大掺量矿物掺合料对混凝土性能的影响.pdf

文章编 号 ：1 0 0 7 - 0 4 6 X ( 2 o i 5 ) 0 3 - 0 0 3 9 0 5 生态建材 大掺量矿物掺合料对混凝土性能的影响 E f f e c t o f Hi g h V o l u me Mi n e r a l Ad mi x t u r e o n Co n c r e t e P e r f o r ma n c e 王静静。 ，武斌z ，刘高凯 1 烟建集团有限公司混凝土分公司，山东 烟台2 6 4 0 0 0 ；2 济南大学 建筑材料制备与测试技术山东省重点实验室，山东 济南 2 5 0 0 2 2 摘 要： 采用不同掺 量的粉煤灰和矿粉配制混凝土，并对配制的混凝土的工作性 能和力学性能进行分析 。结果 显示 ，掺加矿物掺合料可以提高混凝土的工作性能，但会 降低混凝土的早期强度，后期强度会继续发展 ， 当双掺 2 0 粉 煤灰 和 3 0 矿粉 时效 果最好 。 关键词：掺合料；粉煤灰；矿粉 ；混凝土 中 图分 类 号 ：T U5 2 8 0 4 1 文 献 标 志 码 ：A 0 前 言 矿物掺合料是在混凝土搅拌过程中加入的、具有一 定细度和活性的用于改善新拌和硬化混凝土性能 ( 特别 是耐久性能)的某些矿物类产品，又称矿物外加剂。其 主要特征是磨细矿物材料，细度比水泥颗粒小，主要用 于改善混凝土的耐久性和工作性能，已成为混凝土继外 加剂后的第 6 组分。粉煤灰和矿渣微粉是混凝土常用的 矿物掺合料，能有效改善普通水泥混凝土的工作性和耐 久性等 。 粉煤灰是燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟 道排出、被收尘器收集到的物质，以硅酸盐和铝硅酸盐 为主。颗粒粒径主要分布在 0 5 3 0 0 m的范围内，大部 分在 4 5 m以下，平均粒径在 1 O 3 O r l 。粉煤灰因其 物理化学性质具有以下三种效应，( 1 ) 火山灰效应：粉 煤灰中含 C a O很少但含有大量的活性 s i 0 ， 和A 1 ， 0 ，它们 既无独立的水硬性，也无潜在的水硬性能，它们的活性 能在常温下被水泥水化时析出的 C a ( O H ) ， 激活，和它产生 二次反应 ( 火山灰反应 1 ，生成具有胶凝性能的水化硅酸 钙和水化铝酸钙。( 2) 形态效应：粉煤灰在高温燃烧过 程中形成的粉煤灰颗粒，绝大多数为玻璃微珠。由于粉 煤灰的颗粒较小，能在水泥颗粒之间起到 “ 滚珠”作用， 使水泥浆体的流动性增加。( 3 ) 微集料效应：微细颗粒 均匀分布在水泥浆内，填充毛细孔，改善混凝土孑 L 结构 和增大密实度的效应。混凝土中掺人适量的矿物掺合料 混合均匀之后， 粉体的颗粒级配更为合理， 密实度提高 3 - 4 。 矿粉为矿渣，是由炼铁时排出的处于融溶状态的炉 渣经急速水淬而成。它含有大量的 C a O( 3 5 4 8 ) ，并 含有活性 s i 0 ， 和 A I ， 0 。它们本身无独立的水硬性，但在 C a O 、C a S O 的作用下， 其潜在的水硬性可以被激发出来， 产生缓慢的水化作用 5 - 6 1 。由于矿渣的化学成分比较稳定， 用作辅助胶凝材料或部分替代水泥用于建筑工程是矿渣 利用的主要方式。 1 试验材料与设备 1 1 试验材料 水泥：烟台山水 P 0 4 2 5 R水泥，物理化学性能见表 1 和表 2 。 