摘要：本文通过对基准混凝土、单掺粉煤灰、单掺矿粉、粉煤灰与矿粉双掺混凝土配合比进行试配，对比单掺合料混凝土与复合掺合料混凝土抗压强度、抗渗性能、抗冻性能、收缩、抗氯离子渗透等性能指标，并分析得出最优双掺比例，设计出施工性能和耐久性能等各项指标均满足设计要求的复合掺合料配合比，为核电工程复合掺合料配合比设计提供技术支持和参考性依据。
关键词：抗压强度；抗渗性能；抗冻性能；收缩；抗氯离子渗透
引言
在配制混凝土时，加入一定量矿物掺合料不仅可以节约水泥，节约成本，而且由于掺合料的形态效应、微集料效应和火山灰效应，对改善混凝土的工作性能，改善混凝土的内部结构和提高混凝土的力学性能有着显著的作用 [1-2]。吴中伟等研究表明：矿物掺合料可以提高混凝土耐久性、体积稳定性，提高后期强度，降低水化热，有时还有改善混凝土拌合物的和易性、减少泌水、离析的作用，提高混凝土抗酸碱腐蚀和防止碱骨料反应的能力。
而目前在核电工程中大体积混凝土设计过程中仍采用单掺粉煤灰的方式，而这已经不能完全满足现代核电工程的趋势。本文通过对比分析单掺合料混凝土与复合掺合料混凝土抗压强度、抗渗性能、抗冻性能、收缩、抗氯离子渗透等性能指标，并分析得出最优双掺比例，设计出施工性能和耐久性能等各项指标均满足设计要求的复合掺合料配合比，为核电工程复合掺合料配合比设计提供技术支持和参考性依据。
1 试验方法
1.1原材料选择
（1）水泥：P•O42.5，烟台山水水泥有限公司；
（2）矿粉：S95级，济南鲁新新型建材有限公司；
（3）粉煤灰：F类I级，威海港域粉煤灰科技有限公司；
（4）砂：II区中砂，青岛水之源园林装潢工程有限公司（产地黄垒河）；
（5）碎石：5-16mm、16-25mm，荣成市顺通采石场提供毛石，中混石料厂进行加工；
（6）外加剂：NOF-AS减水剂、NOF-AE引气剂、NOF-ZX阻锈剂，山东华伟银凯建材科技股份有限公司；
（7）拌合用水：八河水库。
1.2试验配合比
根据示范工程《抗海水腐蚀混凝土技术规范书》中规定，大掺量矿物掺合料混凝土为：单掺粉煤灰量为胶凝材料总重的25%~42%、单掺磨细矿渣量为胶凝材料总重的40%~70%；复合使用多种矿物掺合料时，粉煤灰掺量与磨细矿渣掺量宜满足下列两式：af/0.25+as/0.4≥1，af/0.42+as/0.8≤1。
根据前期对基准、单掺粉煤灰、单掺矿粉及双掺配比，改变掺量，分别进行流动度、胶砂强度及干缩率试验，通过对各种实验数据的综合比较，我们得出：双掺粉煤灰和矿粉在水泥取代率为35%-45%为宜，两者比例在5：4附近时胶砂流动度、强度以及干缩均较为理想。我们依据《混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000进行配合比设计，通过改变单掺粉煤灰比例、单掺矿粉比例、双掺（粉煤灰：矿粉=5：4）比例，研究不同比例取代水泥混凝土性能差异及变化趋势，最终优选出最佳配比，配合比信息见表1：
注：F表示单掺粉煤灰，K表示单掺矿粉，FK表示双掺粉煤灰和矿粉。
2 试验结果与分析
对以上设计的混凝土配合比进行试配，观察混凝土和易性，检测混凝土坍落度、含气量等拌合物指标，检测硬化后混凝土抗压强度、收缩、抗渗性能、抗冻性能及抗氯离子渗透等指标。具体试验数据见表2：
注：和易性表示：A-优，B-良，C-中，D-差。
2.1坍落度
坍落度检测依据GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，根据表2不同掺量矿物掺合料混凝土坍落度试验结果绘制掺量-坍落度变化曲线，如下图1所示：
从图1可以看出，单掺矿粉对混凝土的坍落度基本上没有提高，单掺粉煤灰可以明显提高混凝土的坍落度，双掺亦然。这是由于粉煤灰颗粒形状较为圆滑，其特有的“滚珠效益”在自由水的作用下减少了体系中颗粒间的摩擦，从而改善混凝土和易性并提高了坍落度。
