基于复掺矿物外掺料的高性能混凝土配合比设计研究

基于复掺矿物外掺料的高性能混凝土配合比设计研究

秦斐

秦斐

新疆巴州建设工程质量检测中心新疆库尔勒841000

摘要：本文通过对复掺矿粉粉煤灰矿物掺合料对高性能混凝土进行配合比设计，研究复复掺矿粉-粉煤灰的不同比例和不同掺量对高性能混凝土的我作性，力学性能的影响规律。通过采取不同措施对混凝土配合比进行优化，使得混凝土强度及耐久性指标均得到了提高，对同类工程具有借鉴意义。

关键词：复掺矿物外掺料；高性能混凝土；配合比设计；研究

1前言

高性能混凝土与传统的混凝土相比，其特点是把传统的水泥、砂、石、水等四组分改变为必须添加化学外加剂和矿物掺合料后的六组分，在保证工程质量和施工要求的前提下，使水泥用量减少，用水量降低，合理使用各种原材料，进行用量优化，从而降低工程成本，取得良好的经济效益。本文基于复掺矿物外掺料的

高性能混凝土配合比设计研究，提出适应于对材料有严格技术要求的结构物，如桥梁的复掺矿物外掺料高性能混凝土配合比设计方法，研究结果可为复掺矿物外掺料高性能混凝土的推广应用和发展提供理论基础#具有重要意义。

2原材料性能与组合混料设计

2.1原材料性能

本文试验选用砂石料厂粗集料，细集料选用砂石料厂的中砂，细度模数为2.74技术指标均符合相关规范的技术要求。选用普通硅酸盐水泥，发电厂I级粉煤灰，S95矿粉，聚梭酸高效减水剂。

2.2组合混料设计方案

混料设计的理念为，如果所有影响试验结果的因素X1，X2，……，Xn的和固定，且可以将任意X1，X2，……，Xn视为具有一定约束范围的自变量条件，那么可将X1，X2，……，Xn=1视为一组混料设计，通过变化X1，X2，……，Xn的值并通过合理的试验设计和试验结果得出具体X1，X2，……，Xn的合理值。本文将两组混料设计组合应用于高性能混凝土的配合比优化，认为水泥、矿粉、粉煤灰为一组混料，细集料和粗集料视为另一组混料从而进

行组合混料设计。试验采用减水剂4kg/m3，水150kg/m3，水胶比固定为0.27。矿物掺合料选择粉煤灰和矿粉，将水泥、矿粉、粉煤灰作为一组混料设计固定其总量为400kg/m3。同时使砂率在35%至45%之间变化，将细集料和粗集料总量固定作为另一组混料设计。通过Design-expert中的组合混料试验方案设计，考虑影响高性能混凝土配合比设计参数的变化，得到28组试验设计方案，并测得了高性能混凝土的标准抗压强度。

3配合比设计优化

在混凝土配合比设计中，传统设计方法往往基于经验。而且普通混凝土使用要求与高性能混凝土的要求侧重点也有所不同。在配合比设计中主要存在以下缺陷：1）粗细骨料的用量、水和水泥等设计变量太少；2）受设计及验证过程影响，设计周期比较长；3）缺乏满足耐久性等要求的设计手段；4）配合比的优化设计比较困难；5）

设计结果对混凝土生产中利用计算机控制非常不利。混凝土配合比设计是混凝土设计、生产和应用中最重要的环节之一。为提高混凝土配合比设计的工程适用性，高性能混凝土配合比优化设计的策略主要有：1}确定各类材料的最佳参数；2）根

据配合比设计要求，对所需要的水量、水泥用量及矿物质掺和料的用量进行测算和试拌；3）调整配合比参数，同时对混凝土配合比设计中涉及的含气量、坍落度、早期强度和弹性模量等因素进行测试分析。

3.1配合比影响因素分析

将组合混料配合比设计中的设计参数水泥（kg/m3）、矿粉（kg/m3）、粉煤灰（kg/m3）、砂率（%）、粗集料（%）分别定义为A，B，C，D，E。通过选择回归系数较高的回归模型，以3d抗压强度、7d抗压强度、28d抗压强度、坍落度为目标值，影响参数A，B，C，D，E为自变量，通过方差分析去除掉影响小的因子后，得到的回归方程式，回归系数分别为0.892，0.875，0.9110.896。经过试验分析可知，3d，7d，28d抗压强度均随着水泥用量的增加而增加，随着粉煤灰掺量的增加而减少，随着矿粉掺量的增加先增加后逐渐降低，单独掺加或者复合掺加粉煤灰、矿粉均会造

