砂石作为混凝土的主要组成部分之一，是建筑行业中不可或缺的原材料。我国砂石资源主要分为天然砂和机制砂。天然砂在短期内不可再生，资源有限，过度开采会对环境造成不可逆的破坏，为了满足工程需求和保护环境，大力开发和利用机制砂已成为必然选择。与天然砂相比，机制砂具有资源优势和较优的力学性能等优点。然而，其市场供应不稳定，各地品质存在差异，导致混凝土质量难以保证。当前，将矿物掺合料掺入混凝土已成为改善混凝土性能的有效途径之一，可以提高混凝土拌合物的工作性能。矿物掺合料颗粒细度较小，有助于填充混凝土内部孔隙，提升混凝土的力学性能和耐久性。通过将工业废弃物中的矿物掺合料掺入混凝土，可以替代部分水泥用量节约工程成本，同时减少环境污染。
本研究选取了矿渣粉、钢渣粉和石灰石粉三种常用矿物掺合料，替代部分水泥用量，探讨它们对机制砂混凝土性能的影响规律，为机制砂混凝土工程应用提供有益的指导。
1主要原材料
⑴矿渣粉：采用芜湖某公司S95级磨细矿粉，其中，烧失量为2.9%，比表面积为593m2·kg-1，表观密度为2435g/cm3，流动度比为102%，28d活性指数为98.3%。
⑵钢渣粉:来自河北某金属公司，细度400目，粒径0～38μm，28d活性指数为76.1%。
⑶石灰石粉：产自江西，细度325目，粒径0～45μm，28d活性指数为75.3%。
（4）机制砂：采用产地为福建厦门的机制砂，该机制砂具有表观密度为2650kg/m3，堆积密度为1560kg/m3，石粉含量为4.5%，MB值为0.8，压碎值为6.5%、细度模数为2.8。
2试验设计
为了深入探究不同矿物掺合料(包括矿渣粉、钢渣粉以及石灰石粉)对机制砂混凝土的工作性能和力学性能产生的影响。
针对这些矿物掺合料，分别设置了5%、10%、15%和20%的掺入量替代水泥，相应的具体配合比见表1。
3试验结果与分析
3.1矿渣粉
图1展示了矿渣粉对机制砂混凝土拌合物工作性能的影响实验结果。从图中可以看出，矿渣粉对机制砂混凝土拌合物的工作性能影响较为显著。随着掺量的递增，拌合物的坍落度值先升高后降低，当掺量为10%时，坍落度值达到最大值240mm，比基准组提高了25.9%。随着粒化高炉矿渣粉掺量的增加，扩展度值逐渐增大，掺量为20%时，最大值为550mm，比基准组提高了22.7%。实验观察发现，拌合物的粘聚性和保水性较好，且并未出现离析和泌水现象。矿渣粉对机制砂混凝土拌合物工作性能影响的主要原因在于，矿渣粉大部分为菱角形的玻璃体颗粒，其表面相对水泥颗粒更光滑，有助于减小拌合物颗粒间的屈服应力。此外，由于矿渣粉的比表面积较大，它在拌合物中可以发挥微粉体的作用，起到润滑效果，降低拌合物的单位用水量，并释放出更多自由水，从而提升流动性。
图2展示了粒化高炉矿渣粉单掺时对机制砂混凝土力学性能的影响实验结果。从图中可以看到，随着粒化高炉矿渣粉掺量的递增，3d抗压强度逐步下降。当掺量为10%时，相较于基准组下降了26.8%；而到20%掺量时下降最低，比基准组减少了34.7%。在7d时，抗压强度先随着掺量增加而上升，后降低。当掺量为5%时，强度最高，比基准组提高了9.9%；掺量为10%时，抗压强度相对于基准组增加了6.5%。在28d时，抗压强度呈先升后降趋势，随着粒化高炉矿渣粉掺量增加。当粒化高炉矿渣粉掺量为10%时，抗压强度达到峰值，比基准组提升了6.4%。