高强高性能混凝土用矿物外加剂_多元矿物掺合料在高强高性能混凝土中的应用研究
时间：2019-03-31 03:28:59 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：本文通过对三元复合胶凝材料（水泥+矿粉+粉煤灰）在混凝土中的作用机理的分析，经过大量的试验研究，对三元胶凝材料在混凝土硬化过程中各个时期的强度和耐久性的影响试验研究，提出了以简单的试验方法确定高强高性能混凝土配制过程中三元胶凝材料的掺量的方法。
关键词：三元胶凝材料 混凝土 水泥 矿粉 粉煤灰
引言
多元矿物掺合料在客运专线高强高性能混凝土中已经得到广泛应用。在改善高强高性能混凝土工作性、耐久性和提高经济效益方面有着重要的作用。但是其掺量比例问题一直是困扰配合比设计人员的一个难题，造成混凝土适配过程中的劳动量很大，试验人员要分别按照不同的掺量做配合比拌合物性能和力学性能试验，不合适了还要重新适配，浪费时间且浪费精力。替代量太少了起不到相应的效果、太多了影响施工进度和预制梁的张拉等。国内现行的规范对混凝土用胶凝材料的检测只是单一的水泥对掺合料的试验检测而且是定量的掺量检测，只能对单项原材料的合格与否做出判定，而不能确定各材料之间的适应性和现在的科学技术水平未发现的未知因素对混凝土中矿物掺合料的影响。笔者经过在十九局集团有限公司施工的五个梁场的高强高性能混凝土配合比试验中总结了同事和自己的经验提出了新的方法确定多元掺合料在高强高性能混凝土中的掺量，既节省了时间又减少了工作量，方便快捷的将高强高性能混凝土中多元水泥基胶凝材料的掺量确定在最佳状态。
一、组成混凝土的理论体系分析
现代科学认为，混凝土的结构组成符合密实充填结构和细观层次的自紧密规程堆积体系理论，是一个以骨料为主体以水泥基胶凝材料为粘结体的连续级配的颗粒堆积体系。粗集料的间隙由细集料填充，细集料的间隙由水泥颗粒填充，而水泥颗粒之间的间隙则需要更细的颗粒来填充，单一以水泥作为胶凝材料的混凝土有水来填充，但混凝土拌合时引入的自由水在蒸发后留下的空隙是联通的不利于混凝土的耐久性。矿物掺合料的细度比水泥颗粒细，在混凝土中取代了部分水填充水泥的空隙，不但在减水方面取到了一定的作用，还改善混凝土的孔结构，降低孔隙率并减少了最大孔径尺寸，并有效降低了联通的空隙数量，使混凝土形成更密实的连续级配的颗粒堆积体系。因抗冻要求需要引入的微气泡除外，这些气泡之间是不连通的对混凝土的耐久性等有利。
二、多元矿物掺合料复合效应分析
科学研究表明多元矿物掺合料掺入混凝土中的效应归结为：微集料效应、形态效应、火山灰效应、界面效应等，但不同的矿物掺合料在不同的效应形式下表现可能是正效应也可能是负效应。不同效应间相互作用相互叠加，而这主要取决于矿物掺合料的物理性态、化学组成等特征以及各种掺合料之间的适应性及掺量。如果掺合料物理性能、掺量比例控制得当，多元复合矿物掺合料掺入混凝土中所表现出来的综合正效应才能得到最大程度的发挥，我们把这种多元矿物掺合料的之间相互作用、相互叠加效应称为多元复合矿物掺合料的复合效应。
2.1微集料效应的复合
在混凝土粉料中，水泥颗粒粒径最大，矿粉、粉煤灰次之。如果胶凝材料中的粉料经过适当比例的混合，就有可能形成混凝土中粉体材料良好的连续微级配。复合胶凝材料在水化过程中不同粒径的胶凝材料颗粒互相填充，减少了颗粒间的空隙，从而进一步减少了复合胶凝材料体系凝结硬化后的总孔隙率，这就有可能降低混凝土的渗透性。但掺合料掺量过多由于矿粉的颗粒比较细会使胶凝材料的总比表面积增加，同时增加混凝土的单位用水量，还会影响早期强度和高强高性能的施工进度。
混凝土抗氯离子扩散系数De、渗透高度比s与混凝土粉料的Rosin-Rammler分布均匀性系数n、空隙率ρ的相关性显著，而混凝土粉料的Rosin-Rammler分布均匀性系数n、空隙率ρ与混凝土抗压强度的相关性并不显著，原因可能在于在相关分析中并没有考虑多元复合胶凝材料的化学性质变化以及其在不同龄期的水化效果，仍有待研究。 这说明均匀性系数和空隙率是从不同的角度来描述混凝土粉料的颗粒之间的相互填充效果，其物理意义是相似的。
