常用摻合料 Ⅱ 級(jí)粉煤灰和S95磨細(xì)礦渣粉的影響系數(shù)研究

郝會(huì)娟，孟志良，孟晨璇，姚志玉，王 云

(1.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450064；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001；3.河北建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 保定 071051；4.河北科技學(xué)院，河北 保定 071000)

粉煤灰是在煤燃燒后的煙氣中收集的細(xì)灰，是燃煤電廠的主要固體廢棄物[1-2]。礦渣是高爐煉鐵得到的以硅鋁酸鈣為主的熔融物，磨細(xì)后的礦渣微粉作為混凝土的獨(dú)立組分能夠改善混凝土的性能[3-4]。大量的試驗(yàn)研究[5-9]表明:粉煤灰和礦粉的復(fù)配不僅可以改善混凝土的工作性能，而且其成本低于水泥，已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用于各類土木建筑工程中，取得了良好的生態(tài)效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，摻合料已經(jīng)成為混凝土必不可少的第6種組成材料?，F(xiàn)行JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中，摻合料混凝土的水膠比計(jì)算公式中含有常用摻合料粉煤灰和磨細(xì)?；郀t礦渣粉的影響系數(shù)，并在設(shè)計(jì)規(guī)程中給出了各等級(jí)粉煤灰和礦粉不同摻量的影響系數(shù)。文獻(xiàn)[10]指出設(shè)計(jì)規(guī)程中常用摻合料影響系數(shù)是經(jīng)過全國性大量試驗(yàn)驗(yàn)證的，同時(shí)建議有條件的單位可以自己實(shí)測摻合料影響系數(shù)。

實(shí)測摻合料的影響系數(shù)，無疑能夠準(zhǔn)確確定混凝土配合比，但是需要提前28 d測定摻合料影響系數(shù)。利用設(shè)計(jì)規(guī)程中的常用摻合料影響系數(shù)，雖然可以快速確定混凝土配合比，但是采用設(shè)計(jì)規(guī)程摻合料影響系數(shù)能否準(zhǔn)確確定混凝土配合比，這方面值得研究。本文針對(duì)Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95磨細(xì)礦渣粉(簡稱S95礦粉)2種常用摻合料，研究了實(shí)測影響系數(shù)與規(guī)程影響系數(shù)的相關(guān)關(guān)系，以及兩者隨摻合料摻量變化規(guī)律，并通過實(shí)例分析規(guī)程影響系數(shù)對(duì)混凝土配合比的影響。

1 水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為曲寨P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥(C)，性能指標(biāo)見表1；粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰(F)，性能指標(biāo)見表2；礦粉為S95礦粉(S)，性能指標(biāo)見表3；砂為ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；水為自來水。

表1 曲寨P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥性能指標(biāo)

表2 Ⅱ級(jí)粉煤灰性能指標(biāo)

表3 S95礦粉性能指標(biāo)

注：規(guī)范值含水率≤1%;燒失量≤3%;SO3≤4%。

1.2 試驗(yàn)方法

采用常用摻合料Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95礦粉等量取代水泥，膠凝材料用量為450 g，水膠比為0.5，ISO標(biāo)準(zhǔn)砂為1 350 g。按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)JGJ 55—2011確定摻合料摻量范圍。當(dāng)采用Ⅱ級(jí)粉煤灰等量取代水泥時(shí)，其摻量控制在5%～40%；當(dāng)采用S95礦粉等量取代水泥時(shí)，其摻量控制在5%～50%；當(dāng)復(fù)摻Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95礦粉等量取代水泥時(shí)，其摻量控制在10%～45%。膠凝材料組成和膠砂試件28 d強(qiáng)度見表4。

表4 膠凝材料組成和膠砂試件28 d強(qiáng)度

注：J表示未摻摻合料膠砂；5F表示摻5%Ⅱ級(jí)粉煤灰膠砂；5S表示摻5% S95礦粉膠砂；5F5S表示摻5%Ⅱ級(jí)粉煤灰和5% S95礦粉膠砂。其余類同。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表4中膠砂試件抗壓強(qiáng)度，計(jì)算出單摻Ⅱ級(jí)粉煤灰、S95礦粉和兩者復(fù)摻不同摻量時(shí)的影響系數(shù)。根據(jù)JGJ 55—2011確定表4中對(duì)應(yīng)的影響系數(shù)。

2.1 單摻Ⅱ級(jí)粉煤灰

單摻Ⅱ級(jí)粉煤灰時(shí)規(guī)程影響系數(shù)和實(shí)測影響系數(shù)的相關(guān)關(guān)系見圖1，影響系數(shù)隨Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量的變化曲線見圖2。

