混凝土礦物摻合料

1、混凝土礦物摻合料混凝土礦物摻合料 明天的混凝土將含有較少的熟料，因明天的混凝土將含有較少的熟料，因此水泥業(yè)將成為水硬性膠凝材料業(yè)，一種此水泥業(yè)將成為水硬性膠凝材料業(yè)，一種向市場提供與水拌和時能硬化的微細粉末向市場提供與水拌和時能硬化的微細粉末的工業(yè)。這種使礦物組分，而不是細磨熟的工業(yè)。這種使礦物組分，而不是細磨熟料用量增大的做法，將有助于水泥業(yè)向更料用量增大的做法，將有助于水泥業(yè)向更加符合各國政府提出的可持續(xù)發(fā)展的目標加符合各國政府提出的可持續(xù)發(fā)展的目標邁進。今天的水泥業(yè)沿著這個方向努力已邁進。今天的水泥業(yè)沿著這個方向努力已經(jīng)是非常必要了。經(jīng)是非常必要了。 Cements of yesterd

2、ay and today； Concrete of tomorrow P.-C.Atcin 以以活性氧化硅、氧化鋁和其它有活性氧化硅、氧化鋁和其它有效礦物效礦物為主要成分，在混凝土中可以為主要成分，在混凝土中可以代替部分水泥、代替部分水泥、改善混凝土綜合性能改善混凝土綜合性能，且且摻量一般不小于摻量一般不小于5%5%的的具有火山灰活具有火山灰活性或潛在水硬性的粉體材料性或潛在水硬性的粉體材料。 什么是混凝土什么是混凝土礦物細粉摻和礦物細粉摻和料？料？ 以以活性氧化硅、氧化鋁和其它有活性氧化硅、氧化鋁和其它有效礦物效礦物為主要成分，在混凝土中可以為主要成分，在混凝土中可以代替部分水泥、代替部分水

3、泥、改善混凝土綜合性能改善混凝土綜合性能，且且摻量一般不小于摻量一般不小于5%5%的的具有火山灰活具有火山灰活性或潛在水硬性的粉體材料性或潛在水硬性的粉體材料。 什么是混凝土什么是混凝土礦物細粉摻和礦物細粉摻和料？料？ 最早發(fā)現(xiàn)的礦物摻和料是意大利posolis地下 儲藏的大量沉積的天然火山灰在2000多年前被當?shù)厝私凶觥翱由场薄，F(xiàn)在意大利的最好的火山灰是沸石化的凝灰?guī)r，被認為其活性比無定形火山灰的活性高； 礦物摻和料是指在混凝土拌合物中，為了節(jié)約水泥，改善混凝土性能加入的具有一定細度的天然或者人造的礦物粉體材料，是混凝土的第六組分。常用的礦物摻合料有：粉煤灰、?；郀t礦渣粉、硅灰、沸石粉、燃

4、燒煤矸石等。粉煤灰應用最普遍。 粉煤灰又稱飛灰，是由燃燒煤粉的鍋爐煙氣中收集到的細粉末，其顆粒多呈球形，表面光滑，大部分由直徑以計的實心和(或)中空玻璃微珠以及少量的莫來石、石英等結(jié)晶物質(zhì)所組成?；瘜W成分及礦化學成分及礦物組成物組成 粉煤灰的化學成分因煤的品種及燃燒條件粉煤灰的化學成分因煤的品種及燃燒條件而異。一般來說，粉煤灰化學成分的變動范圍而異。一般來說，粉煤灰化學成分的變動范圍為：為：SiOSiO2 2含量約為含量約為40406060；AlAl2 2O O3 3含量為含量為20203030，F(xiàn)eFe2 20 03 3含量為含量為5 51010， CaOCaO含量含量2%2%8%8%，燒失

