石灰石粉-矿渣-水泥(LS3)胶凝体系的水化动力学模型及力学性能预测

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0220

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (8): 2624-2636.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0220

石灰石粉-矿渣-水泥(LS³)胶凝体系的水化动力学模型及力学性能预测

吴浪¹^,²(), 潘文馨¹, 胡佳欣¹, 雷斌³, 艾建平²()

^1.江西科技师范大学土木工程学院，南昌 330013
^2.江西科技师范大学材料表面工程江西省重点试验室，南昌 330038
^3.南昌大学工程建设学院，南昌 330031

收稿日期:2026-03-10 修订日期:2026-04-14 出版日期:2026-08-15 发布日期:2026-09-01
通信作者: 艾建平，博士，教授。E-mail：1020151005@jxstnu.edu.cn
作者简介:吴浪（1981—），男，博士，副教授。主要从事水泥与混凝土材料细观力学方面的研究。E-mail：wulang19812005@126.com
基金资助:
国家自然科学基金(51968046);国家自然科学基金(52268043);江西省自然科学基金(20252BAC240392);江西省高等学校省级重点教学研究改革研究项目(JXJG-24-10-5);江西省学位与研究生教学改革研究项目(JXYJG-2022-168)

Hydration Kinetics Model and Mechanical Property Prediction of Limestone Powder-Slag-Cement (LS³) Binder System

WU Lang¹^,²(), PAN Wenxin¹, HU Jiaxin¹, LEI Bin³, AI Jianping²()

^1.School of Civil Engineering，Jiangxi Science and Technology Normal University，Nanchang 330013，China
^2.Jiangxi Provincial Kay Laboratory of Materials Surface Engineering，Jiangxi Science and Technology Normal University，Nanchang 330038，China
^3.School of Engineering and Construction，Nanchang University，Nanchang 330031，China

Received:2026-03-10 Revised:2026-04-14 Published:2026-08-15 Online:2026-09-01

摘要/Abstract

摘要：

矿渣与石灰石粉因成本低廉、低碳环保等优势，在水泥基材料中的应用日益广泛，将二者与水泥复合使用时，可发挥协同反应效应，从而改善混凝土的力学性能。为建立石灰石粉-矿渣-水泥（LS³）三元复合胶凝体系的一体化水化-强度优化模型，本文构建了一个整合化学反应、微观结构演化与宏观力学性能的水化-强度集成预测模型，用于模拟该体系的水化过程并计算各组分的反应程度。采用Bernard-Ulm-Lemarchand模型分析水化过程中的相体积分数演化，并结合反应程度、配合比与Powers理论，建立了凝胶-空间比与抗压强度之间的关系。在此基础上，通过参数分析计算得到混凝土强度等响应曲线。结果表明，石灰石粉主导早期（2~7 d）强度发展，而矿渣在后期（90~360 d）成为强度增长的主要驱动力。研究提出，石灰石粉掺量8%~12%、矿渣掺量15%~25%为该体系实现全龄期强度均衡发展的优化区间，抗压强度预测值与实测值的相关系数达0.95，均方根误差为1.35 MPa，所构建模型的预测结果与独立试验数据吻合良好。本研究为低碳胶凝材料的精准设计与工程应用提供了理论模型与计算依据。

关键词: 矿渣, 石灰石粉, LS³胶凝体系, 水化动力学模型, 强度预测

Abstract:

Utilizing slag and limestone powder as issueary cementitious materials in cement-based composites has become increasingly widespread due to their low cost and low-carbon characteristics. When combined with cement， they exhibit synergistic reactions that enhance the mechanical properties of concrete. To establish an integrated hydration-strength optimization model for the limestone powder-slag-cement （LS³） ternary composite binder system， this study developed an integrated hydration-strength prediction model that couples chemical reactions， microstructural evolution， and macroscopic mechanical behavior to simulate the hydration process and calculate the reaction degrees of individual components. The Bernard-Ulm-Lemarchand model was employed to analyze the evolution of phase volume fractions during hydration. Combined with the degree of reaction， mixture proportions， and Powers’ theory， the relationship between gel-space ratio and compressive strength was established. Response curves of concrete strength were then obtained through parametric analysis. The results indicate that limestone powder dominates early age （2 d to 7 d） strength development， whereas slag acts as the main driver for laterage （90 d to 360 d） strength growth. It is proposed that a limestone powder content of 8% to 12% and a slag content of 15% to 25% constitute the optimal range for balanced strength development across all ages in this system. The predicted compressive strengths show a correlation coefficient of 0.95 with experimental values and a root mean square error of 1.35 MPa. The model predictions agree well with independent test data. This study provides a theoretical model and computational basis for the precise design and engineering application of low-carbon cementitious materials.

