股份有限公司的 S95级矿粉，表观密度2920kg/m3，28d 活性指数102%；厦门益材粉煤灰有限公司Ⅱ级粉煤灰，细度（45μm 筛）14.6%，28d 活性指数为78%；厦门某厂家的石粉，表观密度2530kg/m3，需水量比95%，28d 活性指数65%；粗集料为普通碎石，表观密度2670kg/m3，粒径5～20mm；外加剂采用福建科之杰新材料有限公司的聚羧酸高性能减水剂，减水率30%；试验用水为自来水，满足现行行业标准 JGJ63—2006《混凝土用水标准》的要求；细集料为自制人工砂，具体性能指见表1。

表1 人工砂性能指标

堆积密度(kg/m3)细度模数1500 1.0 0.1 0.001 3.6 2.7吸水率（%）泥块含量(%)氯离子含量(%)石粉含量(%)

1.2 配合比

本试验参考 JGJ/T283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行配合比设计，并测试了扩展度、J 环扩展度、T500、V 漏斗排空时间对自密实混凝土的性能进行评价。经过计算，得到 C40人工砂自密实混凝土基准配合比如表2。

表2 C40人工砂自密实混凝土基准配合比 k g/m3

胶凝材料 水 人工砂 碎石 外加剂450 180 826 894 7.3

1.3 粉料设计

Design expert 是一款专门面向实验设计和相关分析的软件，和其他一些老牌的数理分析软件如：JMP、SAS 和 Minitab 相比，它就是一款专注于实验设计的工具软件，使用简单，不需要扎实的数理统计功底，就可以使用这款软件设计出的高效实验方案，并对实验数据进行专业分析，给出全面、可视的模型及优化结果。本试验借助于 Design expert 中的 Mixture 功能对矿物掺合料的掺量进行设计，为保证自密实混凝土的强度，其中水泥的掺量固定为60%，粉煤灰＋矿粉＋石粉＝40%，具体的设计方案如表3。

表3 矿物掺合料掺量 %

编号 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10粉煤灰 40 0 0 20 20 0 26.7 6.7 6.7 13.3矿粉 0 40 0 20 0 20 6.7 26.7 6.7 13.3石粉 0 0 4 00 20 20 6.7 6.7 26.713.3

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

图1～4是部分试验的现场照片，具体的试验结果见表4。

表4给出的矿物掺合料成本是依据三种矿物掺合料的成本价（进价）进行计算的，其中粉煤灰215元/t，矿粉240元/t，石粉120元/t。为了更好地分析矿物掺合料的掺量对人工砂自密实混凝土的影响，作图如图5～11。

图1 扩展度

图2 J环扩展度

图3 V 漏斗排空

图4 部分立方体试块

图5 矿物掺合料掺量对扩展度的影响

表4 试验结果和矿物掺合料成本

编号 扩展度(mm)J 环扩展度(mm)扩展度和 J 环扩展度的差值(mm)T500(s)V 漏斗排空时间(s)强度(MPa)矿物掺合料成本(元) Z1 730 620 110 3.16 25.4 50.1 15.48Z2 670 600 70 4.21 29.4 67.2 17.28Z3 575 540 35 5.12 23.3 39.3 8.64Z4 695 665 30 1.96 20.6 56.9 16.38Z5 675 635 40 2.56 17.9 44.2 12.06Z6 660 630 30 2.39 14.3 53.6 12.96Z7 680 640 40 3.16 27.6 46.8 14.67Z8 675 640 35 3.16 24.2 50.7 15.57Z9 650 615 35 2.06 16.4 43.2 11.25Z10 675 635 40 2.56 18.3 49.4 13.77

图6 矿物掺合料掺量对 J 环扩展度的影响

图7 扩展度与 J 环扩展度的差值

图8 矿物掺合料掺量对 T500的影响

如图5矿物掺合料掺量对扩展度的影响所示，单掺粉煤灰时，扩展度达到720mm；单掺矿粉时，扩展度670mm；单掺石粉时，扩展度只有575mm。明显看出粉煤灰具有良好的“减水效应”，随着粉煤灰的增加，扩展度逐步增大；矿粉同样可以改善混凝土的和易性，但是效果并不如粉煤灰优良；石粉掺量过高时导致混凝土的扩展度急速降低，这是因为石粉虽然具有一定的“形态效应”和“填充效应”，但是其本身的吸水率较高，当掺量较高时，导致混凝土和异性变差。

如图6矿物掺合料掺量对 J 环扩展度的影响所示，单掺时，自密实混凝土的间隙通过性均不理想，矿物掺合料复掺时，可以很好的改善自密实混凝土的间隙通过性。然而单纯的讨论间隙通过性没有实际意义，下面结合图7，具体讨论矿物掺合料掺量对自密实混凝土的影响。