5、量，燒失量3 38 8，SiOSiO2 2和和AlAl2 2O O3 3是粉煤是粉煤灰中的主要活性成分灰中的主要活性成分，粉煤灰的燒失量主要是，粉煤灰的燒失量主要是未燃盡碳未燃盡碳，其混凝土吸水量大，強度低，易風，其混凝土吸水量大，強度低，易風化，抗凍性差，為粉煤灰中的有害成分?；?，抗凍性差，為粉煤灰中的有害成分。粉煤灰在混凝土中的作用粉煤灰在混凝土中的作用 活性行為和膠凝作用活性行為和膠凝作用。粉煤灰的活性來源于它所含的玻璃體，他與水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應，生成C-S-H和C-A-H、水化硫鋁酸鈣，強化了混凝土界面過渡區(qū)，同時提高混凝土的后期強度。粉煤灰在混凝土中的作用粉

6、煤灰在混凝土中的作用 充填行為和致密作用充填行為和致密作用。粉煤灰是高溫煅燒的產(chǎn)物，其顆粒本身很小，且強度很高。粉煤灰顆粒分布于水泥漿體中水泥顆粒之間時，提高混凝土膠凝體系的密實性。 需水行為和減水作用需水行為和減水作用。由于粉煤灰的的顆粒大多是球形的玻璃珠，優(yōu)質(zhì)粉煤灰由于其“滾珠軸承”的作用，可以改善混凝土拌和物的和易性,減少混凝土單位體積用水量，硬化后水泥漿體干縮小，提高混凝土的抗裂性。降低混凝土早期溫升，抑制開裂。大摻量粉煤灰混凝土特別適合大體積混凝土。二次水化和較低的水泥熟料量使最終混凝土中的Ca(OH)2大為減少，可以有效提高混凝土抵抗化學侵蝕的能力。當摻加量足夠大時，可以明顯抑制混

7、凝土堿骨料病害。降低氯離子擴散能力，提高混凝土護筋性。以上作用在水膠比低于0.42時，較突出。粉煤灰質(zhì)量粉煤灰質(zhì)量等級等級 低鈣粉煤灰的密度一般為1.82.6g/cm3，松散容重為6001000kg/m3，粉煤灰成品根據(jù)細度、需水量比、燒失量、含水量和三氧化硫含量劃分為I、II、III個級別，各項物理性能指標應滿足下表的要求。粉煤灰物理性質(zhì)指標和要求 粉煤灰特性及利弊粉煤灰特性及利弊提高抗化學侵蝕性，降低混凝土溫升，有利于混凝土耐久性，混凝土強度后期持續(xù)增長率高抗收縮開裂性較好改善拌和物施工性，但坍落度太大時，(I級)粉煤灰顆粒易上浮發(fā)生泌漿(要控制坍落度盡可能小) P.K.Mehta在美國加

8、州大學伯克利分校Barker會堂剪力墻和基礎(chǔ)加固工程中所用混凝土，用坍落度筒檢測的坍落度只有100mm的混凝土拌和物，其泵送效果竟與坍落度為180mm的傳統(tǒng)混凝土泵送效果一樣。 現(xiàn)場檢測，HVFA混凝土坍落度為125mm時，可相當于180mm的普通混凝土。但由于用水量很低而不離析或泌水。圖示該混凝土的流動特性，坍落度僅100mm。早期強度較低；大摻量時在較低氣溫下凝結(jié)緩慢；對養(yǎng)護要求較高(要降低水膠比),化學活性低，可促進硅酸鹽水泥水化，但早期孔隙率大，碳化問題較突出(需采取對策)對水敏感，在無保濕的條件下，因內(nèi)部黏度增加，阻礙持續(xù)泌水而會加劇塑性開裂(需加強保水養(yǎng)護).所以應該采取的技術(shù)措施

