掺合料混凝土技术的研究与应用
混凝土作为工程建设中最大宗的建筑材料,其技术的进步, 一直为业界所关注。通常, 我们把在混凝土中掺加矿物质材料替代部分水泥的混凝土称作 掺合料混凝土。与传统( 纯水泥)混凝土相比, 掺合料混凝土具有或者性能改善或者造价降低的特点, 因此是混凝土技术进步的一个重要方向。本文着重介绍了矿物掺合料的作用效果和机理, 以及一些实际应用技术和应用过程当中存在的问题并提出些自己的看法。
1 常用掺合料的品种及性能特点
混凝土中使用掺合料, 不仅能够降低成本, 而且使用得当能够有效地改善混凝土的强度、工作性和耐久性。掺合料通常可按来源分为人造和天然两种, 按性质分为活性和非活性, 其中最常用的矿物掺合料皆为活性掺合料。
1．1 常用矿物掺合料简述
1．1．1 粉煤灰
粉煤灰又称飞灰, 主要来自于燃煤电厂排放出的粉尘, 是一种颗粒非常细以致能在空气中流动并被除尘设备收集的粉状物质。粉煤灰的主要成分为SiO2 , Al2 O3 和Fe2 O3 , 有些时候含有比较高的CaO。粉煤灰外观类似水泥, 胶凝性差, 是目前用量最大的混凝土掺合料。
1．1．2 矿渣
粒化高炉矿渣是溶化的矿渣在高温状态迅速水淬而成。矿渣的主要化学成分为SiO2、CaO、Al2O3。矿渣有碱性、酸性和中性之分。酸性矿渣的胶凝性差, 而碱性矿渣的凝胶性好。因此,矿渣微粉应选用碱性矿渣。
1．1．3 硅灰
硅灰是电弧炉冶炼金属或硅铁合金时的副产品。硅灰的主要成分是SiO2 一般占90% 以上,绝大部分是无定形的氧化硅。硅灰很细, 用透气发测得的硅灰比表面积为3 4 ― 4 7m2 / g, 用氮吸附法测量, 一般为18 ― 22 m2 / g 。
1．1．4 石灰石粉
石灰石粉具有比熟料易磨性好的优点。合理的掺量在水泥体系中能改善整
个体系级配, 在应用过程中能起到矿物减水的作用, 也可作为激发剂使用。
1．1．5 其他矿物掺合料
矿物掺合料还有沸石粉, 高岭土粉, 石英粉, 稻壳灰等。
2 掺合料的作用与机理
2．1 作用效果
在混凝土中加入适量的矿物掺合料, 可以部分替代, 降低工程成本, 减小水化热的危害, 对混凝土的力学、耐久性、工作性均有改善。
2．2 作用机理
1) 火山灰效应( 活性效应) : 由于矿物掺和料的化学组成主要为SiO2 和Al2 O3 这两种物质,能够与水泥水泥水化产物中的Ca ( OH) 2 发生反应, 生成C- S- H 和Af t。
2) 微集料效应: 矿物掺合料粒径很小, 如硅灰达到纳米级别, 未水化的颗粒可以填充到水
泥石或水泥石与集料界面处孔隙当中, 使混凝土结构更加密实, 从而提高混凝土强度, 改善其耐久性。
3) 形态效应: 矿物掺合料的颗粒形状多为球形, 如粉煤灰颗粒为球形, 可以在混凝土浆体内起到类似 滚珠 作用, 提高流动性, 提高流动性的同时还改善了粘聚性和保水性, 更加利于泵送施工。
3 掺合料混凝土的应用技术
3．1 激发剂的应用
3．1．1 激发原理及激发剂种类
基于各类矿物掺合料与水泥水化反应的特点和作用机理, 为使矿物掺合料起到更好的应用效果, 所选择的激发措施主要有物理激发和化学激发。