成高性能混凝土强度降低。矿粉比粉煤灰先发挥强度作用，随着龄期的增加二者对抗压强度的影响越来越显著，因为矿物掺合料的水化反应相比于水泥的水化反应相对滞后。后期水泥与矿粉对高性能混凝土的强度影响较大。3d，7d，28d抗压强度均会随着砂率的增加而在小范围内变动，呈先增大后减小的趋势，但总体来

看砂率对高性能混凝土的强度影响较小。砂率的增加会使高性能混凝土的坍落度先增加后降低，对高性能混凝土的影响较大，粉煤灰和矿粉的增加均会使高性能混凝土的坍落度增加。为了提高高性能混凝土的工作性，可以选择合适的砂率并复合掺加粉煤灰和矿粉。

3.2配合比优化设计路径

利用组合混料设计的优化功能，结合工程实际选择符合高性能混凝土工作性能、强度要求的约束条件，可以在最优配合比附近的小范围内寻找适合的矿物掺合料掺量和合适的细集料、粗集料配比，完成高性能混凝土的配合比优化。由优化后的设计方案可知，为了得到工作性和强度都较好的高性能混凝土，复合掺加矿粉和粉煤灰的掺量和砂率均不易过大，矿物掺合料占胶凝材料比重不应大于35%，砂率不宜超过40%。实际进行配合比设计时，可结合当地材料和工程实际在优化后的方案中进行比选。

4复掺矿物外掺料比例及掺量研究

4.1复掺矿物外掺料比例研究

（1）工作性能。采用胶凝材料的混合比例达470公斤/立方米，水泥的使用剂量、矿物掺合料用量为235公斤/立方米，胶凝材料和试验结果表明，不同比例的混合矿物粉和粉煤灰矿物掺合料对混凝土的工作性能显著提高。随着粉煤灰掺量的逐渐增加，其坍落度和膨胀度逐渐增大，但粉煤灰掺量超过50%时，坍落度和膨

胀度变化不大。30min和60min后，随着粉煤灰掺量的增加，损失减小，粉煤灰掺量超过40%时，下降和损失时间减少。

（2）力学性能。试验结果表明，随着矿粉含量的增加，混凝土的抗压强度有所提高。随着矿物粉含量的增加，混凝土的三维强度增加。当用量为100%时，7、28d抗压强度和抗折强度最高；当矿粉含量达到60%时，生长速度减慢。指出矿粉含量的增加可以提高混凝土的早期强度。考虑到混凝土的长期力学性能，矿物粉的含量应控制在60%。

4.2复掺矿物外掺料掺量研究

（1）工作性能。试验研究了不同掺量的矿物粉煤灰矿物掺合料的混凝土性能试验，结果表明，不同掺量的矿物粉煤灰矿物掺混料对混凝土的工作性能和力学性能有很大影响。随着矿粉和煤灰掺量的增加，混凝土的坍落度和膨胀度逐渐增大。当混凝土的含量超过30%时，混凝土的坍落度和膨胀率就会缓慢上升。当掺量达到45%以上时，混凝土具有很大的流动性，混凝土的塌陷随着添加剂的增加而逐渐减小。当剂量为60%时，下降幅度最小。考虑到混凝土的工作性能，矿物粉煤灰矿物掺量应在30%-45%之间。

（2）力学性能。试验用不同掺量的矿物粉煤灰矿物掺混料混凝土抗压强度、抗弯强度试验，结果表明，在煤灰掺混剂掺量、混凝土抗压强度、抗弯强度先增大后减小。因此，在高性能混凝土配制过程中，必须严格控制混凝土中的矿物掺合料，避免强度打了之后突然断裂。

5结束语

本文基于复掺矿物外掺料的高性能混凝土配合比设计，分析研究了水泥，矿物掺合料对高性能混凝土的强度和工作性能的影响，同时利用混料设计优化了满足约束条件的配合比方案。粉煤灰和矿粉的增加均会使高性能混凝土的坍落度增加。为了提高高性能混凝土的工作性，可以选择合适的砂率并复合掺加粉煤灰和矿粉。通过组合混料设计优化功能，结果表明为了得到工作性和强度都较好的高性能混凝土，复合掺加矿粉和粉煤灰的掺量均不易过大。

参考文献：

[1]吴中伟.高性能混凝土—绿色混凝土[J].混凝土与水泥制品，2000（1）：3-6.

[2]李会艳.矿物掺和料对高性能混凝土性能的影响[J].筑路机械与施工机械化，2o11，28（3）.