9、主要是 要控制坍落度盡可能小。因為試驗表明大摻量粉煤灰混凝土（HVFA）坍落度為125mm時，可相當于180mm的普通混凝土。但由于用水量很低而不離析或泌水。 注意不要過度振搗。要降低水膠比，保證大摻量粉煤灰混凝土強度，尤其是早期強度。注意及早、有效的養(yǎng)護以及足夠的濕養(yǎng)護時間。初凝前后開始覆蓋養(yǎng)護保證不失水。濕養(yǎng)護時間也很重要，最好養(yǎng)護14天，至少7天。(2) 硅灰 硅灰又稱硅粉或硅煙灰，是從生產(chǎn)硅鐵合金或硅鋼等所排放的煙氣中收集到的顆粒極細的煙塵，色呈淺灰到深灰。硅灰的顆粒是微細的玻璃球體，部分粒子凝聚成片或球狀的粒子。其平均粒徑為平均粒徑為0.10.10.20.2，是水泥顆粒粒徑的1/50

10、1/100,比表面積高達2.0104m2/kg。其主要成分是SiO2（占90以上），它的活性要比水泥高13倍。以10硅灰等量取代水泥，混凝土強度可提高25以上。硅粉的化硅粉的化學成分學成分 硅粉的火山灰活性指標高達110%，這與其化學成分有關(guān)。硅粉的SiO2含量很高，在80%以上，這種SiOSiO2 2是非晶態(tài)、是非晶態(tài)、無定形的無定形的，易溶于堿溶液中，在早期即可與CH反應，可以提高混凝土的早期強度。生成的水化硅酸鈣凝膠鈣硅比小，組織結(jié)構(gòu)致密。 硅灰可以提高混凝土的早期和后期強度，耐磨性，抗腐蝕性提高。但自干燥收縮大，且不利于降低混凝土溫升。因此，復摻時，可充分發(fā)揮他們的各自優(yōu)點，取長補短。

11、例如，可復摻粉煤灰和硅灰，用硅灰提高混凝土的早期強度，用優(yōu)質(zhì)粉煤灰降低混凝土需水量和自干燥收縮，在加之顆粒的填充作用，使混凝土更密實。 由于硅灰具有高比表面積，因而其需水量很大，將其作為混凝土摻合料，須配以減水劑，方可保證混凝土的和易性。硅粉混凝土的特點是特別早強和耐磨，很容易獲得早強，而且耐磨性優(yōu)良。硅粉使用時摻量較少，一般為膠凝材料總重的510，且不高于15，通常與其它礦物摻合料復合使用。在我國，因其產(chǎn)量低，目前價格很高，處于價格考慮，一般混凝土強度低于80MPa時，都不考慮摻加硅粉。 (3) ?；郀t礦渣粉 ?；郀t礦渣粉是指將?；郀t礦渣經(jīng)干燥、磨細達到相當細度且符合相應活性指數(shù)的粉狀

12、材料，細度大于350m2/kg，一般為400-600m2/kg。其活性比粉煤灰高。 1862年，德國的ELangen發(fā)現(xiàn)通過堿性激發(fā)，能發(fā)揮水淬礦渣的潛在水硬性。此后，在歐洲，礦渣作為一種水硬性材料進行了研究與開發(fā)，使礦渣與普通水泥一樣，成為不可缺少的工程材料。 ?；郀t礦渣在水淬時形成的大量玻璃體,具有微弱的自身水硬性。用于高性能混凝土的礦渣粉磨至比表面積超過400m2/kg，以較充分地發(fā)揮其活性，減少泌水性。研究表明礦渣磨得越細，其活性越高，摻入混凝土中后，早期產(chǎn)生的水化熱越多，越不利于控制混凝土的溫升，而且成本較高；磨細礦渣的特性及利弊磨細礦渣的特性及利弊具有潛在的水硬性，單獨加水可以緩

13、慢水化硬化，化學活性高，在鹽類激發(fā)下，可提高活性能提高抗化學侵蝕性，后期強度增長率高化學收縮和自收縮較大比粉煤灰抗碳化性能較好比表面積超過4000cm2g時不降低混凝土溫升，且自收縮隨摻量(75%)而增大，對開裂敏感使用路線：控制細度，加大摻量在使用中不可一概而論在使用中不可一概而論 如果礦渣磨得偏細，或摻得不多，且環(huán)境及混凝土體溫度不低，早期也不注意及時的濕養(yǎng)護（給水），這時由于其水化潛熱高于水泥，混凝土就會因硬化快、自身收縮較大，而開裂敏感性增大；但是，如果它粉磨細度較小，或摻量很大，或環(huán)境及混凝土體溫度偏低，或早期注意及時的濕養(yǎng)護，由于它起始水化時間明顯延遲（水泥用量少，pH值上升緩慢）

