混凝土组成材料之矿物掺合料

混凝土矿物掺合料宋少民主讲明天的混凝土将含有较少的熟料，因此水泥业将成为水硬性胶凝材料业，一种向市场提供与水拌和时能硬化的微细粉末的工业。这种使矿物组分，而不是细磨熟料用量增大的做法，将有助于水泥业向更加符合各国政府提出的可持续发展的目标迈进。今天的水泥业沿着这个方向努力已经是非常必要了。Cementsofyesterdayandtoday；ConcreteoftomorrowP.-C.Aïtcin矿物细掺和料以活性氧化硅、氧化铝和其它有效矿物为主要成分，在混凝土中可以代替部分水泥、改善混凝土综合性能，且掺量一般不小于5%的具有火山灰活性或潜在水硬性的粉体材料。什么是混凝土矿物细粉掺和料？以活性氧化硅、氧化铝和其它有效矿物为主要成分，在混凝土中可以代替部分水泥、改善混凝土综合性能，且掺量一般不小于5%的具有火山灰活性或潜在水硬性的粉体材料。什么是混凝土矿物细粉掺和料？最早发现的矿物掺和料是意大利posolis地下储藏的大量沉积的天然火山灰──在2000多年前被当地人叫做“坑沙”。现在意大利的最好的火山灰是沸石化的凝灰岩，被认为其活性比无定形火山灰的活性高；矿物掺和料是指在混凝土拌合物中，为了节约水泥，改善混凝土性能加入的具有一定细度的天然或者人造的矿物粉体材料，是混凝土的第六组分。常用的矿物掺合料有：粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、沸石粉、燃烧煤矸石等。粉煤灰应用最普遍。⑴粉煤灰又称飞灰，是由燃烧煤粉的锅炉烟气中收集到的细粉末，其颗粒多呈球形，表面光滑，大部分由直径以µｍ计的实心和(或)中空玻璃微珠以及少量的莫来石、石英等结晶物质所组成。化学成分及矿物组成粉煤灰的化学成分因煤的品种及燃烧条件而异。一般来说，粉煤灰化学成分的变动范围为：SiO2含量约为40％～60％；Al2O3含量为20％～30％，Fe203含量为5％～10％，CaO含量2%～8%，烧失量3％～8％，SiO2和Al2O3是粉煤灰中的主要活性成分，粉煤灰的烧失量主要是未燃尽碳，其混凝土吸水量大，强度低，易风化，抗冻性差，为粉煤灰中的有害成分。粉煤灰在混凝土中的作用①活性行为和胶凝作用。粉煤灰的活性来源于它所含的玻璃体，他与水泥水化生成的Ca(OH)2发生二次水化反应，生成C-S-H和C-A-H、水化硫铝酸钙，强化了混凝土界面过渡区，同时提高混凝土的后期强度。粉煤灰在混凝土中的作用②充填行为和致密作用。粉煤灰是高温煅烧的产物，其颗粒本身很小，且强度很高。粉煤灰颗粒分布于水泥浆体中水泥颗粒之间时，提高混凝土胶凝体系的密实性。③需水行为和减水作用。由于粉煤灰的的颗粒大多是球形的玻璃珠，优质粉煤灰由于其“滚珠轴承”的作用，可以改善混凝土拌和物的和易性,减少混凝土单位体积用水量，硬化后水泥浆体干缩小，提高混凝土的抗裂性。④降低混凝土早期温升，抑制开裂。大掺量粉煤灰混凝土特别适合大体积混凝土。⑤二次水化和较低的水泥熟料量使最终混凝土中的Ca(OH)2大为减少，可以有效提高混凝土抵抗化学侵蚀的能力。⑥当掺加量足够大时，可以明显抑制混凝土碱骨料病害。⑦降低氯离子扩散能力，提高混凝土护筋性。以上作用在水胶比低于0.42时，较突出。粉煤灰质量等级低钙粉煤灰的密度一般为1.8～2.6g/cm3，松散容重为600～1000kg/m3，粉煤灰成品根据细度、需水量比、烧失量、含水量和三氧化硫含量划分为I、II、III个级别，各项物理性能指标应满足下表的要求。指标级别IIIIII细度（0.045mm方孔筛筛余），％不大于122545需水量比，％不大于95105115烧失量，％不大于5815含水量，％不大于11－三氧化硫，％不大于333粉煤灰物理性质指标和要求粉煤灰特性及利弊提高抗化学侵蚀性，降低混凝土温升，有利于混凝土耐久性，混凝土强度后期持续增长率高抗收缩开裂性较好改善拌和物施工性，但坍落度太大时，(I级)粉煤灰颗粒易上浮发生泌浆(要控制坍落度尽可能小)P.K.Mehta在美国加州大学伯克利分校Barker会堂剪力墙和基础加固工程中所用混凝土，用坍落度筒检测的坍落度只有100mm的混凝土拌和物，其泵送效果竟与坍落度为180mm的传统混凝土泵送效果一样。