矿业论文超细矿粉对绿色混凝土强度的影响

　　绿色混凝土是指利用大量的工业废渣作为活性掺合料部分取代水泥，达到降低水泥用量，节约土地和石灰石资源，降低资源消耗，减少二氧化碳的排放，改善环境的目的[1]。大规模采用绿色混凝土可以降低水泥用量，是低碳生活的一项重要措施。但目前国内混凝土绿色度普遍偏低，对绿色混凝土强度进行系统试验研究对实现低碳生活，推广绿色混凝土具有重要意义。

　　摘要：研究了超细矿粉在聚羧酸高效减水剂作用下对大掺量粉煤灰、矿粉的绿色混凝土强度的影响。结果表明：单掺50%的Ⅰ级粉煤灰时，混凝土强度能达到基准混凝土的71%，40%粉煤灰和10%超细矿粉复掺时，强度达到单掺粉煤灰系列混凝土强度的1.1-1.3倍；单掺50%的S95级矿粉时，强度可达到基准混凝土的90%，40%普通矿粉和10%超细矿粉复掺时，强度可达到单掺矿粉系列混凝土强度的1.1倍；粉煤灰、矿粉和超细矿粉复掺可以制备工作性能良好、早期强度满足要求而且后期强度有极好发展的高性能绿色混凝土。

　　关键词：绿色混凝土,强度,超细矿粉,矿物掺合料

　　超细矿粉的高细度、高活性使其在混凝土中有较好的填充性和火山灰活性作用，使混凝土界面区的晶体数量和孔隙率减少，二次水化作用能使水泥石更加致密[2]。粉煤灰和矿粉作为常见的矿物掺合料广泛应用于制备混凝土，研究表明：矿物掺合料可以提高混凝土的后期强度，降低水化热，提高混凝土的耐久性和体积稳定性，还有改善混凝土拌合物的和易性，减少泌水和离析的作用[3]，所以现在的大规模工程建设离不开粉煤灰和矿粉等各种矿物掺合料。

　　1.试验原材料

　　水泥：山东山水水泥集团有限公司生产的P.I52.5水泥；

　　粉煤灰：青岛四方电厂生产的Ⅰ级灰，45μm筛余量为10.5%，烧失量为1.2%，需水量比89%；

　　普通矿粉：S95级矿粉；

　　超细矿粉：分别采用济南鲁新公司产的P800型和P1000型2种超细矿粉，P800比表面积≥800m2/kg，P1000比表面积≥1000m2/kg；

　　粗骨料：5～25mm连续级配的花岗岩碎石，符合JGJ52–2006要求。

　　细骨料：符合JGJ52–2006要求的细度模数为2.4的中砂，含泥量为2.0%；

　　外加剂：聚羧酸减水剂，减水率达30%；

　　水：自来水；

　　粉煤灰和矿粉的XRF成分分析，见表1

　　2.试验方案和结果

　　胶凝材料用量分别为350kg/m3、390kg/m3、430kg/m3和470kg/m3，其中矿物掺合料占胶凝材料总量的50%，胶凝材料体系包括：A、基准混凝土（纯水泥）系列；B、掺加50%粉煤灰系列；C、40%粉煤灰＋10%P800超细矿粉复掺系列；D、40%粉煤灰＋10%P1000超细矿粉复掺系列；E、掺加50%矿粉；F、40%矿粉＋10%P800超细矿粉复掺系列；G、40%矿粉＋10%P1000超细矿粉复掺系列；

　　试验统一采用40%的砂率，随胶凝材料用量增加粗骨料用量依次为1167kg/m3、1142kg/m3、1116kg/m3、1091kg/m3，细骨料依次为：778kg/m3、761kg/m3、744kg/m3、727kg/m3；制备粉煤灰系列混凝土时，外加剂掺量占胶凝材料的总量的1.2%，矿粉系列混凝土外加剂占1.5%，考虑实际工程情况，通过控制坍落度在180＋20mm来微调整用水量。

　　3.试验结果分析

　　3.1超细矿粉对掺加粉煤灰系列混凝土强度影响

　　超细矿粉对掺加粉煤灰系列混凝土强度的影响图，见图1。

　　（a）3d强度（b）7d强度

　　（c）28d强度（d）56d强度

　　图1粉煤灰系列混凝土强度

　　由图1可以得到：

　　1）当Ⅰ级粉煤灰掺量50%时，单掺粉煤灰系列混凝土强度与基准系列相差较大，复掺10%的超细矿粉能够有效提高粉煤灰混凝土的强度。同胶凝材料用量条件下，复掺10%的P1000超细矿粉，3d混凝土的强度达到单掺粉煤灰系列的1.2-1.4倍，28d强度达到1.1-1.3倍；超细矿粉对混凝土强度的改善作用随着胶凝材料用量的增加而提高，3d强度最高可达到单掺粉煤灰系列的1.3倍，28d时，可达1.2倍。

　　2）超细矿粉细度越大，对混凝土强度的增强效果越好，3d龄期时，掺加P1000系列混凝土强度为掺加P800系列的1.1-1.3倍，随着龄期的增长，强度差距逐渐减少。

