掺用矿物掺合料对提高混凝土后期强度的试验研究

1前言

在混凝十行业，掺用矿物掺合料已有几十年历史了，积累了不少经验，使用技术也有了很大的提高，实验结果证明，掺用矿物掺合料的混凝士具有良好的后期强度增长，但如何掌握和应用这一技术仍有待探讨。众所周知，建筑业是高产值、高消耗产业，实现建筑业高效益低消耗是建筑人梦寐以求的事。混凝土是构成现代建筑不可或缺的工程材料，而水泥又是混凝土的重要组成成分，实现水泥及其他矿物掺合料的合理使用则是解决这一问题的核心技术。公元1824年英格兰人约瑟大·阿斯帕丁发明波特兰水泥的百多年来，各国相关规范或行业标准都以28d结果作为水泥或其制品的验收标准。但这几十年来，随着科学技术的发展，许多新材料、新工艺得以应用，水泥制品的技术性能也发生了革命性的改变，如果仍坚持以28d龄期作为唯一的验收标准已不能适应新技术发展的需求，还可能造成资源的浪费。

笔者根据多年从事混凝土生产的实际经验，利用掺用矿物掺合料混凝十的特性，根据28d、45d、60d和90d不同龄期的强度，分别建立各龄期胶水比与强度的回归关系公式，较好地解决混凝十后期强度的配合比设计问题，本文归纳总结了一些做法与经验，与行业人上共同探讨。

2试验的依据及掺用矿物的作用和目的

2.1试验的依据

自上世纪八十年开始，随着我国预拌混凝：行业的兴起和普及，为了改善混凝土的和易性，提高混凝土的技术性能，以粉煤灰为丰体的矿物掺合物也不断地普遍使用，混凝十的技术有了很大的进步，混凝土后期强度的应用技术也日趋成熟，为配合这技术的推广应用，近年来新出版的相关规范及行业标准也相应作了调整和修改，增加了除28d龄期以外其他龄期内容，见表1。

2.2掺用矿物掺合料的作用和目的

在高倍显微镜下，粉煤灰的火山灰质材料是旱现许多球状玻璃体的，将粉煤灰掺入混凝土中，由于粉煤灰球状玻璃体的滑动作用，混凝土的和易性及工作性会有明显改善，并快速填充混凝土的空隙，提高了混凝土的密实度。当粉煤灰与水泥水化时会析出大量的氢氧化钙结合生成较为稳定的硅酸盐水化物并使其体积胀火，从而增强了混凝土的抗渗能力。正足粉煤灰的活性成分长期的二次水化作用，混凝十在28d龄期后还有良好的后期强度增长。据人镀试验结果证明，掺用粉煤灰的混凝土在2～3年后还有缓慢的强度增长，因为掺用矿物掺合料后，混凝士的水泥用量明显减少，水化热小，混凝土的温度裂缝也减少了，混凝十的结构安伞就更有保障了。由于以水泥为主体的胶凝材料相应减少，还可以部分降低工程成本，这也是应用这一技术的另一个主要目的。

3试验方法

3.1根据配合比设计初定各掺数取值

为确保混凝土质量能满足设计和施工要求，混凝土配合比设计应采用工程实际使用的原材料，对有特殊要求的混凝土，还应根据混凝土的设计要求选择适用的原材料，并按《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ/55-2011，以下简称《规程》)要求对所用的原材料进行检测，确保只有受检合格的材料方可用于生产。根据各材料的品质、特性、生产工艺、质量控制水平、气候条件并结合历史资料；根据混凝土结构的属性及使用功能、耐久性和施工方法等要求，按《规程》计算混凝土的水胶比，初定合适的用水量、外加剂掺量、矿物掺合料掺量、砂率、容重等，见表3。

3.2对大体积混凝土可适当提高矿物掺合料掺量

对于大体积或对水化热控制有特殊要求的混凝土，为有效降低水泥用量及水化热，可适当延长龄期，选用优质粉煤灰和矿粉，在确保满足设计前提下，根据《规程》第3.0.5和7.5.3条规定，其矿物掺合料最大掺量还可以增加5％，但需经试验论证。需特别说明的是，由于粉煤灰碱含量取值为矿粉的1/3(《规程》第3.0.8条)，故宜多用粉煤灰，稍控制矿粉用量，这对减少裂缝也是有利。

3.3提出初步配合比并组织试配

按《规程》要求并结合历史资料和经验对拟用的配合比进行试配，对于历史上使用较为成熟的配合比亦可直接引用。由于不同强度等级的混凝土用水量、外加剂掺量、各矿物掺合料掺量及砂率之间存在一定的关联性，为提高试配效率，建议试配从水胶比较大那组开始做起，根据上一次或几次的试验效果调整下一次的试配……并建议一次性完成同一系列的混凝土试配。试配过程中应细心观察混凝十拌合物的和易性和工作性，要求拌合物的坍落度、流动性、保塑性、经时损失及初终凝时间满足设计要求，待混凝土拌合物各检验项目完成后，用标准试模(即150×150×150mm。)标准成型，脱模后移至标准养护室养护到设计规定的龄期(如7d、28d、45d、60d、90d等)，其中28d是必不可少的。按标准试验方法对各龄期混凝土耐久性及强度等进行检测并记录。见表4。

3.4试配过程

3.4.1设计要求

混凝土强度等级：C20～C55

坍落度：16O～180(mm)

出厂坍落度Tt确定为170～190(mm)

