随着经济的快速发展，高层建筑层出不穷，因此对混凝土流动性及自密实提出了更高的要求。对于大流态水泥基材料的研究已经积累了很多成果，其中石丹丹研究了矿物掺合料和减水剂对混凝土性能影响分析，表明掺合料和减水剂能够有效地改善其特性；宋少民等研究了石灰岩机制砂级配对大流态混凝土性能的影响，石灰岩机制砂细度模数在4～7.5范围内，混凝土和易性较好。然而，尽管如此，迄今为止，关于矿物掺合料和减水剂如何影响混凝土特性的相关研究仍然有限，在大流态混凝土中关于矿物掺合料和减水剂对混凝土性能影响的研究还相对较少，本文旨在利用优化后的大流态混凝土配合比设计，同时借助性能检测数据结果，分析了矿物掺合料和减水剂是如何对混凝土性能产生影响，以期为大流态混凝土选取矿物掺合料、减水剂掺量和减水率提供借鉴。

1试验原材料

1.1水泥

大流态混凝土主要原料是水泥，水泥是一种无机、粉末状材料，与骨料以及适当水混合后，经过一系列物理化学反应，由流动态逐渐硬化为坚硬石材。试验选用P•O42.5普通硅酸盐水泥，密度为3100kg/m3。经试验测定其物理性能和矿物成分见表1和表2。

1.2细骨料

由于天然砂的不可再生性，结合近年来机制砂的市场使用情况，本研究采用机制砂进行试验，选用中砂，其石粉含量5%，密度为2600kg/m3。

1.3粗骨料

采用两种5mm～10mm和10mm～20mm的单粒级碎石，其密度为2650kg/m3；对于粒径为5mm～10mm的碎石按30%碎石总量作为取样，粒径为10mm～20mm的碎石按碎石70%总量取样。

1.4矿物掺和料

矿物掺合料的使用改善了大流态混凝土的性能，有助于减少二次污染，推动了可持续发展绿色混凝土的发展。本试验选用粉煤灰（密度为2200kg/m3）和矿渣微粉（密度为2950kg/m3）来配置大流态混凝土。

1.5减水剂

在混凝土的组成和数量保持不变的情况下，如果添加减水剂，就会明显改善混凝土的流动性，因此在大流态混凝土中被广泛采用。本试验选用高效减水剂和聚羧酸高性能减水剂来拌制大流态混凝土。

1.6水

城市自来水。

2配合比设计方法

按照JGJ55-2011中的混凝土配合比设计要求进行混凝土配合比设计。

2.1混凝土配置强度确定

当设计强度等级小于C60时，配置强度按式（1）计算：

fcu,0≥fcu,k+1.645σ（1）

式中fcu,0为混凝土配置强度，MPa；fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值，MPa；σ为混凝土强度标准差，MPa。其中，混凝土的强度标准差的数值可根据表3确定。

2.2水胶比确定

在混凝土强度等级不超过C60的情况下，根据公式（2）来计算混凝土水胶比：

式中αa和αb为回归系数，具体取值参照表4；fb为胶凝材料28d胶砂强度，MPa。

在矿物混合材料为粉煤灰和矿渣粉的情况下,可以根据公式（3）进行计算：

fb=1.1γfγsfce(3)

式中γf，γs为粉煤灰和矿渣粉的影响系数，其取值范围在0.85～1之间，根据掺量的不同，fce为水泥28d胶砂抗压强度（MPa），按公式（4）确定：

fce=γefce,g（4）

式中γe为水泥强度等级值的富裕系数，具体参照表5；fce,g为水泥强度等级值，MPa。

2.3单位用水量确定

依据工程环境与建筑需求，通过对混凝土流动性的要求（如坍落度的数值）及选用的骨料类型及其最大颗粒尺寸，决定合适的单位水用量。本研究使用碎石作为主要的粗集料，并设定其最大粒径为20mm，参照的标准用水量是215kg，针对大流态混凝土的单位水用量问题，按规定的坍落度达到90mm用水量为基准，按照每提升20mm的坍落度对应地增加5kg的单位用水量的原则去推算。当坍落度增大到180mm以上时，随坍落度提高适当降低用水量。另外，掺加外加剂混凝土的单位用水量按公式（5）计算：

