标签: 建筑材料
文章摘要：
高性能混凝土中的矿物细掺料
汤美清 张传敏
（无锡城建职大） （清华大学 100084）
摘要：随着混凝土技术的发展，高性能混凝土越来越受到人们的重视，混凝土的强度已不再是选择混凝土的唯一标准，在有些条件下，一些不太重要的性能对混凝土的选择起决定作用。因此，根据需要开发适应不同工作性能的高性能混凝土是现代混凝土技术的热点。在配置高性能混凝土时，矿物细掺料已成为其必不可少的组分。本文对几种常用矿物细掺料在高性能混凝土中的机理分析与作用对比，发现矿物细掺料在高性能混凝土中作用的共同特征，为高性能混凝土矿物细掺料的优选和开发新的更加经济的矿物细掺料提供理论依据。
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文章内容：
tract: With the development of concrete technology, high performance concrete has been emphasized, and the strength of concrete is not the sole criterion in concrete selection. Under some situation, some nonessential properties plays the decision role in selection of concrete. It has been the hot spot to developing accommodate any situation concrete. In disposing high performance concrete, mineral admixture becomes essential mixture. In this article, the mechanism and the role of some usual mineral admixture is analyzed and contrasted, and the common characteristics of the mineral admixture ha
s been discovered. The theoretic reference is presented in optimizing decision and development economical mineral admixture of high performance concrete.
Key words: High performance concrete Mineral admixture
关键词：高性能混凝土 矿物细掺料
1． 引言：
随着混凝土技术的发展，高性能混凝土越来越受到人们的重视，高性能混凝土是在大幅度提高混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以混凝土的耐久性作为设计的重要指标。[1]一些在普通混凝土中不太重要的性能，已成为高性能混凝土地重要控制指标。针对不同用途，开发相适应的高性能混凝土是现在混凝土技术的热点。在高性能混凝土生产过程中，掺入适当的矿物细掺料，不仅可以降低水泥用量节约水泥、降低混凝土的水化热，而且各种细掺料与水泥凝胶发生反应，使混凝土比不掺矿物细掺料有更好的性能。因此，矿物细掺料已成为生产高性能混凝土的必须材料。[2]同时，由于矿物细掺料很多都是工业废渣和废料，利用这些废渣和废料替换水泥生产高性能混凝土既可以减少生产水泥造成的污染，又可以将这些废渣合废料利用，减小它们对环境的污染。然而，由于矿物细掺料自身性能不稳、品种多样，对混凝土的作用机理和产生的效果各不相同，致使目前配置高性能混凝土时对矿物细掺料的选择还建立在方便和经济基础之上，在配置高性能混凝土时没有根据所需性能对矿物细掺料进行优选。本文通过对几种常用矿物细掺料（粉煤灰、硅粉和粒化高炉矿渣）在高性能混凝土中的作用机理进行分析并对其作用进行对比，发现矿物细掺料在高性能混凝土中作用的共同特征，为高性能混凝土矿物细掺料的优选和开发新的更加经济的矿物细掺料提供理论依据。
2．常用矿物细掺料在高性能混凝土中的机理分析与作用对比
2．1粉煤灰
粉煤灰是最常用的一种矿物细掺料，它是煤粉炉发电的电厂排出的烟道灰，由大部分直径以微米记的实心和中空玻璃微珠以及少量的莫来石、石英等结晶物质所组成，这些矿物与微晶体或玻璃体存在，赋予粉煤灰较高的火山灰活性。在水泥水化过程中，粉煤灰的活性组分继水泥熟料水化后和氢氧化钙发生二次水化反应，生成低碱度的C－S－H凝胶，在液相碱度降低条件下，粉煤灰中活性组分二氧化硅与高碱度的C－S－H凝胶反应，也生成低碱度C－S－H凝胶，增加了硬化浆体中的凝胶成分，粉煤灰的二次水化反应生成托勃莫来石微晶体与水泥水化物相相互交错形成连锁结构，使水泥石结构更加密实。从扫描电镜（SEM）照片上可以观察到粉煤灰颗粒在0.5-30µm之间，其中0.5-30µm的实心球形颗粒约占85％，这种粉煤灰颗粒强度高，需水量小，赋予粉煤灰强度活性和形态效应。在水泥水化过程中，它们可以进一步填充空隙起到微集料效应，水化后的粉煤灰球状玻璃体在水泥石中还可发挥“活性集料”作用。
