1 课题背景
自1992年世界环境保护发展会议后,“人类走可持续发展道路”作为世界性的课题被提高到前所未有的高度,各国政府正采取措施尽可能地节约资源、能源和减少对环境的污染。据报道，建筑业消耗世界资源近40%，其中建材生产又是主要环境污染源之一。
国外前几年已在混凝土中大量使用掺合料以减少水泥熟料的耗用量，不少国家已制订了在混凝土掺加各种矿物掺合料的使用。在这方面，我国起步较晚，且各地区发展很不平衡。上海市粉煤灰、矿渣微粉的利用率在全国处于领先地位。尤其是近年来，对高钙粉煤灰应用研究和推广力度明显加大。上海建委科技委1996年9月份先后对“华能”、“电桥”、“鑫城” 牌高钙粉煤灰组织了产品鉴定，并于1998年10月份发布地方标准DBJ08-230《高钙粉煤灰混凝土应用技术规程》。与低钙粉煤灰相比，高钙粉煤灰具有活性高、需水量低的优点。然而也存在由于含有f-CaO，而可能影响体积安定性的缺点，故此在混凝土中掺加高钙粉煤灰应用技术的研究必须持慎重的态度。
利用粉煤灰颗粒球状形貌效应提高新拌混凝土的变形性能，可改善混凝土的泵送性能。一般而言，积聚在水泥浆体与骨料界面区的水化产物Ca(OH)2是混凝土的薄弱环节。粉煤灰的化学成分中(SiO2+Al2O3+Fe2O3)含量一般在75%以上，SiO2、Al2O3和Fe2O3在液相中可与Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，这样就减少或消除了混凝土中薄弱的Ca(OH)2结晶，改善了界面的粘结强度。粉煤灰具有“形态效应”、“微集料效应”和“活性效应”，这三大效应大大提高水泥水化产物的细观堆积密实度，降低了混凝土的空隙率，改变了孔结构，减少了连通毛细孔的量，因此，相对普通混凝土而言，提高了混凝土抗渗、抗冻和抗碳化能力。
生产矿渣硅酸盐水泥时，通常采用矿渣和水泥熟料混磨工艺，由于两种材料的硬度不一样，粉磨后的细度也不一样，使矿渣在水泥中的颗粒偏粗，而影响了矿渣潜在活性的发挥。而采用将矿渣按需要的细度粉磨，以矿渣微粉的形式直接掺入混凝土搅拌机生产矿渣微粉混凝土，既降低了能耗又利用了工业废渣，是既节能又保护环境的可持续发展道路。上海市地方标准DG/TJ08-501-1999《粒化高炉矿渣微粉在水泥混凝土中应用技术规程》于1999年9月份颁 布后，极大地推进了矿渣微粉在预拌混凝土中的应用，从而形成以水泥熟料为主、矿渣微粉及粉煤灰为辅的水泥基复合胶凝材料体系。宝山钢铁总厂年约产出300多万吨高炉水淬矿渣。矿渣微粉品质指标分为S115、S105、S95，实际上上海地区目前应用的矿渣微粉基本都是S95。
如上所述，上海地区Ⅱ级高钙粉煤灰、S95矿渣微粉已形成生产规模，通过对这两种矿物掺合料在预拌泵送混凝土中的应用，可大幅降低水泥用量，还可在大体积混凝土中防止温差裂缝，提高混凝土的耐久性，减轻对资源、能源和环境的负荷，提高混凝土质量，改善混凝土的可泵性，符合“走可持续发展道路”的原则，社会效益显而易见。预拌混凝土生产企业在取得社会效益的同时，应通过对高钙粉煤灰—矿渣微粉双掺泵送混凝土配合比的优化设计，在保证混凝土质量的前提下，提高企业的经济效益，做好配合比设计是对从事混凝土工程的技术人员的一个重要课题。
JGJ/T55-96《普通混凝土配合比设计规程》中推荐的配合比设计基本公式是针对水泥、水、砂、石四组分普通混凝土提出来的。在混凝土中掺加高钙粉煤灰后，应根据上海市地方标准DBJ08-230-98《高钙粉煤灰混凝土应用技术规程》中推荐的参数取用，对于Ⅱ级高钙粉煤灰，超量系数取1.1～1.5，再结合 GBJ146-90《粉煤灰混凝土应用技术规范》中推荐的粉煤灰混凝土配合比设计方法进行计算。若要在混凝土中再掺加矿渣微粉，对于等级为S95的矿渣微粉，其胶凝系数可根据掺量不同取1.00～0.90。无论是高钙粉煤灰还是矿渣微粉，不管是采取胶凝系数还是超量系数来进行配合比计算，这些系数取值均为估算值，如果在混凝土中同时掺加矿渣微粉和粉煤灰组成复合胶凝材料，那么在复合胶凝材料中的水泥性能会因掺合料不同，相互影响而产生互补效应，取用这些系数估算值可能偏差更大。许多从事预拌混凝土配合比设计的工程技术人员都有这样一个体会，对于同时掺加矿渣微粉和粉煤灰混凝土，套用JGJ/T55-96《普通混凝土配合比设计规程》中针对水泥、水、砂、石四组分普通混凝土提出的配合比设计的强度直线式作基准配合比设计，然后再用二个经验性的胶凝系数值(或超量系数值)进行混凝土配合比计算，不但配合比设计计算过程、试配小样调试过程过于繁复，而且精度较差。