1) 物理激发物理激发主要是通过将矿物掺合料再次磨细, 显著增大其比表面积, 而且会增加原子的活性中心数量。使其与水泥水化更加迅速, 可以填充更小孔径级别的有害孔隙。
2) 化学激发主要是通过加入某些化合物能促进Si- O, A l- O 键断裂, 使
[ SiO4 ] 4- 四面体形成缺陷, 并在常温下能使粉煤灰参与水泥水化的进程, 分别见图1, 图2。
3．1．2 激发剂的选择
对于掺加了矿物掺合料的混凝土来说, 激发剂的选择是尤为重要的, 主要依据以下两原则:一是依据矿物掺合料的化学组成, 如钙硅比高低选择激发剂。二是依据实际工程要求, 如早强要求, 工作性要求等采用物理与化学复合激发无疑也将具有更好的效果。但不论是物理激发还是化学激发或是复合激发技术措
施, 除考虑激发效果外, 还应考虑经济因素与实际施工的可行性。
3．2 矿物掺合料的复合应用技术
由于使用单一的矿物掺合料在改善混凝土性能的同时也带来了一些问题, 如早期强度下降。矿渣和硅灰虽然对早期强度影响较小, 收缩增大, 所以人们开始尝试将多种掺合料复合使用。在复合使用矿物掺合料时, 首先, 需要注意颗粒级配的合理搭配, 因为颗粒越细则需水量增大, 不易满足泵送要求, 过粗则影响掺合料活性。其次, 还应注意矿物掺合料间化学性质的复合应用, 掺合料依据SiO2 含量和活性, 被分为酸性及中性活性混合材、碱性及中性惰性混合材和碱性活性混合材三类。各类混合材的复合应用, 即混合材的酸性和碱性、活性与惰性的合理搭配, 对提高混凝土性能有良好作用。根据实验表明, 掺加矿渣和石灰石粉的混凝土早期强度和后期强度均高于单掺矿渣, 3d和28d 抗折和抗压强度分别提高4%, 4 7% 和17 3%, 2 8% , 而掺加矿渣、沸石、石灰石的一组虽然3d 抗折强度较之下降2%, 但28d 抗折强度升高4% , 3d 和28d 抗压强度提高1 4%,7 5% , 具体结果如下表1。这是因为多种矿物掺合料复合使用时, 惰性掺合料可以激发活性掺合料, 起到类似晶种的作用, 使水化反应快速顺利进行。
表1 混合材组成方式对混凝土强度的影响
3．3 矿物掺合料与化学外加剂的复合
作为现代混凝土的最新常用组分, 矿物掺合料和化学外加剂的相容性得到了人们的普遍重视, 因为这直接影响了混凝土性能的好坏。重庆大学蒲心诚[ 14] 教授通过将几种矿物掺合料分别单掺和双掺, 并与高效减水剂复合分析复合效应, 实验数据表明超细矿物掺合料与高效减水剂的复合减水效应高于减水剂单掺时的减水效应; 此外, 在掺合料掺量相同的条件下, 用磨细粉煤灰替代部分
硅灰, 再与高效减水剂复合时的复合减水效应高于硅灰与高效减水剂的复合减
水效应, 见图3
。
这是因为矿物掺合料所具有的形态效应, 能起到减水的作用, 而硅灰粒径更小, 填充效果突出, 能够使被包裹的水分释放出来。当二者复合使用时颗粒级配趋于更加合理,填充效果更佳因而减水率更高。矿物掺合料与化学外加剂的相容性主要体现在其酸碱性, 活性和粉末细度三方面。研究表明, 掺合料的酸性愈强, 活性愈高, 细度愈细, 与混凝土减水剂的适应性皆呈现变差的趋势。对混凝土的施工和易性和耐久性会有不利的影响。反之, 掺合料的碱性强、活性低, 细度适当, 则与减水剂的适应性趋势向好。但过多的碱性和惰性掺合料( 如石灰石) 以及过粗的粉磨细度会使混凝土强度受到影响。因此, 在配制混凝土时合理选择掺合料的种类, 适当调整酸性掺合料与碱性掺合料、活性掺合料与惰性掺合料的搭配比例, 并控制适当的粉磨细度, 即可改善掺合料与混凝土减水剂的适应性, 从而使混凝土的和易性、耐久性及强度得到均衡有效地提高。