Key words: slag, limestone powder, LS³ binder system, hydration kinetic model, strength prediction

中图分类号:

TU528

吴浪, 潘文馨, 胡佳欣, 雷斌, 艾建平. 石灰石粉-矿渣-水泥(LS³)胶凝体系的水化动力学模型及力学性能预测[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(8): 2624-2636.

WU Lang, PAN Wenxin, HU Jiaxin, LEI Bin, AI Jianping. Hydration Kinetics Model and Mechanical Property Prediction of Limestone Powder-Slag-Cement (LS³) Binder System[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(8): 2624-2636.

图/表 7

表1 石灰石粉、矿渣、水泥砂浆的混合比例［34］

Table 1 Mixing ratio of limestone powder， slag， and cement mortar［34］

Mortar	Mixing ratio/%			Water to binder ratio
Mortar	Cement	Limestone powder	Slag	Water to binder ratio
PC	100	0	0	0.5
C5L0S	95	5	0	0.5
C0L15S	80	0	30	0.5
C5L30S	65	5	30	0.5
C5L20S	75	5	20	0.5
C10L10S	80	10	15	0.5
C15L20S	65	20	10	0.5

表2 石灰石粉、矿渣和水泥的各项矿物组分含量

Table 2 Chemical composition and physical properties of limestone powder， slag， and cement

Binder	Chemical composition （mass fraction）/%								Blaine/（m²·kg^-1）
Binder	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	CaO	SO₃	Na₂O	K₂O	Blaine/（m²·kg^-1）
Cement	20.0	5.4	3.1	2.9	60.6	1.5	0.5	1.2	450
Slag	50.0	23.9	6.0	2.1	6.3	0.4	0.6	1.4	450
Limestone powder	12.9	2.4	2.0	1.8	42.3	—	0.5	0.6	810

表3 各相的摩尔质量及密度［35］

Table 3 Molar mass and density of constituent phases［35］

Clinker（x）	Molar mass M/（g·mol^-1）	Density/（g·cm^-3）	Clinker（x）	Molar mass M/（g·mol^-1）	Density/（g·cm^-3）
C₃S	228	3.15	FH₃	107	3
C₂S	172	3.28	$C S ¯ H 2$	172	2.32
C₃A	270	3.03	CSH	227	2.04
C₄AF	430	3.73	CH	74	2.24
$C 4 A S ¯ H 12$	623	1.99	C₃（A，F）H₆	1 255	1.75
Limestone powder	100.09	2.71	$C 6 A S ¯ 3 H 32$	407	2.67
$C 4 A C ¯ H 11$	—	2.17	Slag	—	2.8~3.0
Water（H₂O）	18	1

表3 各相的摩尔质量及密度［35］

Table 3 Molar mass and density of constituent phases［35］

Clinker（x）	Molar mass M/（g·mol^-1）	Density/（g·cm^-3）	Clinker（x）	Molar mass M/（g·mol^-1）	Density/（g·cm^-3）
C₃S	228	3.15	FH₃	107	3
C₂S	172	3.28	$C S ¯ H 2$	172	2.32
C₃A	270	3.03	CSH	227	2.04
C₄AF	430	3.73	CH	74	2.24
$C 4 A S ¯ H 12$	623	1.99	C₃（A，F）H₆	1 255	1.75
Limestone powder	100.09	2.71	$C 6 A S ¯ 3 H 32$	407	2.67
$C 4 A C ¯ H 11$	—	2.17	Slag	—	2.8~3.0
Water（H₂O）	18	1

图1 LS3胶凝体系中各掺合料的反应程度（图中C为水泥）

Fig.1 Performance evaluation of LS3 binder system （in picture， C means cement）

图2 LS3胶凝体系的相体积分数（65%水泥+5%石灰石粉+30%矿渣）

Fig.2 Phase volume fraction of LS3 binder system （65% cement， 5% limestone powder， 30% slag）

图3 三元混凝土强度发展和分析结果与试验数据对比

Fig.3 Strength development law of ternary blended concrete and comparison of analysis results with experimental data

图4 LS3胶凝体系抗压强度等响应曲线

Fig.4 LS3 binder system compressive strength and other response curves

参考文献 35

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石灰石粉-矿渣-水泥(LS³)胶凝体系的水化动力学模型及力学性能预测

Hydration Kinetics Model and Mechanical Property Prediction of Limestone Powder-Slag-Cement (LS³) Binder System

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