复合矿物掺合料对水泥基材料性能影响的研究.docx
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复合矿物掺合料对水泥基材料性能影响的研究
第一章绪论
一、课题背景
（一）水泥及其掺合料的发展现状
我国是水泥工业大国，水泥业作为我国基础性原材料工业的支柱之一，在可持续发展已成为人类共识的今天，我国水泥及水泥基材料研究重点为以实现水泥工业低污染、低排放，推进水泥工业成为资源、环境与人类社会协调、持续发展的循环经济产业体系。
众所周知，矿物掺合料是混凝土的重要组成，优质的矿物掺合料在混凝土中使用不仅仅是取代水泥，节约能源以及减少环境污染，也被誉为混凝土的“第六组分”。
目前，国内外使用最广泛的矿物掺合料有粉煤灰，矿粉和硅灰。
在实际施工中通常选用的矿物掺合料是粉煤灰，矿粉和石灰石粉[1]。
矿物掺合料单独掺加对水泥基材料都存在缺陷，将这三种矿物掺合料复合掺加对水泥基材料的影响研究不是很足，本文就是针对这一问题而作试验研究的。
（二）研究掺合料对水泥基材料影响的意义
在掺合料实际应用中，常使用单元单掺或两元共掺（又称复掺法），粉煤灰、矿渣微粉中都有大量的玻璃体，可明显改变混凝土的流变性，硅砂粉微粒改变了水泥水化过程，SiO2在压蒸养护条件下，迅速与Ca（OH）2反应生成结晶良好的托勃莫来石[2]。
它们的共掺有利于混凝土强度、耐久性的提高，在确保强度和耐久性技术指标前提下，减少水泥用量，达到较好的经济效益。
二、研究现状
国内有关外掺料方面的研究大多停留在单一研究阶段，同时考虑多组分复合外掺料对水泥基材料性能影响方面的研究较少。
因此有必要深入研究多种外加剂和掺合料对水泥基材料性能的影响，从而更好地发挥外掺料对混凝土结构性能的改善作用。
目前国内外对复掺矿物掺合料的研究还不是很系统，实际施工中还是以单掺为主，不过依然有人对复掺做了研究得出了的结论如下：
1.单掺矿渣与硅灰对提高混凝土拌合物的粘聚性、保水性有重要作用，但提高拌合物流动性不如单掺粉煤灰。
单掺粉煤灰或矿渣的混凝土，随着掺量的增加，混凝土强度降低，尤其单掺粉煤灰，其早期强度下降较大。
2.双掺粉煤灰、矿渣混凝土，当粉煤灰掺量保持不变时，随着矿渣掺量的增加，混凝土强度降低。
3.双掺粉煤灰、石粉混凝土，当粉煤灰掺量不变时，混凝土强度随着石粉掺量的增加而增大；当石粉掺量不变时，混凝土强度随着粉煤灰掺量的增加而降低。
4.对于粉煤灰、矿渣、石粉三掺的混凝土，由于水泥、粉煤灰、矿渣与石粉组成的四元体系的级配得到进一步优化，硬化浆体的孔隙率得到进一步的降低，另外多元复合矿物掺合料在混凝土中可发生火山灰复合效应、微集料复合效应等交互作用[3]。
三、研究内容及意义
单掺一种掺合料与同时掺用多种掺合料，以及同一种掺合料与不同种类的其他掺合料进行搭配组合，其所制备的混凝土具有极不相同的使用性能。
因此，如何合理地搭配使用各种掺合料，充分发挥各种掺合料的优势互补作用，对提高混凝土的工作性、强度和耐久性，以及更有效地利用我国的掺合料资源，都具有十分重要的意义。
所以我研究的内容是：
复合矿物掺合料对混凝土流动性能和力学性能的影响研究
在实际施工中，所用的混凝土的种类很多，我主要研究掺料对C30，C45这两种强度等级混凝土的力学性能的影响。
因为混凝土的抗压强度值是其的一个重要指标，所以我通过其不同掺料不同比例复合对其抗压强度的数值变化来研究。
第二章试验研究条件
一、试验用原材料
（一）水泥
根据试验的需要，采用江西万年青水泥有限公司生产的P∙O32.5和P∙O42.5水泥，其物理–力学性能见表2-1。
表2-1水泥物理力学性能
类型
标准稠度用水量
（%）
细度