由此表明多元复合胶凝材料（水泥、矿粉、粉煤灰、）掺入混凝土中后在胶凝材料的水化、凝结、硬化过程中产生的微集料效应，比单一以水泥为胶凝材料的微集料作用显著可表现为正效应。
2.2 形态效应的复合
分析电子显微镜照片，发现水泥、矿粉多为不规则且表面粗糙的颗粒，粉煤灰为表面光滑的球状玻璃体颗粒。掺合料的颗粒形貌、细度、分布对其水化程度、水化深度及其硬化后的性能有不同程度的影响。由于矿粉颗粒不规则且表面粗糙，其掺入混凝土中会降低新拌混凝土的流动性、增加粘度，但混凝土拌合物的粘聚性和保水性很好；粉煤灰的光滑的玻璃体球状形态又起到了滚动、润滑作用，增加了混凝土拌合物的流动性，减少混凝土用水量和泵送阻力，再与高效减水剂配合使用使新拌混凝土得到最佳的流动度、粘聚性、保水性。因此，多元胶凝材料的复合使用，可以起到形态互补的的效果，从微观结构起到改善混凝土宏观性能的效果，可以产生正效应。
2.3界面效应的复合
混凝土浇捣过程中，骨料周围会形成一层水膜，从而使贴近骨料处比远离骨料处所形成的水灰比更高。于是造成了界面过度区毛细孔体积大，氢氧化钙晶体富集并择优取向，存在大量微裂缝等对混凝土有害的结构。因此，混凝土界面过度区通常是混凝土性质链条中最薄弱的一环。掺入矿粉、粉煤灰可减少混凝土中的Ca(OH)2的形成，并抑制Ca(OH)2晶体在界面区的生长。而且超细矿粉、粉煤灰掺入水泥—水系统后起分散作用,增加水泥粒子的水化空间，矿粉吸收由水泥熟料水化生成的Ca(OH)2,生成C-S-H相,并同时和CaSO4反应,生成Aft相,促进熟料继续水化，浆体自由水逐渐减少，而粉煤灰逐渐释放出其内部内的水,对水泥水化进行自养护,使界面附近反应继续进行,反应产物不断填充界面微裂缝,界面附近浆体逐渐紧密,界面得到加强。同时矿粉、粉煤灰等颗粒尺寸较小保水性好，可抑制骨料周围水膜的形成，从而改善界面过渡区的结构，使的胶体—集料界面的粘结力增强。由此可见矿粉、粉煤灰二元掺合料多元界面效应为正效应。
2.4火山灰效应的复合
试验证明矿粉、粉煤灰单掺入混凝土中在与水泥组成的二元胶凝材料的水化体系中都会存在火山灰活性反应，矿粉、粉煤灰作为二元复合材料同时掺入混凝土在以水泥、矿粉、粉煤灰作为三元胶凝材料的水化体系中火山灰效应更明显。在三元胶凝材料水化过程中互相激发产生复合的胶凝效应。在复合胶凝体系中，水泥熟料总是首先水化，生成CSH和CH，CH和水泥中的石膏可对矿渣、粉煤灰的水化起激发作用。矿粉析出的游离CaO和水泥中的石膏可促进粉煤灰颗粒周围的CSH凝胶和AFt的形成，从而促进粉煤灰颗粒中的铝、硅相的溶解，使水化液相中的铝、硅浓度增加，这又可加速矿渣的水化过程。这种作用反复进行，逐渐叠加。
综上所述，混凝土中掺入矿粉、粉煤灰对混凝土综合性能的改善优于单一以水泥作为水泥基胶凝材料的混凝土。而复掺粒化高炉矿渣、粉煤灰三元复合胶凝材料的混凝土，其综合性能要优于复二元复合胶凝材料的混凝土。这说明只要比例控制适当，使得三种胶凝材料交互复合的正效应达到最优化，有助于混凝土良好微级配的形成，从而改善混凝土的宏观性能。
三、矿物掺合料的用量研究
混凝土多元矿物掺合料的复合效应十分复杂、微妙，但是由于仪器设备的局限性和现在科学未发现的多元胶凝体系的更复杂、更微妙的作用，怎样才能一步到位比较简单的找出多元水化胶凝材料的适应性和最优掺配比例？笔者有以下的见解：
因为高强高性能混凝土在配制过程中不但要考虑强度和耐久性，还要考虑泵送性、凝结时间、张拉时间、表面颜色和不利条件下（冬季或夏季）的混凝土施工等因素。
通过以上试验数据可以看出，水泥：矿粉：粉煤灰用量比例为180:135:135时对现有胶材性能来说掺配比例较适合，在混凝土配合比试验室可以以这个掺配比例为基础进行配合比设计与调整，大大减小了配合比设计时的工作量和配合比设计时间。
结论上述试验方法不能直接决定掺合料在高强高性能高性能混凝土中的掺量，但是可以大大缩小配合比设计时掺合料用量范围，不但缩短了时间还大大减少了劳动量。
