礦物外加劑對混凝土性能的改善 |
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2015-11-18 22:52:58 |
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在混凝土中加入礦物外加劑一般可達(dá)到以下目的：減少水泥用量，改善混凝土的工作性能，降低水化熱，增加后期強(qiáng)度，改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高抗?jié)B性和抗腐蝕能力，抑制堿—集料反應(yīng)等。國標(biāo)中對礦物外加劑的明確規(guī)定是：用于改善混凝土耐久性而加入的，磨細(xì)的各種礦物摻合料，其主要特征是磨細(xì)礦物材料，細(xì)度比水泥顆粒小，主要用于改善混凝土的耐久性能和工作性能。
一、 礦渣
礦渣是在煉鐵爐中浮于鐵水表面的熔渣，排出時用水急冷，得到的水淬礦渣。磨細(xì)礦渣是將這種粒狀高爐水淬渣干燥，再采用專門的粉磨工藝磨至規(guī)定細(xì)度，在混凝土配制時摻入的一種礦物外加劑。（要求用于磨細(xì)礦渣的比表面積超過400m2/kg，以較充分的發(fā)揮其活性，減小泌水性）
1、 礦渣的化學(xué)成分
礦渣的主要化學(xué)組成是CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。一般用質(zhì)量系數(shù)K來評價?；V渣的活性：質(zhì)量系數(shù)K越大，礦渣的活性越高。?；郀t礦渣的活性還與成料條件（淬冷前熔融礦渣的溫度、淬冷方法和淬冷速度等）
2、 磨細(xì)礦渣對混凝土性能的影響
一般認(rèn)為，礦粉的摻入對水泥漿體會產(chǎn)生如下幾種作用。第一，是分散作用，礦粉替代一部分水泥后，使水泥顆粒的相互接觸點(diǎn)減少，因此當(dāng)整個體系加水后，使原本因電離而造成水泥顆粒由于表面電性不同而產(chǎn)生吸引所形成絮凝結(jié)構(gòu)的可能性下降。第二，是礦粉具有填充效應(yīng)；研究表明最大限度降低顆粒的堆積氣孔率可有效地降低水泥漿的粘度，而一般摻入水泥的礦粉整體細(xì)度較水泥細(xì)，一定量的礦粉摻入后，可使整個粉體顆粒分布加寬，堆積較為密實(shí)，從而通過降低堆積氣孔率來降低粘度。第三，是二次水化作用，磨細(xì)礦渣在堿激發(fā)、硫酸鹽激發(fā)或復(fù)合激發(fā)下具有反應(yīng)活性，與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成低鈣型的水化硅酸鈣凝膠，在水泥水化過程中激發(fā)、誘增水泥的水化程度，加速水泥水化的反應(yīng)進(jìn)程。此外，礦渣微粉還能夠改善混凝土的界面結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性。
（1） 對工作性能的影響
膠凝材料的需水量直接影響了其在混凝土中的使用，相同水膠比條件下，膠凝材料的需水性越小，則其漿體的流動性也越大，對混凝土拌合物的流動性也越有利。試驗(yàn)表明，使用磨細(xì)礦渣可以降低系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量隨礦渣摻量的增加而增加。相同水膠比時，加入磨細(xì)礦渣的膠凝系統(tǒng)將具有更好的流動性和可泵送性。而且，磨細(xì)礦渣的比表面積越大，和易性越好。