礦物摻和料主要性能概況

礦物摻和料主要性能背景：利用外加劑與礦物摻和料改善混凝土的工作性能，提高其耐久性和體積穩(wěn)定性，是現(xiàn)代混凝土技術(shù)發(fā)展的方向。對混凝土而言，其拌和物以調(diào)節(jié)混凝土的凝結(jié)時間、改善混凝土的和易性及流變性能為主；在硬化過程中，以降低混凝土水化熱，控制混凝土的早期裂縫的形成為主；硬化過程結(jié)束后以提高混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性為主。改善這些性能的技術(shù)關(guān)鍵是，外加劑與各種礦物摻和料有一個合理的搭配。超疊加理論是目前較先進(jìn)的礦物摻和料使用方法。關(guān)鍵詞：礦物摻和料；超疊加理論目前，使用較廣泛的活性礦物摻和料主要有三種，它們是粉煤灰、礦渣粉和硅粉。由于三種活性礦物摻合料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)狀態(tài)、活性組分含量、細(xì)度等指標(biāo)都不相同，各種摻合料都有其固有的特征性質(zhì)。例如，摻入粉煤灰時，混凝土的早期強(qiáng)度降低，但后期及長期強(qiáng)度發(fā)展良好，同時，削溫峰效應(yīng)好。尤其適用于大體積混凝土的施工，抑制堿集料反應(yīng)能力強(qiáng)；摻量增大時，材料的堿度儲備可能不足，抗碳化性能亦可能降低。摻入礦渣時，混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展較好，但后期強(qiáng)度增長稍差，礦渣的CaO含量很高，摻量可以達(dá)到(50％～70％)，且不會導(dǎo)致強(qiáng)度的急劇下降和堿度的大幅減少；硅粉的細(xì)度最高，活性Si含量最多，活性指數(shù)最大，因此，火山灰反應(yīng)快而強(qiáng)，早期強(qiáng)度發(fā)展快，后期強(qiáng)度也十分強(qiáng)勁，但由于極細(xì)，增大摻量時，將會導(dǎo)致混凝土的流動性急劇降低。因而，摻量不宜過大，同時，硅粉資源少。價格高，摻量增多將會導(dǎo)致混凝土的成本增加。綜上所述，不同的摻和料，各有長短，應(yīng)根據(jù)其特征性能及需要選擇，各種摻合料可以單獨摻入，此時，可根據(jù)摻合料的性能特征確定其最佳的摻量，如超細(xì)粉煤灰的最佳摻量在20％～30％之間，超細(xì)礦渣粉的最佳摻量在30％～50％之間，硅粉的最佳摻量在10％～15％之間。大量的研究資料和實踐表明,礦物摻合料的種類,品質(zhì)和取代數(shù)量對混凝土的抗壓強(qiáng)度有著顯著的影響。例如粉煤灰對混凝土強(qiáng)度的影響因素就是多方面的:從粉煤灰自身的性質(zhì)來看,包括粉煤灰的化學(xué)組成、細(xì)度、粒徑分布、燒失量、在水泥基材中的摻量、需水量比、對水泥的適應(yīng)性等;外在因素有水泥品種、外加劑、水膠比、養(yǎng)護(hù)條件等。例如蔣永惠等人采用灰色系統(tǒng)理論研究粉煤灰顆粒分布對水泥強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)粉煤灰中10～20um顆粒對水泥強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大,是影響水泥強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。