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引言粉煤灰和矿渣粉是常见的工业废料，将粉煤灰和矿渣粉用于混凝土中，不仅能减少废弃物堆放导致的占地和环境污染等问题，还有助于改善混凝土的和易性、降低混凝土结构的水化热等。
关于粉煤灰和矿渣粉对混凝土性能的影响已取得了大量的研究成果，但由于原材料、配合比和养护方式等差异，研究者所获得的结论并不一致，甚至相互矛盾。
赵顺湖等的研究结果表明，随着矿渣粉掺量的增大，混凝土的坍落度逐渐增大，且30%矿渣粉掺量的混凝土抗压强度高于不使用掺合料的混凝土。
李双喜等的研究结果表明，随着矿渣粉掺量的增大，混凝土的坍落度和抗压强度均逐渐降低，且抗压强度均低于不使用掺合料的混凝土。
刘涛等通过对比试验得出粉煤灰的最佳掺量为20%，但粉煤灰混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度均低于不使用粉煤灰的混凝土。
惠存等的研究结果表明，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗压强度逐渐降低，且降低幅度随着龄期的延长而增大。
白力改等研究了粉煤灰掺量对混凝土工作性和抗压强度的影响，其结果表明，随着粉煤灰掺量的增大，混凝土的流动性增大，混凝土的3、7、28d抗压强度随着粉煤灰掺量的增大而降低，且均低于不使用掺合料的混凝土，但在90d龄期时，10%和20%的粉煤灰掺量的混凝土的抗压强度最高，超过了不使用掺合料的混凝土。
杨德才系统研究了粉煤灰取代水泥对混凝土强度的影响，其结果表明，7d龄期时粉煤灰混凝土的抗压强度随着粉煤灰掺量的增高而降低，且均低于不使用掺合料的混凝土，28d龄期时粉煤灰掺量小于30%的混凝土抗压强度超过了不使用掺合料的混凝土，而60d龄期时所有粉煤灰混凝土的抗压强度均超过了不使用掺合料的混凝土。
本文针对某在建工程项目仅使用水泥作为胶凝材料、混凝土材料成本高且工作性差的现状，采用工程实际使用的原材料，进行矿物掺合料改善混凝土性能的试验研究，以期通过优化混凝土配合比，提高混凝土的综合性能和降低工程成本。
1材料与方法
1.1试验材料
水泥：P·O42.5水泥，P·O52.5水泥，水泥的技术指标见表1。粉煤灰：某电厂生产的III级灰，密度2.45g/cm3，需水量比96%。矿渣粉：S95矿渣粉，流动度比102%，比表面积430m2/kg，28d活性指数98%。细骨料：表观密度2.56g/cm3，含泥量0.3%，细度模数2.8，Ⅱ区中砂，莫庄河砂场生产，其筛分级配如图1所示。粗骨料：由5～10mm和10～20mm两级配碎石组成，表观密度2.71g/cm3，济钢环保新材料有限公司生产。聚羧酸高效减水剂：减水率28%，山东某新材料有限公司生产。
1.2配合比及试验方法
混凝土的配合比见表2。
混凝土的拌合采用HJW-60型单卧轴搅拌机，依次投入碎石、砂、胶凝材料后干混30s，再将水和减水剂一次性投入搅拌机内搅拌3min。
混凝土的坍落度和坍落扩展度测试按照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。
混凝土的抗压强度测试按照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，采用振动成型的方式制备150mm×150mm×150mm抗压强度试件。
2结果与分
2.1粉煤灰和矿渣粉掺量对混凝土工作性的影响
不同粉煤灰和矿渣粉掺量下新拌混凝土的工作性测试结果如图2所示。
由图2可知，粉煤灰和矿渣粉对C40、C50混凝土的工作性有不同的影响，其均能提高C40混凝土的坍落度和扩展度，但对C50混凝土的坍落度几乎没有影响，对C50混凝土的扩展度影响明显。随着煤粉灰和矿渣粉掺量的增大，C50混凝土的扩展度呈现先增大后降低的趋势，混凝土的扩展度增幅最大。
总体来说，粉煤灰和矿渣粉的掺入均有助于改善新拌混凝土的和易性，这也可以从粉煤灰的需水量比和矿渣粉的流动度比这2个技术参数中体现出来。分析认为，2种矿物掺合料对混凝土和易性能的改善除了滚珠作用之外还跟其密度有关，粉煤灰和矿渣粉的密度均小于水泥，等质量替代水泥时混凝土所获得的浆体比纯水泥时的浆体体积大，掺有矿物掺合料的混凝土有更大的浆骨比，因此会产生更好的和易性。
