浅谈矿物质超细粉对混凝土性能的影响

浅谈矿物质超细粉对混凝土性能的影响作者（单位）摘要：高性能混凝土是目前混凝土发展的主要方向之一，而矿质超细粉是高性能混凝土不可或缺的一部分。从近来几十年的得研究成果来看，制备高新能混凝土的技术途径基本上是在普通混凝土四种基本组分（水泥、水、细骨料和粗骨料）基础上复合超塑化剂（高效减水剂）和矿物质超细粉的方法。配置高性能混凝土是掺入超塑化剂是为了使其具有合适的工作性，而矿物质超细粉作为第六组分，是配置高新能混凝土必不可少的。这除了可以起到填充水泥石的效应外，由于这些矿质超细粉具有相当的火山灰活性，从而提高混凝土的密实性，对提高强度及后期强度的发展也十分有利，而且有些矿物质超细粉还具有辅助减水效果，可以减少混凝土的用水量或有益于改善混凝土的工作性。关键词：矿物质超细粉；填充效应；水灰比；界面过度结构；孔结构；碱-骨料反应1矿物质超细粉矿物质超细粉是指粒径10μm的矿物质粉体材料。由于超细化而具有新的特性：表面能高；对水泥空隙的微观填充作用；化学活性的提高。由于这些特性，使超细粉在水泥浆体中具有过去一般掺合料没有的功能。在我国GB1344-1999规定的矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥中，矿渣、火山灰质材料及粉煤灰是与水泥熟料共同粉磨的，这些掺合料的粒径与水泥粒子是大体相等的。而矿物质超细粉是作为混凝土的一个组分材料而被单独粉磨的。超细粉一般的比表面积≥6000gcm/2；而一般水泥的细度仅为2800-3200gcm/2左右。超细粉掺入水泥中起微观填充作用，并给混凝土带了许多新特性。工程上经常使用的高性能混凝土超细粉的品种有:硅粉（SF)、粉煤灰(FA)超细矿渣(BFS)。另外,还有超细沸石粉(NZ)、偏高岭土超细粉(MK)等等。2影响混凝土性能的因素2.1水灰比普通混凝土要想获得较高强度，主要是降低水灰比。通过Rüsh提出的相图，水灰比与水泥浆组成关系（如图-1所示）。混凝土的W/C0.38时，水全部水化后，水泥石中有水泥凝胶、凝胶水、毛细水和空隙。毛细水是可以在混凝土中扩散渗透的，这就造成了毛细管的存在，使混凝土的抗渗性降低，耐久性降低。普通混凝土水灰比（W/C）通常在0.4-0.8之间，所以在其水泥石中存在大量毛细孔，对混凝土的抗渗性和耐久性很不利。水灰比过低的话就会造成混凝土施工性能差，无法均匀密实的填充模板。图-1水泥浆组成与水灰比关系（水泥水化程度100%）2.2骨料和水泥浆的界面过度结构普通混凝土受压破坏时，一般沿着骨料和水泥浆的界面破坏。这是由于水泥浆与骨料的界面附近，形成一个过渡带，其特点是Ca(OH)2粗大的结晶与定向排列富集与界面上，而且往往存在许多孔隙、水囊和潜在的微裂缝。（如图2所示）。所以过渡带的强度低，抗渗性和耐久性都不好。图-2水泥浆-骨料界面的微观结构模型图（森野）2.3水泥石中的孔结构普通混凝土的水泥石中有大量的孔隙存在，这些空隙对混凝土的强度和耐久性都很不利。3掺入矿质超细粉后混凝土一些性能的变化3.1矿质超细粉改善骨料和水泥石之间的界面结构由于超细粉的火山灰活性和微填充效应，使得界面过度去孔隙率降低及2)(OHCa结晶含量降低。图-3为Khagat等以15%的硅粉取代水泥后，得到的混凝土（W/C=0.33)的界面过渡区孔隙率和原生CH明显降低。图-3含与不含硅粉（SF)的混凝土中，水泥石与粗骨料界面区形成简图（K.H.KhagatandP.C.Aitcin)图中a）不含SF的新拌混凝土，由于泌水，在粗骨料表面周围形成水囊，而界面连接处水泥粒子也不足；b）是在a）所示基体系统硬化后的过渡区。在过渡区存在着CH相、C-S-H相及流线的大量空隙，还有一些类似于针状物填充其间。c）含SF新拌混凝土，SF微粒填充于粗骨料周围的空间，而不是被水占据；d）是在c）的基体中的过渡区，孔隙率很低。3.2改善了水泥石的孔结构以20%的复合超细粉等量取代水泥，W/C=0.35制成的水泥净浆试件，标准养护7d、28d，测定的含于不含超细粉的孔结构如图1-4所示。图-4含（a）与不含（b）超细粉的水泥石结构（冯乃谦）（以20%复合超细粉等量取代水泥，W/C=0.35，标养7d、28d的孔结构）由图可见，7d龄期时，100nm以上大孔，不含超细粉的试件含量偏高一些。而100nm的孔含量，则含超细粉的试件偏高些。