<30um顆粒與水泥強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度都很大,>30um顆粒含量與各齡期水泥抗壓強(qiáng)度均為負(fù)相關(guān)。劉數(shù)華等對比了高鈣和低鈣粉煤灰對混凝土強(qiáng)度影響,發(fā)現(xiàn)高鈣灰混凝土具有較高的初期強(qiáng)度,而低鈣灰具有更高的后期強(qiáng)度。衛(wèi)芯艷等對礦渣細(xì)度和摻量對混凝土強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:隨礦渣粉細(xì)度的增大,礦渣粉對混凝土28d強(qiáng)度的貢獻(xiàn)增大,當(dāng)?shù)V渣細(xì)度大于400m2/kg時,60%取代量的礦渣混凝土28d的強(qiáng)度均可趕上或超過基準(zhǔn)混凝土的強(qiáng)度。同時,大量的研究均表明:由于礦渣屬于潛在活性摻合料,水化較慢,因而礦渣粉對混凝土的長期強(qiáng)度增長貢獻(xiàn)更加明顯。錢曉倩等研究了偏高嶺土對混凝土力學(xué)性能的影響,研究結(jié)果表明:偏高嶺土在混凝土中的作用機(jī)理與硅粉及其他火山灰相似,但由于其極高的火山灰活性,而能顯著提高混凝土的早期和長期抗壓強(qiáng)度,適宜的摻量為10%～15%。仲曉林的研究認(rèn)為在普通水泥混凝土中用沸石粉取代水泥可達(dá)10%～20%,在礦渣水泥混凝土中取代水泥為5%～10%,在相同條件下,混凝土早期的抗壓強(qiáng)度不會降低,并且混凝土后期強(qiáng)度會有較大幅度的增長。同時,對于配制超高強(qiáng)混凝土,硅灰已經(jīng)成為不可或缺的成分,Carette的研究結(jié)果表明：由于硅粉顆粒非常細(xì),它們可以在很早的幾個小時內(nèi)發(fā)生火山灰反應(yīng),硅粉對混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要在28d之前,所以就長期強(qiáng)度增長方面,一般認(rèn)為硅粉混凝土不如純水泥混凝土或粉煤灰混凝土。根據(jù)一些專家提出的超疊加理論。最好的方法，是用幾種礦物摻合料復(fù)合在一起摻加到混凝土拌合物中，利用各種不同粒徑的摻合料互相緊密填充的物理效應(yīng)，以達(dá)到取長補(bǔ)短的目的，從而配制出高強(qiáng)高性能的預(yù)拌混凝土。1．活性礦物摻和料的水化活性作用。礦物摻和料按其能否參與水化反應(yīng)，分為活性礦物摻和料和惰性礦物摻和料。活性礦物摻和料在水泥石和混凝土中逐漸水化形成新的水化產(chǎn)物，它們的水化速度主要決定于其化學(xué)成分、礦物組成和激發(fā)劑類型，也與顆粒大小有關(guān)。它們對水泥石強(qiáng)度等性能的貢獻(xiàn)，與它們的水化產(chǎn)物的類型、形貌，水化產(chǎn)物之間的結(jié)合力，水化產(chǎn)物與集料間的結(jié)合性能有密切關(guān)系粒化高爐礦渣是熔化的礦渣在高溫狀態(tài)下迅速水淬而成，其中的鈣、硅和鋁多處于非結(jié)晶的玻璃態(tài)．礦渣經(jīng)烘干磨細(xì)到比表面積400～500m2／kg時，就具有良好的水化活性，水化7d左右就能對混凝土的強(qiáng)度作出重要的貢獻(xiàn)。