（80
方孔筛筛余,%）
初凝
时间
（h:
min）
终凝
时间
（h:
min）
安定性
（沸煮法）
抗折强度（MPa）
抗压强度（MPa）
3d
28d
3d
28d
P∙O32.5
27.8
4.1
3:
27
5:
34
合格
3.49
5.54
16.3
37.4
P∙O42.5
28.0
3.8
3:
15
5:
20
合格
4.97
7.15
21.6
48.3
水泥的各项指标符合GB175—1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》的质量要求，能够满足试验的要求。
（二）砂
选用进贤抚河砂场河砂，根据GB/T14684—2001《建筑用砂》测定细骨料。
所选用砂的级配和技术指标见表2-2和表2-3。
筛子孔径（mm）
分计筛余
（%）
累计筛余
（%）
4.75
1.57
1.57
2.36
8.30
9.87
1.18
14.24
24.11
0.6
29.68
53.79
0.3
33.08
86.87
0.15
11.84
98.71
＜0.15
1.29
100.0
表2-2砂子的级配
表2-3砂子技术指标
细度模数
含泥量（%）
含石率（%）
粒径（mm）
视密度（g/cm3）
2.91
1.05
5.66
＜5.00
2.61
所用砂子为中砂，级配合理，各项指标符合标准的规定，能够满足试验要求。
（三）普通粗骨料
选择5mm~25mm连续级配、表面比较粗糙且质地坚硬的石灰岩碎石。
根据GB/T14685—2001《建筑用卵石、碎石》所测得的石子的技术指标和级配见表2-4、表2-5。
表2-4粗骨料技术指标
颗粒级配（mm）
含泥量
（%）
泥块含量
（%）
针片状含量（%）
压碎指标
（%）
表观密度（kg/m3）
5~25
0.8
0.45
8.2
5.3
2.70×103
表2-5粗骨料的级配
筛孔孔径（mm）
分计筛余
（%）
累计筛余
（%）
26.5
0.83
0.83
19
28.08
28.91
16
14.31
43.22
9.5
27.51
70.73
4.75
28.56
99.29
<4.75
0.42
99.71
（四）粉煤灰
试验所用的粉煤灰取自九江宝利粉煤灰有限公司，性能指标和化学成分见表2-6和表2-7。
表2-6粉煤灰性能指标
细度
（80µm方孔筛余，%）
需水量比
（%）
烧失量
（%）
28d抗压强度比
（%）
4.8
95
2.8
70.6
表2-7粉煤灰化学成分
SiO2
Al2O3
Fe2O3
MgO
SO3
CaO
烧失量
66.57%
18.95%
4.44%
1.22%
0.31%
3.05%
3.1%
粉煤灰符合GB1596—1991《用于水泥及混凝土中的粉煤灰》标准的规定，满足试验的要求。
（五）矿粉
选用贵溪市源汇有限公司生产的超细矿渣粉，符合国家GB/T18046-2000标准，具有细度均匀、稳定，颗粒级配合理，需水性小，水化活性高等性能特点，性能指标见表2-8。
表2-8超活性微矿粉指标
种类
比重
（g/cm3）
比表面积（cm2/g）
烧失量
（%）
SO3
（%）
Cl
（%）
活性指数
细度
模数
7d
28d
P8000
≥2.8
≥8000
≤0.5
≤0.5
≤0.02
≥120
≥135
≥1250
P10000
≥2.8
≥10000
≤0.5
≤0.5
≤0.02
≥135
≥150
≥2500
（六）石灰石粉
取自贵溪市，比重2.71g/cm3，比表面积489m2/kg，其化学组成见表2-9。
表2-9石灰石分化学组成wt.%