如图7所示，给出了矿物掺合料掺量对扩展度与 J环扩展度的差值的影响，对自密实混凝土而言，二者差值越小，自密实混凝土的和易性就越好。单掺粉煤灰时，二者差值达到110mm；单掺矿粉时，二者差值达到70mm；单掺石粉时，二者差值只有35mm，即保持扩展度相同时，适当增加石粉的掺量可以有效地改善混凝土的间隙通过性。

如图8矿物掺合料掺量对 T500的影响所示，矿物掺合料单掺时，T500流动时间较长，其原因是单掺粉煤灰和矿粉虽然其扩展度较大，但是混凝土的粘聚性较大，导致混凝土的流动速度较慢；单掺石粉虽然可以降低混凝土的粘聚性，但是其本身的扩展度较小，所以其流动的时间也较慢。当三种矿物掺合料复掺时，可以提高混凝土的流动速度。

如图9矿物掺合料掺量对 V 漏斗排空时间的影响所示，矿物掺合料单掺时，V 漏斗排空时间较长，其中单掺矿粉时，V 漏斗排空时间长达29.4s，矿粉和石粉复掺时效果最佳，V 漏斗排空时间为14.3s。

图9 矿物掺合料掺量对 V 漏斗排空时间的影响

图10 矿物掺合料掺量对28d 强度的影响

图11 矿物掺合料掺量对矿物掺合料成本的影响

如图10矿物掺合料掺量对28d 强度的影响所示，单掺矿粉时，混凝土28d 抗压强度67.2MPa；单掺粉煤灰时，混凝土28d 抗压强度50.1MPa；单掺石粉时，混凝土28d 抗压强度39.3MPa；基本反映出三种矿物掺合料的活性指数，为保证混凝土的强度，应减少石粉的掺量。

如图11矿物掺合料掺量对矿物掺合料成本的影响所示，单掺矿粉时，矿物掺合料成本是17.28元；单掺粉煤灰时，矿物掺合料成本是15.48元；单掺石粉时，矿物掺合料成本是8.64元，结果由三种矿物掺合料的单价决定。

2.2 优化分析

综合考虑扩展度与 J 环扩展度的差值、T500、V 漏斗排空时间、28d 抗压强度和矿物掺合料成本五个因素，计算出矿物掺合料的最佳掺量。

扩展度与 J 环扩展度的差值在35cm 以内时，粉煤灰的掺量是0～27.7%，矿粉的掺量是0～32.7%，石粉的掺量是0～40%；

T500流动时间小于2.4s 时，粉煤灰的掺量是2.4%～26.7%，矿粉的掺量是4%～23%，石粉的掺量是2.8%～21.1%；

V 漏斗排空时间在20s 以内时，粉煤灰的掺量是0～22%，矿粉的掺量是0～29.7%，石粉的掺量是10.3%～32.7%；

28d 抗压强度在48.2～51.2MPa 之间时，粉煤灰的掺量是0～40%，矿粉的掺量是0～20.4%，石粉的掺量是0～29.3%；

矿物掺合料成本在14元以内时，粉煤灰的掺量是0～31.2%，矿粉的掺量是0～24.8%，石粉的掺量是0～40%。

综合考虑五个因素，得到三种矿物掺合料的最佳掺量范围：粉煤灰2.4%～22%，矿粉4%～20.4%，石粉10.3%～21.1%。然后利用 MATLAB 软件，画出了三种矿物掺合料的最佳掺量区域图，如图12所示。

图12 矿物掺合料最佳掺量区域

3 结论

（1）混凝土中掺入一定比例的矿物掺合料可以有效地改善混凝土的和易性，其中复掺相对于单掺的效果更好。

（2）综合考虑扩展度与 J 环扩展度的差值、T500流动时间、V 漏斗排空时间、28d 抗压强度、矿物掺合料成本五个因素，得到三种矿物掺合料的最佳掺量范围：粉煤灰2.4%～22%，矿粉4%～20.4%，石粉10.3%～21.1%。

参考文献：

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［通讯地址］福建省厦门市海沧区东孚镇凤山村凤美四路39号 厦门天润锦龙建材有限公司（361027）

Effect of mineral admixture on artificial sand self-compacting concrete performance

Wang Wei, Yang Shanshun, Xu Renchong, Lian Yaming
(Xiamen Tianrun Jinlong Building Materials Co., Ltd., Fujian Xiamen 361027)

Abstract：In order to ensure the workability ofthe artificial sand self-compacting concrete is good. It is commonly used to increase the amount of gels and the mixed mineral admixture. According to the relevant regulations,designs the basic mix proportion of artificial sand self-compacting concrete, Design expert is used to make the powder design of the mineral admixtures onbasic mixproportion, the effect of admixture by mineral admixture was studied, such as Slump development degree, J ring expansion degree, T500, V funnel empty time, and28days compressive strength. The optimum amount of flyash, mineral powder and rock powder is determined.

Keywords：mineral admixtures; artificial sand; self-compacted concrete; Design expert

［作者简介］王伟（1988—），男，工程师，福建厦门，主要从事新型混凝土及建筑材料研究工作。