4 掺合料混凝土的应用
近年来, 很多国家都对掺合料混凝土进行了大量的研究和应用。水利水电行
业是掺合料混凝土应用的重点领域之一。甘肃省龙渠水电站引水枢纽工程位于甘肃黑河中游莺落峡出口, 黑河系含砂河流, 排砂泄洪闸闸底板护坦及闸墙底部被冲磨损坏严重。先后进行过3 次维修处理, 但仍然冲磨破坏严重, 总面积达547 6m2 , 冲磨深度40 ― 75cm, 闸槽钢件及墙护面铸铁板磨坏, 混凝土磨损深度为20cm。后采用改性硅粉混凝土及改性硅粉砂浆进行维修, 每立米混凝土用52 5 号水泥400kg/m3 , 外掺硅粉量15%, 乳胶2% , 掺外加剂1 9% , 水灰比0 30, 硅粉混凝土7d 强度达到62 5MPa, 28d 强度达到85 66MPa, 每立方米硅粉混凝土的单价仅为环氧砂浆的2 5% , 维修效果良好。东风水电站是乌江干流上一座梯级水电站,双曲拱坝坝型, 最大坝高162m, 它是我国已建成的最高拱坝, 乌江多年平均输砂量1 260 万t/年。泄洪洞泄量较大, 流速达32m/ S, 中孔流速39 76m/ S, 有较大的漩涡流态紊乱, 护坦部位下泄水流带有巨大的能量, 强烈的旋滚、脉动, 使施工余碴及边坡掉石等在护坦内滚动产生磨损, 故要求材料具有高强及抗冲耐磨性等。为此对泄水建筑物各部位的抗蚀耐磨材料提出特殊要求, 确定采用硅粉混凝土作为抗蚀耐磨材料,对重要部位进行保护。美国宾夕法尼亚洲阿利根泥河上的肯尤阿坝消力池, 也曾采用掺合料混凝土维修被冲磨破坏深达1 1m 的消力池底板。所使用的硅酸盐水泥单位用量达415kg/ m3 , 外掺硅粉量为水泥的15% , 水胶比仅0 28, 泵送粉混凝土坍落度大于25cm 并掺用引气剂, 该消力池共分成54 块,最大块掺合料混凝土量为51m3 , 由拌和车搅拌混凝土运至浇筑现场, 再泵送至池内, 用内部振捣器将混凝土振实, 经振动刮板刮面处理, 然后喷涂养护剂保湿养护。掺合料混凝土浇筑总量为1540m3 , 整个浇筑施工进展顺利, 混凝土试件28 天平均强度达到92MPa, 平均磨蚀损失率4 1% ( 与在试验室2% ― 3% 的损失值十分接近) 。
5 展 望
研究和推广掺合料混凝土技术意义重大。由于掺合料多为工业废料, 其本身的处理就是重要的环保课题。因此, 推广应用掺合料混凝土可以达到变废为宝的效果。掺合料的加入, 在降低混凝土的成本的同时, 往往能带来其性能的改善。有些场合, 采用掺合料混凝土, 几乎可达到工程目的的唯一途径( 如潮高强混凝土) 。用掺加掺合料的方式来改善混凝土的耐久性, 具有广阔的应用前景。这方面的研究工作也受到愈来愈多的重视。由于不同种类、来源的掺合料其性质变
化很大。因此, 掺合料混凝土的应用需要以较多的前期试验、论证工作来加以支撑。尤其是复合掺加技术、激发剂的选择等方面都需予以重视。今后, 性能稳定、通用性好的激发剂产品将是掺合料混凝土技术发展的一个重要方向。