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
Na2Oeq
Loss
2.35
1.32
0.54
52.48
0.86
0.08
0.17
40.64
（七）水
试验所用的水为进贤县地区的自来水。
（八）外加剂
河北铁园生产的萘系高效减水剂：
减水率30%，用量1%。
二、试验方法
（一）坍落度试验
本测定用以判断混凝土拌合物的流动性，采用坍落度筒来测定混凝土拌合物的工作性，操作方法参照GB/T50080-2002。
（二）强度试验
本试验用以评定匀质性对轻骨料混凝土强度的影响，试验选用压力试验机测定混凝土试件的抗压强度，操作方法及处理结果参照GB/T50081—2002。
第三章试验设计
一、试验方案的确定
为了优化试验，减少试验中的变量，我设计的试验方案中，水胶比是不变的，所以在试验中有3个变量分别为：
掺合料的总掺量（选用的掺量比例为0%，10%，20%和30%）、复合掺合料的组合（既矿粉与粉煤灰复掺、矿粉与石灰石粉复掺、粉煤灰与石灰石粉复掺）、矿物掺合料在复掺时各自所用的比例（三种掺合料两两复掺时所选用的比例为：
1:
1、1:
3、3:
1，如矿粉与粉煤灰复掺时选用的比例为：
1:
1、1:
3、3:
1）；本试验中选取混凝土的坍落度和3个不同龄期的混凝土强度作为主要考核指标，考核混凝土的坍落度根据GB/T50080-2002，考核混凝土的强度（7d、28d、56d）根据GB/T50081—2002。
同时，为了使试验结果能够广泛的应用，本试验中选用了2种不同强度等级的水泥基材料做为配合，分别是：
C30、C45。
为了使试验结果更有可以比性，本试验还作了掺合料单独掺加时对水泥基材料性能的影响，并作了3种掺合料同时掺加，3种矿物掺合料的掺加比例为1:
1:
1。
二、配合比的确定
C30混凝土的配合比
1.确定混凝土配制强度（fcu,o）
在已知混凝土设计强度（fcu,k）和混凝土强度标准差（σ）时,则可由下式计算求得混凝土的配制强度（fcu,o）,即
（3-1）
fcu,o=fcu,k+1.645σ
根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）的规定，σ=5
fcu,o=fcu,k+1.645σ
=30+1.645×5
=38.23MPa
2.确定水灰比（W/C）
（3-2）
0.59
A和B为回归系数，根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）的规定，骨料种类（碎石）可查表得：
A—0.46
B—0.07
这是理论上计算出来的水灰比，但实际我们做试验的过程中，由于加入了减水剂，可使混凝土拌合物在达到同样坍落度条件下减少用水量，根据经验取水灰比为0.49
3.确定用水量（W0）
根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）的规定，配制每立方米塑性和干硬性混凝土的用水量确定,当水灰比在0.4～0.8范围时,根据粗骨料品种、粒径及施工要求的混凝土拌和物稠度，其用水量可查表计算得，当坍落度为50mm，最大粒径为31.5mm时用水量为：
W0=170kg/m3。
4.计算水泥用量（C0）
（3-3）
kg/m3
5.确定砂率（Sp）
根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）的规定,水灰比为0.5，骨料的最大粒径不超过40mm是，选用的最大砂率为35%，但由于我们做的这次试验只用了一种单粒级粗骨料，所以根据要求用其配制混凝土时砂率应当适当增大，由此我们最终确定的砂率为36%.