14、，自身收縮被濕養(yǎng)護所補償，混凝土開裂敏感性就可以減小。 摻合料在混凝土中的作用摻合料在混凝土中的作用1) 摻合料可代替部分水泥，成本低廉，經(jīng)濟效益顯著。2) 增大混凝土的后期強度。礦物細摻料中含有活性的SiO2和Al2O3，與水泥中的石膏及水泥水化生成的Ca(OH)2反應，生成生成CSH和CAH、水化硫鋁酸鈣。提高了混凝土的后期強度。但是值得提出的是除硅灰外的礦物細摻料，混凝土的早期強度當摻量超過一定比例時而降低。3) 改善新拌混凝土的工作性?；炷撂岣吡鲃有院?，很容易使混凝土產(chǎn)生離析和泌水，摻入礦物細摻料后，混凝土具有很好的粘聚性。像粉煤灰等需水量小的摻合料還可以降低混凝土的水膠比，提高混凝

15、土的耐久性。4) 降低混凝土溫升。水泥水化產(chǎn)生熱量，而混凝土又是熱的不良導體，在大體積混凝土施工中，混凝土內(nèi)部溫度可達到5070，比外部溫度高，產(chǎn)生溫度應力，混凝土內(nèi)部體積膨脹，而外部混凝土隨著氣溫降低而收縮。內(nèi)部膨脹和外部收縮使得混凝土中產(chǎn)生很大的拉應力，導致混凝土產(chǎn)生裂縫。摻合料的加入，減少了水泥的用量，就進一步降低了水泥的水化熱，降低混凝土溫升。5) 提高混凝土的耐久性?；炷恋哪途眯耘c水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2密切相關(guān)，礦物細摻料和Ca(OH)2發(fā)生化學反應，降低了混凝土中的Ca(OH)2含量；同時減少混凝土中大的毛細孔，優(yōu)化混凝土孔結(jié)構(gòu)，降低混凝土最可幾孔徑，使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，

16、提高了混凝土的抗凍性、抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕等耐久性能。6) 抑制堿骨料反應。試驗證明，礦物摻合料摻量較大時，可以有效地抑制堿骨料反應。內(nèi)摻30的低鈣粉煤灰能有效地抑制堿硅反應的有害膨脹，利用礦渣抑制堿骨料反應，其摻量宜超過40。7) 不同礦物細摻料復合使用的“超疊效應”。不同礦物細摻料在混凝土中的作用有各自的特點，例如礦渣火山灰活性較高，有利于提高混凝土強度，但自干燥收縮大；摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰的混凝土需水量小，且自干燥收縮和干燥收縮都很小，在低水膠比下可保證較好的抗碳化性能。礦物細粉摻和料的耐久性改善效應礦物細粉摻和料的耐久性改善效應 由于和游離石灰及高堿性水化硅酸鈣產(chǎn)由于和游離石灰及高堿性水化硅酸

17、鈣產(chǎn)生二次水化，生成強度更高、穩(wěn)定性更優(yōu)、數(shù)生二次水化，生成強度更高、穩(wěn)定性更優(yōu)、數(shù)量更多的低堿性水化硅酸鈣，改善了水化膠凝量更多的低堿性水化硅酸鈣，改善了水化膠凝物質(zhì)的組成，并減少或消除了游離石灰，對提物質(zhì)的組成，并減少或消除了游離石灰，對提高混凝土耐久性作用極大。高混凝土耐久性作用極大。 1 1、抗硫酸鹽侵蝕性能顯著提高，因為在水泥石、抗硫酸鹽侵蝕性能顯著提高，因為在水泥石中缺乏或不存在游離石灰時形成具有膨脹作用的中缺乏或不存在游離石灰時形成具有膨脹作用的鈣礬石反應不能進行；鈣礬石反應不能進行； 2 2、在有堿集料反應產(chǎn)生的條件下由于礦物細粉、在有堿集料反應產(chǎn)生的條件下由于礦物細粉摻合料的

