掺合料对混凝土的影响

矿物掺合料对高性能混凝土影响初探摘要：优良的矿物掺合料是制备高强高性能混凝土的有效途径。目前常用的矿物掺合料有：硅粉、粉煤灰、矿渣、沸石、页岩灰等。掺合料对混凝土的力学性能，耐久性能，耐疲劳性能，早龄期收缩特性，抗氯离子渗透的能力等方面都有影响，不同掺合料对高性能混凝土影响不同。关键词：矿物掺合料；高性能混凝土；影响0概述高性能混凝土技术（HPC）是当前建筑材料界的一个研究热点,提出它的目的是让人们在现有的配制水平基础上,通过利用优质水泥、优质掺合料以及外加剂等组分的匹配,改进工艺,使混凝土具备宜于浇筑、捣实而不离析的施工性能；能长期保持良好的力学性能；水化温峰小,体积稳定性好，以及在严酷的工作环境下使用寿命长久的耐用性能。近年来,随着社会和建筑业的不断发展,对高强高性能混凝土的需求日益增加。目前,世界各地纷纷展开了高强高性能混凝土的研究与开发工作。通过研究,人们逐渐达到了一种共识，应用优良的矿物掺合料（配以高效减水剂）是制备高强高性能混凝土的有效途径。高性能混凝土掺合料已是高性能混凝土的重要组成部分,将其直接掺入混凝土中,该技术已经较为成熟，并广为工程界所接受。因此,本研究项目正是适应形势的需要，既是混凝土科学发展的需要,更是走向可持续发展之路,利国利民的需要。1掺合料种类常用的矿物掺合料有：硅粉、粉煤灰、矿渣、沸石、页岩灰等。除硅粉和少数粉煤灰外,用于高强高性能混凝土的其它矿物掺合料通常需要再加工处理,以使其具有要求的性能。1.1粉煤灰用作高强混凝土的掺合料的粉煤灰一般选用I级灰。对于强度等级较低的混凝土，通过试验也可选用II级灰。粉煤灰应尽可能选用需水量小且烧失量低的粉煤灰。1.2磨细矿渣用作高强高性能混凝土的磨细矿渣应符合下列质量要求：比表面积宜大于4000cm2/g。需水量比宜不大于105%。烧失量宜不大于5%。1.3磨细天然沸石粉用作掺合料的天然沸石岩，应选用斜发沸石或丝光沸石，不宜选用方沸石、十字沸石以及菱沸石。磨细天然沸石粉应符合下列质量要求：铵离子净交换量不小于110meq/100g（斜发沸石）或120meq/100g（丝光沸石）。细度0.08mm方孔筛余不大于10%。抗压强度比不大于90%。1.4硅粉用作掺合料的硅粉应符合下列质量要求：二氧化硅含量不小于85%（质量分数）。比表面积（BET-N2吸收法）不小于180000cm2/g。密度约为2200Kg/m3。平均粒径0.1~0.2um。2矿物掺合料对高性能混凝土的影响：2.1混凝土力学性能测试结果分析[1]试验表明：对单掺矿物掺合料的高性能混凝土而言，在水胶比和坍落度相同的情况下，单掺硅灰的混凝土的强度最高，其次是掺粉煤灰混凝土，而掺矿粉的混凝土强度最低。不掺与单掺矿物掺合料的混凝土的抗压强度见图1和2。掺硅灰混凝土的强度较高，特别是早期强度。随着硅灰掺量的增加，混凝土强度随着增加，但在28d龄期以后，其强度增长很少。掺硅灰之所以能大幅度提高混凝土的强度，是由其特性决定的。硅灰的比表面积大，其平均粒径仅为0.1～0.2μm，要比水泥小2个数量级，并且硅灰具有高度的无定形性质以及高的SiO2[2]。小的球状硅灰填充于水泥颗粒之间，使胶凝材料具有良好的级配，加水拌和后填充于水泥浆体的孔隙之间，从微观尺度上增加了水泥石的密实度，强化了水泥基材，提高了强度。其次，硅灰的掺入会产生火山灰反应，这种反应能将对强度不利的Ca(OH)2反转化为C-S-H凝胶，并填充在水泥水化产物之间，有力地促进强度的增长，硅灰与Ca(OH)2反应，使Ca(OH)2不断地被消耗会加快水泥的水化速率，提高早期强度[3]。