现场检测，HVFA混凝土坍落度为125mm时，可相当于180mm的普通混凝土。但由于用水量很低而不离析或泌水。图示该混凝土的流动特性，坍落度仅100mm。早期强度较低；大掺量时在较低气温下凝结缓慢；对养护要求较高(要降低水胶比),化学活性低，可促进硅酸盐水泥水化，但早期孔隙率大，碳化问题较突出(需采取对策)对水敏感，在无保湿的条件下，因内部黏度增加，阻碍持续泌水而会加剧塑性开裂(需加强保水养护).所以应该采取的技术措施主要是①要控制坍落度尽可能小。因为试验表明大掺量粉煤灰混凝土（HVFA）坍落度为125mm时，可相当于180mm的普通混凝土。但由于用水量很低而不离析或泌水。②注意不要过度振捣。③要降低水胶比，保证大掺量粉煤灰混凝土强度，尤其是早期强度。④注意及早、有效的养护以及足够的湿养护时间。初凝前后开始覆盖养护保证不失水。湿养护时间也很重要，最好养护14天，至少7天。(2)硅灰硅灰又称硅粉或硅烟灰，是从生产硅铁合金或硅钢等所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘，色呈浅灰到深灰。硅灰的颗粒是微细的玻璃球体，部分粒子凝聚成片或球状的粒子。其平均粒径为0.1µｍ～0.2µｍ，是水泥颗粒粒径的1/50～1/100,比表面积高达2.0×104m2/kg。其主要成分是SiO2（占90％以上），它的活性要比水泥高1～3倍。以10％硅灰等量取代水泥，混凝土强度可提高25％以上。硅粉的化学成分硅粉的火山灰活性指标高达110%，这与其化学成分有关。硅粉的SiO2含量很高，在80%以上，这种SiO2是非晶态、无定形的，易溶于碱溶液中，在早期即可与CH反应，可以提高混凝土的早期强度。生成的水化硅酸钙凝胶钙硅比小，组织结构致密。硅灰可以提高混凝土的早期和后期强度，耐磨性，抗腐蚀性提高。但自干燥收缩大，且不利于降低混凝土温升。因此，复掺时，可充分发挥他们的各自优点，取长补短。例如，可复掺粉煤灰和硅灰，用硅灰提高混凝土的早期强度，用优质粉煤灰降低混凝土需水量和自干燥收缩，在加之颗粒的填充作用，使混凝土更密实。由于硅灰具有高比表面积，因而其需水量很大，将其作为混凝土掺合料，须配以减水剂，方可保证混凝土的和易性。硅粉混凝土的特点是特别早强和耐磨，很容易获得早强，而且耐磨性优良。硅粉使用时掺量较少，一般为胶凝材料总重的5％～10％，且不高于15％，通常与其它矿物掺合料复合使用。在我国，因其产量低，目前价格很高，处于价格考虑，一般混凝土强度低于80MPa时，都不考虑掺加硅粉。(3)粒化高炉矿渣粉粒化高炉矿渣粉是指将粒化高炉矿渣经干燥、磨细达到相当细度且符合相应活性指数的粉状材料，细度大于350m2/kg，一般为400-600m2/kg。其活性比粉煤灰高。1862年，德国的E．Langen发现通过碱性激发，能发挥水淬矿渣的潜在水硬性。此后，在欧洲，矿渣作为一种水硬性材料进行了研究与开发，使矿渣与普通水泥一样，成为不可缺少的工程材料。粒化高炉矿渣在水淬时形成的大量玻璃体,具有微弱的自身水硬性。用于高性能混凝土的矿渣粉磨至比表面积超过400m2/kg，以较充分地发挥其活性，减少泌水性。研究表明矿渣磨得越细，其活性越高，掺入混凝土中后，早期产生的水化热越多，越不利于控制混凝土的温升，而且成本较高；磨细矿渣的特性及利弊具有潜在的水硬性，单独加水可以缓慢水化硬化，化学活性高，在盐类激发下，可提高活性能提高抗化学侵蚀性，后期强度增长率高化学收缩和自收缩较大比粉煤灰抗碳化性能较好比表面积超过4000cm2∕g时不降低混凝土温升，且自收缩随掺量(＜75%)而增大，对开裂敏感使用路线：控制细度，加大掺量在使用中不可一概而论如果矿渣磨得偏细，或掺得不多，且环境及混凝土体温度不低，早期也不注意及时的湿养护（给水），这时由于其水化潜热高于水泥，混凝土就会因硬化快、自身收缩较大，而开裂敏感性增大；但是，如果它粉磨细度较小，或掺量很大，或环境及混凝土体温度偏低，或早期注意及时的湿养护，由于它起始水化时间明显延迟（水泥用量少，pH值上升缓慢），自身收缩被湿养护所补偿，混凝土开裂敏感性就可以减小。