双掺法在高性能混凝土中的应用研究

双掺法在高性能混凝土中的应用研究【摘要】：【作者单位】：1、前言高性能混凝土（Highperformanceconcrete,简称HPC）是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土。它以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能重点予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。为此，高性能混凝土在配置上的特点是采用低水胶比，选用优质原材料，且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。在铁路工程上使用高性能混凝土,能够大幅度减少后期维护费用,符合当前世界可持续发展的战略方针。本文通过粉煤灰、矿渣粉双掺法在高性能混凝土中的应用和普通砼及单纯掺加粉煤灰混凝土的对比研究，从而表明采用双掺法在配制高性能混凝土中的优势。2、粉煤灰和矿粉的区别粉煤灰来源于热电厂排放的烟气经收尘处理后收集得到的飞灰；而磨细矿粉则是由炼铁高炉排出的熔融态矿渣经水淬（粒化）后再进行干燥、磨细加工而得到的超细粉末。一般粉煤灰含很高的SiO2、Al2O3，但CaO却非常低（仅为1-5%）；磨细矿粉则具有与普通硅酸盐水泥非常相近的化学组成，如CaO30-42%,SiO235-38%,Al2O310-18%,MgO5-14%，等。两者水化活性不同：粉煤灰不具有自身水化硬化特性，只能在有活性激发剂（如硅酸盐水泥等）作用下，才能具有强度；磨细矿粉却具有自身水化硬化特点，能在加水拌和后自行水化硬化并具有强度。当有硅酸盐水泥激发时，其活性得到更充分的发挥。两者的允许掺量不同：粉煤灰在水泥中的允许掺加量为20－40%，但在混凝土中最大掺量一般不超过35%；磨细矿粉在水泥或混凝土中的掺加量则可达20－70%。一些欧洲国家甚至允许掺到85%。两者在混凝土中的掺加方式不同：粉煤灰一般采用“超量”取代水泥方式以保证混凝土强度达标；磨细矿粉则通常采用“等量”取代水泥方式配制混凝土，其强度仍然可以满足设计要求。3、双掺的应用现状大量的研究表明掺加粉煤灰等矿物掺和料能降低水化热和减少拌合水，改善水化产物的微结构；通过火山灰反应，进一步改善浆体及骨料界面结构并增加混凝土后期强度与密实性，消耗薄弱的水化产物氢氧化钙；大掺量粉煤灰混凝土对氯离子有吸附作用，并能抑制碱骨料反应。现在实际工程中双掺工艺中有掺加粉煤灰和磨细矿渣粉与掺加粉煤灰和硅粉两种。3、双掺法试验本工程墩柱用混凝土为C30，环境类别T1，考虑现场用泵车施工，故设计坍落度为160～200mm。3.1原材料（1）水泥采用冀东海天水泥闻喜有限责任公司产强度等级为P.O42.5的水泥，主要性能指标见表1表1水泥主要性能指标密度（kg/m3）比表面积（m2/kg)标准稠度（%）凝结时间(min)抗折强度(MPa)抗压强度(MPa)初凝终凝3d28d3d28d3.0834026.02053005.829.68.449.2（2）高炉矿渣粉采用临汾三泰高新建材有限公司产S95磨细矿渣粉，主要性能指标见表2表2磨细矿渣粉主要性能指标烧失量（%）密度（m2/kg)比表面积（m2/kg)流动度比（%）活性指数28d（%）0.572.943096≥75（3）粉煤灰采用山西漳泽电力股份有限公司蒲州发电分公司产F类Ⅱ级粉煤灰，主要性能指标见表3表3含水率（%）烧失量（%）需水量比（%）细度（%）游离氧化钙含量（%）0.00.12≤9516.30.72（4）细骨料采用稷山华运砂场产中砂，细度模数为2.5，主要性能指标见表4表4表观密度（kg/m3）紧密密度（kg/m3）含泥量（%）泥块含量（%）云母含量（%）坚固性（%）轻物质含量（%）有机质含量（%）263016001.100.13.70.01合格（5）粗骨料采用新绛磊鑫石料厂产5～16、16～31.5两种碎石，比例30:70掺配为5～31.5mm连续级配碎石，主要性能指标见表5表5表观密度（kg/m3）堆积密度（kg/m3）含泥量（%）泥块含量（%）针片状（%）坚固性（%）压碎值（%）母材抗压强度（%）267015100.70458.1152（6）外加剂采用山西康特尔精细化工有限责任公司产聚羧酸系KTPCA高效减水剂，主要性能指标见表6表6减水率常压泌水率比压力泌水率比含气量抗压强度比收缩率比60min坍落度保留值1d3d7d28d277.046.92.7191180168145102175（7）水为施工现场地下水，主要性能指标见表7表7pH值不溶物（ml/L）可溶物（ml/L）28d抗压强度比氯化物（mg/L）硫酸盐（mg/L）7.550.00940.0010451.48399.253.2试验方法通过不掺任何掺合料、仅掺加粉煤灰和掺加粉煤灰、磨细矿渣粉三种不同的配合比，胶凝材料掺量选择一样，仅通过调节不同的用水量来设计出同样坍落度的配合比，并成型混凝土抗压强度试件和电通量试件。