图1不掺与单掺矿物掺合料的混凝土的抗压强度对比图2双掺矿物掺合料的混凝土的强度对比由试验可以得出，单掺3%的硅灰混凝土强度比基准混凝土强度低。原因是由于硅灰的比表面积高达22000m2/kg，因此单方用水量比基准混凝土用水量高，由于硅灰的掺量较低，其对强度的增长作用不明显。粉煤灰由于其本身的化学成分、结构和颗粒形状等特征，其水化分两步进行，因此早期强度低，后期强度发展较快。从图1和图2也可以看出，粉煤灰混凝土28d龄期的混凝土强度比基准混凝土强度低，但到了90d龄期则已经赶上基准混凝土强度，即28d龄期以后粉煤灰混凝土强度仍有较大增长。这是因为在水泥的水化对混凝土的强度贡献下降后，持续的粉煤灰火山灰活性反应对强度的增长仍起着重要的作用，进而保证粉煤灰混凝土的后期强度继续增长。从图1的试验结果可以看出，在矿粉的掺量为70%的情况下，单掺矿粉的混凝土强度比基准混凝土强度低。这主要是由于矿粉的水化比纯水泥要慢（需要水泥水化产生的Ca(OH)2来激发），在高水胶比（高于0.30）的情况下，绝大部分水泥混凝土的早期强度比掺矿粉的混凝土的早期强度高。对于双掺矿物掺合料的混凝土而言，粉煤灰与硅灰混掺的混凝土强度最高，双掺矿粉与硅灰的混凝土强度与双掺矿粉与粉煤灰的混凝土强度接近。双掺矿物掺合料的混凝土的强度对比见图2。2.2掺合料对混凝土抗氯离子渗透性的影响分析在混凝土中掺入粉煤灰、矿粉、硅灰等矿物掺合料，提高混凝土的耐久性，降低了混凝土的电通量，其改善混凝土抗氯离子渗透的能力依次为硅灰＞矿粉＞粉煤灰。不掺与单掺矿物掺合料混凝土各组电通量对比见图3。硅灰的掺入能显著提高混凝土的抗氯离子渗透能力，特别是混凝土早期的抗氯离子渗透能力，并且随着硅灰掺量的增加，混凝土的抗氯离子渗透能力随着提高，见图4。图3不掺与单掺矿物掺合料混凝土各组电通量对比图4硅灰掺量对混凝土电通量的影响虽然硅灰能够很好氯离子渗透能力，但由于细度过细，使混凝土过于黏滞和表面缺少水分使抹面困难，容易出现塑性收缩裂缝。与普通混凝土和粉煤灰混凝土相比较，单掺矿粉能显著提高混凝土的抗氯离子渗透能力。在混凝土中掺入粉煤灰，混凝土抗氯离子渗透能力提高，这主要是因为粉煤灰的密实填充效应和火山灰效应，降低了混凝土的孔隙率以及改善了孔隙特征。粉煤灰微细颗粒的填充作用与二次水化产物使水泥浆体毛细孔隙细化和结构致密化。粉煤灰的掺入，显著降低了混凝土中的大孔含量及总的孔隙率，从而提高粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性能。掺粉煤灰和矿粉对改善混凝土的早期耐久性能不明显，但是随着龄期的延长，由于其持续的水化效应，耐久性能不断增强。双掺矿物掺合料同样可以改善混凝土抗氯离子渗透的能力，其改善混凝土抗氯离子渗透的能力的机理与单掺矿物掺合料的作用机理类同，首先是矿物掺合料的掺入改善了混凝土内部的微观结构和水化产物的组成，混凝土孔隙率降低，孔径细化，使混凝土对氯离子的扩散阻力提高，其次是矿物掺合料提高了混凝土对氯离子的物理吸附或化学结合能力，即固化能力。2.3矿物掺合料对混凝土耐久性能的影响【4】在混凝土中掺入一定比例的矿物掺合料，能够提高其抗侵蚀能力，增强结构的耐久性。掺入矿物掺合料有利于延迟水化热峰值时间、降低水化热，减少温度裂缝的发生。在施工中结合工程特点和各种材料供应情况，采取不同的矿物掺合料配伍方式优化混凝土配合比，能够为企业创造良好的技术经济效益和社会效益。2.4掺合料对高性能混凝土早龄期收缩特性的影响【5】1）硅灰的加入不会增加混凝土早期干燥收缩,但对早期自生收缩略有增大作用.