通常認(rèn)為，粒度小于10um的礦渣顆粒對28天混凝土強(qiáng)度起作用，10～45um的顆粒對后期強(qiáng)度起作用而大于45um的顆粒則很難完全水化粉煤灰按成分可分為高鈣灰和低鈣灰，CaO含量在15%～35%的稱高鈣灰，其晶體礦物多為有活性的鈣化合物，另外其主要組成鈣鋁玻璃體中含有足夠的鈣離子可以促進(jìn)這種非晶體的活性，因而高鈣灰的水化活性較高。CaO含量<15%的稱的低鈣灰，其礦物組成中，基本無水化活性的石英、莫來石占有較大比倒，這種粉煤灰的活性一般很低，通常要到90d齡期時才對混凝土的強(qiáng)度做出顯著貢獻(xiàn)我國粉煤灰大多數(shù)為低鈣粉煤灰，絕大部分的粉煤灰顆粒呈實心的球形玻璃體，有少量的空心球形玻璃體，顆粒中小于20um的一般占約50%以上，細(xì)顆粒多的粉煤灰其水化活性較高。硅粉的化學(xué)成分主要是SiO2。由于顆粒極其細(xì)小，故水化速度較快，與溶液中的Ca(oH)2反應(yīng)．形成超細(xì)的水化硅酸鈣產(chǎn)物，對提高密實度、強(qiáng)度，提高與集料的界面粘接力作用顯著，但由于價格較高，只用于有特殊要求的混凝土及精細(xì)制品中。沸石粉也是一種高硅成分的礦物粉，內(nèi)部多微孔結(jié)晶物質(zhì)，有很大的比表面積，具有較好的水化反應(yīng)能力，也是一種較好的活性礦物摻和料2.礦物摻和料的物理微填充作用礦物摻和料在混凝土拌和物中也起著物理微填充作用，通常稱為“粉集料作用或“微集料”作用，其物理微填充作用可細(xì)分為粉集料填充、“微集料填充、“超微填充”三個不同的作用層次?；炷林械乃酀{硬化后形成的水泥石是一種多孔隙結(jié)構(gòu)，不同尺度的孔對水泥石性能的影響是不一樣的。吳中偉院士將孔的危害分為4類：d≥20nm的孔稱為多害孔．5～200nm的孔稱為有害孔，20～50nm的為少害孔．<20nm的為無害孔。粉煤灰、礦渣粉、石灰石、粉沸石粉等的顆粒尺寸在l～100um之間，即與水泥的顆粒尺度相當(dāng)，未完全水化前．它們的作用主要是填充在砂子之間的宅隙里．即填充在粗孔和大毛細(xì)孔中，提高混凝土的密實度由于一般把大于5mm的集料稱為粗集料．把0．15～5mm的集料稱為細(xì)集料，把I～15Oum間礦物料粉的作用稱為“粉集料”作用。適當(dāng)?shù)負(fù)接玫V物摻和料，發(fā)揮它們的粉集料作用，不但可以明顯提高混凝土的密實度，還可以取代部分水泥，降低生產(chǎn)成本。顆粒尺度為0.1～1.0um間粒子的填充作用稱為“微集料填充”作用，這樣的微粒填充在水泥、粉集料及它們的水化產(chǎn)物間的微小空隙里，即填充在大毛細(xì)孔中。微硅粉是目前最好的微集料，微硅粉顆粒大多在0．1～O．5um(IO0～500nm)范圍內(nèi)，摻用后，每個水泥顆粒周圍可有1000～100000個微球粒。摻用微硅粉后，可使水泥石中5Omm以上的孔明顯減少。隨著水泥石水化齡期的延長，水泥石中總孔隙率和較大孔的孔隙率逐漸降低，這就是水泥和活性礦物摻和料的水化產(chǎn)物產(chǎn)生的二次填充作用從已有的測試結(jié)果來看，硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物可使>50nm的孔隙明顯減少，粉煤灰的水化產(chǎn)物可使>20nm的孔隙率有所降低，硅粉的水化產(chǎn)物可使20～50nm的孔隙率明顯降低，這說明它們的水化產(chǎn)物中有相當(dāng)數(shù)量是納米尺度的，其中徽硅粉的水化產(chǎn)物更細(xì)小這種填充作用可以稱為“超微填充作用”。