低水泥体系中矿粉对混凝土强度的增强机制与效应

引言

矿物掺合料在混凝土中的规模化应用是降低水泥用量、提升环境效益的重要技术路径。矿粉因其活性高、成本低且可改善混凝土耐久性，已成为关键掺合料之一。现有研究多聚焦于矿粉掺量对单一水泥体系强度的影响，而实际工程中常采用水泥-矿粉-粉煤灰复合胶凝体系。李洁文等通过系统的性能测试表明，在此复合体系中，双掺粉煤灰与矿粉对混凝土力学性能与耐久性能的改善效果均显著优于单掺[1]。刘永淼等通过混料设计研究发现，在此三元体系中，粉煤灰与矿粉双掺会因粒径不同产生“协同效应”，其对混凝土抗压强度的改善效果尤为显著[2]。李祝文等的研究表明，在C40 高性能混凝土中，粉煤灰与矿粉双掺不仅能获得最高的抗压强度，还能显著改善混凝土的抗碳化性能并有效控制温度裂缝，这对于大体积混凝土和特定环境下的应用至关重要[3]。孙和平通过价值分析指出，矿粉与粉煤灰双掺不仅能提升混凝土的力学与耐久性能，还具有显著的经济和环保效益[4]。值得注意的是，矿粉的增强效果可能受水泥用量的显著调控，但水泥用量与矿粉增强敏感性之间的定量关联机制尚不明确。尤其在低水泥体系中，矿粉的物理填充作用与火山灰反应是否协同增效，仍需系统验证。

为此，本研究通过设计低、中、高三种水泥用量的复合胶凝体系，固定胶凝材料总量，控制水胶比，探究矿粉掺量对混凝土7d、28d 抗压强度的敏感性规律。重点揭示水泥用量对矿粉填充效应及火山灰反应贡献的调控机制，旨在为低水泥混凝土中矿粉的高效利用提供依据，推动绿色混凝土的精细化设计。

1 材料和方法

1.1 实验材料

水泥：鹤林 P·O，42.5 级水泥，标准稠度用水量 29% ，细度 4.5% 。

碎石：公称粒径5～31.5。

机制砂：细度模数2.58，含泥量 5.6% 粉煤灰：鑫成，烧失量 2.4% ，需水量比 98% ，细度 17.2% 矿粉：海德，流动度比 99.5% ，细度 5.2%

1.2 试验设计：

为了研究不同水泥用量的情况下，水泥、矿粉、粉煤灰复合胶凝体系混凝土抗压强度对矿粉掺量的敏感性，设计三种工况：工况1，胶凝材料总量固定为 360kg/m³ ，水泥用量 30% ，即 108kg/m³ ，粉煤灰及矿粉总量 70% ，即 252kg/m³ ，矿粉在胶凝材料总量中的占比由 0% 按 5% 的梯度增加至 30% ，粉煤灰用量随之进行调整，配比设计见表 1，检测其7d，28d 强度；工况2，胶凝材料总量固定为 360kg/m³ ，水泥用量 40% ，即 144kg/m³ ，粉煤灰及矿粉总量 60% ，即 216kg/m³ ，矿粉在胶凝材料总量中的占比由0% 按 5% 的梯度增加至 30% ，检测其7d，28d 强度，配比设计见阿表 2；工况3，胶凝材料总量固定为360kg/m³ ，水泥用量 50% ，即 180kg/m³ ，粉煤灰及矿粉总量 50% ，即 180kg/m³ ，矿粉在胶凝材料总量中的占比由 0% 按 5% 的梯度增加至 30% ，检测其 7d，28d 强度，配比设计见表3。