掺合料在混凝土中的作用1)掺合料可代替部分水泥，成本低廉，经济效益显著。2)增大混凝土的后期强度。矿物细掺料中含有活性的SiO2和Al2O3，与水泥中的石膏及水泥水化生成的Ca(OH)2反应，生成生成C－S－H和C－A－H、水化硫铝酸钙。提高了混凝土的后期强度。但是值得提出的是除硅灰外的矿物细掺料，混凝土的早期强度当掺量超过一定比例时而降低。3)改善新拌混凝土的工作性。混凝土提高流动性后，很容易使混凝土产生离析和泌水，掺入矿物细掺料后，混凝土具有很好的粘聚性。像粉煤灰等需水量小的掺合料还可以降低混凝土的水胶比，提高混凝土的耐久性。4)降低混凝土温升。水泥水化产生热量，而混凝土又是热的不良导体，在大体积混凝土施工中，混凝土内部温度可达到50—70℃，比外部温度高，产生温度应力，混凝土内部体积膨胀，而外部混凝土随着气温降低而收缩。内部膨胀和外部收缩使得混凝土中产生很大的拉应力，导致混凝土产生裂缝。掺合料的加入，减少了水泥的用量，就进一步降低了水泥的水化热，降低混凝土温升。5)提高混凝土的耐久性。混凝土的耐久性与水泥水化产生的Ca(OH)2密切相关，矿物细掺料和Ca(OH)2发生化学反应，降低了混凝土中的Ca(OH)2含量；同时减少混凝土中大的毛细孔，优化混凝土孔结构，降低混凝土最可几孔径，使混凝土结构更加致密，提高了混凝土的抗冻性、抗渗性、抗硫酸盐侵蚀等耐久性能。6)抑制碱—骨料反应。试验证明，矿物掺合料掺量较大时，可以有效地抑制碱—骨料反应。内掺30％的低钙粉煤灰能有效地抑制碱硅反应的有害膨胀，利用矿渣抑制碱骨料反应，其掺量宜超过40％。7)不同矿物细掺料复合使用的“超叠效应”。不同矿物细掺料在混凝土中的作用有各自的特点，例如矿渣火山灰活性较高，有利于提高混凝土强度，但自干燥收缩大；掺优质粉煤灰的混凝土需水量小，且自干燥收缩和干燥收缩都很小，在低水胶比下可保证较好的抗碳化性能。矿物细粉掺和料的耐久性改善效应由于和游离石灰及高碱性水化硅酸钙产生二次水化，生成强度更高、稳定性更优、数量更多的低碱性水化硅酸钙，改善了水化胶凝物质的组成，并减少或消除了游离石灰，对提高混凝土耐久性作用极大。1、抗硫酸盐侵蚀性能显著提高，因为在水泥石中缺乏或不存在游离石灰时形成具有膨胀作用的钙矾石反应不能进行；2、在有碱集料反应产生的条件下由于矿物细粉掺合料的掺加在混凝土水化产物中形成大量低碱水化硅酸钙，它们能吸收和固定大量的钠、钾离子从而使混凝土中的有效碱含量大大减少，极大地减少了碱集料反应的危害性。3、矿物细粉掺合料的掺加它们填充集料和水泥颗粒的孔隙，使混凝土结构和界面更为致密，阻断了可能形成的渗透通路，使混凝土抗渗性大为提高。4、在低水胶比情况下，掺加矿物细粉掺合料，混凝土中的可冻水很缺乏，抗冻性大幅度提高，当然高抗冻性与与低水胶比直接相关，但也与掺加矿物细粉掺合料密不可分，例如，水科院李金玉等人研究同为0.26的水胶比，不掺加矿物细粉掺合料的C60混凝土其抗冻融循环只达到F250，而掺加矿物细粉掺合料的混凝土抗冻融循环可达F1000以上。5、对于碳化和钢筋锈蚀的担忧。掺加矿物细粉掺合料的可能带来的负面影响是混凝土的碱度降低，抗碳化能力减弱，引起保护钢筋的能力减弱。但是在低水胶比下，混凝土的碱度下降并不十分急剧。蒲心诚等人对大掺量粉煤灰水泥的碱度研究表明粉煤灰掺量从0提高至70%时PH值仅由12.6下降至12.06，说明粉煤灰掺加70%时，水泥胶砂的PH值仍然高于12，高于配筋结构允许的最低碱度11.5。除此之外，掺加矿物细粉掺合料，在低水胶比时密实性很高，水分甚至氧和二氧化碳都难以进入，这同样增大了混凝土的护筋性。总之，现代混凝土科学中最突出的两大成就：其一是高效外加剂的生产和应用；其二是矿物细粉掺合料的的研究、应用与