礦物細摻料對HPC性能的影響研究

   摘 要：在配制高性能混凝土(HPC)時加入適量礦物細摻料，對混凝土的性能具有顯著的改善作用，主要體現在5個方面：礦物細摻料能降低溫升；改善工作性;增進后期強度;提高抗腐蝕能力與耐久性；復合使用時具有"超疊效應"。闡述了活性與需水量等品質指標對礦物細摻料質量的影響，對礦物細摻料品質提出了要求。

   關鍵詞:礦物細摻料; HPC;性能

   簡介

高性能混凝土(HPC)是一種新型高技術混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術制作的混凝土，它以耐久性作為設計的主要指標。高性能混凝土在配制上的特點是低水膠比，選用優(yōu)質原材料，除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數量的礦物細摻料和高效外加劑[1]。礦物細摻料可起到細填料的作用并具有一定活性，因此在配制混凝土時可部分取代水泥，目前這種應用已經非常普遍。摻合料多數為工業(yè)副產品，重新利用這些工業(yè)副產品可降低水泥用量，減少生產水泥時排放到大氣中的有害氣體，降低礦石的開采量，節(jié)約大量能源，緩解了對環(huán)境的壓力，符合國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[2]。更為重要的是一些礦物細摻料具有一定活性，也許這就是歐洲標準在最近規(guī)定的25種不同類型的水泥當中，除了硅酸鹽水泥外都摻有一種或一種以上摻合料的原因，這些摻合料包括若干種細填料和礦物細摻料[3]。使用礦物細摻料是配制高性能混凝土的一個重要手段，其目的是為了抑制混凝土中堿料反應的危害。吳中偉教授認為，礦物細摻料是高性能混凝土的主要組成材料之一，它起著改變常規(guī)混凝土性能的作用。許多研究結果表明，在混凝土中摻入足夠的含有活性SiO2的礦物細摻料，能使混凝土中的堿骨料反應完全得到抑制。常用的礦物細摻料為超細磷礦粉、硅粉、粉煤灰、沸石粉、礦渣粉等。幾種常用礦物細摻料的對比試驗結果表明，對水泥漿體的分散性能最好的是超細磷礦粉，然后依次是粉煤灰、礦渣粉、沸石粉[4]。超細磷礦粉的替代量較高時，對水泥的分散性能和對混凝土粘度的降低性能的效果也更顯著。本文主要從5個方面分析了礦物細摻料在高性能混凝土中的作用。

 1 礦物細摻料對高性能混凝土性能影響分析

   1.1 礦物細摻料能降低混凝土的溫升

水泥的水化反應是一個放熱過程，硅酸鹽水泥的水化熱約為500J/g。而混凝土類似于絕熱體，會因為水化熱的積累而使混凝土內部溫度逐漸上升。當混凝土外部散熱較快時，就可能造成內外溫差而產生溫度應力，致使混凝土產生溫度裂縫，嚴重影響混凝土耐久性?；炷羶炔繙厣姆热Q于水泥用量、水膠比、構件尺寸、集料種類與用量等因素。降低水膠比可使混凝土獲得足夠的流動性，然而水泥的用量也要隨之增多，于是便產生了較大的溫升。摻入礦物細摻料替代部分水泥后，由于水泥熟料相應減少，水泥水化反應釋放的總熱量就會減少，從而降低了混凝土的溫升，減少了大體積混凝土開裂的可能性。

1.2 礦物細摻料能改善新拌混凝土的工作性

提高混凝土流動性的同時易引起離析與泌水，導致新拌混凝土產生體積不穩(wěn)定性。摻有礦物細摻料的高性能混凝土同時具有填充效應與吸水作用，當粉體材料的細度較高、且沒有使用高效減水劑的條件下，粉體材料的吸水能力很強，通常使混凝土的流動性降低。當礦物細摻料與高效減水劑同時使用時，粉煤灰、沸石粉等細度適中的粉體材料對流動性具有改善作用，但如果粉體細度極高或摻量過大仍然會表現出降低流動性的作用[5]。由于礦物細摻料是活性礦物質材料經磨細制成的礦物細粉，具有較大的比表面積與較高的表面能，其化學活性以及微觀填充作用對新拌混凝土的變形能力、變形速度等工作性具有重要影響。

