低水泥用量胶凝体系的设计及其力学性能的研究

表3.13d抗折、抗压强度值（不掺加纤维素）Tab.3.13dFoldingandcompressivestrengthvalues(nocelluloseisadded)试验号矿渣粉掺量(g)纤维素掺量(g)水泥掺量(g)3d抗折强度(MPa)3d抗压强度(MPa)1004505.532.424504056.037.639003604.830.0413503155.532.8518002705.031.5图3.1不掺加纤维素时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件3d抗折强度值Tab.3.13dflexuralstrengthvaluesofcementmortarspecimenswithdifferentamountsofslagpowderwithoutcelluloseaddition图3.2不掺加纤维素时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件3d抗压强度值Tab.3.23dcompressivestrengthvaluesofcementmortarspecimenswithdifferentamountsofslagpowderwithoutcelluloseaddition图3.1和图3.2，根据试验结果分析可知，未添加纤维素的水泥胶砂试件表现出最优的抗折性能，其3天抗折强度达到6.0MPa。随着矿渣粉掺量的增加，试件抗折强度呈现先下降后小幅回升的变化特征。在抗压性能方面，当矿渣粉掺量为45g时，试件3天抗压强度出现峰值（37.6MPa），随后随掺量变化呈现先降后升再降的波动。综合分析表明，在纤维素掺量为0g且矿渣粉掺量控制在45g的配比条件下，水泥胶砂试件经3天养护后可同时获得最佳的抗折和抗压强度性能。表.7d抗折、抗压强度值（不掺加纤维素）Tab.3.7dFoldingandcompressivestrengthvalues(nocelluloseisadded)试验号矿渣粉掺量(g)纤维素掺量(g)水泥掺量(g)7d抗折强度(MPa)7d抗压强度(MPa)1004506.342.924504057.246.939003605.838.3413503156.041.3518002705.838.9图3.3不掺加纤维素时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件7d抗折强度值Tab.3.37dflexuralstrengthvaluesofcementmortarspecimenswithdifferentamountsofslagpowderwithoutcelluloseaddition图3.4不掺加纤维素时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件7d抗压强度值Tab.3.47dcompressivestrengthvaluesofcementmortarspecimenswithdifferentamountsofslagpowderwithoutcelluloseaddition试验数据分析表明，未掺加纤维素的水泥胶砂试件在7天养护条件下，其抗折强度随矿渣粉掺量的变化先升后降。具体而言，当矿渣粉掺量在0-45g范围内时，抗折强度随掺量增加而显著提升，最高可达7.2MPa；但当掺量超过45g后，抗折强度开始下降，在掺量达到90g时降至最低值5.8MPa。在抗压性能方面，试件同样表现出类似的规律。由图3.4可见，当矿渣粉掺量为45g时，抗压强度达到峰值46.9MPa，随后随掺量增加而降低。综合对比抗折与抗压强度变化可知，在纤维素掺量为0g且矿渣粉掺量优化至45g时，水泥胶砂试件在7天养护后能够同时获得最优的力学性能。表.28d抗折、抗压强度值（不掺加纤维素）Tab.3.28dFoldingandcompressivestrengthvalues(nocelluloseadded)试验号矿渣粉掺量(g)纤维素掺量(g)水泥掺量(g)28d抗折强度(MPa)28d抗压强度(MPa)1004508.749.124504059.553.139003607.641.7413503159.049.3518002708.345.9图3.5不掺加纤维素时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件28d抗折强度值Tab.3.28dflexuralstrengthvaluesofcementmortarspecimenswithdifferentamountsofslagpowderwithoutcelluloseaddition图3.6不掺加纤维素时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件28d抗压强度值Tab.3.628dcompressivestrengthvaluesofcementmortarspecimenswithdifferentamountsofslagpowderwithoutcelluloseaddition由图3.5得，当纤维素掺量为0g时，在矿渣粉掺量从0g达到45g之前，水泥胶砂试件的抗折强度随着矿渣粉的掺量增加而逐渐增大，最大值为9.5MPa。