圖1 單摻Ⅱ粉煤灰時(shí)規(guī)程影響系數(shù)與實(shí)測影響系數(shù)的相關(guān)關(guān)系

圖2 影響系數(shù)隨Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量的變化曲線

由圖1可見：單摻Ⅱ級(jí)粉煤灰時(shí)規(guī)程影響系數(shù)與實(shí)測影響系數(shù)相關(guān)系數(shù)R2=0.942，存在高度線性相關(guān)；該線性關(guān)系式中斜率略大于1，說明單摻Ⅱ級(jí)粉煤灰時(shí)規(guī)程影響系數(shù)總體上略小于實(shí)測影響系數(shù)。

由圖2可見：①隨著Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量的增加，影響系數(shù)總體上是減小的；②當(dāng)Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量由0增加到5%時(shí)，實(shí)測影響系數(shù)在增大；③Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量由5%增加到40%時(shí)，2種影響系數(shù)都在減小；④當(dāng)粉煤灰摻量在15%以內(nèi)時(shí)，規(guī)程影響系數(shù)小于實(shí)測影響系數(shù)，采用規(guī)程影響系數(shù)計(jì)算的水膠比低于采用實(shí)測影響系數(shù)計(jì)算的水膠比；⑤Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量在15%～40%時(shí)實(shí)測影響系數(shù)與規(guī)程影響系數(shù)基本一致，采用規(guī)程影響系數(shù)計(jì)算的水膠比與采用實(shí)測影響系數(shù)計(jì)算的水膠比非常接近。

2.2 單摻S95礦粉

單摻S95礦粉時(shí)規(guī)程影響系數(shù)與實(shí)測影響系數(shù)的相關(guān)關(guān)系見圖3。影響系數(shù)隨S95礦粉摻量變化曲線見圖4。

圖3 單摻S95礦粉時(shí)規(guī)程影響系數(shù)與實(shí)測影響系數(shù)的相關(guān)關(guān)系

圖4 影響系數(shù)隨S95礦粉摻量變化曲線

由圖3可見:單摻S95礦粉時(shí)規(guī)程影響系數(shù)與實(shí)測影響系數(shù)相關(guān)系數(shù)R2=-0.107，兩者不具有線性相關(guān)關(guān)系。其原因是JGJ 55—2011中規(guī)定，當(dāng)單摻S95礦粉且摻量在0%～30%時(shí)其影響系數(shù)均為1；而單摻S95礦粉且摻量在5%～30%時(shí)其實(shí)測影響系數(shù)均小于1。

由圖4可見：隨著S95礦粉摻量的增加，影響系數(shù)總體上是減小的，當(dāng)S95礦粉摻量分別為35%和45%時(shí)，其實(shí)測影響系數(shù)明顯偏離總體變化趨勢，存在試驗(yàn)誤差。當(dāng)S95礦粉摻量在30%以內(nèi)時(shí)，規(guī)程影響系數(shù)大于實(shí)測影響系數(shù)，且其差值隨著S95礦粉摻量的增加而增大，導(dǎo)致采用規(guī)程影響系數(shù)計(jì)算的水膠比高于采用實(shí)測影響系數(shù)計(jì)算的水膠比。S95礦粉摻量在30%～50%時(shí)規(guī)程影響系數(shù)與實(shí)測影響系數(shù)相差不大。

2.3 復(fù)摻Ⅱ級(jí)粉煤灰與S95礦粉

復(fù)摻Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95礦粉時(shí)規(guī)程影響系數(shù)和實(shí)測影響系數(shù)的相關(guān)關(guān)系見圖5。摻合料摻量為20%～45%時(shí)影響系數(shù)隨復(fù)摻比例變化曲線見圖6。

圖5 復(fù)摻摻合料時(shí)規(guī)程影響系數(shù)與實(shí)測影響系數(shù)的相關(guān)關(guān)系

圖6 摻合料摻量為20%～45%時(shí)影響系數(shù)隨復(fù)摻比例變化曲線

由圖5可見：復(fù)摻Ⅱ級(jí)粉煤灰與S95礦粉時(shí)規(guī)程影響系數(shù)與實(shí)測影響系數(shù)相關(guān)系數(shù)R2=0.807，兩者存在顯著線性相關(guān)。該線性關(guān)系式中斜率略大于1，說明了復(fù)摻摻合料時(shí)規(guī)程影響系數(shù)總體上略小于實(shí)測影響系數(shù)。