出厂坍落度：Tt=Tp+AT

△T为坍落度经时损失，定30mm／h(GB50164—2011第3.1.5条)

3.4.2试配所用材料(见表2)

3.4.3试配各掺数的确定(见表3)

3.4.4混凝土的试验结果(见表4)

4混凝土配合比的设计及确定

4.1建立胶水比与强度的回归关系

分别将胶水比x和对应的各龄期强度Y2、Y3、Y4、Y5分别输入电脑，用最小二乘法求得胶水比X与各龄期强度Y的线性回归公式：

Y=a+bx

综合分析表5得知，混凝土28d～90d各龄期的回归公式相关系数r平均值达99.21％，说明试验的混凝土水胶比(胶水比之倒数)与对应的强度关系紧密，实用性较好。同行只要将设计所需要的试配强度值Y代入各不同龄期的回归方程中，即得胶水比值x，倒数后即可得水胶比值W/B，在参考表3并略作调整后即得混凝土用水量、胶凝材总量、各矿物掺合料掺量、外加剂掺量、砂率及容重等。得出初级配合比后再经试验微调和验算后即可输出配合比。由于混凝土后期强度周期较长，同行可通过充足的历史资料，用最小二乘法统计混凝土7d或28d与45d、60d或90d强度的线性回归方程，推算出45d、60d或90d强度值，建立表4，用3.1方法求得胶水比X与所需龄期强度Y的线性回归方程(即得表5)，再用表6方法解决配合比设计问题。

4.228d与各龄期配合比的比较并举例说明

试配制某工程地下室基础承台C35／坍落度160～180mm、龄期28d一90d各配合比：定0=5.OMPa，则试配强度Y=fcu，o=35.0+1.645×5.0=43.2MPa。

综合分析表6，同样配制强度为43.2MPa的混凝土，但各龄期配合比的差异还是明显的，其中28d与90d的配合比差别最大：水泥用量多40kg：总胶凝材用量多59kg；容重也相应增加17kg。每立方米混凝土水泥用量减少了40kg，水化热的大幅度降低无疑是减少了温度裂缝。根据《规程》5.3.1和7.5.3(2、3)条的定义，在混凝土拌合物性能满足设计的前提下，取经济合理的胶凝材料用量及适当提高粗骨料用量是可取的。

5应用混凝土的后期强度技术须注意的事项

混凝土的技术是实验的技术，因此，做好混凝土的试配具有重要的实际意义，技术人员应熟悉《规程》流程，灵活掌控各掺数取值，优先选用低水化热水泥及连续级配骨料，为改善混凝土和易性，可以将部分粉煤灰当细骨料使用，以提高混凝土的工作性和密实度。无论选用哪一级龄期的配合比都必须有足够的实验依据，确保混凝土的质量及耐久性满足设计要求。由于使用混凝土后期强度的结构多以大体积混凝土或对水化热有特殊要求(如基础承台、地下室底板、大型转换梁或独立柱)等工程，至于是什么结构部位使用、龄期是多少天，都必须征得设计、监理及施工单位书面认可并经试验确定。

6结束语

根据混凝土理论，混凝土的强度与水胶比及水泥强度和用量有关，随着水泥强度的提高及用量的增加，混凝土的水化热也会越高，混凝土因热胀冷缩产生的裂缝也越加显著，混凝土的质量隐患则在所难免。实验证明，混凝土在使用高效减水剂和矿物掺合料后，水泥用量可较大幅度地减少，水化热降低了，混凝土的质量风险也减小了，这对混凝土质量保障是有利的。据大量试验结果表明，当适量掺用矿物掺合料后，混凝土在28d龄期后还有很好的后期强度增长。笔者在前几年做过试验，多组掺用了外加剂和粉煤灰的C25试块在标准养护28d后移至室外自然养护一年半后，其强度均大于45.0MPa，这说明掺用了矿物掺合料的混凝土强度具有良好的后期增长是不争的事实，这是粉煤灰的活性成分长期二次水化的结果。掺矿物掺合料混凝土后期强度的技术应用，关键是掌控外加剂和粉煤灰的品质及掺量。建议在条件允许时优先选用高性能聚羧酸外加剂、I级粉煤灰，这是应用矿物掺合料混凝土后期强度的核心材料，应予以重视。因混凝土矿物掺合料用量较多，混凝土的早期强度及抗风化能力相应较低，故必须确保养护措施有效到位，且适当延长养护时问。根据《混凝土强度检验评定标准》(GB／T50107-2010)第3.0.1和3.0.2条的定义，在混凝土强度验收龄期超过28d后，混凝土的强度等级符号就不宜冠以“C”字母，如何称谓值得同行及专家商榷。但无论如何，现代混凝土掺用外加剂和矿物掺合料的趋势是不可逆的，这是混凝土发展的方向和需要。

但是，事物总是一分为二的。水泥是组成混凝土的重要材料，虽说其用量大会带来一定的负面影响，但也不是说越少就越好，毕竟混凝土的强度及耐久性仍必须依靠有足够的水泥提供保障，应控制水泥的用量在一个合适、合理的范围内。节约资源固然很重要，但应用混凝土的后期强度不可简单地看着是降低工程成本，重要是提高混凝土工程的质量安全，延长混凝土结构工程的使用年限。如何科学地合理应用这一技术则是现代混凝土低碳技术发展中有待研究和解决的问题，值得同行的共同探讨。（来源：《广东建材》2023.09）