但当矿渣粉掺量超过45g时，抗折强度虽然也有上升的趋势但是仍然达不到9.5MPa，掺量达到90g时抗折强度达到最小值7.6MPa。图3.6中的信息可以看出抗压强度也有增大但是达不到掺量为45g时的强度值53.1MPa。综合图3.5和3.6来说，当纤维素掺量为0g，矿渣粉掺量45g时，养护28天水泥胶砂试件的抗折、抗压强度达到最大值。表.3d抗折、抗压强度值（纤维素掺量为4.5g）Tab.3.3dFoldingandcompressivestrengthvalues(cellulosecontentis4.5g)试验号矿渣粉掺量(g)纤维素掺量(g)水泥掺量(g)3d抗折强度(MPa)3d抗压强度(MPa)104.54504.631.52454.54055.533.83904.53605.834.741354.53155.333.051804.52704.833.2图3.7纤维素掺量4.5g时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件3d抗折强度值Tab.3.73dflexuralstrengthofcementmortarspecimenswithdifferentslagpowdercontentswhencellulosecontentis4.5g图3.8纤维素掺量4.5g时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件3d抗压强度值Tab.3.83dcompressivestrengthvalueofcementmortarspecimenswithdifferentslagpowdercontentswhenthecellulosecontentis4.5g图3.7和图3.8试验结果表明，在纤维素掺量为4.5g的条件下，水泥胶砂试件3天龄期的力学性能随矿渣粉掺量的变化呈现明显的规律性变化。具体表现为：（1）抗折强度方面，随着矿渣粉掺量的增加，试件强度呈现先升高后降低的变化，并在矿渣粉掺量达到90g时取得峰值5.8MPa；（2）抗压强度表现出相似的演变规律，同样在矿渣粉掺量为90g时达到最高值34.7MPa。综合分析显示，当材料配比为纤维素4.5g配合矿渣粉90g时，水泥胶砂试件在3天养护期后可同时获得最优的抗折和抗压强度性能。这一配比方案使胶砂材料在早期强度发展方面达到最佳平衡。表3.7d抗折、抗压强度值（纤维素掺量为4.5g）Tab.3.7dFoldingandcompressivestrengthvalues(cellulosecontentis4.5g)试验号矿渣粉掺量(g)纤维素掺量(g)水泥掺量(g)7d抗折强度(MPa)7d抗压强度(MPa)104.54506.041.52454.54056.242.23904.53606.743.141354.53156.041.351804.52706.242.5图3.9纤维素掺量4.5g时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件7d抗折强度值Tab.3.97dflexuralstrengthofcementmortarspecimenswithdifferentamountsofslagpowderwhencellulosecontentis4.5g图3.10纤维素掺量4.5g时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件7d抗压强度值Tab.3.107dcompressivestrengthofcementmortarspecimenswithdifferentslagpowdercontentswhenthecellulosecontentis4.5g图3.9和图3.10试验数据分析显示，在纤维素掺量4.5g的条件下，水泥胶砂试件7天龄期的力学性能与矿渣粉掺量存在显著关联。当矿渣粉掺量从0g增加至90g时，抗折强度由6.0MPa提升至6.7MPa，增幅达11.7%；继续增加矿渣粉掺量后，抗折强度回落至初始水平。抗压强度测试结果呈现相似规律，在矿渣粉掺量90g时取得43.1MPa的最高值。表.28d抗折、抗压强度值（纤维素掺量为4.5g）Tab.3.28dFoldingandcompressivestrengthvalues(cellulosecontentis4.5g)试验号矿渣粉掺量(g)纤维素掺量(g)水泥掺量(g)28d抗折强度(MPa)28d抗压强度(MPa)104.54507.647.72454.54057.648.23904.53608.150.141354.53158.352.051804.52707.448.3图3.11纤维素掺量4.5g时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件28d抗折强度值Tab.3.1128dcompressivestrengthofcementmortarspecimenswithdifferentslagpowdercontentswhenthecellulosecontentis4.5g图3.12纤维素掺量4.5g时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件28d抗压强度值Tab.3.1228dcompressivestrengthofcementmortarspecimenswithdifferentamountsofslagpowderwhenthecellulosecontentis4.5g图3.11和图3.12试验数据分析显示，在固定纤维素掺量4.5g的条件下，28天养护龄期的水泥胶砂试件力学性能随矿渣粉掺量变化呈现显著规律：（1）抗折强度演变特征：随矿渣粉掺量增加呈现单峰变化，在掺量135g时达到峰值8.3MPa，较基准组提升约39%；（2）抗压强度发展规律：同样遵循先增后减的变化模式，在135g掺量时取得52.1MPa的强度极值，较未掺矿渣粉试样提高约28%。优化配比试验表明，采用4.5g纤维素与135g矿渣粉的复合掺配方案，可使水泥胶砂材料在28天龄期时获得最优的综合力学性能，其抗折和抗压强度分别提升至8.3MPa和52.1MPa。这一配比为胶砂材料的长期强度发展提供了最佳材料组合方案。表3.3d抗折、抗压强度值（纤维素掺量为9.0g）Tab.3.3dFoldingandcompressivestrengthvalues(cellulosecontentis9.0g)试验号矿渣粉掺量(g)纤维素掺量(g)水泥掺量(g)3d抗折强度(MPa)3d抗压强度(MPa)109.04504.831.92459.04055.834.73909.03605.833.541359.03155.030.651809.02705.031.0图3.13纤维素掺量9.0g时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件3d抗折强度值Tab.3.133dflexuralstrengthofcementmortarspecimenswithdifferentamountsofslagpowderwhenthecellulosecontentis9.0g图3.14纤维素掺量9.0g时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件3d抗压强度值Tab.3.143dflexuralstrengthofcementmortarspecimenswithdifferentamountsofslagpowderwhenthecellulosecontentis9.0g图3.13和图3.14试验结果表明，在纤维素掺量为9.0g的条件下，水泥胶砂试件3天龄期的力学性能随矿渣粉掺量的变化呈现显著规律性。抗折强度表现为先上升后趋于平稳再下降的变化特征，在矿渣粉掺量45g时达到峰值5.8MPa；抗压强度则呈现典型的单峰变化，同样在45g掺量时取得最大值。综合分析表明，当采用9.0g纤维素与45g矿渣粉的复配方案时，水泥胶砂试件在3天养护后可同时获得最优的抗折和抗压强度性能，这一配比方案为早期强度发展提供了最佳的材料组合。表.7d抗折、抗压强度值（纤维素掺量为9.0g）Tab.3.dFoldingandcompressivestrengthvalues(cellulosecontentis9.0g)试验号矿渣粉掺量(g)纤维素掺量(g)水泥掺量(g)7d抗折强度(MPa)7d抗压强度(MPa)109.04505.841.52459.04056.242.93909.03606.140.541359.03156.039.751809.02705.839.6图3.15纤维素掺量9.0g时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件7d抗折强度值Tab.3.157dflexuralstrengthofcementmortarspecimenswithdifferentslagpowdercontentswhenthecellulosecontentis9.0g图3.16纤维素掺量9.0g时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件7d抗压强度值Tab.3.167dcompressivestrengthofcementmortarspecimenswithdifferentslagpowdercontentswhenthecellulosecontentis9.0g由图3.15可得，水泥基材料的抗折强度随着矿渣粉掺量的增加表现出来的变化并不是很明显，抗折强度最大值为6.2。从图3.16可以看出，水泥胶砂试件的抗压强度遵循同样的规律并在矿渣粉掺量45g时达到最大值42.9MPa。结合两图来看，矿渣粉掺量45g时，养护7天的水泥胶砂试件的抗折强度和抗压强度达到最大值。