粉煤灰的掺入能大幅度地降低混凝土早期自生收缩,但也会降低混凝土早期强度,从而增大了早期干燥收缩,使其对干燥条件下混凝土的总收缩值降低并不明显.因而工程中宜采用复合掺入的方式以抵消单一掺合料带来的负面影响;2)磨细矿渣对混凝土早期收缩的影响与掺量、龄期等有关,掺量较小时会增加1d后自生收缩,掺量较多时因强度发展缓慢,能明显降低自生收缩,但却对早期干燥收缩不利,使得混凝土在干燥条件下的总收缩值反而大于基准混凝土,因而应对此类混凝土加强早期保湿养护;3)与同水胶比的基准混凝土相比,加掺合料混凝土早期自生收缩比与其抗压强度比之间存在很好的线性关系;4)对于同水胶比的混凝土,早期干燥收缩与试件的水分散失率间呈近似的对数函数关系.2.5矿物掺合料对混凝土疲劳性能的影响【6】根据对不同磨细矿渣和粉煤灰掺量的混凝土的静力强度及在不同应力水平下疲劳寿命试验分析，可以得出：磨细矿渣的掺量超过50％后会导致混凝土强度的降低，在磨细矿渣掺量达到80%时，混凝土强度产生较大幅度的降低。粉煤灰掺量小于30％时，混凝土的强度变化不大，在大掺量时则对强度的负面影响显著。矿物掺合料掺量较低时，应力水平S与疲劳寿命的对数值基本上呈现良好线性关系。但当磨细矿渣掺合料达到80％（PL4配合比），粉煤灰掺量达到50％（PL6配合比），在S=0.85与S＝0.80之间的斜率明显不同,使整个连线发生了弯折。30％磨细矿渣掺量的混凝土在各级应力水平下的疲劳寿命与基准混凝土差别不大，而当磨细矿渣掺量大于30％时，疲劳寿命随磨细矿渣掺量的变化趋势与应力水平S有关。当S≤0.80时，疲劳寿命N随磨细矿渣掺量的增加而增加；当S0.80时，疲劳寿命随磨细矿渣掺量的增加而下降。粉煤灰掺量对疲劳寿命的影响同样与应力水平S有关，当S≤0.80时，疲劳寿命N随粉煤灰掺量的增加而增加；而当S0.80时，混凝土疲劳寿命随粉煤灰掺量的增加而降低。根据疲劳方程计算得到各配合比混凝土疲劳寿命N=2×106时的疲劳强度折减系数在0.624～0.691之间。大掺量矿物掺合料混凝土(PL4配合比和PL6配合比)的疲劳强度折减系数明显要大于其他配合比混凝土。相同应力水平下，疲劳寿命近似服从两参数威布尔分布；95％保证概率下各配合比混凝土的疲劳强度折减系数在0.518～0.648，且疲劳强度折减系数具有随矿物掺合料掺量的增加而增大的趋势。3结论：掺合料对高性能混凝土的影响是多方面的，本文主要从混凝土疲劳性能、早龄期收缩特性、力学性能、耐久性能、抗氯离子渗透性等方面进行研究。对单掺矿物掺合料的高性能混凝土而言，在水灰比和坍落度相同的情况下，混凝土的抗压强度按硅灰、粉煤灰、矿粉递减。在混凝土中掺入粉煤灰、矿粉、硅灰等矿物掺合料，可以改善混凝土的抗氯离子渗透性，提高混凝土的耐久性，其改善混凝土抗氯离子渗透的能力依次为硅灰＞矿粉＞粉煤灰。大掺量矿物掺合料混凝土的疲劳强度折减系数明显要大于其他配合比混凝土。各种掺合料对混凝土早期收缩影响不同，因而工程中宜采用复合掺入的方式以抵消单一掺合料带来的负面影响。参考文献：[1]罗碧丹等.矿物掺合料对混凝土性能的影响[B].水运工程，2009,（3）[2]肖佳,周士琼,徐亦冬.粉煤灰、硅灰对水泥胶砂性能影响的试验研究[J].混凝土,2003(8):28-30.[3]姜德民.硅灰对高性能混凝土强度的作用机理研究[J].建筑技术开发,2001(4):44-46.[4]赵年全.矿物掺合料对高性能混凝土力学和耐久性的影响分析[B].铁道建筑,2010，(4).[5]高小键等.加掺合料高性能混凝土早龄期收缩特性[J].哈尔滨工业大学学报，2004,36(12)[6]郑克仁等.东南大学博士学位论文.2005,TU528