不同的礦物摻和料的填充作用尺度及它們的水化產(chǎn)物的超徽填充作用尺度是各不相同的，目前已進(jìn)行的研究僅是剛起步。更深入更系統(tǒng)地研究各種摻和料及其水化產(chǎn)物的填充作用，發(fā)揮它們各自的特點．圖1粉煤灰摻量對混凝土孔隙率的影響試驗結(jié)果說明，粉煤灰由于密實填充作用及二次水化反應(yīng)，可以提高混凝土密實程度，粉煤灰等量替代水泥后，與相同水灰比的空白混凝土相比，混凝土孔隙率明顯下降，特別是大孔孔隙率的降低幅度尤為顯著。但隨著粉煤灰摻量增加，混凝土大孔孔隙率略有增加，其原因可能是由于粉煤灰摻量增加，早齡期時混凝土中總的水化產(chǎn)物相對減少?；炷量偪紫堵式档椭饕捎诜勖夯业拿軐嵦畛渥饔茫荒苡行Ф氯?0％相對濕度下的失水通道?？梢灶A(yù)計，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，粉煤灰混凝土隨著水泥水化和粉煤灰的二次水化作用的進(jìn)一步進(jìn)行，以及粉煤灰的微集料效應(yīng)，將能有效減少混凝土中大孔含量，進(jìn)一步改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)。圖2硅灰摻量對混凝土空隙的影響試驗結(jié)果說明，由于硅灰具有較高的細(xì)度和火山灰活性，其密實填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)更為顯著，與粉煤灰相比，熱硅灰對混凝土墊孔隙率影響更燦大。此外，硅去灰對混凝土大飯孔孔隙率的降糠低尤為顯著，真當(dāng)硅灰摻量為正lO政％，大孔孔隙斧率僅有槐0遙．塞16車％刪掙，且隨硅灰摻窄量增加，沒有公出現(xiàn)類似粉煤逢灰摻量增加時燙混凝土中大孔協(xié)孔隙率增長的李現(xiàn)象，這可能塔與硅灰活性較狹高，可以較快少地發(fā)生二次水惕化反應(yīng)有關(guān)。吐圖膝3港排硅灰和粉煤灰住復(fù)合對混凝土防空隙的影響愉試驗竿[1]炒表明顏（星1鴨）羞興粉煤灰摻人大汁幅降低混凝土貨的孔隙率。隨壯粉煤灰摻量的誼進(jìn)一步增加，彼總孔隙率與毛息細(xì)孔孔隙率仍共有小幅下降，態(tài)而大孔孔隙率讓呈微增加趨勢煩，但與空白混助凝土相比，即忘使摻字40哀％粉煤灰的混內(nèi)凝土，其大孔政孔隙率仍然處判于較低水平。御（題2擔(dān)）賽箭由于較高的細(xì)頌度和火山灰活淡性，與粉煤灰即相比硅灰對混遣凝土孔隙率影穩(wěn)響更大，其中歐對混凝土大孔肅孔隙率的降低賊尤為顯著，當(dāng)打硅灰摻量為濟(jì)10睛％局票時，大孔孔隙赤率僅有櫻0京．遮16悟％拖把。示（環(huán)3生）禿反泳硅灰與粉煤灰細(xì)復(fù)合時，混凝災(zāi)土總孔隙率和愈毛細(xì)孔隙率較兵單摻混凝土能蓬進(jìn)符一步降低，這赤可能與揀C+FA+s幟F煎三元膠凝體系隱的密實填充性蹤能改善和復(fù)合禁膠凝效應(yīng)相關(guān)枯，起到了一定劍優(yōu)勢互補(bǔ)的作殊用。3.耐久性映鋼筋混凝土耐截久性的降低除遭自然災(zāi)害或意條外事故外器,湯主要源于以下黨幾個方面或其雪復(fù)合作用襲:丟鋼筋腐蝕柜;梢混凝土碳化猶;鉆凍融循環(huán)愧;賽硫酸鹽侵蝕魚;榮堿消2鬧骨料反應(yīng)及機(jī)歉械磨損。其中萍鋼筋銹蝕是最奴主要原因。