表 1 水泥物理性能 物理 密度 标准稠度比表面积 抗折强度, MP a 抗压强度 MP a 性能 g - c m 。 ff J ： mL m k g - 3 d 2 8 d 3 d 2 8 d 3 2 0 1 5 粉煤灰 3 9 表 2 水泥的化学成分 粉煤灰：I I 级粉煤灰，产地：龙口，化学成分见表 3 。 表 3 粉煤灰化学成分 整，其中粉煤灰对水泥的取代率按 1 ： 2取代，矿粉对水 泥按 1 ： 1取代，试验中通过调整水胶比来保证各组混凝 土的坍落度基本相同。试验对混凝土的工作性能以及力 学性能进行了分析和检测，以得到掺合料对混凝土性能 的影响。试验试样配合比见表 5 。 )-兰 O_ 2 矿物掺合料对混凝土工作性能的影响 含量4 9 1 1 3 0 6 5 5 4 2 1 2 0 6 2 1 0 9 O 3 5 4 4 6 。 。 矿渣粉：$ 9 5 级，产地烟台丛林，化学成分见表4 。 表 4 矿粉化学成分 化学成分 S i O 2 AI 2 O3 F e 2 O3 Ca O Mg O K2 0 Na 2 O 含量 3 3 5 1 5 4 0 2 5 4 1 1 8 0 0 2 1 0 3 5 外加剂：聚羧酸减水剂，烟台某厂。 集料：河沙：中砂，产地烟台牟平；大石子：1 6 3 1 5 m m，产地烟台福山；小石子 ：5 2 0 m m，产地烟台 福山。 1 2 试验设备 搅拌机：S J D 6 0 型单卧强制式混凝土搅拌机。 压力机：Y A W一 2 0 0 0 型压力试验机，精度 I 级。 快速养护箱：A C W一 8 5型水泥混凝土快速养护箱。 扫描电镜：F E I Q U A N T A F E G 2 5 0二次电子成像扫 描电子显微镜 。 l - 3 试验方案 本试验设计以C 4 0 混凝土强度等级基础进行配比调 表 5 试验配合比 k g 4 0 CoAL AsH 3 20 1 5 2 1 粉煤灰对混凝土工作性能的影响 试验过程中保证混凝土的坍落度基本相同即工作状 态相同的情况下，调整用水量和外加剂用量。 由表 6可知，随粉煤灰掺量增加，用水量和外加剂 的用量增加，在保证坍落度基本相同的情况下，随粉煤 灰掺量增加扩展度增加，且掺量 2 0 时和易性最好。由 于试验中粉煤灰和水泥的取代率为 1 ： 2 ，因此掺加粉煤 灰后总胶凝材料的量增加，掺量越高胶凝材料的量越多， 需水量也就越大。高品质的粉煤灰取代水泥时，可有效 改善混凝土的和易性。因为粉煤灰是由大小不等的球状 颗粒的玻璃体组成，表面光滑致密，在混凝土拌合物中 能起到滚珠作用。新拌混凝土中的水泥颗粒易聚集成团， 粉煤灰的掺入可有效地分散水泥颗粒，使其释放出更多 的浆体来润滑集料。另外粉煤灰具有良好的保水性，能 减少混凝土的离析和泌水。 表 6 粉煤灰对混凝土工作性能的影响 序号 粉煤灰掺量 水胶比 外加剂 g坍落度A n n a扩展度A n n a 和易性 B e r r y 和 M a l h o t r a的研究 _ 7 _ 表明，粉煤灰对混凝土工 作度的影响，主要因素是 4 5 m颗粒的比例； 4 5 m 的球状粉煤灰，可以降低混凝土的需水量。粉煤灰的细度 越大，烧失量越小，混凝土单方用水量降低越大。细集料 的细度模数越大，混凝土单方用水量的降低也越大。 