掺合料混凝土技术的研究与应用
混凝土作为工程建设中最大宗的建筑材料,其技术的进步, 一直为业界所关注。通常, 我们把在混凝土中掺加矿物质材料替代部分水泥的混凝土称作 掺合料混凝土。与传统( 纯水泥)混凝土相比, 掺合料混凝土具有或者性能改善或者造价降低的特点, 因此是混凝土技术进步的一个重要方向。本文着重介绍了矿物掺合料的作用效果和机理, 以及一些实际应用技术和应用过程当中存在的问题并提出些自己的看法。
1 常用掺合料的品种及性能特点
混凝土中使用掺合料, 不仅能够降低成本, 而且使用得当能够有效地改善混凝土的强度、工作性和耐久性。掺合料通常可按来源分为人造和天然两种, 按性质分为活性和非活性, 其中最常用的矿物掺合料皆为活性掺合料。
1．1 常用矿物掺合料简述
1．1．1 粉煤灰
粉煤灰又称飞灰, 主要来自于燃煤电厂排放出的粉尘, 是一种颗粒非常细以致能在空气中流动并被除尘设备收集的粉状物质。粉煤灰的主要成分为SiO2 , Al2 O3 和Fe2 O3 , 有些时候含有比较高的CaO。粉煤灰外观类似水泥, 胶凝性差, 是目前用量最大的混凝土掺合料。
1．1．2 矿渣
粒化高炉矿渣是溶化的矿渣在高温状态迅速水淬而成。矿渣的主要化学成分为SiO2、CaO、Al2O3。矿渣有碱性、酸性和中性之分。酸性矿渣的胶凝性差, 而碱性矿渣的凝胶性好。因此,矿渣微粉应选用碱性矿渣。
1．1．3 硅灰
硅灰是电弧炉冶炼金属或硅铁合金时的副产品。硅灰的主要成分是SiO2 一般占90% 以上,绝大部分是无定形的氧化硅。硅灰很细, 用透气发测得的硅灰比表面积为3 4 ― 4 7m2 / g, 用氮吸附法测量, 一般为18 ― 22 m2 / g 。
1．1．4 石灰石粉
石灰石粉具有比熟料易磨性好的优点。合理的掺量在水泥体系中能改善整
个体系级配, 在应用过程中能起到矿物减水的作用, 也可作为激发剂使用。
1．1．5 其他矿物掺合料
矿物掺合料还有沸石粉, 高岭土粉, 石英粉, 稻壳灰等。
2 掺合料的作用与机理
2．1 作用效果
在混凝土中加入适量的矿物掺合料, 可以部分替代, 降低工程成本, 减小水化热的危害, 对混凝土的力学、耐久性、工作性均有改善。
2．2 作用机理
1) 火山灰效应( 活性效应) : 由于矿物掺和料的化学组成主要为SiO2 和Al2 O3 这两种物质,能够与水泥水泥水化产物中的Ca ( OH) 2 发生反应, 生成C- S- H 和Af t。
2) 微集料效应: 矿物掺合料粒径很小, 如硅灰达到纳米级别, 未水化的颗粒可以填充到水
泥石或水泥石与集料界面处孔隙当中, 使混凝土结构更加密实, 从而提高混凝土强度, 改善其耐久性。
3) 形态效应: 矿物掺合料的颗粒形状多为球形, 如粉煤灰颗粒为球形, 可以在混凝土浆体内起到类似 滚珠 作用, 提高流动性, 提高流动性的同时还改善了粘聚性和保水性, 更加利于泵送施工。
3 掺合料混凝土的应用技术
3．1 激发剂的应用
3．1．1 激发原理及激发剂种类
基于各类矿物掺合料与水泥水化反应的特点和作用机理, 为使矿物掺合料起到更好的应用效果, 所选择的激发措施主要有物理激发和化学激发。