2.2混凝土抗压强度（28d）
混凝土抗压强度依据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，根据表2不同掺量矿物掺合料混凝土抗压强度试验结果绘制掺量-抗压强度变化曲线，如上图2所示：
从图2可以看出，单掺粉煤灰混凝土抗压强度随着粉煤灰掺量的增加而明显降低，单掺矿粉混凝土抗压强度先增加后降低，掺量在20%左右时最大，但整体变化浮动较小，；双掺混凝土抗压强度稍微有所降低。
对上述趋势进行机理分析可知：混凝土强度随着粉煤灰掺量的增加而降低由于粉煤灰替代水泥，水泥用量减少，早期水泥水化产物生成量减少。由于矿粉在混凝土中具有潜在水硬性、火山灰效应和微集料效应[1]，掺入一定比例矿粉可以与水泥组成二元复合胶凝材料，能提高水泥石与骨料界面粘结强度及改善水泥浆体的孔结构，从而提高混凝土力学性能。
2.3抗渗性能（28d）
混凝土抗渗性能检测依据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，根据表2不同掺量矿物掺合料混凝土抗渗试验后渗水高度测量结果绘制掺量-渗水高度变化曲线，如下图3所示：
由表2数据及图3曲线可以看出，单掺粉煤灰、单掺矿粉、双掺均可提高混凝土抗渗性能，且双掺效果更佳明显。单掺粉煤灰和矿粉混凝土，粉煤灰和矿粉细微颗粒均匀的分散到混凝土的浆体中，有利于水化作用和提高强度和密实度，而且还能填充水泥石孔隙，改善孔结构，从而混凝土抗渗性能得到提高。当粉煤灰和矿粉双掺时，由于两者的“超叠效应”，一是改善了胶凝材料的颗粒级配，使系统颗粒堆积更加紧密和合理，能够相互填充孔隙，从而使得混凝土的密实度比单掺粉煤灰或者单掺矿粉更高；二是水化进程的互补，前期由于粉煤灰的火山灰活性发展缓慢，而矿粉活性较高，提高混凝土早期强度和完善早期结构，弥补由于粉煤灰水化慢造成的早期强度损失及结构完善[3]，后期超细矿物粉中的活性组分与大量Ca（OH）2反应生成水化硅酸钙及水化铝酸钙，增大了水泥石的致密程度，也从而降低了混凝土的总孔隙率，大大提高了混凝土的抗渗性。
2.4抗冻性能（28d）
混凝土抗冻性能检测依据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，根据表2不同掺量矿物掺合料混凝土抗冻指数结果绘制掺量—抗冻指数DF变化曲线，如上图4所示：
根据表2抗冻指数数据及图4曲线可以看出，单掺粉煤灰、单掺矿粉、双掺混凝土的抗冻性均有所降低，且单掺粉煤灰变化量最明显，随着粉煤灰掺量增大至40%左右时，抗冻性能降低到80%以下，而单掺矿粉和双掺混凝土降低幅度比较小，均保持在85%-90%之间。主要是由于混凝土本身结构比较密实，强度较高，混凝土本身具有较好的抗冻性能。对于单掺粉煤灰和单掺矿粉的混凝土，由于粉煤灰和矿粉的二次水化作用，使得混凝土强度更加密实，且28d强度达到了基准混凝土的水平，使其也具有了较高的抗冻性，但粉煤灰掺量达到40%时，由于掺量过大，水泥用量较少，致使混凝土28d强度不高，使得该组混凝土抗冻性降低比较明显。
2.5收缩（56d）
混凝土收缩检测依据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，根据表2不同掺量矿物掺合料混凝土收缩率结果绘制掺量-收缩率变化曲线，如下图5所示：
由表2数据及图5曲线可以看出，单掺粉煤灰、单掺矿粉、双掺均可降低混凝土收缩率，且掺量越大，收缩率越小。这是由于掺加矿物掺合料，减少了水泥用量；掺入的矿物掺合料起到了微集料的作用，抑制了基体的收缩。
2.6抗氯离子渗透（28d）电通量法