18、摻加在混凝土水化產(chǎn)物中形成大量低摻合料的摻加在混凝土水化產(chǎn)物中形成大量低堿水化硅酸鈣，堿水化硅酸鈣，它們能吸收和固定大量的鈉、它們能吸收和固定大量的鈉、鉀離子從而使混凝土中的有效堿含量大大減少，鉀離子從而使混凝土中的有效堿含量大大減少，極大地減少了堿集料反應的危害性。極大地減少了堿集料反應的危害性。3 3、礦物細粉摻合料的摻加它們填充集料和水泥、礦物細粉摻合料的摻加它們填充集料和水泥顆粒的孔隙，使混凝土結(jié)構(gòu)和界面更為致密，顆粒的孔隙，使混凝土結(jié)構(gòu)和界面更為致密，阻斷了可能形成的滲透通路，使混凝土抗?jié)B性阻斷了可能形成的滲透通路，使混凝土抗?jié)B性大為提高。大為提高。4 4、在低水膠比情況下，摻加礦物

19、細粉摻合料，、在低水膠比情況下，摻加礦物細粉摻合料，混凝土中的可凍水很缺乏，抗凍性大幅度提混凝土中的可凍水很缺乏，抗凍性大幅度提高，當然高抗凍性與與低水膠比直接相關(guān)，高，當然高抗凍性與與低水膠比直接相關(guān)，但也與摻加礦物細粉摻合料密不可分，例如，但也與摻加礦物細粉摻合料密不可分，例如，水科院李金玉等人研究同為水科院李金玉等人研究同為0.260.26的水膠比，的水膠比，不摻加礦物細粉摻合料的不摻加礦物細粉摻合料的C60C60混凝土其抗凍混凝土其抗凍融循環(huán)只達到融循環(huán)只達到F250F250，而摻加礦物細粉摻合料，而摻加礦物細粉摻合料的混凝土抗凍融循環(huán)可達的混凝土抗凍融循環(huán)可達F1000F1000以上

20、。以上。5 5、對于碳化和鋼筋銹蝕的擔憂。、對于碳化和鋼筋銹蝕的擔憂。摻加礦物摻加礦物細粉摻合料的可能帶來的負面影響是混凝細粉摻合料的可能帶來的負面影響是混凝土的堿度降低，抗碳化能力減弱，引起保土的堿度降低，抗碳化能力減弱，引起保護鋼筋的能力減弱。護鋼筋的能力減弱。但是在低水膠比下，但是在低水膠比下，混凝土的堿度下降并不十分急劇?；炷恋膲A度下降并不十分急劇。 蒲心誠等人對大摻量粉煤灰水泥的堿度研究蒲心誠等人對大摻量粉煤灰水泥的堿度研究表明粉煤灰摻量從表明粉煤灰摻量從0 0提高至提高至70%70%時時PHPH值僅由值僅由12.612.6下下降至降至12.0612.06，說明粉煤灰摻加，說明粉煤

21、灰摻加70%70%時，水泥膠砂的時，水泥膠砂的PHPH值仍然高于值仍然高于1212，高于配筋結(jié)構(gòu)允許的最低堿度，高于配筋結(jié)構(gòu)允許的最低堿度11.511.5。除此之外，摻加礦物細粉摻合料，在低水除此之外，摻加礦物細粉摻合料，在低水膠比時密實性很高，水分甚至氧和二氧化碳都難膠比時密實性很高，水分甚至氧和二氧化碳都難以進入，這同樣增大了混凝土的護筋性。以進入，這同樣增大了混凝土的護筋性。 總之，現(xiàn)代混凝土科學中最突出的兩大成就：其一是高效外加劑的生產(chǎn)和應用；其二是礦物細粉摻合料的的研究、應用與發(fā)展。后者的重要意義遠遠超過了以前僅僅為節(jié)約水泥的經(jīng)濟意義和利用廢棄資源的環(huán)保意義。它涉及到全面提高混凝土的