粉體材料的分散效應也能增大混凝土的流動性，但這與通過單獨使用多加減水劑來達到同樣的流動性在混凝土中的作用不同。減水劑可使粘聚態(tài)的混凝土變成高流態(tài)，不能使干硬-高粘聚狀態(tài)混凝土(比如維勃稠度大于30 s)變成高流態(tài)，而使用一定量的粉體可輕易將水灰比較低的干硬-高粘聚狀態(tài)混凝土成為高流態(tài)。生產實踐中經常見到流動性不是很大的混凝土，卻出現了泌水，這樣的混凝土難以在硬化后形成均勻密實的結構[6]。而礦物細摻料的比表面積遠比水泥大，將部分游離水轉變?yōu)榉垠w表面吸附水;同時由于粉體的分散效應，可在保持一定流動性的條件下，減少用水量，克服離析傾向。因此，摻有礦物細摻料的高性能混凝土，盡管流動性大，但并不離析從而優(yōu)化了新拌混凝土的工作性與流變性。

 1.3 礦物細摻料能增進混凝土的后期強度

摻加不同的礦物細摻料對混凝土的強度會有不同的影響。研究表明[7，8]，在相同水灰比下，硅灰、沸石凝灰?guī)r、偏高嶺土等，在摻量合適時可提高混凝土的強度，礦渣、粉煤灰等會使混凝土的早期強度降低，而后期強度均有較大的持續(xù)增長。加拿大的CAN-MET(礦產與能源技術中心)自1985年以來，對大摻量粉煤灰混凝土進行了全面系統(tǒng)的研究。這種混凝土的水泥用量約150 kg/m³、粉煤灰200 kg/m³，摻高效減水劑并將水膠比控制在0.30左右，可以制備28d強度為30~50 MPa、一年強度達到60~100 MPa的各種耐久性指標非常優(yōu)異的混凝土[9]。若對混凝土的早期強度要求較高，則可采用早強水泥或摻入適量硅粉來配制混凝土。

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 1.4 礦物細摻料能提高抗腐蝕能力，增強混凝土耐久性

混凝土遭到侵蝕性介質腐蝕時，侵蝕性介質會與水泥石中水化生成的Ca(OH)₂和C₃A水化物發(fā)生反應，逐漸破壞混凝土內部結構。在混凝土中摻入礦物細摻料后，一方面，由于減少了水泥用量，也就減少了受腐蝕的內部因素;另一方面，礦物細摻料的細微顆粒均勻分散到水泥漿體中時，會成為大量水化物沉積的核心，隨著水化齡期的進展，這些微細顆粒及其水化反應產物填充水泥石孔隙，改善了混凝土孔結構(稱為"微粉效應")，逐漸降低混凝土的滲透性，阻礙侵蝕性介質侵入[1]。礦物細摻料對水泥中所含過量的硫酸鹽的有害反應有抑制作用，而當混凝土中使用含活性SiO₂的集料時，礦物細摻料對堿集料反應也有抑制作用。因此，摻入礦物細摻料可提高混凝土的結構耐久性。

傳統(tǒng)的混凝土理論認為，混凝土抗壓強度提高了，耐久性能也能得到相應提高。混凝土的平均強度等級從解放初期的15 MPa左右提高到近幾年的40MPa以上，目前C50以上的高強混凝土亦已被大量應用到了高層建筑、市政設施、預制構件中。長期以來，人們總是把高強混凝土與高性能混凝土相提并論，認為混凝土的設計強度提高后，各項耐久性能都能夠相應得到提高[4]，這是認識上的一個誤區(qū)。因此，對礦物細摻料的應用要拋棄傳統(tǒng)的以強度為惟一衡量標準的觀念，轉而以混凝土耐久性為評價標準。

1.5 不同品種礦物細摻料復合使用時具有"超疊效應"

目前，配制高性能混凝土的主要摻合料是粉煤灰、礦粉以及其他一些外摻料[10]。不同的礦物細摻料單獨摻入時，對混凝土的作用有其自身特點，有優(yōu)點也有缺點。例如，硅灰在混凝土中有增強作用，但自干燥收縮大，而且因需水量大而允許摻量有限，對混凝土溫升沒有降低的作用;磨細礦渣的需水量不大，對混凝土的強度有利，但自干燥收縮較大;摻粉煤灰的混凝土自干燥收縮都小，而且需水量小，但抗碳化性能較差等[1]。根據"超疊效應"原理，將不同種類的礦物細摻料按照合適的復合比例與總摻量摻入混凝土，則可使礦物細摻料相互之間取長補短，這樣不僅可調節(jié)水量，提高混凝土的抗壓強度，還可提高混凝土的抗折強度，提高耐久性。