6.计算砂、石用量（S0、G0）
用体积法计算，所选用材料的密度分别为：
水泥3000kg/m3砂子2650kg/m3
石子2700kg/m3水1000kg/m3
根据体积法公式联立方程,解得
S0=670kg/m3
G0=1208kg/m3
所以C30混凝土的基准配比是W0=170kg/m3
S0=670kg/m3
G0=1208kg/m3
C0=347kg/m3
掺加掺合料时，仅仅是取代水泥的用量而其它的数值不变，如掺量为10%时
掺合料的掺加质量
kg/m3
而此时的水泥量C=312kg/m3
我们在做试验的时候还掺加了1%的减水剂，每组试验都添加相同比例的减水剂，C30混凝土我们掺加的减水剂量为1.7kg/m3
所用的成型是试模是100mm×100mm×100mm，每次拌合10L。
做C30混凝土各组试件的详细配比如下表3-1：
表3-1C30混凝土试件配比
编号
水泥
（kg）
掺合料取代量（%）
矿粉
（kg）
粉煤灰
（kg）
石灰石粉
（kg）
掺合料比例
水
（kg）
砂子
（kg）
石子
（kg）
外加剂
（kg）
A
3.47
—
—
—
—
—
1.7
6.7
12.08
0.017
X1
3.12
10
0.35
—
—
—
1.7
6.7
12.08
0.017
X2
2.78
20
0.68
—
—
—
1.7
6.7
12.08
0.017
X3
2.43
30
1.04
—
—
—
1.7
6.7
12.08
0.017
Z1
3.12
10
—
0.35
—
—
1.7
6.7
12.08
0.017
Z2
2.78
20
—
0.68
—
—
1.7
6.7
12.08
0.017
Z3
2.43
30
—
1.04
—
—
1.7
6.7
12.08
0.017
Y1
3.12
10
—
—
0.35
—
1.7
6.7
12.08
0.017
Y2
2.78
20
—
—
0.68
—
1.7
6.7
12.08
0.017
Y3
2.43
30
—
—
1.04
—
1.7
6.7
12.08
0.017
B1
3.12
10
0.17
0.17
—
1:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
B2
3.12
10
0.24
0.08
—
3:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
B3
3.12
10
0.08
0.24
—
1:
3
1.7
6.7
12.08
0.017
C1
2.78
20
0.34
0.34
—
1:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
C2
2.78
20
0.48
0.16
—
3:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
C3
2.78
20
0.16
0.48
—
1:
3
1.7
6.7
12.08
0.017
D1
2.43
30
0.51
0.51
—
1:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
D2
2.43
30
0.72
0.24
—
3:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
D3
2.43
30
0.24
0.72
—
1:
3
1.7
6.7
12.08
0.017
续表3-1
编号
水泥
（kg）
掺合料取代量（%）
矿粉
（kg）
粉煤灰
（kg）
石灰石粉
（kg）
掺合料比例
水
（kg）
砂子
（kg）
石子
（kg）
外加剂
（kg）
E1
3.12
10
0.17
—
0.17
1:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
E2
3.12
10
0.08
—
0.24
1:
3
1.7
6.7
12.08
0.017
E3
3.12
10
0.24
—
0.08
3:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
F1
2.78
20
0.34
—
0.34
1:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
F2
2.78
20
0.16
—
0.48
1:
3
1.7
6.7
12.08
0.017
F3
2.78
20
0.48
—
0.16
3:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
G1
2.43
30
0.51
—
0.51
1:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
G2
2.43
30
0.24
—
0.72
1:
3
1.7
6.7
12.08
0.017
G3
2.43
30
0.72
—
0.24
3:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
H1
3.12
10
—
0.17
0.17
1:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
H2
3.12
10
—
0.08
0.24
1:
3
1.7
6.7
12.08
0.017
H3
3.12
10
—
0.24
0.08
3:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
I1
2.78
20
—
0.34
0.34
1:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
I2
2.78
20
—
0.16
0.48
1:
3
1.7
6.7
12.08
0.017
I3
2.78
20
—
0.48
0.16
3:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
J1
2.43
30
—
0.51
0.51
1:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
J2
2.43
30
—
0.24
0.72
1:
3
1.7
6.7
12.08
0.017
J3
2.43
30
—
0.72
0.24
3:
1
1.7
6.7
12.08
0.017
按照C30混凝土配合比的计算方法得到C45混凝土的配比，试模与C30混凝土的试模一样，每次拌合同样是10L，其每次拌合的详细配合如表3-2：
表3-2C45混凝土各组详细配比
编号
水泥
（kg）
掺合料取代量（%）
矿粉
（kg）
粉煤灰
（kg）
石灰石粉
（kg）
掺合料比例
水
（kg）
砂子
（kg）
石子
（kg）
外加剂
（kg）
a
4.10
—
—
—
—
—
1.6
6.69
11.89
0.016
b1
3.69
10
0.21
0.21
—
1:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
b2
3.69
10
0.31
0.10
—
3:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
b3
3.69
10
0.10
0.31
—
1:
3
1.6
6.69
11.89
0.016
续表3-2
编号
水泥
（kg）
掺合料取代量（%）
矿粉
（kg）
粉煤灰
（kg）
石灰石粉
（kg）
掺合料比例
水
（kg）
砂子
（kg）
石子
（kg）
外加剂
（kg）
c1
3.28
20
0.41
0.41
—
1:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
c2
3.28
20
0.62
0.21
—
3:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
c3
3.28
20
0.21
0.62
—
1:
3
1.6
6.69
11.89
0.016
d1
2.87
30
0.62
0.62
—
1:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
d2
2.87
30
0.92
0.31
—
3:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
d3
2.87
30
0.31
0.92
—
1:
3
1.6
6.69
11.89
0.016
e1
3.69
10
0.21
—
0.21
1:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
e2
3.69
10
0.10
—
0.31
1:
3
1.6
6.69
11.89
0.016
e3
3.69
10
0.31
—
0.10
3:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
f1
3.28
20
0.41
—
0.41
1:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
f2
3.28
20
0.21
—
0.62
1:
3
1.6
6.69
11.89
0.016
f3
3.28
20
0.62
—
0.21
3:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
g1
2.87
30
0.62
—
0.62
1:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
g2
2.87
30
0.31
—
0.92
1:
3
1.6
6.69
11.89
0.016
g3
2.87
30
0.92
—
0.31
3:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
h1
3.69
10
—
0.21
0.21
1:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
h2
3.69
10
—
0.10
0.31
1:
3
1.6
6.69
11.89
0.016
h3
3.69
10
—
0.31
0.10
3:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
i1
3.28
20
—
0.41
0.41
1:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
i2
3.28
20
—
0.21
0.62
1:
3
1.6
6.69
11.89
0.016
i3
3.28
20
—
0.62
0.21
3:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
j1
2.87
30
—
0.62
0.62
1:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
j2
2.87
30
—
0.31
0.92
1:
3
1.6
6.69
11.89
0.016
j3
2.87
30
—
0.92
0.31
3:
1
1.6
6.69
11.89
0.016
第四章试验结果与分析
一、复合矿物掺合料对混凝土流动性能影响
（一）矿粉和粉煤灰复合掺加对混凝土坍落度的影响
根据表3-1和表3-2中有关矿粉和粉煤灰的数据，拌和得到的混凝土的坍落度如图4-1和4-2。
图4-1矿粉和粉煤灰（K:
F）复合掺加的C30混凝土坍落度
图4-2矿粉和粉煤灰（K:
F）复合掺加的C45混凝土坍落度
注：
B和b、C和c、D和d代表的分别是10%，20%和30%
从中我们可以清晰的看出当矿粉和粉煤灰以3:
1的比例复合掺加时混凝土的坍落度达到最大，并且当矿物掺合料的取代量是20%时，其不同比例复合掺加所得到的坍落度值明显的高于其它值。
从图4-4和图4-5比较中可知，C45混凝土所得到的坍落度明显比C30混凝土高，随着矿物掺合料总掺量增大，流动度增大，但其有一个最优掺量，超过这个掺量混凝土的流动度
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