　　粉煤灰的大量掺入，降低了水泥的用量，减少了水泥水化产生的Ca(OH)2数量，造成早期粉煤灰玻璃体界面的火山灰活性不能较好的发挥，因此早期单掺粉煤灰系列混凝土的强度较低。在掺合料中掺加一定量的超细矿粉能使水泥石中的胶凝物质的量增加、质改善、减弱界面过渡层Ca(OH)2结晶的定向排列，进一步填充水泥石的孔隙，极大的改善混凝土的界面粘结强度，从而改善混凝土的力学性能。

　　3.2超细矿粉对掺加普通矿粉系列混凝土强度的影响

　　与粉煤灰相比，矿粉中的CaO含量较高，具有较高的活性，同时具有较小颗粒形态，在混凝土中胶凝材料体系中起到复合胶凝效应和微集料效应，能有效改善界面粘结强度，提高混凝土强度[5]。矿粉系列混凝土强度数据，见图2。

　　（a）3d强度（b）7d强度

　　（c）28d强度（d）56d强度

　　图2矿粉系列混凝土强度

　　由图2可以得到：

　　1）单掺50%矿粉时，3d强度增长趋势与单掺粉煤系列相差不大，后期强度增长较快，28、56d其强度已接近于基准混凝土强度；复掺10%超细矿粉，后期强度能达到甚至超过基准混凝土强度；

　　2）矿粉和P1000超细矿粉复掺系列，3d时，可以达到单掺矿粉系列混凝土强度的1.1-1.3倍，28、56d达到1.15倍左右；复掺P800超细矿粉与复掺P1000系列相比，早期对混凝土强度改善作用相差不大，后期复掺P1000混凝土强度约达到复掺P800系列的1.1倍。矿粉和P1000超细矿粉复掺，56d强度可达到81MPa，适合制备高强度绿色混凝土。

　　可以看出，由于矿粉的较高活性以及微集料效应，所以50%矿粉等量取代水泥时，其强度不会显著降低，同时还会降低水化热，增加混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的耐久性能；利用普通矿粉和超细矿粉复掺可以制备较高强度等级的绿色混凝土。

　　3.3不同矿物掺合料对混凝土强度增长速度的影响

　　为了研究不同矿物掺合料对混凝土强度增长速度的影响，把同种胶凝材料体系下，不同胶凝材料用量的同龄期混凝土强度进行平均，研究强度发展规律，见图3。

　　图3粉煤灰和矿粉系列混凝土强度增长趋势图

　　由图3可以得到：

　　1)掺量50%时，单掺矿粉系列混凝土强度增长速度要高于粉煤灰系列，掺加P1000超细矿粉可以有效的提高早期混凝土的强度增长速度。7d时，单掺粉煤灰、矿粉系列分别可以达到基准混凝土7d强度的66%和79%，复掺超细矿粉时均能达到基准强度的80%以上；28d时，单掺粉煤灰、矿粉系列分别达到基准强度的71%、90%，粉煤灰、矿粉分别和P1000复掺时，强度达到基准混凝土强度的84%、103%；随着龄期的增长，粉煤灰和矿粉系列混凝土强度与基准混凝土相比较差距逐渐减少。

　　2)基准混凝土3d强度可达28d强度的63%，7d达到84%，单掺50%粉煤灰时，3d达到28d强度的55%，7d达到79%；单掺矿粉时，3d可达到49%，7d时达到75%；粉煤灰、矿粉分别和P800复掺，3d时达到57%，7d可达到78%；粉煤灰和矿粉分别与P1000复掺时，3d可达到61%、50%，7d可达到81%、70%；基准混凝土28-56d强度增幅仅为2.9%，单掺粉煤灰混凝土强度增幅达9.2%，单掺矿粉混凝土增幅达6.4%，粉煤灰、矿粉和超细矿粉复掺时增幅可以达到8%；

　　4.结论

　　(1)I级粉煤灰掺量50%时，28d混凝土强度只能达到基准混凝土的71%，掺加10%的P1000超细矿粉能较好的弥补强度损失，28d强度达到基准混凝土的84%，复掺10%的超细矿粉与单掺粉煤灰相比强度可提高1.1-1.3倍。

　　(2)矿粉掺量在50%时，28d强度可以达到基准混凝土强度的90%左右；复掺10%的超细矿粉与单掺矿粉相比，强度提高1.1倍；二者复掺可以制备高强度等级的绿色混凝土，后期强度已达到甚至超过基准混凝土水平，胶凝材料470kg/m3，40%矿粉和10%P1000超细矿粉复掺，7d强度超过50MPa，56d强度超过80MPa；

　　(3)大掺量单掺粉煤灰和矿粉会导致混凝土早期强度的发展较慢，3d约能为到28d强度的52%，复掺超细矿粉能有效提高混凝土的早期强度。大掺量矿物掺合料条件下，后期强度增长幅度约是基准混凝土的2-3倍。

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