1) 物理激发物理激发主要是通过将矿物掺合料再次磨细, 显著增大其比表面积, 而且会增加原子的活性中心数量。使其与水泥水化更加迅速, 可以填充更小孔径级别的有害孔隙。
2) 化学激发主要是通过加入某些化合物能促进Si- O, A l- O 键断裂, 使
[ SiO4 ] 4- 四面体形成缺陷, 并在常温下能使粉煤灰参与水泥水化的进程, 分别见图1, 图2。
3．1．2 激发剂的选择
对于掺加了矿物掺合料的混凝土来说, 激发剂的选择是尤为重要的, 主要依据以下两原则:一是依据矿物掺合料的化学组成, 如钙硅比高低选择激发剂。二是依据实际工程要求, 如早强要求, 工作性要求等采用物理与化学复合激发无疑也将具有更好的效果。但不论是物理激发还是化学激发或是复合激发技术措
施, 除考虑激发效果外, 还应考虑经济因素与实际施工的可行性。
3．2 矿物掺合料的复合应用技术
由于使用单一的矿物掺合料在改善混凝土性能的同时也带来了一些问题, 如早期强度下降。矿渣和硅灰虽然对早期强度影响较小, 收缩增大, 所以人们开始尝试将多种掺合料复合使用。在复合使用矿物掺合料时, 首先, 需要注意颗粒级配的合理搭配, 因为颗粒越细则需水量增大, 不易满足泵送要求, 过粗则影响掺合料活性。其次, 还应注意矿物掺合料间化学性质的复合应用, 掺合料依据SiO2 含量和活性, 被分为酸性及中性活性混合材、碱性及中性惰性混合材和碱性活性混合材三类。各类混合材的复合应用, 即混合材的酸性和碱性、活性与惰性的合理搭配, 对提高混凝土性能有良好作用。根据实验表明, 掺加矿渣和石灰石粉的混凝土早期强度和后期强度均高于单掺矿渣, 3d和28d 抗折和抗压强度分别提高4%, 4 7% 和17 3%, 2 8% , 而掺加矿渣、沸石、石灰石的一组虽然3d 抗折强度较之下降2%, 但28d 抗折强度升高4% , 3d 和28d 抗压强度提高1 4%,7 5% , 具体结果如下表1。这是因为多种矿物掺合料复合使用时, 惰性掺合料可以激发活性掺合料, 起到类似晶种的作用, 使水化反应快速顺利进行。
表1 混合材组成方式对混凝土强度的影响
3．3 矿物掺合料与化学外加剂的复合
作为现代混凝土的最新常用组分, 矿物掺合料和化学外加剂的相容性得到了人们的普遍重视, 因为这直接影响了混凝土性能的好坏。重庆大学蒲心诚[ 14] 教授通过将几种矿物掺合料分别单掺和双掺, 并与高效减水剂复合分析复合效应, 实验数据表明超细矿物掺合料与高效减水剂的复合减水效应高于减水剂单掺时的减水效应; 此外, 在掺合料掺量相同的条件下, 用磨细粉煤灰替代部分
硅灰, 再与高效减水剂复合时的复合减水效应高于硅灰与高效减水剂的复合减
水效应, 见图3
。
这是因为矿物掺合料所具有的形态效应, 能起到减水的作用, 而硅灰粒径更小, 填充效果突出, 能够使被包裹的水分释放出来。当二者复合使用时颗粒级配趋于更加合理,填充效果更佳因而减水率更高。矿物掺合料与化学外加剂的相容性主要体现在其酸碱性, 活性和粉末细度三方面。研究表明, 掺合料的酸性愈强, 活性愈高, 细度愈细, 与混凝土减水剂的适应性皆呈现变差的趋势。对混凝土的施工和易性和耐久性会有不利的影响。反之, 掺合料的碱性强、活性低, 细度适当, 则与减水剂的适应性趋势向好。但过多的碱性和惰性掺合料( 如石灰石) 以及过粗的粉磨细度会使混凝土强度受到影响。因此, 在配制混凝土时合理选择掺合料的种类, 适当调整酸性掺合料与碱性掺合料、活性掺合料与惰性掺合料的搭配比例, 并控制适当的粉磨细度, 即可改善掺合料与混凝土减水剂的适应性, 从而使混凝土的和易性、耐久性及强度得到均衡有效地提高。