混凝土抗氯离子渗透性能检测依据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，根据表2不同掺量矿物掺合料混凝土电通量试验结果绘制掺量—电通量变化曲线，如上图6所示：
由表2数据及图6变化曲线可知，单掺粉煤灰混凝土电通量随着掺量的增大先减小后增大，单掺矿粉混凝土电通量随着掺量的增大而降低且变化幅度逐渐减小，双掺对电通量降低作用更佳明显。
掺入一定量的粉煤灰和矿粉可以降低硬化后混凝土的孔隙率，改变了孔结构，提高了混凝土的密实度；另外，粉煤灰和矿粉均具有较大的比表面积，对氯离子有较强的吸附固化能力，同时粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3，与水泥的水化产物在水溶液中发生反应，水化后生成的水化铝酸盐能与渗透到混凝土中的氯离子结合生成Friede盐，能够有效地阻止氯离子的渗透。但是当粉煤灰活性较低，少量的粉煤灰取代水泥后，粉煤灰在参与水化之前发挥了微集料效应，可以提高混凝土密实度；胶凝材料水化的早期主要是水泥的水化，当粉煤灰掺量过高后会降低混凝土的抗渗透性能，因此电通量有所增大。
双掺粉煤灰和矿粉抗氯离子渗透作用最佳，这是由于双掺可以加速胶凝材料的水化进程，提高了混凝土的密实度，早期发挥矿粉的火山灰效应，改善浆体和集料的界面结构，后期发挥粉煤灰的火山灰效应所带来的孔径细化作用以及未反应的粉煤灰颗粒的“内核作用”，充分发挥了二者“超叠效应”，有效的改善了混凝土的抗氯离子渗透性。
3 结论
综上所述，得到以下结论：
（1）双掺粉煤灰和矿粉，可以使混凝土坍落度增加，和易性好，泌水得到改善，同时可以降低混凝土的成本。
（2）单掺粉煤灰混凝土抗压强度随着粉煤灰掺量的增加而明显降低，单掺矿粉混凝土抗压强度先增加后降低，掺量在20%左右时最大，但整体变化浮动较小；双掺混凝土抗压强度稍微有所降低。
（3）单掺粉煤灰、单掺矿粉、双掺均可提高混凝土抗渗性能，且双掺效果更佳明显。单掺粉煤灰和矿粉，有利于水化作用和提高强度和密实度，而且还能填充水泥石孔隙，改善孔结构，从而混凝土抗渗性能得到提高。双掺时，由于两者的“超叠效应”，大大提高了混凝土的抗渗性。
（4）单掺粉煤灰、单掺矿粉、双掺混凝土的抗冻性均有所降低，且单掺粉煤灰变化量最明显。主要是由于混凝土本身结构比较密实，强度较高，混凝土本身具有较好的抗冻性能。但粉煤灰掺量过大时，混凝土抗冻性降低比较明显。
（5）单掺粉煤灰、单掺矿粉、双掺均可降低混凝土收缩率，且掺量越大，收缩率越小。这是由于掺加矿物掺合料，减少了水泥用量；掺入的矿物掺合料起到了微集料的作用，抑制了基体的收缩。
（6）单掺粉煤灰混凝土电通量随着掺量的增大先减小后增大，单掺矿粉混凝土电通量随着掺量的增大而降低且变化幅度逐渐减小，双掺对电通量降低作用更佳明显。掺入一定量的粉煤灰和矿粉提高了混凝土的密实度；另外，粉煤灰和矿粉对氯离子有较强的吸附固化能力，同时粉煤灰中的活性成分与氯离子结合生成Friede盐，能够有效地阻止氯离子的渗透。
双掺粉煤灰和矿粉可以充分发挥了二者“超叠效应”，有效的改善了混凝土的抗氯离子渗透性。
参考文献：
[1]潘钢华，孙伟，张亚梅.活性混合材微集料效应的理论和试验研究[J].混凝土与水泥制品，1997（6）：23-25.
[2]沈旦申，张荫剂.粉煤灰效应的探究[J].硅酸盐学报，198119（1）：57-63.
[3]黄土元.近代混凝土技术[M].陕西：科学技术出版社，1998.
论文作者:黄友芬,高奇,李伟,陈海波,田立威
论文发表刊物:《基层建设》2017年4期
论文发表时间:2017/5/22
标签：混凝土论文; 粉煤灰论文; 性能论文; 水化论文; 矿粉论文; 抗压强度论文; 掺合论文; 《基层建设》2017年4期论文;