混凝土掺合料开发技术研究

混凝土掺合料开发技术研究

论文栏目:混凝土论文

1技术核心问题
在水泥中掺入各种不同粒度分布的矿物质掺合料，其技术核心问题就是获得水泥基材料的密实填充结构，改善混凝土的综合性能。
2掺合料的三效应
任何一种掺合料，都具有形态效应、活性效应和微集料效应(填充效应)，这三个效应共存于一体且相互影响。
2．1掺合料的形态效应
形态效应是形貌学上的特点，指掺合料粉料由其颗粒的外观形貌、内部结构、表面性质、颗粒级配等物理性状所产生的效应。典型的:①粉煤灰:煤粉经高温燃烧后形成的掺合料颗粒，绝大多数为玻璃微珠，这部分外表比较光滑的类球形颗粒，由硅铝玻璃体组成，尺寸多在几微米到几十微米。由于球形颗粒表面光滑，故掺入混凝土之后能起滚球润滑作用，这对于减少混凝土拌合物的需水量和提高混凝土拌合物的工作性具有积极作用。②硅灰(属于一种偏硅酸盐，由平均直径为0.1μm的极细球状颗粒组成):硅灰颗粒一般以成块的形式存在，降低混凝土及砂浆的流动性，增加需水量，但却对抗裂和防止离析有利。掺合料的这种不寻常的形态效应常常会影响其他效应的发挥，因此，应看作掺合料在混凝土中的第一个基本效应。
2．2掺合料的活性
掺合料的活性是指混凝土中掺合料的活性成分所产生的化学效应，也就是通常说的火山灰反应［1］:活性SiO2和Al2O3与Ca(OH)2反应，生成类似于水泥水化所产生的水化硅酸钙和水化铝酸钙等反应产物。这些水化产物可作为胶凝材料的一部分起到增强作用。火山灰反应从水泥水化析出的氢氧化钙［Ca(OH)2］吸附到掺合料颗粒表面的时候开始，一直可延续到28d以后的相当长时间内。由于火山灰反应对湿度的敏感性比常规水泥更高，因此要充分发挥火山灰材料的总体效应，长时间的保湿养护是十分重要的。没有足够的保湿养护，火山灰只能够起到非胶凝性填料的作用。
2．3掺合料的微集料效应
掺合料的微集料效应(填充效应)是指掺合料中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之间，填充孔隙和毛细孔，改善混凝土孔结构和增大密实度的特性。①非活性掺合料微粒尽管只是填料的作用，但因在水泥浆体中分散状态良好，有助于新拌混凝土和硬化混凝土均匀性的改善，也有助于混凝土中孔隙和毛细孔的充填和“细化”。②活性掺合料微集料效应除具有填料作用外，还因生成类似于水泥水化所产生的水化硅酸钙和水化铝酸钙等反应产物，明显地增强硬化浆体的结构强度。
3掺合料开发的技术路线
掺合料的开发，包括新品种的开发和原有掺合料复合技术的开发。
3．1选材
混凝土掺合料的选材范围较为广泛，只要符合《建筑材料放射性卫生防护标准》的材料，理论上都可以作为混凝土掺合料。就算是氧化钙、氧化镁等含量异常，造成复合胶凝材料安定性问题的，也可以在合理用量范围内与其他品种的掺合料复合使用。
3．2区分掺合料的主导效应
3．2.1活性效应为主导
a．主要活性成分是活性SiO2，而且玻璃体含量较高的掺合料，一般对其中的不利因素加以注意即可。比如磷渣(化学成分如表1)，应对其中有缓凝作用的P2O5含量加以限制;钢渣中含有大量的铁的氧化物，易造成安定性问题，则应对其含铁量加以限制。当然，在性价比合理的范围内，最好在粉磨时对粒度进行一定的控制，与水泥粒度配合，在发挥活性效应的同时也充分发挥其微集料效应(填充效应)。b．主要活性成分是Al2O3的掺合料，因其随AS2/CH的比率及反应温度的不同，会生成不同的水化产物，一般不单独使用，而是考虑与其他掺合料共同作用。比如Pyrament水泥，含矿渣6%、粉煤灰13%－35%、偏高岭土10%(偏高岭土:无定型硅酸铝(Al2O3·2SiO2，AS2))，早期强度、后期强度均佳。使用以活性Al2O3成分为主的掺合料，一定要注意后期强度是否存在倒缩等耐久性问题，必须引起足够的重视，不然，后果不堪设想。
