双掺硅粉和超细矿渣高性能混凝土配制的试验研究

孙家国 ，谷艳玲

（武夷学院 土木工程与建筑学院，福建 武夷山 354300）

摘要：对双掺硅粉、超细矿渣C50高性能混凝土的配制技术进行了研究，设计不同掺入量进行混凝土性能试验，结果表明，硅粉掺入混凝土中后，将引起混凝土坍落度下降，超细矿渣的掺入对混凝土坍落度略有增加，确定硅灰掺量5%，超细矿渣15%时，混凝土的流动性最佳；硅粉对提高混凝土早期强度有很好的效果，而超细矿渣对提高混凝土的后期强度有非常好的功效，最佳配合比是硅粉掺量10%、超细矿渣掺量15%，混凝土具有较高的抗压强度。根据试验确定，科技大楼C50高性能混凝土硅粉掺量5%，超细矿渣掺量25%。

关键词：高性能混凝土；硅粉；超细矿渣；抗压强度；试验

0 引 言

随着混凝土技术的快速发展，高性能混凝土的应用越来越广泛，而采用硅粉和超细矿渣已经成为配制高性能混凝土的重要技术手段[1]。研究资料表明，硅粉具有高活性，容易参与水泥的水化反应，可以提高混凝土的早期强度[2]。同时，超细矿渣等量取代水泥后，不仅降低了水泥用量，而且可以改善混凝土诸多方面的性能。另外，超细矿渣还能大大提高混凝土抗氯离子渗透能力和抗硫酸盐侵蚀能力[3]。

武夷学院科技大楼位于福建省武夷山市西南部，主体结构五层，采用框架结构形式，建筑面积1 3942.2m2。2011年10月开始动工，总工期1.5年。主体结构采用C50高性能混凝土，由于科技大楼地质条件复杂，当地气候比较潮湿，对于混凝土的工作性能和强度要求比较高。我们选用硅粉和超细矿渣作为混凝土的掺合料，采用内掺技术对不同硅粉和超细矿渣掺量进行试验，研究各种掺量对混凝土性能的影响，提出满足技术要求的高性能混凝土的最优配合比[4]。研究结果表明，经过掺入适量硅粉和超细矿渣配制的混凝土具有良好的工作性能和较高的抗压强度。

1 C50高性能混凝土配合比设计

1.1 原材料性能分析

（1）水泥：选用江西万年青水泥股份有限公司生产的万年青牌P.O 42.5级水泥，细度为1.2%，实测28天强度为53.1mpa。

（2）细骨料：选用武夷山市生产的天然河砂，细度模数为2.67，表观密度为2650 kg/m3，含泥量为2.1%，泥块含量0.48%。属于Ⅱ区中砂。

（3）粗骨料：选用武夷山市当地碎石，颗粒级配5-20mm，主要技术性能见表1

（6）减水剂：选用高效能混凝土外加剂J-2型减水剂。

（7）水：选用武夷山市本地自来水。

1.2 配合比设计

根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2000)的规定，混凝土在选定原材料后，重点考虑硅粉和超细矿渣掺入比例。为了确定科技大楼C50高性能混凝土中硅粉和超细矿渣的最优掺量，把硅粉和超细矿渣作为双因素进行配合比试验[5]，按照硅粉掺量5%-15%、超细矿渣掺量15%-30%进行设计，分别制定了14个试验方案（其中方案1为基准配合比），配制了14组不同配合比的混凝土。其中水胶比0.43，砂率35%，减水剂掺入比例为1.5%。混凝土配合比设计见表4。

2 混凝土试验方法

2.1坍落度试验

坍落度试验参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2002 ）的规定，分别测定不同组号混凝土拌合物的坍落度值，试验结果见图1。

试验结果可得，坍落度随着硅粉掺量的增加呈现先小幅度增大后大幅度减小的趋势，其变化拐点是5%，掺量15%时坍落度达到最低值62mm。掺入超细矿渣后坍落度逐渐增加，在掺量30%时达到最大值134mm。当双掺硅粉15%、超细矿渣20%时，坍落度降到78mm，总体坍落度情况良好。

2.2 抗压强度试验

抗压强度试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）的规定，设计14组试验方案，每组按照3d、7d 、28d和60d四个养护龄期分别制作12个试块，一共168个试块。当试件养护达到相应龄期时，进行抗压强度试验。使用液压式强度试验机，加压速度控制在0.5-0.8MPa/s范围内[6]。试验分3d、7d 、28d和60d四次进行，每次从每组中选用三个试块，强度结果取平均值。实测抗压强度值见图2。

3 试验结果分析

3.1 硅粉和超细矿渣对坍落度的影响

由图3可以看出，在硅粉掺量小于5%时，混凝土的坍落度比基准配合比有所增大，当掺量大于5%时，混凝土的坍落度出现较大幅度下降，说明当硅灰在一定掺量后能降低混凝土的流动性。这是由于在较小掺量（0-5%）下，硅粉的颗粒数量较少，具有明显的物理填充效应，能提高混凝土的坍落度[7]。但是当硅粉掺量大于5%时，硅粉的颗粒数量增加，由于硅粉的粒径比水泥要细好几个数量级，直接导致了硅粉的表面积远比水泥的表面积大，拌合后需水量增大，填充效应降低，降低了混凝土的坍落度[8]。因此，为了保证混凝土具有良好的工作性能，必须将硅粉的掺量控制在5%左右。

由图4可以看出，超细矿渣会使混凝土坍落度增大，在掺量小于15%时增幅比较明显，以后则比较平缓，当掺量30%时达到最大值134mm，说明超细矿渣能提高混凝土的流动性。这是由于超细矿渣是细微球状体，其表面光滑，且吸水量小，在混凝土中能够起到滚珠润滑作用，减少了摩擦阻力，降低了混凝土的塑性粘度，改善了混凝土拌合物的流动性[9]。研究表明，在水胶比一定的前提下，超细矿渣使混凝土具有良好的工作性能。

由图5可以看出，同时掺入硅粉和超细矿渣，混凝土坍落度变化明显放缓。研究认为，这是硅粉和超细矿渣共同影响作用的结果[10]，当硅粉掺量5%，超细矿渣15%～20%时，混凝土坍落度保持与基准配合比的坍落度基本一致；而当硅粉掺量保持不变，超细矿渣掺量加大到25%时，混凝土坍落度的增大趋势明显；当硅粉掺量大于5%时，无论超细矿渣的掺量如何变化，混凝土坍落度远小于基准配合比的坍落度；当硅粉掺量继续加大达到15%时，坍落度下降更为明显，几乎不受矿渣掺量的控制。这说明硅粉掺量在小于5%时，双掺硅粉、超细矿渣混凝土的坍落度由硅粉、超细矿渣共同控制，超细矿渣起主导控制地位。而当硅灰掺量大于5%时，双掺硅粉、超细矿渣混凝土的坍落度几乎全部由硅粉控制，超细矿渣的影响基本消失[11]。

研究表明，对双掺硅粉、超细矿渣高性能混凝土，要想获得良好的工作性能，重点是把硅粉掺量控制在5%左右，而超细矿渣掺量则影响较小。

3.2硅粉和超细矿渣对抗压强度的影响

（1）由图6可得，单掺硅粉混凝土各龄期的抗压强度均比基准配合比（方案1）相应龄期的抗压强度高，各龄期提高的幅度各不相同。可以看出，硅粉对混凝土早期强度提高幅度较大，并且随硅粉掺量的增多，强度提高幅度逐渐增加。这是由于硅粉产生了火山灰反应和微填料作用，改善了水泥浆与骨料界面过渡区，改变了孔结构，提高了混凝土的密实度[12]。同时，3d和7d的抗压强度明显高于基准配合比同龄期的抗压强度，而60d的抗压强度增幅低于基准配合比抗压强度增幅。研究表明，掺入硅粉主要能提高混凝土的早期强度，而对增加后期强度的贡献不大。

（2）由图7可得，单掺超细矿渣混凝土3d的抗压强度略低于基准配合比（方案1）同龄期的抗压强度，并且随超细矿渣掺量的增加，抗压强度降低的越大；在7d和28 d的抗压强度却略超过基准配合比相应龄期的抗压强度，且28d增幅趋势均比7d的明显；到60d龄期时，当超细矿渣掺量15%以下，其抗压强度与基准配合比的抗压强度基本无变化，但当超细矿渣掺量达到15%以上时，抗压强度出现显著地增长趋势，不仅大大超过基准配合比60d的抗压强度，同时也超过了同掺量硅粉混凝土同龄期的抗压强度。

这是由于矿渣在水化过程中吸收了大量的Ca(OH)2，进一步形成水化硅酸钙产物，改善了混凝土界面的粘结强度，加快了水化发应速度，使混凝土的早期强度只受到较小的影响，随着矿渣的不断水化，提高了混凝土的后期强度[13]。研究结果表明，超细矿渣对混凝土的早期强度影响较小，但掺量在高于15%后对提高混凝土的后期强度有很大贡献。

(3) 由图8可得，双掺硅粉和超细矿渣混凝土的抗压强度由硅粉和超细矿渣共同作用。3d龄期时，混凝土抗压强度的提高由硅粉决定，即在15%范围内硅粉掺量越大，抗压强度高于基准配合比；7 d龄期时，双掺硅粉和超细矿渣混凝土抗压强度均高于单掺硅粉混凝土的抗压强度，说明双掺对增加混凝土强度的作用高于单掺；28d和60d龄期时，双掺硅粉和超细矿渣混凝土抗压强度仍然高于基准配合比，说明超细矿渣在掺入硅粉时，对提高混凝土后期强度仍旧有很好的效果[14]。

同时，从图8还可以得出，硅粉、超细矿渣的掺量不能盲目的增加，当硅粉掺量达到15%，超细矿渣达到20%时，他们的各龄期抗压强度都会有所下降。研究结果表明，对抗压强度而言，双掺硅粉、超细矿渣高性能混凝土的最佳配合比是硅粉掺量10%、超细矿渣掺量15%。

4 结语

研究结果表明，在C50高性能混凝土中掺入适量的硅粉和超细矿渣，能够有效提高混凝土现场的工作性能和大楼主体结构的强度。同时，矿渣又是工业废料，有利于环境保护和降低造价，符合生态文明建设的要求。

（1）硅粉掺入到混凝土中后，引起混凝土坍落度下降，超细矿渣的掺入对混凝土坍落度略有增加。从降低混凝土经济成本和拥有良好的工作性能两方面考虑，硅灰掺量5%，超细矿渣掺量15%为宜。

（2）硅粉对提高混凝土早期强度有很好的效果，而超细矿渣对提高混凝土的后期强度有非常好的功效。双掺硅粉和超细矿渣时，混凝土各龄期抗压强度均优越于两者单掺的混凝土。

（3）综合试验结果，充分考虑科技大楼C50高性能混凝土的工作性能和强度后，确定硅粉掺量5%，超细矿渣掺量25%。

参考文献

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