从试验过程来看，C50混凝土随着粉煤灰和矿渣粉的掺入，其黏度增加明显。分析认为，这是由于矿渣粉的比表面积大，低水胶比处于大流态时其良好的吸附粘接作用可使混凝土中的砂浆产生下沉的趋向而导致翻拌困难。对混凝土的含气量进行测试，C40混凝土的平均含气量为1.8%，C50混凝土的平均含气量仅为0.8%。分析认为，含气量水平较低也是C50混凝土黏度较大的重要原因。矿物掺合料对C50混凝土坍落度的影响较小，是因为基准混凝土的坍落度已达到220mm，此时混凝土处于流态且黏度较高，在测试的过程中虽然拌合物能向周边逐步扩展，但中心区域的拌合物因粘聚力而相对稳定，导致拌合物的坍落度处于稳定水平。
2.2粉煤灰和矿渣粉掺量对混凝土抗压强度的影响
不同粉煤灰和矿渣粉掺量下新拌混凝土的抗压强度测试结果如图3所示。
由图3可知，（1）随着粉煤灰掺量的增加，C40混凝土的7、28d抗压强度降低，但C40混凝土的56d抗压强度比不使用掺合料的混凝土有所增加；（2）C50混凝土的抗压强度随着矿渣粉掺量的增大而降低，但当矿渣粉和粉煤灰复合掺入时，其56d抗压强度超出单掺矿渣粉的混凝土，其抗压强度与不使用掺合料的混凝土相当；（3）当矿渣粉掺量为10%～25%替代水泥时，对混凝土的抗压强度影响不大；（4）试验中，C40和C50混凝土的28d抗压强度均高于其配制强度，2个强度等级的混凝土强度均有一定的调整空间。
粉煤灰和矿渣粉对混凝土抗压强度的影响在不同龄期时具有不同的特征，主要是由于2种掺合料的颗粒效应和活性不同所致，掺合料对混凝土抗压强度的贡献可以概括为颗粒填充效应（级配效应）和火山灰效应。一方面，在28d及更早龄期时，粉煤灰和矿渣粉参与水化的程度低，从水化的角度来看是不利于混凝土强度发展的，如果胶凝材料的颗粒填充效应不足以弥补掺合料水化程度降低的影响，则混凝土的早期强度会大幅下降。另一方面，掺入混凝土中的粉煤灰和矿渣粉会在后期跟水泥水化产生的氢氧化钙发生二次水化反应，使混凝土更为致密，具有更高的后期强度。这也是掺入粉煤灰或矿渣3配合比优化由上可知，C40-3组混凝土的和易性和力学性能均能满足施工要求，且矿物掺合料用量大，具有较好的经济性，因此建议采用C40-3组混凝土配合比作为优化后的C40混凝土配合比。
C50混凝土虽然整体都能满足强度要求，但其中C50-1组和C50-2组混凝土不够经济（水泥用量较大），C50-3组和C50-4组混凝土的黏度较大，且C50-4组混凝土的28d抗压强度富裕略低（60.3MPa），为避免28d龄期检验时引发争议，选择C50-3组混凝土作进一步优化。基于工程经验和文献调研，通过增加用水量和复配引气剂的方式调整C50-3组混凝土的和易性，获得了理想的效果。优化后的C40和C50混凝土配合比见表3，其性能指标见表4。
结论
本文系统研究了粉煤灰和矿渣粉对混凝土工作性和抗压强度的影响，对C40和C50混凝土配合比进行了优化，在保证混凝土强度的基础上，降低了混凝土的水泥用量，改善了混凝土的施工和易性。得出以下结论：
（1）粉煤灰和矿渣粉能够改善混凝土的和易性，粉煤灰和矿渣粉的作用效果受混凝土自身特点的影响，当C50混凝土中矿渣粉的掺量较大时，容易导致其黏度增大、施工困难，适当增加用水量和含气量可有效解决这一问题。
（2）粉煤灰和矿渣粉对混凝土抗压强度的影响有所不同，粉煤灰对混凝土抗压强度的影响比矿渣粉显著；粉煤灰和矿渣粉的掺入使混凝土的7、28d抗压强度降低，粉煤灰混凝土的56d抗压强度高于不使用掺合料的混凝土。
（3）粉煤灰和矿渣粉对混凝土抗压强度的影响主要取决于颗粒填充效应和火山灰效应，不同龄期主导效应不同，早期主要取决于颗粒填充效应，后期受颗粒填充效应和火山灰效应的双重影响。
（4）粉煤灰和矿渣粉在混凝土中的应用效果受到原材料特性和混凝土配合比的影响，在本研究中，掺入20%的粉煤灰和20%的矿渣粉等量替代水泥配制C40混凝土、掺入25%的矿渣粉等量替代水泥配制C50混凝土，可获得理想的施工效果。（来源：《混凝土世界》2023.07）