22、各項性能，使混凝土壽命提高到5001000年成為可能。綠色混凝土是低碳混凝土技綠色混凝土是低碳混凝土技術(shù)必然的發(fā)展途徑術(shù)必然的發(fā)展途徑高性能混凝土高性能混凝土是隨著混凝土技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，在高效減水劑和大摻量礦物摻合料為物質(zhì)基礎(chǔ)上以低水膠比、低水泥用量、低單位體積用水量為主要技術(shù)特征的現(xiàn)代混凝土，是當今混凝土的發(fā)展方向。近十年高性能混凝土技術(shù)得到廣泛和成功的實踐。 要發(fā)展和應用高性能混凝土，就必須有高質(zhì)量的原材料供應。 我國目前在水泥、骨料和混凝土礦物摻和料等原材料供應方面不同程度地存在著品質(zhì)問題。 唐明述院士指出：原材料的優(yōu)選優(yōu)配對于高性能混凝土的推廣應用十分重要。由于水泥和某些礦物摻合

23、料實際上不適合做這種微細填料，原因是超高細度的水泥和高活性礦物摻合料會引起水化反應加劇、凝結(jié)硬化過快、混凝土溫升提高、顯著增大混凝土收縮而引起開裂等一系列問題；因此，高性能混凝土需要具有低反應活性的易于加工而且具有良好需水行為的超細填料！粉煤灰 由于符合高性能混凝土的上述要求，所以成為現(xiàn)代高性能混凝土中最重要的礦物摻合料，在混凝土中加入粉煤灰可以改善混凝土和易性、耐久性和后期強度等諸多性能。尤其是優(yōu)質(zhì)粉煤灰，以上特征更為顯著。 但是 我國現(xiàn)在可用于混凝土的優(yōu)質(zhì)粉煤灰產(chǎn)量不足，可直接利用的干粉比例不大，能供應優(yōu)質(zhì)粉煤灰的電廠少。許多地區(qū)苦于沒有高品質(zhì)粉煤灰，能夠供應的粉煤灰普遍顆粒粗，含碳量高，

24、需水量大。關(guān)于超細石灰石粉關(guān)于超細石灰石粉 超細石灰石粉是以生產(chǎn)石灰石碎石和機制砂時產(chǎn)生的細砂和石屑為原料，通過進一步粉磨制成的粒徑不大于10m10m 的細粉，在混凝土中具有良好的減水和填充效應超細石灰石粉的研究與應用超細石灰石粉的研究與應用國外對超細石灰石粉的研究、開發(fā)和利用比較早,德國開發(fā)生產(chǎn)了石灰石粉摻量從6%20%的石灰石硅酸鹽水泥。在日本, 從20 世紀末開始, 超細石灰石粉已廣泛應用于配制高流動性混凝土和高性能噴射混凝土。美國ACI212.1R- 81Admixtures for Concrete and Guide for Use of Admixtures in Concret

25、e中指出，石灰石粉可以作為混凝土的礦物摻合料 Mario Collepardi關(guān)于自密實混凝關(guān)于自密實混凝土的研究中使用石灰石粉土的研究中使用石灰石粉在國外石灰石粉用于大型工程的實例在國外石灰石粉用于大型工程的實例 跨度為960+1990+960m的三跨度組成的世界跨度最大的日本明石海峽吊橋的橋墩、纜索錨固結(jié)構(gòu)體的高流動性混凝土，塊體混凝土的配比中每m3混凝土中水泥的用量為260kg，石灰石粉的摻量為150kg，用水量為145kg 。在國外石灰石粉用于大型工程的實例在國外石灰石粉用于大型工程的實例法國的西瓦克斯核電站號反應堆C50高性能混凝土的配合比中使用了CPJ5細摻料水泥，含有9%的石灰石粉。而每m3混凝土中水泥用量為266kg，石灰石粉摻量為114kg，硅灰摻量為40kg，水膠比為0.38，坍落