3 2 矿粉对混凝土工作性能的影响 由表 7可得，掺加矿粉之后混凝土的和易性得到改 善，扩展度增大，工作性能得到提高，矿粉掺量较低时， 新拌混凝土出机坍落度增加，矿粉掺量较高时，新拌混 凝土出机坍落度随掺量的增大变化不大。 表 7 矿粉对混凝土工作性能的影响 序号矿粉掺量 水胶 比 外加剂 k g坍落度 mm 扩展度 m m 和易性 矿粉与减水剂复合作用下表现出的辅助减水作用， 主要原因矿粉可显著降低水泥浆屈服应力，因此可改善 混凝土的和易性。矿粉颗粒直径显著小于水泥且圆度较 大，它在新拌水泥浆中具有轴承效果，可增大水泥浆的 流动性 。 2 - 3 双掺对混凝土工作性能的影响 由表 2 8 可得，当粉煤灰和矿粉双掺时混凝土的坍落 度及扩展度增大，且和易性提高。在掺加 2 0 粉煤灰和 3 0 矿粉时和易性最好。这与单掺粉煤灰和矿粉的影响 相同。矿物掺合料的微集料效应，起到填充水泥与集料 空隙的作用， 释放出更多的自有水， 增加混凝土的流动性， 同时起到滚珠作用和保水作用，使混凝土的和易性得到 提高。 表 8 双掺对混凝土工作性的影响 序号粉煤灰掺量 o g ；粉掺量 水胶比外加剂 k g 坍落度 I T Im扩展r fi m和易性 1 0 l 0 1 0 1 1 2 0 1 2 2 0 1 3 3 O l 4 2 O 0 0 3 9 8 8 2 1 O 4 4 O 1 0 0 3 9 9 7 2 2 0 4 5 0 2 0 O 3 8 9 7 2 2 0 4 7 0 3 0 0 3 7 9 7 2 2 5 5 1 0 2 O 0 - 3 9 l O 1 2 2 5 5 1 0 2 0 0 3 9 1 0 1 2 2 0 4 9 0 3 矿物掺合料对混凝土力学性能的影响 3 1 粉煤灰对混凝土力学性能的影响 由图 1可得，掺加粉煤灰后，7 d混凝土强度低于基 准混凝土，但在 7 d后掺加粉煤灰的混凝强度增长速度比 基准混凝土大，当龄期达到 6 0 d掺加 2 0 粉煤灰的混凝 土强度高于基准混凝土。这是由于粉煤灰的活性比水泥 低，水化 比纯水泥要慢，因此，在早龄期，随着粉煤灰 含量的增加而逐渐减小，在早龄期尤其明显。由于粉煤 灰具有火山灰活性效应，其中的 S i O ， 和 A 1 ， 0 ，能够与水 泥水化产物 C a ( O H ) ， 之间发生化学反应，使水化产物不断 增多，而水化产物能有效地填充水泥颗粒间的孔隙，使 混凝土中的无害孔增多，有害孑 L 减小；同时粉煤灰中富 含大量的玻璃微珠，能使水泥颗粒解絮扩散，从而产生 减水、润滑、改善混凝土的密实性 l 8 l 。在这两个因素的共 同作用下，使粉煤灰混凝土后期强度发展的速度大于基 准混凝土。 一 无掺合料 粉煤灰 粉煤灰 粉煤灰 粉煤灰 试 块龄 期 d 图 1 粉煤灰对混凝土力学性能 通过快速养护 1 d 强度得到，当掺加少量粉煤灰或者 不掺时快养 1 d强度低于标养 2 8 d强度；当粉煤灰掺量 2 0 以上时快养 1 d的强度高于标养 2 8 d强度， 分析认 为当粉煤灰较少时，快养条件下粉煤灰水化提供的强度 贡献低于标养条件水泥的水化；当粉煤灰掺量较多时， 标养条件下粉煤灰的水化量较少，而在快养时活性激活 水化速率增大，使强度高于 2 8 d强度。掺粉煤灰混凝土 的扫描电镜图见图 2 。 图 2 掺粉煤灰混凝土的扫描电镜图 由图 2可以看到在混凝土中的球状颗粒即为粉煤灰玻 璃微珠。