表.28d抗折、抗压强度值（纤维素掺量为9.0g）Tab.3.9dFoldingandcompressivestrengthvalues(cellulosecontentis9.0g)试验号矿渣粉掺量(g)纤维素掺量(g)水泥掺量(g)28d抗折强度(MPa)28d抗压强度(MPa)109.04507.649.12459.04058.349.33909.03608.350.141359.03158.146.651809.02707.948.5图3.17纤维素掺量9.0g时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件28d抗折强度值Tab.3.1728dflexuralstrengthofcementmortarspecimenswithdifferentamountsofslagpowderwhencellulosecontentis9.0g图3.18纤维素掺量9.0g时不同矿渣粉掺量的水泥胶砂试件28d抗压强度值Tab.3.1828dcompressivestrengthofcementmortarspecimenswithdifferentslagpowdercontentswhenthecellulosecontentis9.0g由图3.17可得，总体上水泥胶砂试件的抗折强度随着矿渣粉掺量的增加呈先升高后降低的波动趋势，并在矿渣粉掺量为90g时达到最大值8.3MPa。从3.18可以看出水泥胶砂试件的抗压强度最大值50.1MPa和最小值46.6MPa相差不大，且浮动较小。结合两图来看当纤维素掺量为9.0g，矿渣粉掺量90g时，养护7天的水泥胶砂试件的抗折、抗压强度达到最大值。根据以上的试验结果分析，我们发现当纤维素掺量为4.5g，矿渣粉掺量135g时，水泥胶砂试件的抗折、抗压强度达到一个较大值。另外，在矿渣粉用量较少的情况下水泥试件的抗折、抗压强度也出现了较大值，但是在综合考虑低水泥用量胶凝材料的整体性能以及原材料成本后，我们最终确定了一个更为均衡的方案，即矿渣粉掺量为135g，纤维素掺量为4.5g。这一方案在保证抗折、抗压强度的同时，也考虑到了成本效益和材料利用率的优化。因此，可以认为该方案是较为理想的选择。结论本文主要是以450g（水泥+矿渣粉）的胶凝材料、1350g的砂、部分水作为基础实验组，然后在胶凝材料中添加不同量的矿渣粉（0g，45g，90g，135g，180g），不同量的纤维素（0g，4.5g，9.0g）情况下制作的水泥胶砂试件并研究其力学性能的变化。合理设计实验方案并绘制柱状图对实验结果进行分析，得到水泥胶砂试件在养护3天、7天、28天后的抗折和抗压强度变化数据，现在对实验结果进行如下分析：（1）由抗折强度结果可以得到，纤维素掺加与否，水泥胶砂试件的抗折强度都会随着矿渣粉掺量的增加呈现出先增大后减小的趋势，并在一定的矿渣粉掺量达到一个较大值。因此，矿渣粉的掺入对水泥胶砂试件的抗折强度有较明显的影响。（2）由抗压强度结果可以得到，不管是单掺矿渣粉还是双掺矿渣粉和纤维素，两种因素的合理掺入都可以提高水泥胶砂试件的抗压强度，但随着水泥用量的减小，抗压强度的增长受限以致于最大值低于高水泥用量的胶凝试件。由此可得，水泥胶砂试件的抗压强度受水泥用量的影响较大，其次是矿渣粉和纤维素的掺量。（3）矿渣粉和纤维素对与水泥胶凝材料的力学性能具有一定的促进作用，但是要把握好两因素的掺量，否则并不会达到预期效果。参考文献[1]陈炜一,周予启,李嵩等.水化热抑制剂对水泥-粉煤灰胶凝材料水化和混凝土性能的影响[J].硅酸盐学报,2021,49(08):1609-1618.[2]韩笑,冯竟竟,孙传珍等.50℃养护下超细粉煤灰-水泥复合胶凝材料的性能研究[J].建筑材料学报,2021,24(03):473-482.[3]吴博,马雪,郑召等.碱激发矿渣-粉煤灰胶凝材料的风化性能[J].非金属矿,2020,43(1):6-10.[4]毕弘毅.大掺量矿物掺合料混凝土抗硫酸盐腐蚀性能研究[D].燕山大学,2018.[5]刘文忠.大掺量矿物掺合料混凝土的制备及其抗冻性研究[D].燕山大学,2016.[6]连志臻.大掺量矿物掺合料混凝土研究现状[J].居业,2023,(02):82-84.[7]孙军涛,张智超,刘利娟,等.玉米芯纤维素的制备及酶解糖化研究[J].中国食品添加剂,2022,33(7):89-96.[8]杨晨曦,王健,张海欧,等.纤维素纳米纤维的制备及其功能化技术进展[J].中国造纸学报,2023,38(1):128-133.[9]TracheD，TarchounAF，DerradjiM，eta1．Nanocellulose：FromFundamentalstoAdvancedApplications[J].FrontiersinChemistry，2020，8(06)：1-33.[10]WeiJQ，MeyerC．DegradationrateofnaturalfiberincementcompositesexposedtoVariousacceleratedagingenvironmentconditions[J].CorrosionScience，2014，88(11)：118-132．[11]WeiJQ，MeyerC．Improvingdegradationresistanceofsisalfiberinconcretethroughfiber