mw0=m'wo(1-β)（5）

式中m'w0指每立方米混凝土在未添加外加剂的情况下达到坍落度要求所需的水量，kg；β为外加剂的减水率，%。

2.4胶凝材料、矿物掺和料及水泥用量

计算每立方米混凝土中胶凝材料的用量可依据公式（6）计算：

式中mb0为计算配合比每立方米混凝土中胶凝材料用量，kg。

根据公式（7）计算每立方米混凝土中的粉煤灰用量：

mf0=mb0βf（7）

式中mf0为计算配合比每立方米混凝土中粉煤灰用量，kg。

每立方米混凝土的矿渣粉用量按公式（8）计算：

mk0=mb0βk（8）

式中mk0为计算配合比每立方米混凝土中矿渣粉用量，kg。

每立方米混凝土的水泥用量按公式（9）计算：

mc0=mb0-mf0-mk0（9）

式中mc0为计算配合比每立方米混凝土中水泥用量，kg。

2.5外加剂用量

每立方米混凝土的外加剂用量按公式（10）计算：

ma0=mb0βa（10）

式中ma0为计算配合比每立方米混凝土中外加剂用量，kg。

2.6砂率确定

依据水胶比、骨料技术标准、混凝土混合物的特性以及建设需求，本研究选择38%～42%的砂率范围。

2.7粗、细骨料用量确定

本研究中混凝土粗、细集料用量采用体积法进行计算，见公式（11）和公式（12）。

式中ρc为水泥密度，kg/m3；ρf为粉煤灰密度，kg/m3；ρk为矿渣粉密度，kg/m3；ρg为碎石密度，kg/m3；ρs为水泥密度，kg/m3；α为混凝土的含气量百分比。

3配合比优化设计

按照以上配合比设计方法并根据原材料的性能参数，给出了五组大流态混凝土的配合比，见表6。

3.1第一组

混凝土坍落度要求180mm～220mm，矿物掺和料采用粉煤灰，掺量20%；采用普通减水剂，减水剂的减水率为20%，掺量为2%。依据原料的技术参数进行混凝土配合比设计，并确定了每立方米混凝土所需的主要原料数量，具体为：水泥342.05kg，碎石1068.02kg（其中粒径为5mm～10mm的碎石按碎石总量的30%取，粒径为10mm～20mm的碎石按碎石总量的70%取），砂712.02kg，水192.4kg，粉煤灰85.51kg，外加剂8.55kg。

结合原材料用量进行混凝土的拌制，拌制过程如图1所示。

试验结果如下：

（1）状态：有气泡，出现粘板现象，有轻微泌水现象。

（2）检测结果：坍落度206mm，扩展度650mm，620mm，平均值635mm，堆台高度80mm，表观密度2380kg/m3，误差0.8%。

（3）调整方法：增大砂率，40%调整到42%。

（4）调整后检测结果：坍落度207mm，扩展度640mm，615mm，平均值628mm，堆台高度80mm，表观密度2378kg/m3，误差0.9%。

3.2第二组

混凝土坍落度要求180mm～220mm，矿物掺和料采用粉煤灰和矿渣粉，掺量分别为20%、30%。采用普通减水剂，减水剂的减水率为20%，掺量为1.5%。依据原料的技术参数进行混凝土配合比设计，并确定了每立方米混凝土所需的主要原料数量，具体为：水泥240.05kg，碎石995kg，砂663kg，水192.4kg，粉煤灰96.2kg，矿渣粉144.3kg，外加剂6.71kg。结合原材料用量进行混凝土的拌制，试验结果如下：

（1）状态：出现粘板现象（外加剂掺量过多）。

（2）检测结果：坍落度230mm，扩展度700mm，650mm，平均值675mm，堆台高度60mm，表观密度2390kg/m3，误差0.4%。

（3）调整方法：砂石各增加5%

（4）调整后检测结果：坍落度215mm，扩展度525mm，500mm，平均值513mm，堆台高度50mm，表观密度2386kg/m3，误差0.5%。

3.3第三组

混凝土坍落度180mm～220mm，矿物掺和料采用粉煤灰和矿渣粉，掺量分别为20%、30%。采用高性能减水剂，减水率25%，掺量为1.3%。依据原料的技术参数进行混凝土配合比设计，并确定了每一、立方米混凝土所需的主要原料数量，具体为：水泥225.9kg，碎石1010.53kg，砂673.7kg，水180.75kg，粉煤灰90.38kg，矿渣粉135.56kg，外加剂5.87kg。结合原材料用量进行混凝土的拌制，试验结果如下：