表 1 工况1 混凝土配合比设计表

表2 工况2 混凝土配合比设计表

表3 工况3 混凝土配合比设计表

1.3 实验方法

混凝土按照 GB/T 50081-2019 《混凝土物理力学性能试验方法标准》中的方法，采用150mm×150mm×150mm 立方体试模成型试件，在温度为 20±5℃的环境中静置 24±2h ，并对试件进行编号、拆模，之后放入温度 20±2℃、相对湿度≥95%的标准养护室中进行养护，至 7d、28d 的规定龄期后取出试件，用精度为±1%的压力机进行立方体抗压强度试验，控制加荷速度为 0.5～0.8MPa/s 。

2 实验结果与分析

2.1 实验结果

工况 1 中，混凝土 7d 及 28d 抗压强度试验结果见表4，从表中可以看出随矿粉用量的增加，混凝土7d、28d 抗压强度均呈增长趋势。矿粉用量由 0% 增至 30% ，混凝土7d 抗压强度由 12.8MPa 增长至24.5MPa，增幅 91.4% ；凝土28d 抗压强度由 25.7MPa 增长至 40.2MPa ，增幅 56.4%_c 。从实验结果来看，混凝土7d、28d 抗压强度对矿粉掺量敏感性均较大，7d 抗压强度对矿粉掺量敏感性更大。

如表 5 所示，工况 2 中，随矿粉用量的增加，混凝土各龄期抗压强度整体呈现增长趋势，矿粉用量由0%增至 30% ，混凝土7d 抗压强度增长 61.1% ，28d 抗压强度增长 18.6% 。

如表 6 所示，工况 3 中，随矿粉用量的增加，混凝土各龄期的抗压强度初期略有波动，总体仍呈现增长趋势，矿粉用量由 0% 增至 30% ，混凝土7d 抗压强度增长 12.2% ，28d 抗压强度增长 10.8% 。

表 4 工况 1 下混凝土抗压强度试验结果

表 5 工况 2 下混凝土抗压强度试验结果

表6 工况3 下混凝土抗压强度试验结果

2.2 实验分析

实验结果表明，三种工况下，随矿粉用量的增加，混凝土强度均呈现增长趋势。

一方面源于矿粉的物理填充作用，由于矿粉的加入使掺合料的颗粒级配得到了优化，矿粉颗粒通常比粉煤灰更细，当掺合料中矿粉占比增加时，更多细颗粒填充水泥与粉煤灰颗粒间的空隙，形成更为紧密的“物理填充作用”，另外粉煤灰的球形颗粒互补，优化颗粒级配，提升浆体密实度，混凝土初始密实度提高从而提升抗压强度；李敏等研究指出，粉煤灰与矿粉复掺可优化界面过渡区（ITZ），增加界面的强度和密实度，这与本研究的强度提升现象相互印证[5]矿粉的高比表面积能吸附更多自由水，减少泌水通道；降低毛细孔连通性，减少水分蒸发后的大孔缺陷，使硬化混凝土孔隙结构更细小、更均匀。

另一方面，矿粉的二次火山灰反应活性高于粉煤灰，其水化生成的水化硅酸钙（C-S-H）凝胶数量更多、粒度更细。这些超细凝胶能够有效渗透并填充水泥浆体中更为细小的孔隙。从孔结构细化机理上看，粉煤灰颗粒及其水化产物主要作用于填充孔径在 100nm 以上的较大毛细孔；而矿粉的反应产物则能进一步填充细毛细孔乃至部分凝胶孔。

此外，矿粉的高活性使其对水泥水化产物氢氧化钙（ （Ca（OH）₂ ）的消耗能力远强于粉煤灰。矿粉用量增加能更有效地减少 Ca（OH） ₂晶体，尤其是界面过渡区（ITZ）内取向生长的、粗大的 Ca（OH） ₂晶体富集。这不仅削弱了ITZ 作为结构薄弱环节的不利影响，同时也为生成更多具有更强胶结能力的 C-S-H凝胶提供了反应基础，进一步增强了骨料-浆体界面的粘结强度。