各混凝土配合比抗压强度、坍落度及电通量编号配合比(kg)抗压强度(MPa)坍落度(mm)电通量(C)水泥矿粉粉煤灰砂碎石水外加剂3d7d28d56d0306012284610674711211484.5627.430.538.241.01951951905892380//74711211484.943228/15274711211424.563.3试验结果4、试验成果的分析4.1粉煤灰对混凝土的改善作用(1)和易性用高质量的粉煤灰取代部分水泥可改善新拌混凝土的和易性，因为：(1)粉煤灰是由大小不等的球状颗粒的玻璃体组成，表面光滑致密，在混凝土拌合物中能起滚珠作用。(2)新拌混凝土中水泥颗粒易聚集成团，粉煤灰的掺入可有效分散水泥颗粒，释放更多的浆体来润滑骨料。(3)能减少用水量，使混凝土的水灰比降至更小水平，减少用水量，使混凝土的水灰比降至更低水平，减少泌水和离析现象。(4)具有良好的保水性，有利于泵送施工。(2)强度粉煤灰对混凝土强度的改善作用可从以下两个方面说明：(1)物理作用：粉煤灰的掺入可分散水泥颗粒，使水泥水化更充分，提高了水泥浆的密实度，降低混凝土的泌水，有利于混凝土中骨料---水泥浆界面强度的提高；(2)化学火山灰作用：粉煤灰矿物外加剂颗粒与Ca(OH)2，反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，有利于混凝土强度的提高。且随着龄期的增长，粉煤灰与Ca(OH)2，反应生成的水化产物不断增多，使混凝土后期强度有较大增长。所以在工程设计和施工中要利用后期强度，则更为有利。(3)水化热用粉煤灰代替部分水泥能有效降低水化热，降低混凝土的绝热升温。有资料表明，粉煤灰活性材料在头几天的水化程度并不十分明显，所产生的水化热仅及水泥的一半，用粉煤灰替代20％的水泥，可使7天的水化热下降1l%.(4)耐久性由于粉煤灰减少了混凝土的孔隙，使混凝土的抗渗性明显提高，改善了混凝土的抗化学腐蚀的能力,能有效地减少碱----骨料反应引起的混凝土膨胀，极大的提高了混凝土的耐久性。(5)抗渗性粉煤灰的三种效应均能提高混凝土的抗渗性：①形态效应。粉煤灰混凝土的铝硅酸盐玻璃微珠，可填充水泥浆体，提高混凝土的抗渗性；②活性效应。粉煤灰矿物外加剂中活性SiO2，、AI2O3，与水泥的水化物反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，降低了混凝土的孔隙率，改善了孔结构，提高了混凝土的抗渗性；③微集料反应。粉煤灰矿物添加剂中微细颗粒分布于水泥颗粒之间，有利于混和物的水化反应，增加了混凝土的密实性，提高混凝土的抗渗性。(6)干缩性混凝土的收缩性主要受用水量的影响，掺入粉煤灰可减少混凝土的用水量，抑制混凝土的干缩。试验表明，混凝土的干缩随着粉煤灰的含量提高而隆低。(7)碱--骨料反应碱--骨料反应是指骨料中的活性氧化硅和水泥中的碱发生反应，生成吸水产物，体积增大，导致混凝土的膨胀和开裂。混凝土中碱--骨料反应的发生条件除骨料具有活性SiO2外，还需混凝土中具有高碱性，还要有水。粉煤灰矿物添加剂取代部分水泥，不仅能降低混凝土的有效含碱量，还能产生物理化学作用，抑制碱------骨料反应。粉煤灰中含有的酸性氧化物SiO2，和水泥水化产生的Ca(OH)2。反应，同时高细度的掺合料微粒使K+、Na+、OH+富集在其表面，使骨料周围的碱金属离子及氢氧根离子减少，从而削弱了碱-----骨料反应。另外，水胶比的降低对碱--骨料反应也有缓解作用，尤其是不接触水的条件下，则没有碱-骨料反应的环境条件。4.2掺加超细度矿粉混凝土拌和物具有如下基本性能特点：（1）凝结时间延长，坍落度损失小，对夏季施工有利；（2）拌和物粘聚性增加，不易分层离析，可泵性好；（3）混凝土泌水减少，对减少沉降开裂有利。（4）矿粉掺量对混凝土强度发展有显著影响，应根据设计与施工要求，通过实验确定最佳的掺量范围。据相关研究表明：在标养条件下，掺量30-50%矿粉混凝土3天抗压强度约为空白混凝土的50-60%，7天时达到70-80%，28天及以后强度与空白混凝土持平并可持续增长。5、结论