过去认为这种颗粒小、需水性大的掺料，似乎 不会增大而只会减小流动性， 但事实上在高效减水剂的 协同作用下，小的圆球形颗粒的表面覆盖一层表面活性 物，使颗粒之间产生静电斥力，由于粉煤灰的颗粒较小， 能在水泥颗粒之间起到 “ 滚珠”作用 ，使水泥浆体的 3 2 0 1 5 粉煤 灰 4 1 柏钾 扣勰” B d 善 瞪 流动性增加；当粉煤灰的微细粒子填充于水泥粒子之间 的空隙之中时，将原来填充于空隙之中的水置换出来， 成为自由水，粒子之间的隔水层加厚，因此混合料的流 动性增大，提高混凝土的工作性能和力学性能。 3 2 矿粉对混凝土力学性能的影响 由图 3可得，矿渣粉的掺入使混凝土的早期抗压强 度下降，7 d龄期强度随着矿渣掺量的增加，混凝土的抗 压强度随之下降，这主要是因为水泥含量少，矿渣水化 速度比水泥慢，一次水化产物少。但后期掺矿粉的混凝 土强度明显超过了不掺矿粉的混凝土 ；矿渣含量 2 0 的 混凝土 6 0 d龄期的抗压强度值最高，达到 5 6 2 MP a 。其 原因在于矿粉的火山灰活性小于水泥，所以掺加矿粉的 混凝土的初始反应速率小于基准混凝土，但矿渣微粉中 含有大量的活性 S i O ， 和 A 1 ， 0 ，有较高的潜在活性，能与 水泥熟料水化产物 C a ( O H ) ， 发生二次水化反应，生成水化 硅酸钙和水化铝酸钙，就增加了水化产物的总量，提高 了混凝土的填充密度，从而使混凝土后期的强度增大。 一 无掺合料 5 6 5 4 5 2 至5 0 盍4 8 矮4 6 4 4 42 40 38 试 块龄 期 d 圈 3 矿粉对混凝土力学性能的影响 3 3 双掺对混凝土力学性能的影响 由图 4可得，粉煤灰和矿粉双掺时，强度等性能优 于两者单独掺加。随粉煤灰增加早期强度下降，矿粉增 加后期强度增长较大，且当掺加 2 0 粉煤灰和 3 0 矿粉 时 6 0 d强度达到最大 5 8 9 M P a 。分析其原因可得， 矿物 掺合料中矿粉的活性高于粉煤灰，在早期强度发展的过 程中水泥水化提供足够的 C a ( O H ) ， 以激发矿粉的活性，保 证混凝土的早期强度， 2 8 d以后水泥对强度的贡献下降， 持续的粉煤灰火山灰活性反应对强度的增长仍起着重要 4 2 CoAL AsH 3 2 01 5 的作用，进而保证混凝土的后期强度继续增长。 一 无掺合料 图 4 双掺对混凝土力学性能的影响 粉煤灰和矿粉等矿物掺合料的主要化学成分为 S i O ， 、 A 1 ， 0 和 C a O ， 具有超高活性， 将其掺入水泥中后，水化 时活化 S i O 、A 1 ， 0 与水泥中 C ， S 、C S水化产生的 c a f O H ) ， 反应， 进一步形成水化硅酸钙产物并填充于空隙中， 较细的矿物掺合料增加了与水泥的接触面积，即影响其 与 C a ( O H ) ，发生反应的有效面积，因而也就影响其与 c a f O H ) ， 的反应程度以及水化产物的数量和质量。同时，矿 物掺合料包裹在水泥颗粒及集料的周围，由于其超细化， 增加了界面处的硅质材料的质量， 水泥颗粒密集于界面 处产生较多的水化物，致使界面连接牢固；而水化产物 水化硅酸钙凝胶填充于空隙中，增加了密实度，大小颗 粒的堆积和填充，降低了空隙尺寸，所形成的微细结构 与孔结构均比普通水泥石要细得多，就能够减小离子的 扩散率，获得好的抗侵蚀性、耐久性和高强度【 9 】 。 