将工况1、工况2、工况3 进行对比，矿粉增量相同的情况下，对比各龄期混凝土强度增长率，工况 1 最大，而工况3 最小，这反应出水泥用量不同的情况下，混凝土强度对矿粉掺量的敏感性不同。其原因在于，工况1 条件下，水泥匮乏导致基体疏松， 30% 的水泥量难以形成致密结构，导致孔隙率高，因此矿粉填充效应显著，矿粉颗粒比粉煤灰更细，可有效堵塞毛细孔，其用量的增加有效提升混凝土密实度；早期火山灰反应开始贡献，虽然火山灰反应较慢，但在7d 龄期，已有部分反应发生，其贡献相对于低起点显得更重要。

在水泥极度匮乏的情况下，矿粉的物理填充和早期火山灰反应对密实度和早期强度的提升效果被显著放大。后期随着火山灰反应持续进行，水化产物继续填充孔隙并连接结构。由于初始水泥用量低，矿粉带来的后期强度增长空间仍然很大。水泥用量低，矿粉的物理填充作用在早期作用巨大，火山灰反应在早期和后期相对贡献比例都很高。

工况 3 水泥初始用量最高，用量为胶凝材料总量的 50% ，早期水泥自身水化已经非常充分，提供了大量的早期水化产物和坚固的结构骨架，基准强度最高。物理填充作用空间最小，矿粉加入时，由于水泥水化产物本身已将结构填充得比较密实，因此矿粉颗粒可填充的“大空隙”显著减少，其物理改善密实度的效果大大减弱。早期火山灰反应贡献相对较弱，在水泥主导的致密结构中，早期火山灰反应的产物量相对较少，对强度的提升贡献占比很低。由此，在水泥主导的高强度、高密实度体系中， π² 粉早期的物理填充作用被大幅削弱，火山灰反应尚未充分展现。

中后期火山灰反应持续进行，高水泥用量已经生成了大量自身的水化产物，结构已经非常致密和坚固。矿粉火山灰反应生成产物对进一步提升强度的潜力非常有限。结构接近“饱和”状态。

3.总结与结论

本研究考察了不同水泥量的情况下，矿粉掺量对混凝土抗压强度的影响，主要结论为：

水泥用量与敏感性负相关，水泥用量越低，矿粉对混凝土抗压强度提升的敏感性越强，效果越显著。矿粉在低水泥体系中增效显著，水泥用量 30%时，矿粉掺量增至 30% ，7d 与 28d 强度分别提升91.4% 、 56.4% 。

物理填充主导早期增强，矿粉优化颗粒级配，填充孔隙，提升密实度，尤其在低水泥高孔隙基体中作用突出。

由此，低水泥混凝土可优先利用矿粉提升强度，高水泥体系需评估矿粉掺量性价比。

参考文献：

[1]李洁文，马凌宇，李桂芹.粉煤灰和矿粉对混凝土力学与耐久性能的影响研究[J]. 当代化工，2021，50（3）： 545-548. DOI：10.13840/j.cnki.cn21-1457/tq.2021.03.011

[2]刘永淼，段岳强，王瑞攀，等. 粉煤灰-矿粉-水泥三元胶凝材料对混凝土抗压强度的影响[J].厦门理工学院学报，2019，27（5）： 71-77. DOI：10.19697/j.cnki.1673-4432.201905012

[3]李祝文，桂霖彬，张飞，等.粉煤灰及矿粉对 C40 高性能混凝土性能影响的研究[J].建材世界，2025，46（2）： 24-28. DOI：10.3963/j.issn.1674-6066.2025.02.006

[4]孙和平.矿粉和粉煤灰双掺用于配制混凝土的价值分析[J].中国设备工程，2022（03 上）：252-253.

[5]李敏，高绪，赵瑜隆.粉煤灰和矿渣粉对高强混凝土耐久性的影响[J].山东交通科技，2024（6）：18-基金项目：科技特派员专项课题，项目编号：NZ25K61D