鋼育筋腐蝕通常由費兩種原因造成葛:秤混凝土碳化造挪成鋼筋表面局光部環(huán)境雪pH損值降低懇,緞使鋼筋鈍化膜生失去對鋼筋的嚇保護(hù)作用遷;梨由于混凝土遭豪受氯離子污染玩,將使鋼筋表面鈍仇化膜破壞怖,粉后者是造成近堆代混凝土橋梁陜破壞的主要原慘因。為了提高炮結(jié)構(gòu)物的耐久劍性碰,書研究人員開發(fā)煎出高性能混凝孩土。高性能混異凝土最重要的榮特點是沸:倡低水膠比、高巧效外加劑和大膠量礦物摻合料約的使用。吳中泛偉等研究表明常:唐礦物摻合料可奴以提高混凝土奇耐久性、體積憤穩(wěn)定性繩,指提高后期強(qiáng)度喘,奴降低水化熱瞇,工有時還有改善弟混凝土拌和物丈和易性、減少登泌水、離析的擺作用歐,紙?zhí)岣呋炷量箘⑺釅A腐蝕和防匹止堿骨料反應(yīng)謎的能力。導(dǎo)圖凝4送強(qiáng)度增長與電賊通率變化的關(guān)抵系韻實驗視[2]愿表明抱（蹤1殼）淡桃礦物摻合料由綱于活性不同秋,姿在水膠比相同甜的條件下詢,王它們對混凝土那不同齡期強(qiáng)度昨的影響是不同芒的。硅灰活性晶最高積,搶摻硅粉的混凝羽土早期強(qiáng)度較咬高凍;賠礦渣活性較硅承粉低瑞,拴對于早期強(qiáng)度干有一定的降低詢,杯但較短時間內(nèi)丟便可發(fā)揮活性傅效應(yīng)使混凝土恢強(qiáng)度有較大的拔增長。粉煤灰揉活性低憲,獻(xiàn)反應(yīng)較慢樓,剖因而粉煤灰顯虹著降低混凝土瞞的早期強(qiáng)度起,五但其對后期強(qiáng)她度的增進(jìn)有很宿大貢獻(xiàn)。然（源2密）頃肢摻礦物摻合料商后隔,礙混凝土盜91d物和客28d鍛間的蔬6h豎電通量變化較捕大畏,迅混凝土絨91d安和茶28d勝間的熔6h顧電通量變化率劣與強(qiáng)度增長率毫之間有較好的召相關(guān)性。漆（奔3寧）冶缺對于摻粉煤灰或或礦渣的混凝扁土萌,包宜采用較長齡新期混凝土的抗ASTMC亂1202滋的測試指標(biāo)評木價混凝土的抗宴氯離子滲透能社力。載表捎1縣肆粉煤灰和礦祖粉摻量對混凝露土長期強(qiáng)度的榨影響擾表民2檢兔摻合料對貧C夠60速混凝土抗氯離司子擴(kuò)散系數(shù)的易影響久/cm攻2趁/s和表通3亂寨粉煤灰和礦盒粉對混凝土抗向凍性的影響悲/%紅實驗徑[3]伸表明急(棵1)樓粉煤灰和礦粉園可以較為顯著倡地提高混凝土但的后期強(qiáng)度儀,欲礦粉混凝土的框強(qiáng)度較粉煤灰乏混凝土的強(qiáng)度進(jìn)高轉(zhuǎn),覽但粉煤灰混凝喝土具有更高的追強(qiáng)度增長率續(xù),故尤其是大摻灰績量時。字(紙2)歇隨著粉煤灰和壯礦粉等摻合料快摻量的增加以,諷混凝土抗氯離裁子滲透性能提娃高痰,肌礦粉比粉煤灰蔽可以更好地提橫高混凝土的抗延氯離子滲透性篇能。投(君3)勤粉煤灰和礦粉解摻量低于備25%梅時漢,障礦物摻合料對雪混凝土抗凍性鋼無不良影響炮,煩但當(dāng)粉煤灰摻問量達(dá)到午36%體時確,鉛強(qiáng)度下降較為監(jiān)明顯怠,相混凝土抗凍性耕能有所下降。結(jié)論糊混凝土是由宏亮觀連續(xù)的水化渾相即水泥石、性彼此相互孤立險的非水化朋相及敲各種集料鬧兩大基本部分菊組成，從微觀索或亞微觀的層叉次看，宏觀連蜻續(xù)的水泥石守(仿硬化水泥漿體句)磚也是不連續(xù)的涼，是由水化產(chǎn)惡物、未水鋼的顆粒內(nèi)核、匆尺寸不同的孔頓隙及部分物理壓吸附水所組成敏?；炷良八畧瞿嗍瘡?qiáng)度的產(chǎn)巾生是復(fù)雜的物翠理化學(xué)作用