由圖6可見：復(fù)摻的摻量一定，2種摻合料的比例(粉煤灰：礦粉)變化實(shí)質(zhì)上是Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量在增加，S95礦粉摻量在減少，2種影響系數(shù)總體上均在減小。Ⅱ級(jí)粉煤灰：S95礦粉為25∶10和15∶30時(shí)實(shí)測影響系數(shù)明顯偏離了總體變化趨勢，存在試驗(yàn)誤差。Ⅱ級(jí)粉煤灰：S95礦粉為5∶35和5∶40時(shí)規(guī)程影響系數(shù)明顯偏離了總體變化趨勢，特別是比例為5∶40時(shí)規(guī)程影響系數(shù)明顯偏低，需要用實(shí)測值進(jìn)行修正，否則會(huì)影響到混凝土配合比設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。當(dāng)復(fù)摻的摻量為20%，25%，30%，35%，40%和45%時(shí)，在33種不同復(fù)摻比例中，僅有9種規(guī)程影響系數(shù)大于實(shí)測影響系數(shù)，其中2種實(shí)測影響系數(shù)存在明顯試驗(yàn)誤差，剩余24種規(guī)程影響系數(shù)小于實(shí)測影響系數(shù)。因此，復(fù)摻Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95礦粉時(shí)規(guī)程影響系數(shù)總體上小于實(shí)測影響系數(shù)，導(dǎo)致采用規(guī)程影響系數(shù)計(jì)算的水膠比低于采用實(shí)測影響系數(shù)計(jì)算的水膠比。

Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95礦粉等常用摻合料單摻和復(fù)摻時(shí)，規(guī)程影響系數(shù)與實(shí)測影響系數(shù)之間的差異會(huì)影響到水膠比的計(jì)算，那么是否會(huì)進(jìn)一步影響到混凝土配合比設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，以下采用實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

3 實(shí)例驗(yàn)證

采用實(shí)測強(qiáng)度為48 MPa的普通硅酸鹽水泥和碎石配制C25混凝土，根據(jù)JGJ 55—2011中水膠比計(jì)算公式，分別計(jì)算出規(guī)程影響系數(shù)和實(shí)測影響系數(shù)所對(duì)應(yīng)的水膠比及其差值，見表5。表中，規(guī)程影響系數(shù)、實(shí)測影響系數(shù)簡稱為規(guī)程、實(shí)測。

表5 規(guī)程影響系數(shù)和實(shí)測影響系數(shù)所對(duì)應(yīng)的水膠比及其差值

注：差值=規(guī)程影響系數(shù)所對(duì)應(yīng)的水膠比-實(shí)測影響系數(shù)所對(duì)應(yīng)的水膠比。

由表5可見：單摻Ⅱ級(jí)粉煤灰且摻量在40%以內(nèi)時(shí)，采用規(guī)程影響系數(shù)計(jì)算的水膠比與采用實(shí)測影響系數(shù)計(jì)算的水膠比差值在-0.05～0.01；單摻S95礦粉且摻量在50%以內(nèi)時(shí)，采用規(guī)程影響系數(shù)計(jì)算的水膠比與采用實(shí)測影響系數(shù)計(jì)算的水膠比差值在-0.06～0.05；復(fù)摻Ⅱ級(jí)粉煤灰與S95礦粉且摻量在45%以內(nèi)時(shí)，采用規(guī)程影響系數(shù)計(jì)算的水膠比與采用實(shí)測影響系數(shù)計(jì)算的水膠比差值在-0.08～0.08。

S95礦粉摻量為45%、Ⅱ級(jí)粉煤灰：S95礦粉為25:10時(shí)實(shí)測影響系數(shù)存在明顯試驗(yàn)誤差，Ⅱ級(jí)粉煤灰：S95礦粉比例為5:40時(shí)規(guī)程影響系數(shù)明顯偏低。如果不考慮這些因素，單摻Ⅱ級(jí)粉煤灰、單摻S95礦粉、復(fù)摻Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95礦粉時(shí)，采用規(guī)程影響系數(shù)計(jì)算的水膠比與采用實(shí)測影響系數(shù)計(jì)算的水膠比差值分別在-0.05～0.01,-0.02～0.05和-0.05～0.05。在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)度檢驗(yàn)在基準(zhǔn)水膠比±0.05 范圍內(nèi)進(jìn)行。由此可見，Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95礦粉等常用摻合料單摻和復(fù)摻時(shí)，在一定摻量范圍內(nèi)采用規(guī)程影響系數(shù)計(jì)算水膠比不會(huì)影響到混凝土配合比設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

1)單摻Ⅱ級(jí)粉煤灰且摻量在40%以內(nèi)時(shí)，規(guī)程影響系數(shù)與實(shí)測影響系數(shù)存在高度線性相關(guān)；單摻S95礦粉且摻量在50%以內(nèi)時(shí)，規(guī)程影響系數(shù)與實(shí)測影響系數(shù)不存在線性相關(guān)；復(fù)摻Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95礦粉且摻量在45%以內(nèi)時(shí)規(guī)程影響系數(shù)與實(shí)測影響系數(shù)顯著線性相關(guān)。

2)考慮到實(shí)測影響系數(shù)的誤差和規(guī)程影響系數(shù)的偏差，采用規(guī)程影響系數(shù)不會(huì)影響到混凝土配合比設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。