这种 反应 能将对强度不利 的 C a ( O H ) ， 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。矿物掺合料与 C a ( O H ) ， 反应，使 C a ( O H ) ， 不 断地被消耗会加快水泥的水化速率，提高早期强度l l O l 。 矿物掺合料在消耗 C a ( O H ) ， 的同时生成C s H凝胶， 改善界面过渡区的结构，使浆体 一界面的粘接力增强， 使得与集料粘结更加紧密。如图 5 ，在集料与凝胶间的过 渡区中六方片状的C a ( O H ) ， 明显减少，集料与浆体的粘结 更加紧密J i l l 。 船 如 们 蚰 墨 魑 灰灰灰 灰 煤 煤 煤 煤 粉粉粉 粉 m加 填充、桥面修复、火车站台的填充和修补等领域。 由于泡沫混凝土具有保温隔热、节约能源的优点， 在提倡建筑节能的今天，泡沫混凝土在未来的快速发展 是一个世界性的大趋势。水泥作为高污染行业，碱激发 胶凝材料作为水泥的替代材料已是必然的趋势；泡沫混 凝土也将从单一的保温隔热向多功能化方向发展，即未 来的泡沫混凝土将集保温、 节能、防火、除湿等多功能 于一体；泡沫混凝土将与结构材料合体，组成结构 自保 温材料体系。 泡沫混凝土的众多优质的性能品质在节能环保的事 业工作中已逐渐的彰显出来，随着这一事业的稳步前进， 泡沫混凝土行业的市场前景可谓一片光明，其产品 ( 泡 沫混凝土墙板、泡沫混凝土砌块、泡沫混凝土装饰材料、 泡沫混凝 土园林制品、泡沫混凝土耐火保 温制品 )以及 泡沫混凝土现浇市场的发展必将越来越广阔。 参考文献 1 闰振甲， 何艳君泡沫混凝土实用生产技术 M 北京： 化学工业 出版社 2 0 0 6 2 】杨南如 一类新的胶凝材料 J 水泥技术 ，2 0 0 4 ( 3 ) ：l l 一 1 7 【 3 周明 杰， 王娜娜， 赵晓艳， 等 泡沫混凝土的研究和应用最新进展【 J 】 混凝土，2 0 0 9 ( 4 ) ：1 0 4 1 0 7 【 4 丁曼防水性泡沫混凝土研究【 D 长沙： 湖南大学土木工程学院， 2 01 1 5 】周志敏高强度泡沫混凝土研究【 D 】 长沙： 湖南大学， 2 0 1 1 6 】刘警 不同胶凝体系制备泡沫混凝土的 研究 D 1 上海：同济大学 材料科学与工程学院，2 O 1 3 7 MAS T AI R W SWa t e r R e p e l l e n t T r e a t me n t s f o r Br i c k wo r k J 】 C h e mi s t r yI n d u s t r y，1 9 9 3 ，1 8 ( 1 0 ) ： 8 0 9 - 8 1 1 【 8 黄桂柏， 党涛，刘芳，等 硅烷封闭涂料用于建构筑物的维护【 J 】 新型建筑材料， l 9 9 8 ， 2 7 ( 5 ) ： 2 3 2 5 【 9 】朱桂红， 赵铁军， 张新华， 等 氯离子侵蚀的混凝土进行表面防水 处理的可行性研究 D 】 青岛： 青岛大学， 2 0 0 7 1 O 胡鹏，朱涵橡胶集料混凝土渗透性能的研究【 D 天津：天津大 学，2 0 0 8 1 1 何廷树 混凝士外加剂 M 西安 ：陕西科技出版社，1 9 8 9 作者简介： 程志寅 ( 1 9 7 4 一)， 男，工程师。 