4 掺合料混凝土的应用
近年来, 很多国家都对掺合料混凝土进行了大量的研究和应用。水利水电行
业是掺合料混凝土应用的重点领域之一。甘肃省龙渠水电站引水枢纽工程位于甘肃黑河中游莺落峡出口, 黑河系含砂河流, 排砂泄洪闸闸底板护坦及闸墙底部被冲磨损坏严重。先后进行过3 次维修处理, 但仍然冲磨破坏严重, 总面积达547 6m2 , 冲磨深度40 ― 75cm, 闸槽钢件及墙护面铸铁板磨坏, 混凝土磨损深度为20cm。后采用改性硅粉混凝土及改性硅粉砂浆进行维修, 每立米混凝土用52 5 号水泥400kg/m3 , 外掺硅粉量15%, 乳胶2% , 掺外加剂1 9% , 水灰比0 30, 硅粉混凝土7d 强度达到62 5MPa, 28d 强度达到85 66MPa, 每立方米硅粉混凝土的单价仅为环氧砂浆的2 5% , 维修效果良好。东风水电站是乌江干流上一座梯级水电站,双曲拱坝坝型, 最大坝高162m, 它是我国已建成的最高拱坝, 乌江多年平均输砂量1 260 万t/年。泄洪洞泄量较大, 流速达32m/ S, 中孔流速39 76m/ S, 有较大的漩涡流态紊乱, 护坦部位下泄水流带有巨大的能量, 强烈的旋滚、脉动, 使施工余碴及边坡掉石等在护坦内滚动产生磨损, 故要求材料具有高强及抗冲耐磨性等。为此对泄水建筑物各部位的抗蚀耐磨材料提出特殊要求, 确定采用硅粉混凝土作为抗蚀耐磨材料,对重要部位进行保护。美国宾夕法尼亚洲阿利根泥河上的肯尤阿坝消力池, 也曾采用掺合料混凝土维修被冲磨破坏深达1 1m 的消力池底板。所使用的硅酸盐水泥单位用量达415kg/ m3 , 外掺硅粉量为水泥的15% , 水胶比仅0 28, 泵送粉混凝土坍落度大于25cm 并掺用引气剂, 该消力池共分成54 块,最大块掺合料混凝土量为51m3 , 由拌和车搅拌混凝土运至浇筑现场, 再泵送至池内, 用内部振捣器将混凝土振实, 经振动刮板刮面处理, 然后喷涂养护剂保湿养护。掺合料混凝土浇筑总量为1540m3 , 整个浇筑施工进展顺利, 混凝土试件28 天平均强度达到92MPa, 平均磨蚀损失率4 1% ( 与在试验室2% ― 3% 的损失值十分接近) 。
5 展 望
研究和推广掺合料混凝土技术意义重大。由于掺合料多为工业废料, 其本身的处理就是重要的环保课题。因此, 推广应用掺合料混凝土可以达到变废为宝的效果。掺合料的加入, 在降低混凝土的成本的同时, 往往能带来其性能的改善。有些场合, 采用掺合料混凝土, 几乎可达到工程目的的唯一途径( 如潮高强混凝土) 。用掺加掺合料的方式来改善混凝土的耐久性, 具有广阔的应用前景。这方面的研究工作也受到愈来愈多的重视。由于不同种类、来源的掺合料其性质变
化很大。因此, 掺合料混凝土的应用需要以较多的前期试验、论证工作来加以支撑。尤其是复合掺加技术、激发剂的选择等方面都需予以重视。今后, 性能稳定、通用性好的激发剂产品将是掺合料混凝土技术发展的一个重要方向。