这些结果表明，矿渣粉对早期抗压强度有负面影响，但能够显著提高机制砂混凝土的中后期抗压强度。粒化高炉矿渣粉对机制砂混凝土力学性能的主要影响因素是其良好的火山灰活性。在28d时，活性指数为98.3%。因为粒化高炉矿粉属于二次水化，早期水化反应速度低于水泥，所以对早期强度产生不利影响。混凝土的早期强度主要来自水泥自身的水化反应。随着龄期的延长，粒化高炉矿渣粉的活性逐渐被激发，从而使得机制砂混凝土的后期强度增强效果显著。此外，粒化高炉矿渣粉可以与水泥共同产生复合胶凝作用，提高浆体与骨料间的粘结强度，改进骨料级配以及水化产物的含量和组合。同时，粒化高炉矿渣粉也能与水泥生成的Ca(OH)2反应，形成水化硅酸钙(C-S-H)和水化铝酸钙(C-A-H)。这些凝胶能有效填充孔隙，使内部结构更加密实。加入粒化高炉矿渣粉后，混凝土的界面过渡层厚度减小，同时形成空间网状结构来替代片状的Ca(OH)2晶体，从而提高结构的密实度和力学性能。
3.2钢渣粉
图3展示了钢渣粉对机制砂混凝土拌合物工作性能的影响实验结果。从图中可以看出，随着钢渣粉掺量逐渐增加，机制砂混凝土拌合物的坍落度数值先上升后下降。当掺量达到5%时坍落度值最大，相较于基准组提升了9.8%。然而，当掺量超过5%后，坍落度值逐渐减小，降到最低点时比基准组低了22.8%。拌合物的扩展度值随钢渣粉掺量的增加呈下降趋势。当掺量为5%时，扩展度与基准组相当，而当掺量为20%时，扩展度最小，比基准组下降了14.1%。加入钢渣粉后，拌合物的粘聚性和保水性显著提高，但掺量过高时，拌合物可能过于黏稠而粘底。总的来说，钢渣粉对机制砂混凝土拌合物的粘聚性和保水性有显著提升作用，但对流动性能产生负面影响。在钢渣粉单掺掺量为5%时，拌合物的工作性能最佳。造成这种现象的主要原因是，少量的钢渣粉能够发挥微集料效应起润滑作用。当钢渣粉掺量较小时，拌合物的坍落度有所增加，从而使拌合物既具有较好的流动性，又能避免离析和泌水现象，具有优良的工作性能。但由于钢渣粉比表面积较大、颗粒较细，需要更多的水分来湿润粉体表面，并且吸水性较高，会吸附浆体中大量水分。这导致自由水含量降低，对流动性能产生负面影响。因此，随着掺量的增加，粘聚性和保水性得到很大的提升，但流动性降低。
图4展示了钢渣粉单掺时对机制砂混凝土力学性能的影响实验结果。观察可知，随着钢渣粉掺量的递增，3d抗压强度逐步减小。当掺量为10%时，相较于基准组降低了1.2%；当掺量达到20%时，抗压强度最低，比基准组降低了17.8%。随着龄期的延长，机制砂混凝土的7d和28d抗压强度随钢渣粉掺量增加呈先升后降趋势。在7d时，抗压强度在掺量为10%时达到峰值，比基准组提高了18.1%；28d抗压强度在掺量为5%时达到最高值，比基准组提高了6.0%。当掺量为10%时，28d强度相对基准组提升了0.8%。这些结果表明，钢渣粉对机制砂混凝土的早期抗压强度有负面影响，但在一定掺量下能够提升其后期抗压强度。钢渣粉对机制砂混凝土力学性能的影响主要源于其在早期仅发挥填充作用，有助于改进混凝土内部孔隙结构并对强度产生正效应。但由于混凝土用量减少对强度的负效应显现，导致早期强度逐渐下降。钢渣粉的活性主要依靠水泥水化产物Ca(OH)2的激发。随着龄期的发展以及水化反应的进行，钢渣粉活性逐渐被激发，对强度的贡献能力增强。因此，后期强度得以提高。然而，当钢渣掺量过高时，水泥用量降低会导致水化产物减少，从而减弱对钢渣粉的激发能力，使得力学性能有所下降。