3．2.2微集料效应(填充效应)为主导
通常所说的惰性材料，如石灰石粉等磨细的硅质岩石的产物，使用的主要目的是改善混凝土的工作性。控制粉磨粒度，充分发挥填充作用，获得最密实填充的胶凝材料，几乎是其唯一的技术途径。比如:现以不同粒度的掺合料掺入粒度为10.4μm的硅酸盐水泥中，当水泥:掺合料=0.7∶03时，胶凝材料的空隙率降至最低。在相同的流动性下，空隙率越小的胶凝材料组合用水量自然就越小，从而使流动性与强度达到最优值。
3．3多元复合
多元复合的优势在于具有复合胶凝效应和紧密堆积效应，形式多样，但总的来说，一定要跟水泥的作用共同考虑，明显发挥各组分性能的超叠加效应，同时在经济上更有利。活性组分与活性组分的复合，如:水泥－矿渣－粉煤灰三元体系(有效降低混凝土的早期水化热温升而早期强度在可接受范围内［3］)以及水泥+5%硅灰+5%粉煤灰三元体系(活性指标相当于10%硅灰，经济效益显著［4］)等根据不同需要进行的复合。活性组分和非活性组分的复合，如:石英粉与矿渣和粉煤灰复合的低需水量胶凝材料(俄罗斯)以及调粒水泥［5］等发挥多种掺合料各自特性的复合。
4复合功能掺合料实际应用
根据某实际工程需要，配置低水化热的大体积混凝土，混凝土强度等级为C50。我们采用将矿渣和粉煤灰单掺及复合以获得最优配合比，满足技术要求的同时控制成本，并确保工程质量。
4．1原材料
水泥:42.5普通硅酸盐水泥;矿渣:S95级粒化高炉矿渣粉(技术指标见表3);粉煤灰:Ⅱ级粉煤灰;砂:中砂，细度模数2.6～2.8;石:卵碎石，规格5～25㎜;水:自来水;外加剂:缓凝性高效减水剂。
4．2试验方案
以矿渣和粉煤灰单掺及复合进行试配，以工作性能及强度等试验结果确定最优配合比。
4．3试验结果及分析
4．3.1工作性分析
从工作性来讲，复合的工作性优于单掺，新拌混凝土坍落度大、粘度小，便于泵送，且坍落度经时损失较小。工作性改善的原因分析为:首先，矿渣粉为玻璃态材料，表面吸附水较少，可减少混凝土的单位用水量，降低坍落度经时损失;其次，粉煤灰的滚珠效应起减水作用，可以改善流动度，减小坍落度损失。两者相互促进，有效地改善了混凝土的工作性。
4．3.2强度及耐久性分析
单掺矿渣，早期水化热得以控制，但前期强度发展较快，28天及60天强度增长缓慢。很多研究表明，使用矿渣取代水泥对混凝土的干缩有较大影响，不利于裂缝的控制及其耐久性。单掺粉煤灰，也可以有效地将低水化热且有利于混凝土的耐久性，但大掺量粉煤灰难以配制出高强度的混凝土，尤其早期强度受环境影响较大。通过试验可以发现，矿渣与粉煤灰的复合可以很好地避免单掺所显现的弊端。而且两者的复合可以发挥超叠加效应，获得低水化热，低成本，高耐久性混凝土。两者的复合可有效地控制水化热。早期强度介于两者单掺的强度之间，但也基本满足早期强度要求，后期依靠粉煤灰来提高强度，完全可满足设计强度。掺合料的填充效应使得混凝土结构更加质密，改善孔结构提高耐久性。通过单掺及复合掺加的效果对比，我们可以看出复合具有单掺难以达到的性能，更有利于改善混凝土的综合性能。
5结语
随着建筑业的不断发展，单纯注重成本和强度的矿物掺合料使用观念，实际已经无法满足现代建筑的需求。合理使用混凝土掺合料，要更加重视改善混凝土的综合性能。在混凝土掺合料开发的技术路线方面，矿物掺合料的生产和使用必然要朝着复合矿物掺合料技术方向发展［6］。复合掺合料可以使掺合料性能实现优势互补，更好发挥综合效能，充分发挥掺合料优良特性，克服单一品种性能缺陷，降低成本，提升混凝土性能。