收稿 日期： 2 0 1 5年 1 月 2 9日 ( 上接第4 2 页) 4 结 论 一 图5 双掺混凝土扫描电镜图片 通过矿物掺合料对混凝土工作性能和力学性能的影 响研究，得到以下几点。 ( 1 )粉煤灰和矿粉等矿物掺合料的掺加可以改善混 凝土的和易性，特别是在复合使用时效果更加明显。 ( 2 ) 掺加矿物掺合料混凝土的早期强度会下降，但后 期强度要高于基准混凝土；当掺加 2 0 粉煤灰和 3 0 矿 粉时 6 0 d强度最高，达到 5 8 9 M P a 。矿物掺合料的对混 凝土的作用主要来自于物理填充效应和火山灰效应。 ( 3 ) 掺加矿物掺合料能降低混凝土早期水化热，特 别适用于大体积混凝土工程中，矿物掺合料的使用既降 低成本，有保护环境，且对混凝土的性能起到优化作用。 4 6 coAL AsH 3 2 01 5 参考文献 1 冯乃谦 高性能混凝土 M 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 6 2 】罗季英， 冷发光， 冯乃谦， 等 粉煤灰掺量对高性能混凝土强度和耐久 性的影响 J 中国建材科技， 2 0 0 1 ( 3 ) ： 1 5 1 8 【 3 盛黎 矿物掺合料对混凝土力学性能和耐久性的影响【 D 】 杭州： 浙江 大学2 0 0 1 【 4 壬伟奇， 徐丽萍， 魏学文 粉煤灰掺合料对混凝土力学性能的影响【 J 黑龙江水利科技， 2 0 0 6 ， 3 0 ( 3 ) ： 2 4 2 5 5 】翁友法， 张东 超细矿渣掺量对高强混凝土力学性能的影响 J ， 港口 工程 1 9 8 8 ( 1 2 ) ： 2 3 - 2 6 6 冯乃谦， 杨晓明， 祖黎虹 矿粉水泥混凝土中的强度效应【 M】 北京： 科学技术文献出版社，1 9 9 8 7 】B E RR Y E E ， MAL TH OT R A V M F l y As h i n C o n c e r t e i n S u p p l e me n t a r y C e me n t i n g Ma t e r i a l s for Co n c r e t e J 】 C AN ME T ， Ot t a wa ， 1 9 9 0 ， 3 ( 1 ) ： 3 2 5 - 3 3 0 8 王新杰， 马星 矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响 J 粉煤灰综合利 用 2 0 0 9 ( 6 ) ： 3 6 - 3 7 【 9 兰明章， 王晓芳 磨细矿渣的加工和应用 c 北海： 中国首届商品粉煤 灰及磨细矿渣加工与应用技术交流大会， 2 0 0 3 ： 5 8 7 6 【 l 0 】 冷发光， 冯乃谦 矿粉掺量对高强高性能混凝土强度和耐久性影响的 试验研究 J ， 中国建材科技， 2 0 0 0 ( 1 ) ： 1 4 1 7 【 1 1 】 朱陪荣， 吴学礼， 杨全兵 超细矿渣掺合料对普通硅酸盐水泥性能的影 响及其作用机理 J ， 混凝土与水泥制品， 1 9 9 8 ( 6 ) ： 2 0 - 2 5 王静静 ( 1 9 8 2 一)， 女， 本科， 从事预拌混凝土技术质量工作。通信地址 山 东省烟台市莱山区飞龙路1 1 号 ( 2 6 4 6 8 0 )。 E - m a i h 5 2 7 2 9 4 6 9 5 q q e o m 。 收稿日期： 2 0 1 4年 l 2月 4日