膠凝材料系統(tǒng)的水化反應(yīng)放熱的過程與材料的水化反應(yīng)性能密切相關(guān)。同時，膠凝材料系統(tǒng)的水化熱對混凝土體積穩(wěn)定性有直接關(guān)系。磨細(xì)礦渣對膠凝系統(tǒng)水化特性的影響跟礦渣的細(xì)度、摻量都有極大的關(guān)系。同等磨細(xì)礦渣摻量時，隨著礦渣細(xì)度的增加，會加快膠凝材料的水化速度，導(dǎo)致水化放熱加大；同等細(xì)度時，磨細(xì)礦渣的摻量的增加可以延緩膠凝材料的水化速度，使凝結(jié)時間延長。而且試驗(yàn)研究表明，摻入適量的減水劑和緩凝劑能夠很好地發(fā)揮磨細(xì)礦渣的性能，大大的減少水化熱，延緩水化放熱過程，這是非常有效的。磨細(xì)礦渣加入混凝土后，混凝土的凝結(jié)時間會延長，平滑、致密、吸附性較水泥粒子差的磨細(xì)礦渣會使混凝土的泌水性增大。泌水性與礦渣的細(xì)度有關(guān)，若磨細(xì)礦渣的比表面積大于水泥，則泌水性會減少，反之，則增大。
（2） 對強(qiáng)度的影響
摻入磨細(xì)礦渣時，其早期抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增加有所下降，但后期則可以達(dá)到相同的水平。有試驗(yàn)研究[2]表明，摻入磨細(xì)礦渣的水泥，其3d~7d的抗壓強(qiáng)度較之純水泥有所下降，28d時則達(dá)到相同水平，56d時摻入礦渣的抗壓強(qiáng)度比純水泥的還要高。即表明摻入磨細(xì)礦渣之后的水泥其后期強(qiáng)度增長比較明顯。隨著礦渣細(xì)度的增加，其早期抗壓強(qiáng)度提高，后期強(qiáng)度也比較高。為使混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不降低，應(yīng)在經(jīng)濟(jì)及各方面條件允許時，盡量提高礦渣的細(xì)度。礦渣的粉磨方式對混凝土強(qiáng)度的發(fā)展亦有影響。一些試驗(yàn)研究[3]發(fā)現(xiàn)，球磨加工的礦渣粉比屯磨加工的礦渣粉顆粒尺寸分布寬、圓形度商；在礦渣粉比表面積相近(約430m2／kg)時，球磨礦渣水泥的強(qiáng)度比立磨礦渣水泥的強(qiáng)度高。而在抗折強(qiáng)度方面，早期抗折強(qiáng)度與純水泥相近，后期則明顯高于純水泥，且抗折強(qiáng)度隨著礦渣摻量的增加而增大。
（3） 對長期耐久性的影響
礦渣的摻入，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，增加孔徑≦50nm孔的數(shù)量[5]，而降低了漿體中大孔隙和連通孔的數(shù)量，增加了漿體的密實(shí)性，提高了耐久性。用磨細(xì)礦渣替代部分硅酸鹽水泥，可以有效的改善混凝土抗硫酸鹽腐蝕性。原因在于：磨細(xì)礦渣的加入減少了混凝土拌合物中的C3A的含量；由于形成水化硅酸鈣，可溶性的氫氧化鈣減少，這樣減少了形成硫酸鈣的條件；提高了混凝土的抗?jié)B透性，硅酸鈣水化物在微孔中形成時，一般有堿及鈣的氫氧化物，降低了混凝土的滲透性，從而防止了侵蝕性硫酸鹽的侵入，提高了混凝土的抗硫酸鹽性能。礦渣對抑制混凝土中的堿——集料反應(yīng)是有利的[1]。原因在于：礦渣的加入降低了單位混凝土中的堿含量；礦渣的填充作用提高了混凝土的密實(shí)性和不滲水性，滲透性的降低，堿離子的活動能力大大降低，非常有效的阻止了堿—集料發(fā)生的重要因素，其抑制作用與礦渣的細(xì)度有關(guān)。礦渣的摻入還可以改善混凝土的抗凍融性能，由于它能夠減少孔隙中連通孔的數(shù)量，但是必須摻入引氣劑，適當(dāng)?shù)暮瑲饬亢烷g距系數(shù)對混凝土抗凍融性能十分必要。