上海大學王律等人以粉煤灰、礦粉和天然礦物等為原料，根據復合膠凝效應、微小顆粒的表面效應和摻合料的顆粒級配進行摻合料的復合與優(yōu)化配合比，充分發(fā)揮各種摻合料在自身和激發(fā)劑作用下所具有的膠凝性，制取了一種混凝土用新型復合礦物摻合料。它的摻入能提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕、抗氯離子侵蝕能力，并有效抑制堿集料反應，提高耐久性。

南京工業(yè)大學潘如意等人通過粗細不同的粉煤灰、鋼渣和礦渣按5：3：2的質量比混合并以之替代50%水泥制備混凝土，結果表明:粉煤灰、鋼渣、礦渣合理的顆粒級配，可以改善混凝土的孔結構，提高混凝土的密實度，增強混凝土的強度。三峽大學雷進生等人利用復合磨細粉煤灰、磨細礦粉等多種活性礦物摻合料再加入少量激發(fā)劑配制成一種復合活性礦物摻合料，以C30混凝土為研究對象，研究了水膠比、砂率、摻合料比例對混凝土抗壓強度的影響;對于配制C30混凝土，復合礦物摻合料替代水泥的比例不宜超過35%。

   2 對礦物細摻料品質的要求

對用于普通混凝土的礦物細摻料品質的要求，除限制有害組分含量和一定的細度外，主要是其強度活性。而高性能混凝土需要較低的水膠比，這就要求礦物細摻料的需水量較小，因此，對其品質的要求，除限制有害組分含量以外，主要是活性和需水量。

   2.1 活性

礦物細摻料的活性是指水泥砂漿中按一定比例摻入礦物細摻料的試件與水泥砂漿試件在相同標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d后抗壓強度之比，也可間接通過其化學組成中各種氧化物的比例進行評價。在細度相近的情況下，礦物細摻料中玻璃體含量高低與鈣硅摩爾比大小是決定其火山灰活性的2個重要因素[11]。礦物細摻料的活性體現于玻璃體結構被破壞的難易程度。楊南如[12]闡述了同樣作為硅鋁玻璃體的礦渣和粉煤灰火山灰活性出現差異的原因，指出決定潛在火山灰活性大小的因素是玻璃體含量和鈣硅摩爾比。而鈣硅摩爾比決定了玻璃體中[SiO4]4-的聚合度的高低。鈣硅摩爾比小，玻璃體中[SiO4]4-的聚合度高，形成了較連續(xù)的帶有Al3+的三維網絡結構，故玻璃體結構較難被破壞。因此，為使礦物細摻料具有較高活性，應保證其玻璃體含量與鈣硅摩爾比滿足要求。

 2.2 需水量

一方面，由于礦物細摻料具有較大的比表面積與較高的表面能，這些性能使其具有很強的吸水能力，造成礦物細摻料自身需水量較大;另一方面，礦物細摻料的填充效應可置換出部分水泥顆粒間的水分，減少混凝土用水量。因此，應合理控制礦物細摻料的需水量。

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   3 結語

礦物細摻料是高性能混凝土的新組分，對其性能具有顯著的改善作用，其改善機理主要表現在5個方面，即:礦物細摻料能降低混凝土的溫升;改善新拌混凝土的工作性;增進混凝土的后期強度;提高抗腐蝕能力，增強混凝土耐久性;復合使用時具有"超疊效應"。礦物細摻料品質的好壞直接影響到高性能混凝土質量的優(yōu)劣。具有較高品質的礦物細摻料應該是:活性較高、需水量較低、細度適中。

參考文獻:

[1] 吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社，1999.

[2] 巴恒靜，潘雨，楊英姿.礦物摻合料對高性能混凝土流變性能的影響[J]。哈爾濱建筑大學學報，2002，(6).

[3] Ferraris C F，Gaidis J M.The connection between the theology of concrete and the rheology of cement paste[J].ACI Mater.J.1992，(4).

[4] 徐浩.對高性能混凝土若干問題的探討[J].建筑技術，2003，(1).

[5] 楊靜，邢鋒.礦物細摻料對新拌水泥基材料工作性的影響[J].混凝土，2001，(2)。

[6] 石云興，吳東，全冰，等.礦物微細粉對高性能混凝土性能的影響[J].施工技術，2001，(5)。

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[10] 雷進生，李奎明，劉章軍.基于復合礦物摻合料的C30高性能混凝土強度試驗研究[J].混凝土，2007，(2).

[11] 呂鵬，翟建平，李琴，等.礦物摻合料火山灰活性的研究[J].建筑材料學報，2005，(3).

[12] 楊南如.堿膠凝材料形成的物理化學基礎(I) [J].硅酸鹽學報，1996，(2)