本课题的目的是：利用上海市目前市场上已形成生产规模的两种矿物掺合料——Ⅱ级高钙粉煤灰、S95矿渣微粉，与常用的几种525普通硅酸盐水泥和PII型硅酸盐水泥，构成水泥基复合胶凝材料。通过大量试配试验, 研究水泥基复合胶凝材料三组份(水泥、矿渣微粉、粉煤灰)所占百分比不同时，水胶比与混凝土强度之间是否存在Bolomey线性关系，如果存在，进一步回归出直线方程式中两个回归系数A和B。从而根据回归出来的Bolomey公式，进行混凝土配合比设计。
2 原材料
(1)水泥：共选取5个生产厂家2个品种的525水泥，其物理性能如表1。
(2)矿粉：选取了上海水泥厂、吴淞水泥厂、东沟水泥厂3个生产厂家的S95矿渣微粉，其产品均是由宝钢高炉水淬矿渣磨细而来，宝钢水淬高炉矿渣化学成分如表2。
三家厂S95矿渣微粉技术质量指标如表3。
表1
|
水泥商标标号品种 |
南新525P.O |
525P.O |
泰立525P.O |
嘉新525P.O |
双凤P.Ⅱ型525R |
|
水泥生产厂家 |
南新水泥厂 |
浦东水泥厂 |
联合水泥厂 |
嘉新水泥有限公司 |
小野田水泥有限公司 |
|
细度(筛余量，%) |
2.9 |
2.1 |
0.7 |
0.2 |
比表面积为354m2/kg |
|
标准稠度，% |
27.6 |
25.2 |
27.00 |
26.1 |
— |
|
凝结时间 |
初凝 |
2h14 |
1h45 |
2h01 |
2h10 |
2h00 |
|
终凝 |
3h04 |
2h40 |
2h46 |
3h05 |
2h55 |
|
安定性(雷氏夹) |
合格 |
合格 |
合格 |
合格 |
合格 |
|
强度
(MPa) |
抗折 |
3天 |
6.4 |
6.1 |
6.1 |
7.1 |
6.8 |
|
28天 |
9.5 |
9.5 |
8.4 |
10.6 |
9.6 |
|
抗压 |
3天 |
35.2 |
34.2 |
35.5 |
38.3 |
42.1 |
|
28天 |
69.1 |
63.4 |
62.3 |
63.7 |
73 |
表2 水淬高炉矿渣化学分析
|
化学成分 |
SiO2 |
Fe2O3 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
MnO |
全S |
K* |
B** |
|
含量(%) |
34.32 |
0.54 |
15.06 |
39.57 |
5.96 |
1.76 |
0.70 |
1.68 |
1.77 |
*K(质量系数)=(CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+MnO)
**B(碱度)=(CaO+MgO+Al2O3)/SiO2
表3
|
矿渣微粉
生产厂家 |
流动度比(%) |
比表面积(m2/kg) |
SO3(%) |
活性指数(%) |
|
7d |
28d |
|
标准 |
实测 |
标准 |
实测 |
标准 |
实测 |
标准 |
实测 |
标准 |
实测 |
|
吴淞水泥厂 |
95 |
101 |
380 |
408 |
＜4.0 |
1.62 |
≥70 |
76 |
≥95 |
105 |
|
东沟水泥厂 |
95 |
106 |
380 |
392 |
＜4.0 |
0.04 |
≥70 |
82 |
≥95 |
105 |
|
上海水泥厂 |
95 |
99 |
380 |
573 |
＜4.0 |
1.00 |
≥70 |
72 |
≥95 |
103 |
(3)高钙粉煤灰：电桥实业有限公司Ⅱ级高钙粉煤灰，其技术质量指标如表4。
表4
|
性能指标 |
细度(45μm筛余%) |
烧失量(%) |
需水量(%) |
SO3(%) |
含水量(%) |
f-CaO(%) |
|
检测结果 |
19.5 |
1.32 |
95 |
1.40 |
0.31 |
2.42 |
(4)石子：5～25mm，产地浙江海盐和德清。
(5)砂: 安庆长江砂，细度模数2.3～3.0。
(6)外加剂：世强科技有限公司SQ-1混凝土泵送剂、麦斯特建材有限公司P621混凝土泵送剂。
3 基本参数确定
(1)水胶比取值从0.36至0.64，0.02/档，共分15档；
(2)胶凝材料总量从340kg/m3至540kg/m3，40kg/m3为一档，共分6档； | 