二、 粉煤灰
粉煤灰是有燃煤電廠煙囪收集的灰塵，其中含有大量的球狀玻璃珠、以及莫來石、石英和少量的礦物結(jié)晶相等。
1、 粉煤灰的化學(xué)成分
粉煤灰的主要化學(xué)成分是：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO，還有少部分燒失量。我國大部分火力發(fā)電廠排放和生產(chǎn)的粉煤灰其化學(xué)組分為：SiO240%~50%、Al2O320%~30%、Fe2O35%~10%、CaO2%~5%，燒失量為3%~8%。SiO2 和Al2O3是粉煤灰中的主要活性成分。根據(jù)CaO含量的多少將粉煤灰分為高鈣粉煤灰（CaO含量≥10%）和低鈣粉煤灰（CaO含量＜10%）。
2、 對混凝土性能的改善
(1) 對工作性能的改善
粉煤灰的摻入能夠顯著的改善混凝土的工作性能，主要體現(xiàn)在以下這些方面。粉煤灰能夠減少混凝土需水量，大量試驗(yàn)研究表明：粉煤灰等量取代水泥，保證坍落度基本相同，隨著粉煤灰摻量增加，混凝土拌合水量明顯降低。如果保證同等的用水量，混凝土中摻加粉煤灰后，其拌合料的坍落度則明顯增大，粉煤灰的摻入顯著改善了混凝土的泵送性。在改善泌水與離析方面，一般認(rèn)為粉煤灰的摻入能夠減少混凝土的泌水，但是很多研究者的試驗(yàn)結(jié)果顯示粉煤灰混凝土的泌水率大于同坍落度的普通混凝土。粉煤灰的摻入能夠使混凝土坍落度具有比較大的經(jīng)時保留值，使得在一定時間內(nèi)混凝土拌合料仍具有比較好的工作性能，即減少了混凝土的坍落度損失。
（2）對力學(xué)性能的改善
粉煤灰的摻入使得混凝土的早期強(qiáng)度有所降低。隨著粉煤灰摻量的增加，早期強(qiáng)度降低更多。一般的，7天強(qiáng)度降低非常明顯，90天后在摻量比較小的情況下粉煤灰混凝土強(qiáng)度接近普通混凝土，1年后甚至超過普通混凝土強(qiáng)度。粉煤灰的抗彎強(qiáng)度要正比于抗壓強(qiáng)度。粉煤灰混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度也成正比關(guān)系，相比與普通混凝土，粉煤灰混凝土的彈性模量28天后不低于甚至高于相同抗壓強(qiáng)度的普通混凝土。彈性模量也是隨著齡期增長而增長。由于粉煤灰的摻入降低了混凝土的用水量，隨著粉煤灰摻量的增加其收縮明顯降低；但是若采用的高鈣粉煤灰，則粉煤灰的摻入會使得其收縮值比普通混凝土還要高。保持較長時間的潮濕養(yǎng)護(hù)，有利于降低粉煤灰混凝土的干縮。
（3）對長期性能的改善
粉煤灰的摻入對水泥凈漿和砂漿孔結(jié)構(gòu)都有改善作用，具體的說粉煤灰的摻入降低了水泥漿體中小孔徑的毛細(xì)孔的數(shù)量，而其這些孔隙都是封閉的，而純水泥漿體的空隙則有比較高的連通性。而且粉煤灰越細(xì)，越有利降低孔隙率，特別是大孔的體積。因此混凝土的密實(shí)性提高了，長期的耐久性也得到提高。已有的研究結(jié)果表明，粉煤灰混凝土相對于普通混凝土有很好的抗硫酸鹽侵蝕的能力。由于粉煤灰的火山灰化學(xué)反應(yīng)，減少了混凝土中Ca(OH)2以及游離氧化鈣的量。粉煤灰的二次水化產(chǎn)物填充了混凝土中粗大毛細(xì)孔而提高了混凝土的抗?jié)B性。