28d龄期时，含超细粉的试件，≥100nm的大孔含量明显少于不含超细粉的试件；100nm的小孔，明显地高于不含超细粉的试件。有大量的实验证明，≥100nm的大孔含量高，对混凝土的强度、抗渗性、耐久性都不利；100nm的孔含量高，有利于强度、抗渗性和耐久性。3.3矿质超细粉的减水作用由于矿质超细粉的比表面积都比较大，而且具有活性，在不掺入高效减水剂，对于新拌混凝土无明显的减水效果，甚至反而增水。但当与高效减水剂双掺时，其增塑减水效果急剧增加，表现出比单掺减水剂更优越的流动性。表-1为矿质超细粉掺合料的减水实验结果。表-1中的硅灰比表面积约为200000gcm/2，矿渣超细粉和粉煤灰的比表面积分别为8800gcm/2和7017gcm/2。表-1矿质超细粉掺合料减水率实验（蒲心诚）实验配比水泥/%矿物掺合料/%高效减水剂/%流动度/mm需水量/mL减水率/%硅灰粉煤灰矿渣11000000145112021000001.51507632.139010000145190-69.6490010001461101.79590001001451083.5769010001.51486442.979001001.51487235.789000101.51457632.19905500146174-55.41080101000146240-114.31180100100148215-92.0128001010014711017.913905501.51486145.51480101001.51455947.31580100101.51456244.61680010101.51457037.53.4降低水化热由于矿质超细粉具有火山灰活性，可以和水泥石水化放出的2)(OHCa反应，速率与水泥相比相当小，水化热也小。因此以超细粉置换一部分水泥后，水化热放出的速度减缓了。其中粉煤灰降低水化热的效果是最好的，矿渣超细粉次之。硅灰由于比表面积很大，火山灰活性反应的速率较快，它降低水化热的效果最差。在广州，某工程基础为满堂红大体积钢筋混凝土，在混凝土内掺30%矿渣粉以降低水化热。但凝结硬化后，由于水化放热，仍有大量的温度裂缝。后来改为内掺30%的粉煤灰，裂缝问题解决了。说明粉煤灰降低水化热的效果更好。3.5提高混凝土的体积稳定性。由于水化反应产物的体积相对于水化之前会减小，所以掺入超细粉置换水泥，会使水化反应产物减少，从而提高体积稳定性。粉煤灰对混凝土土体积稳定性最好。3.6抑制碱-骨料反应碱骨料反应是一个很复杂，大量的研究表明碱骨料反应需要有水和碱浓度很高的条件下进行。由于火山灰活性掺合料能与水泥石中的2)(OHCa反应，降低混凝土中碱的浓度，而且混凝土中加入超细粉使混凝土结构密实，毛细孔很少，使水渗透量小，从一定程度上抑制碱-骨料反应。通过冯乃谦在矿物质超细粉对碱-骨料反应（ASR)抑制的研究中可知，天然沸石超细粉对碱骨料反应的抑制最有效，当天然沸石超细粉（比表面积6000~8000gcm/2）取代混凝土中20%水泥，可以有效地抑制碱硅反应的有害膨胀。优于矿渣超细粉和粉煤灰。4结论因此，通过矿质超细粉在混凝土中得应用，改善了混凝土的一些施工性能，改善了骨料与水泥石的界面结构，改善了水泥石的孔结构；提高了混凝土的抗渗性、耐久性和强度。在混凝土中加入矿质超细粉是获得高性能混凝土很重要的一方面。但是，矿质超细粉对混凝土性能的影响并不都是好的方面。例如，在硅灰混凝土中，硅灰和水化硅酸钙在相当短的时间内就发生反应，生成凝胶状物质，使混凝土的坍落度损失加快；火山活性的矿物掺合料，与2)(OHCa反应，使碱含量，是混凝土的中性化速度加快。由于不同的矿质超细粉具有的物理和化学性质都不尽相同，所以要根据工程实际的需求选择合适的矿质超细粉，而且矿质超细粉不同的置换率对混凝土性能的影响不相同。所以为了更好地利用矿质超细粉，还需根据国家规范，查阅很多国内外的资料，根据工程实际情况要求，合理的选择矿质超细粉的种类和置换率，以及与之相匹配的水泥和骨料。参考文献：[1]冯乃谦.高新能混凝土结构.机械工业出版社[2]姚武.绿色混凝土.化学工业出版社[3]符芳.土木工程材料.东南大学出版社[4]王冲，蒲心诚.超细矿物掺合料对新拌混凝土的增塑减水机理分析.混凝土，2001，8:51~54[5]蒲心诚.应用比强度指标研究活性矿物掺合料在混凝土中得火山灰效应.混凝土与水泥制品，1997,6：