矿物掺合料对胶砂及混凝土抗压强度的影响分析

矿物掺合料对胶砂及混凝土抗压强度的影响分析

宁 ,青

上海城建建设实业集团新型建筑材料丽水有限公司，浙江 丽水 323000

摘要：根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中的要求，在混凝土配合比设计过程中，胶凝材料的28d胶砂强度直接影响到混凝土水胶比计算值的大小。为了研究矿物掺合料对水泥胶砂及混凝土抗压强度的影响，采用正交试验方法，分析矿物掺合料的掺量、比例对胶砂及混凝土抗压强度的影响，根据试验结果的分析确定C60混凝土最优组合。

关键词：矿物掺合料；水胶比；配合比；正交试验

引 言

随着预拌混凝土行业的发展，矿物掺合料的作用越来越重要，已然成为混凝土不可或缺的组成材料。矿物掺合料作为一种辅助胶凝材料，不仅能改善混凝土的性能，而且也降低了水泥的用量，节省了成本。矿物掺合料作在混凝土中主要的三个作用：（1）形态效应。粉煤灰的粒形为“球形”，具有滚珠、轴承作用，可以提高混凝土拌合物的流动性；（2）填充效应。矿物掺合料和水泥组成的复合掺合料，级配相互补充，相互填充，降低胶凝材料空隙率，增加混凝土的密实性，大幅度提高混凝土的强度和耐久性能；（3）火山灰效应。矿物掺合料利用水泥的水化产物进行二次水化的火山灰效应，其水化产物生成更加致密的混凝土结构，提高混凝土的一系列性能。

粉煤灰作为矿物掺合料的一员，也备受预拌混凝土企业青睐，但随着市场需求量的增加，出现了各种低质的粉煤灰。对此，我公司选取两个不同厂家的粉煤灰与衢州矿粉分别组合并进行水泥胶砂试验，对两种复合掺合料的3d、28d胶砂抗压强度进行分析，同时通过选择活性更高的宁能粉煤灰配制C60混凝土，测定其7d、28d抗压强度来分析掺合料对混凝土强度的影响。

1 试验设计

1.1试验原材料

试验水泥采用衢州江山虎P.O42.5级水泥；矿粉采用衢州正茂S95级矿粉；1#粉煤灰生产厂家为金华宁能热电有限公司，以下简称宁能灰；2#粉煤灰生产厂家为衢州东港环保热电有限公司，以下简称东港灰；厦门艾思欧标准砂有限公司生产的标准砂；碎石：规格5-25mm，产自武义天道矿业有限公司；人工砂：中砂，产自金华市婺城区峰盛制砂场；外加剂：DH-A聚羧酸高性能减水剂，由金华市高恒混凝土外加剂有限公司生产，1.8%掺量下减水率为22%；水：自来水。原材料数据见表1。

表1  原材料数据

1.2胶砂试验

采用正交设计的方法，除了掺合料的因素外，同时考虑到水胶比对胶砂强度

的影响，故选定三个因素分别为A掺合料掺量、B掺合料比例（粉煤灰：矿粉）、C水胶比，三个因素皆取三个水平。选取L9()正交试验表安排试验，对两种粉煤灰的复合掺合料分别进行一次正交试验，以胶砂抗压强度为考察指标。胶砂强度试验按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行。胶砂正交试验因素水平见表2。

表2 胶砂正交试验因素水平表

1.3混凝土试验

设计强度等级为C60，要求混凝土坍落度200±20mm。根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》 中的要求，配制强度应大于等于1.15倍的设计强度，即配制强度应不小69MPa。依据现有材料特性，用水量固定为180kg/m³。根据混凝土配合比设计经验，当砂率控制在38%～40%范围内时，混凝土和易性良好，坍落度满足设计要求。试件尺寸采用边长为150mm立方体的标准尺寸，成型后在20±5℃环境下预养护24h并脱模，然后放入温度为20±2℃、湿度不小于95%的养护室养护，在到达相应龄期后进行混凝土抗压强度试验。试验采用正交设计，除水胶比选取的三水平与胶砂试验不同外，其余一致。以混凝土试块抗压强度为考察指标，混凝土抗压强度依据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试。混凝土正交试验因素水平见表3。

表3  混凝土正交试验因素水平表

2 试验结果与分析

两种粉煤灰胶砂试验方案及试验结果见表4，混凝土试验方案及试验结果见表5。

表4 胶砂正交试验方案及结果

表5 混凝土正交试验方案及结果

2.1试验结果的直观分析

    从表4能看出，两种粉煤灰的3d胶砂抗压强度相差不大，但28d胶砂抗压强度均值相差近10MPa。虽然两个厂家粉煤灰质量指标数据差异很大，但早期差距并不明显，观察两种粉煤灰的3d胶砂强度都比基准水泥胶砂强度降低明显，这是因为掺合料参与水化时间较晚，早期在胶凝材料中主要充当填充水泥浆体以及分散水泥颗粒的作用。随着龄期的增加，掺合料逐渐水化并发挥出后期强度增长优势，两种粉煤灰的差异开始显现出来。特别是宁能灰，其28d胶砂抗压强度增长幅度大，在0.5的水胶比下，表4中2、4、9组28d天胶砂抗压强度都大于基准水泥胶砂强度。在表5中，除4、8两组28天抗压强度不满足设计要求外，其余七组都符合要求，当掺合料掺量30%、掺合料比例1：1且水胶比为0.33时，混凝土试块各龄期的抗压强度都是最大的，7d抗压强度59.8MPa，达到设计强度的99.7%，28d抗压强度75.1MPa，达到设计强度的125.2%。