3.3石灰石粉
图5展示了石灰石粉对机制砂混凝土拌合物工作性能的影响实验结果。从图中可以看到，随着石灰石粉掺量的递增，机制砂混凝土拌合物的坍落度数值先上升后下降。当掺量达到15%时，坍落度值最大，比基准组提高了20.8%。与坍落度值相似，拌合物的扩展度值也有类似的趋势。当掺量为15%时，扩展度值最大，比基准组增加了21.9%。然而，掺量超过15%后扩展度值也开始下降。观察可知，拌合物没有出现离析和泌水现象，且粘聚性和保水性能较好。石灰石粉对机制砂混凝土拌合物工作性能的影响主要源于其“滚珠”效应。石灰石粉形态类似于矿渣粉，具有较大的比表面积和细颗粒。能够与水泥颗粒之间互相填充，优化胶凝材料颗粒，并分散在整个拌合物体系中。这种稀释作用有助于减少水分，并增加了自由水含量。由于石灰石粉密度低于水泥，用其替代部分水泥量会导致浆体含量有所增加，进而显著改善机制砂混凝土拌合物的流动性能。石灰石粉对水的吸附较小，因此对拌合物的粘聚性和保水性有一定程度的提升。当掺量超过15%时，由于拌合物粘聚性和保水性的提高，需水量增加，导致拌合物的坍落度值降低，流动性能稍有下降。
图6展示了石灰石粉单掺时对机制砂混凝土力学性能的影响实验结果。如图所示，3d抗压强度随着石灰石粉掺量递增呈现整体下降趋势。当掺量达到5%时，相较于基准组下降了5.5%；在掺量为20%时，抗压强度最低，较基准组降低了16.0%。在7d时，所有试验组的抗压强度均优于基准组，随着掺量增加先上升后下降，在5%掺量时，强度相较基准组提高了16.2%。在28d时，抗压强度随石灰石粉掺量的增加先升后降，5%掺量时达到最大值，比基准组提升了5.4%。这些结果表明，石灰石粉对机制砂混凝土的早期抗压强度有负面影响，但在一定掺量下可以增强后期强度。综合分析可知，在适当掺量下，石灰石粉能提升机制砂混凝土的力学性能且在单掺掺量为5%时力学性能达到最优。石灰石粉对混凝土力学性能的主要影响原因是其属性为惰性掺合料。石灰石粉在混凝土中能发挥晶核作用，加快水化过程。然而，由于水泥用量减少，早期强度仍会降低。随着水化过程的进行，强度降低的趋势减缓。此外，石灰石粉可以发挥微集料效应，有效改善胶凝材料体系的颗粒级配，从而增加结构密实性、改进内部孔结构、降低孔隙率以及优化混凝土的界面过渡区。这些因素共同提高了抗压强度。
4结论
本文设计5%～20%的四个单掺掺量，通过试验探讨了矿渣粉、钢渣粉和石灰石粉等矿物掺合料对机制砂混凝土工作性能和力学性能的影响规律。得到结论如下：
⑴在机制砂混凝土中掺入适量矿物掺合料替代水泥可以明显改善其拌合物的工作性能。矿渣粉、钢渣粉和石灰石粉都能在不同程度上提升拌合物的抗离析能力，降低混凝土拌合物离析和泌水风险。经过比较，矿渣粉对拌合物流动性的提升效果最为显著，而钢渣粉在提高拌合物粘聚性和保水性方面表现最佳，但对流动性有负面影响。石灰石粉能改善流动性、粘聚性和保水性能。
⑵在力学性能方面，四种矿物掺合料对机制砂混凝土的早期强度有不利影响，但在适当的掺量下，均能提升机制砂混凝土的中后期力学性能。（来源：《广东建材》2024.08）返回搜狐，查看更多
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