在高性能混凝土中，粉煤灰具有火山灰效应，形貌效应和微集料效应。因此，粉煤灰的存在改善了水泥石的微结构及混凝土的工作性能。由于它的微集料效应，使得混凝土需水量减小，水化热降低，从而使混凝土早期强度降低，由于火山灰效应使得混凝土后期的强度提高，同时改善了使用期混凝土的耐久性。
2．2硅粉
硅粉是用高纯度石英冶炼金属硅和硅铁合金的工厂从烟尘中收集的超细粉末。是石英在电炉中被还原为氧化硅和硅后，再经氧化后得二氧化硅。这种二氧化硅属于非晶体，无定型结构，具有化学不稳定性，是一种高活性的火山灰质材料。在水泥水化过程中，硅灰可以和氢氧化钙之间发生反应，既可以增加水泥石中C－S－H凝胶的体积和降低空隙体积，又可以降低水化水泥浆中氢氧化钙石的数量，减小碱－集料反应的可能性。[3]同时，硅粉的比表面积在20m2/g左右，较高的细度使硅粉可以填充在水泥颗粒之间，水泥中细颗粒的粒度分布更加合理，而且可以置换出部分水泥颗粒间的填充的水分，这种填充作用有助于拌和水改善混凝土的流动性，使凝胶材料具有很好的级配，降低其标准稠度下的用水量。同时可以使水泥石的密实性提高，降低了填充水泥颗粒空隙的用水量，使水泥浆的流动性提高。
硅灰的填充作用和火山灰作用，使其成为一种有效的矿物细掺料。虽然由于硅粉的填充作用降低了水泥水化的需水量，但其较高的比表面积和微粒的吸水性使混凝土的需水量增加；另外，但由于硅粉良好的火山灰活性使得水泥水化速度加速、混凝土早期强度提高。
2．3粒化高炉矿渣
粒化高炉矿渣简称矿渣。除在水淬时形成大量玻璃体外，矿渣中还含有钙镁铝黄长石和很少量的硅酸一钙或硅酸二钙等结晶态组分，因此它具有微弱的自身水硬性。
研究表明:[4，5]当用一定细度的矿渣取代部分水泥后，矿渣能填充到水泥颗粒间，一方面可以破坏絮凝结构，另一方面由于矿渣细度比水泥大，填充到水泥颗粒间，起到细粒级配的作用，从而增加混凝土的流动性。同时通过矿渣粉末填充效应的作用，可使水泥浆体中水泥颗粒均分布，扩大了水泥的水化空间及水化产物的生产场所，促进了初期水泥水化反应，因此掺加矿渣有利于高强混凝土早期强度的提高。另一方面，矿渣还能参与有利于使混凝土进一步密实化和均匀化的各种物理化学反应，这就是矿渣的活性效应。水泥水化产物与矿渣颗粒持续地发生物理化学不仅耗用了不利于力学性能发展地氢氧化钙晶体相，而且还能改善CSH凝胶地本质特征。
2．4机理分析与作用对比
从上面分析看出，这三种常用的矿物细掺料在高性能混凝土中的作用机理有一定的相似性，它们都具有火山灰活性，在混凝土水化过程中，它们都与水泥组分发生反应，从而改善混凝土的微结构，使混凝土的性能改善；同时，它们的细小颗粒还可以填充混凝土中的细小空隙，使混凝土的工作性能的到改善。另一方面，由于各种掺合料的的物理特性与化学成分各不相同，因此它们在混凝土中的作用效应也有一定的差异，常用矿物细掺料在高性能混凝土性能中的作用对比见下表：
矿物细掺料在高性能混凝土性能中的作用对表
粉煤灰 硅粉 矿渣
新 拌 混凝土 工作度 降低需水量、泌水与离析， 增加需水量、降低泌水与离析 降低需水量、泌水增加离析
凝结时间 延迟 延迟 延迟
水化热 降低水化热 降低水化热 降低水化热
引气量 增加引气剂用量 增加引气剂用量 增加引气剂用量
硬化混凝土 抗压强度 早期强度降低后期强度明显提高 强度提高 掺量过高强度降低掺量适当强度提高
弹性模量 影响同抗压强度 影响同抗压强度 影响同抗压强度
收缩徐变 减小 早期增大后期减小 早期增大
耐久性 渗透性 早期高后期低 渗透系数变小 渗透系数变小
抗腐蚀性 增强 增强 增强
抗碳化性 碳化系数增大 稍微较低碳化深度 碳化速度稍微加快
抗冻融性 影响不大 提高 影响不大
耐磨性 影响不大 提高
碱骨料反应 有抑制作用 有抑制作用 碱含量较多，但对于碱骨料反应是安全的
耐火性 降低
4．结论
通过对几种常用矿物细掺料在高性能混凝土中的作用机理分析和作用对比，可得出如下结论：
① 矿物细掺料通过和混凝土中的化学成分进行化学反应，使混凝土的结构更加密实，从而改善混凝土机械性能；
② 矿物细掺料的存在，降低了混凝土的水化热，使混凝土早期发热量减小，减小了大体积混凝土开裂的可能；
③ 矿物细掺料延迟了混凝土的凝结硬化时间，并且粉煤灰使混凝土早期强度降低，因此在需要早强的混凝土中应适当控制矿物细掺料的含量；
④ 硅粉和矿渣可以增加混凝土的耐久性与收缩徐变；而粉煤灰对混凝土的耐久性影响不大，减小了混凝土的收缩徐变。
参考文献：
【1】 吴中伟，廉惠珍. 高性能混凝土. 中国铁道出版社.1999
【2】 Ellis W E Jr. For Durable Concrete, Fly Ash Does “ Replace “Cement. Concrete Internal.1992(7)
【3】 冯乃谦，高性能混凝土，中国建筑工业出版社，1996
【4】 翁友法，张东，矿渣细度对高强混凝土性能的影响，中国港湾建设，2000.3
【5】 张雄，吴科如，韩继红，李韵珍，杜礼清，周其富. 高性能混凝土矿渣复合掺合料特性与作用机理. 混凝土与水泥制品,1997.3
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文章备注：
尊敬的编辑同志：
您好！
由于本人明年要申报职称，今年年底前论文必须要发表。如贵刊不能采用刊登，请速回信！本人可另投它处或再作准备。
谢谢！
此致
敬礼
汤美清
2002.04.30
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