2.2试验结果的极差分析

   将表4、表5的试验结果进行极差分析，比较各因素对水泥胶砂及混凝土强度的影响程度，其结果见表6。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

表6  极差分析

从表6极差分析结果不难看出，两种水泥胶砂3d抗压强度和混凝土7d抗压强度，A因素极差值都是最大的那个，即掺合料掺量是影响水泥胶砂和混凝土早期强度最主要的因素，其次为水胶比或掺合料比例（粉煤灰：矿粉）。掺了宁能灰的28d胶砂抗压强度，因素影响程度和其3d的一致，影响程度从大到小为：A＞C＞B。东港灰的3d胶砂抗压强度，因素显著性为：A＞B＞C；28d胶砂抗压强度因素影响大小是B＞A＞C，即掺合料比例是影响28d胶砂抗压强度最主要的因素，其次是掺合料掺量，水胶比影响最小；观察B因素三水平可以发现，当东港灰在掺合料中占比越大，其28d胶砂抗压强度越小，对于这一现象，主要原因是东港灰细度大，含有的活性成分少，导致其后期强度增长小，虽然其各项指标都满足Ⅱ级灰的要求，但不利于后期强度增长，而且随着掺量的增大这种现象更为明显。

利用宁能灰和矿粉双掺配制的C60混凝土，由表6可以看出三个因素对混凝土7d抗压强度影响程度大小为：A＞C＞B，即掺合料掺量＞水胶比＞掺合料比例（粉煤灰：矿粉）；对混凝土28d抗压强度影响程度大小为：C＞A＞B，取各因素最优水平，则最优组合为A1B3C1。

2.3试验结果的方差分析

   胶砂及混凝土抗压强度试验结果的方差分析如表7所示。

表7 方差分析

由表7可知，掺了宁能灰的胶砂抗压强度，掺合料掺量为显著因素，即大于95%概率掺合料掺量对胶砂抗压强度是显著的，而掺合料比例及水胶比对强度影响不显著。掺了东港灰的胶砂，掺合料掺量及掺合料比例对3d胶砂抗压强度影响显著的概率大于95%；当龄期到达28d时，三个因素对胶砂抗压强度的影响皆为极显著，即在99%的置信概率区间内该三因素对28d胶砂抗压强度影响是显著的。对于混凝土7d抗压强度，掺合料掺量对其影响显著概率大于99%，掺合料比例及水胶比对其影响显著的概率大于95%；而对于混凝土28d抗压强度，掺合料掺量及掺合料比例对其影响皆不显著，水胶比对其影响显著的概率超过95%。

2.4混凝土配合比的确定

以混凝土28d抗压强度为唯一指标，根据最优组合（A1B3C1）的参数得到C60混凝土最优配合比（表8）。

对该配合比进行试配，一次成型7d、28d龄期试块各一组，重复三次，经标准养护后进行抗压试验，得到三组7d抗压强度分别为61.9、58.0、60.0MPa，28d抗压强度分别为78.7、77.0、76.8MPa。这说明通过正交试验确定最优的组合是可行的。

3 结论

  本文基于正交试验，以水泥胶砂及混凝土抗压强度为考察指标，考虑了掺合料掺量、掺合料比例（粉煤灰：矿粉）、水胶比三个因素的影响，得到结论如下：

（1）两种粉煤灰在胶砂抗压强度上的差异显示于胶砂后期(28d)强度，而在早期（3d）时并不明显。

（2）掺合料掺量是影响水泥胶砂和混凝土早期抗压强度最主要的因素。

（3）各因素对宁能灰胶砂28d强度影响显著程度由强及弱的排序为掺合料掺量＞水胶比＞掺合料比例（粉煤灰：矿粉）；对东港灰胶砂28d强度影响显著程度由强及弱的排序为掺合料比例（粉煤灰：矿粉）＞掺合料掺量＞水胶比；对混凝土28d强度影响显著程度由强及弱的排序为水胶比＞掺合料掺量＞掺合料比例（粉煤灰：矿粉）。

（4）根据对正交试验结果分析最终得到的最优配合比为A1B3C1，即掺合料掺量30%，掺合料比例（粉煤灰：矿粉）2：3，水胶比0.33。在拌制、成型、养护后经抗压试验得出的强度值大于正交试验各组的结果。

参考文献

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[6]GB/T 17671-1999,水泥胶砂强度检验方法（ISO法)[S].北京:中国标准出版社,1999.

[7]GB/T 50081-2019,混凝土物理力学性能试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2019.