但是需要指出的是，高鈣粉煤灰的抗硫酸鹽侵蝕性的能力很差，慎用。摻入粉煤灰的混凝土還可以改善抗氯離子腐蝕性。一些試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，摻入粉煤灰的混凝土其氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低為純水泥混凝土的1/3。但是粉煤灰混凝土的抗碳化性能降低了。由于粉煤灰混凝土中因?yàn)榉勖夯业幕鹕交曳磻?yīng)消耗了大量的Ca(OH)2，相對于普通混凝土其Ca(OH)2含量比較低，對混凝土的抗碳化性能不利。隨著粉煤灰摻量的增加，碳化速度也增加。欲改善粉煤灰混凝土的抗碳化性能，適當(dāng)提高堿儲備，例如比較經(jīng)濟(jì)的辦法就是摻加石灰。摻入粉煤灰的混凝土的抗凍性與粉煤灰本身的質(zhì)量有關(guān)，如果本身粉煤灰質(zhì)量好，由于它降低了水灰比，還可以改善抗凍性，但是如果粉煤灰質(zhì)量比較差，將會嚴(yán)重降低混凝土抗凍性。國內(nèi)為實(shí)踐表明，粉煤灰對抑制堿-集料反應(yīng)也是有利的，但是跟粉煤灰品質(zhì)有極大關(guān)系。
三、 硅灰
硅灰是鐵合金廠在冶煉硅鐵合金或金屬硅時，從煙氣凈化裝置中回收的工業(yè)煙塵，在袋濾器中收集。
1、 硅灰的化學(xué)成分
硅灰的主要成分就是SiO2，此外，含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。用于混凝土的硅灰一般要求SiO2應(yīng)大于85%，并且絕大部分呈非晶態(tài)。非晶態(tài)SiO2越多，硅灰火山灰活性越大，在堿性溶液中反應(yīng)能力越強(qiáng)。硅灰的比表面積可達(dá)15m2/g以上，顆粒形狀是球形的，平均粒徑約0.1~0.2μm，比水泥顆粒細(xì)兩個數(shù)量級。
2、 硅灰對混凝土性能的改善
硅灰顆粒小，比表面積大，具有高純度的SiO2，把硅灰作為礦物外加劑加入混凝土中，能夠很好的改善混凝土的性能。這種有益影響主要表現(xiàn)在：硅灰的超細(xì)填充料的作用；在早期水化過程中起晶核作用，并有很高的火山灰活性。
（1） 對工作性能的影響
硅灰顆粒很小，比表面積非常大，可以填塞在水泥顆粒之間的孔隙。顆粒緊密堆積，因此硅灰混凝土拌合物的粘聚性增加，減少泌水和離析，減少毛細(xì)孔的平均孔徑。但是由于硅灰的比表面積大，摻入硅灰后，混凝土的用水量增大，為了達(dá)到要求的坍落度，需要摻加高效減水劑來調(diào)節(jié)混凝土的用水量。但是，加入硅灰的水泥水化放熱會大大增加，可見硅灰大大的促進(jìn)了水泥的水化，對于早期水化熱的大量增加應(yīng)該慎重考慮。
（2） 對強(qiáng)度的影響
摻入硅灰的混凝土其早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度都會提高。由于硅灰很好的填充作用，當(dāng)摻入硅灰時，能夠有效的填充顆粒間的間隙，當(dāng)硅灰和高效減水劑復(fù)合使用時，可是混凝土的水膠比降至0.13~0.18，混凝土的抗壓強(qiáng)度為不摻硅粉的數(shù)倍。但是，有研究顯示，硅灰摻量過高，混凝土的后期強(qiáng)度有下降趨勢，摻量不宜超過35%。有資料介紹，硅灰混凝土能提高抗沖磨強(qiáng)度3倍，抗空蝕強(qiáng)度14倍，在水下工程中有突出優(yōu)勢。