（1）状态：外加剂过于饱和，流速过慢，料过于粘且气泡过多，外加剂掺量偏大。

（2）检测结果：坍落度206mm，扩展度650mm，620mm，平均值635mm，堆台高度80mm，表观密度2380kg/m3，误差0.8%。

（3）调整方法：增大砂率，40%调整到42%。

（4）调整后检测结果：坍落度207mm，扩展度640mm，615mm，平均值628mm，堆台高度80mm，表观密度2378kg/m3，误差0.9%。

3.4第四组

混凝土坍落度180mm～220mm，矿物掺和料采用粉煤灰和矿渣粉，掺量分别为25%、15%。采用高性能减水剂，减水率25%（按27%考虑），掺量为0.8%。依据原料的技术参数进行混凝土配合比设计，并确定了每立方米混凝土所需的主要原料数量，具体为：水泥245.48kg，碎石997.67kg，砂738.28kg，水175.93kg，粉煤灰102.29kg，矿渣粉61.37kg，外加剂3.27kg。结合原材料用量进行混凝土的拌制，试验结果如下：

（1）状态：保水性能良好。

（2）检测结果：坍落度200mm，扩展度640mm，620mm，平均值630mm，堆台高度82mm，表观密度2380kg/m3，误差0.8%。配合比设计合理，无须调整。

3.5第五组

混凝土坍落度200mm～240mm，矿物掺和料采用粉煤灰和矿渣粉，掺量分别为25%、15%。采用高性能减水剂，减水率25%（按27%考虑），掺量为1.1%。依据原料的技术参数进行混凝土配合比设计，并确定了每立方米混凝土所需的主要原料数量，具体为：水泥247.11kg，碎石1006.41kg，砂729.28kg，水177.1kg，粉煤灰102.97kg，矿渣粉61.78kg，外加剂4.53kg。结合原材料用量进行混凝土的拌制，试验结果如下：

（1）状态：良好。

（2）检测结果：坍落度200mm，扩展度550mm，535mm，平均值540mm，堆台高度110mm，表观密度2356，误差1.8%。配合比设计合理。

4影响因素分析

4.1矿物掺合料对混凝土配合比的影响

通过对比第一组与第二组的试验数据可以看出，当水的使用量保持一致时，加入了矿渣粉后，混凝土搅拌物的流动性得到了提升；同样地，从第三组和第四组的数据及状况来看，对于矿物掺合料的使用量应适度控制，避免过度注重成本效益以致影响到混凝土的质量。此外，进一步的研究表明，在大规模生产中，如果已经采用了高效的水泥减水剂，那么适当增加矿物掺合料的范围在40%左右，这有助于确保高质量的大流态混凝土。

4.2减水剂对混凝土配合比的影响

这项研究主要使用了高效和高性能的减水剂来拌制大流态混凝土。在拌制过程中，发现前两组试验出现了部分结块和轻微胶化现象。分析结果表明，第一组和第二组试验采用了高效减水剂，这种减水剂可以显著提高混凝土的早期强度和增强效果，水泥水化反应较快，导致在拌制过程中部分混凝土结块硬化。相比之下，后三组拌合物状态更好，混凝土拌合物更活跃，坍落效果更好，这主要是因为高性能减水剂具有良好的坍落度保持性能。此外，后三组拌合物中存在少量均匀分布的微小气泡，通过分析发现，第三组、第四组及第五组试验采用了高性能减水剂，该减水剂具有一定的引气性。

相较于普通的高效减水剂，高性能的减水剂能提供更高的减水效果，这使得其在大规模搅拌混凝土的过程中展现出显著的技术优越性和相对高的经济效益。混凝土拌制过程中可以发现，第一组和第二组试验中混凝土过于粘，出现粘板现象，并且流速过慢，通过分析可知，出现该现象主要就是外加剂过多导致。因此，为了避免这种情况的发生，在后续的三次试验中减少了第三组和第四组所使用的减水剂的比例，结果显示这种新的配比能够使材料更加灵活，并有效地缓解了之前粘板的问题。而对比来看，第五组的混凝土表现最为优秀，其流动性、保持水分的能力以及凝结力都达到了良好的水平，满足了大规模搅拌混凝土的需求。根据试验数据可以确定，如果要制作高质量的大流态混凝土，那么最佳的选择是加入1.1%比例的高性能减水剂。

5结语

在大流态混凝土配比优化设计的背景下，研究了矿物掺合料及减水剂对于混凝土特性的影响。相较于高效减水剂，高性能减水剂能带来更高的效率，尤其是在制作大流态混凝土的过程中，其技术的优越性和成本效益都更为明显。在采用高性能减水剂基础上，并在混合过程中加入约40%的矿物掺合料，同时将减水剂调整至1.1%时，可以得到性能较好的大流态混凝土。