（3） 對長期耐久性的影響
硅灰顆粒很小，可以填塞在水泥顆粒之間的孔隙。顆粒緊密堆積，減少泌水，減少毛細(xì)孔的平均孔徑，并減少需水量。硅灰的摻入提高了混凝土的密實(shí)性，大大減少了水泥孔隙，提高了混凝土的抗?jié)B性能和抗化學(xué)腐蝕性。國內(nèi)外大量研究表明，摻量小于15%的硅粉混凝土，其抗凍性能基本相同，有時還會提高，但摻量超過20%會明顯降低硅粉混凝土的抗凍性能[1]。當(dāng)向混凝土中摻入硅灰后，硅灰和水泥中的堿反應(yīng)，能夠抑制這種堿——集料反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹。但是，硅灰的摻入會引起混凝土早期收縮過大，因此應(yīng)控制硅灰的摻量，高性能混凝土宜控制在5%~10%，且養(yǎng)護(hù)時應(yīng)注意潮濕養(yǎng)護(hù)。硅灰摻入混凝土后可以改善其抗硫酸鹽腐蝕性，由于硅灰摻入后能與水泥水化生成的Ca(OH)2作用，使游離的Ca(OH)2含量顯著下降，導(dǎo)致腐蝕后生成的鈣礬石減少，減少了膨脹作用。但是試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在干濕循環(huán)環(huán)境中，摻加硅灰的混凝土耐腐蝕能力下降，采用時慎重考慮。由于硅灰可以改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，提高密實(shí)性，因此在抗氯離子腐蝕方面亦具有良好的性能。
這些礦物摻合料單摻時對混凝土性能有很好的改善作用，復(fù)摻時則可以收到更好的效果。例如，礦渣和粉煤灰復(fù)摻時，能夠降低水化熱，有效的減少了大體積構(gòu)筑物溫縮裂縫的數(shù)量。當(dāng)將硅灰、磨細(xì)礦渣、粉煤灰按一定比例摻加時，由于硅灰、磨細(xì)礦渣的微觀填充作用及分散作用的發(fā)揮，使得流動度增大，對改善新拌混凝土的工作性能有利，但是磨細(xì)礦渣不能摻量太高。而以礦渣和硅灰替代部分的粉煤灰，能夠提高混凝土的早期強(qiáng)度。在礦粉中摻入少量粉煤灰可以提高混凝土抗氯離子腐蝕的能力。礦物摻合料的復(fù)摻效果對各成分的量比較敏感，在各成分的最佳摻量方面還應(yīng)進(jìn)行更多更深入的試驗(yàn)。在使用中，還應(yīng)同時考慮到環(huán)境的因素，主要應(yīng)該改善哪個方面的性能，而確定摻合料的成分和量。
本文分別從工作性能、強(qiáng)度和長期耐久性的影響方面，對礦渣、粉煤灰和硅灰三種礦物外加劑對混凝土性能的改善效果進(jìn)行了分析。通過總結(jié)比較得出以下結(jié)論：（1）礦粉的摻入對水泥漿會產(chǎn)生如下幾種作用：分散作用、填充效應(yīng)、二次水化作用。而粉煤灰和硅灰的摻入能夠顯著的改善混凝土的工作性能；（2）混凝土的強(qiáng)度與礦渣細(xì)度的有關(guān)。粉煤灰的摻入使得混凝土的早期強(qiáng)度有所降低。隨著粉煤灰摻量的增加，早期強(qiáng)度降低更多。摻入硅灰的混凝土其早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度都會提高；（3）礦渣提高了混凝土的抗?jié)B透性，提高了耐久性。粉煤灰的摻入對水泥凈漿和砂漿孔結(jié)構(gòu)都有改善作用，混凝土的密實(shí)性提高了，長期的耐久性也得到提高。而硅灰的摻入提高了混凝土的密實(shí)性。
——摘自《中國混凝土外加劑網(wǎng)》