復(fù)合礦物質(zhì)摻合料在混凝土中的效應(yīng)研究

王強(qiáng) 吳健 遲培云

[摘 要] 本文論述了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其對(duì)技術(shù)性質(zhì)的影響因素，分析了在粉煤灰中復(fù)合磨細(xì)礦渣粉對(duì)混凝土拌合物和易性、硬化混凝土力學(xué)性能和耐久性的效應(yīng)，試驗(yàn)表明粉煤灰復(fù)合礦粉后對(duì)混凝土的各項(xiàng)技術(shù)性質(zhì)均有顯著的益化效應(yīng)。

[關(guān)鍵詞] 粉煤灰復(fù)合磨細(xì)礦渣粉激發(fā)效應(yīng)

1.概述

混凝土是世界上使用量最大的人造材料。隨著混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展，粉煤灰等礦物質(zhì)摻合料已逐步發(fā)展成為混凝土的基本組份。1982年在英國(guó)利茲召開了“粉煤灰在混凝土中應(yīng)用”第一屆學(xué)術(shù)討論會(huì)，會(huì)議對(duì)粉煤灰在混凝土中的作用做了新的評(píng)價(jià)，認(rèn)為它是一種具有獨(dú)特性能的新材料，可以在結(jié)構(gòu)混凝土中加以應(yīng)用。我國(guó)對(duì)粉煤灰混凝土的應(yīng)用技術(shù)也進(jìn)行了許多年的研究和開發(fā)，并獲得了相當(dāng)大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是，大多數(shù)研究人員都把主要精力集中在研究粉煤灰混凝土的宏觀力學(xué)性能上，對(duì)其對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成效應(yīng)的研究甚少或很不系統(tǒng)。所以有必要開展各組成材料尤其是礦物質(zhì)摻合料在混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中的效應(yīng)研究，以便更好地掌握混凝土的配制技術(shù)，服務(wù)于工程。

2.混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其對(duì)技術(shù)性質(zhì)的影響因素

混凝土是一種復(fù)雜的非勻質(zhì)性材料，其硬化體至少包含粗、細(xì)骨料，未水化的水泥內(nèi)核，氫氧化鈣及其他結(jié)晶顆粒，水泥凝膠，凝膠孔隙，毛細(xì)管，孔隙水及氣泡等組成。影響混凝土強(qiáng)度的因素也是非常復(fù)雜的，要配制出技術(shù)性能優(yōu)良的混凝土，首先必須研究影響混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能形成的主要因素及其規(guī)律。

2.1混凝土內(nèi)部固有缺陷的產(chǎn)生機(jī)理

（1）混凝土內(nèi)部界面裂縫的形成

混凝土在硬化過(guò)程中，由于水泥水化產(chǎn)生的化學(xué)收縮和環(huán)境干燥等原因產(chǎn)生的物理收縮引起砂漿體積的變化，在粗骨料與砂漿界面上產(chǎn)生了分布極不均勻的拉應(yīng)力，并且粗骨料的粒徑越大，拉應(yīng)力也越大。拉應(yīng)力足以破壞粗骨料與砂漿的界面，形成許多分布不均勻的界面裂縫。

（2）普通混凝土中存在大量宏觀孔隙

在混凝土拌合時(shí)，為了保證混凝土拌合物具有一定的工作性，需要加入比水泥完全水化所需水量多得多的水，這些多余的水在混凝土凝結(jié)而形成初始結(jié)構(gòu)時(shí)仍留在混凝土中，并占據(jù)一定的空間。隨著水化的進(jìn)行及以后的干燥過(guò)程，水分失去，原來(lái)被水占據(jù)的空間則成為孔隙。

另外，混凝土成型后會(huì)產(chǎn)生泌水現(xiàn)象，由于上升的水分被粗骨料顆粒所阻止，從而水分聚積于粗骨料的下緣形成水隙，混凝土硬化后就成為界面裂縫。

（3）普通混凝土中粗骨料周圍存在明顯的過(guò)渡區(qū)

在普通混凝土中粗骨料界面一定范圍內(nèi)的區(qū)域，其結(jié)構(gòu)與性能不同于硬化水泥石本體。在粗骨料界面處有一層1~3μm的接觸層，在接觸層外有一層大約5~10μm的多孔隙層即過(guò)渡區(qū)。由于泌水作用，水會(huì)向這一區(qū)域富集，使得這一區(qū)域水泥漿的實(shí)際W/C大于本體中的W/C，導(dǎo)致這一區(qū)域水泥石的結(jié)構(gòu)比較疏松；由于Ca(OH)2晶體z軸垂直骨料的表面而取向外生，在水泥石與骨料之間形成了一個(gè)Ca(OH)2晶體定向排列的結(jié)構(gòu)層，加劇了過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)疏松。

2.2混凝土受力破壞特征

混凝土受外力作用時(shí)，在其內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力在幾何形狀為楔形的微裂縫尖端形成應(yīng)力集中，隨著拉應(yīng)力的逐漸增大，導(dǎo)致微裂縫的進(jìn)一步延伸、匯合、擴(kuò)大，最終造成混凝土破壞。從破壞試件的斷面可以看到，破壞主要出現(xiàn)在水泥漿基體中以及水泥漿基體與粗骨料的界面上，隨著混凝土強(qiáng)度的提高(尤其是高強(qiáng)混凝土)，破壞也會(huì)出現(xiàn)在粗骨料中。所以，混凝土的強(qiáng)度主要取決于水泥漿基體強(qiáng)度、基體與骨料間的黏結(jié)強(qiáng)度以及骨料的顆料強(qiáng)度。

3.粉煤灰及其復(fù)合礦渣粉的化學(xué)組成和作用機(jī)理

磨細(xì)粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉的化學(xué)組成分別見(jiàn)表1和表2。

由于粉煤灰中含有大量玻璃體球形顆粒，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，幾乎沒(méi)有裂縫，與其它多孔結(jié)構(gòu)的活性混合材料相比，內(nèi)比表面積較小，吸附水的能力較小，因而使混凝土的干縮小，抗裂性較高。另外，粉煤灰能有效降低水泥的水化熱已被大家所公認(rèn)，這對(duì)減小混凝土內(nèi)外溫差，保證高性能混凝土的體積穩(wěn)定性具有非常重要的作用。

在新拌混凝土中，粉煤灰微珠既有獨(dú)特的“滾珠軸承”和 “解絮”形為，又能與水泥和細(xì)砂共同發(fā)揮混凝土顆粒級(jí)配中的微集料充填作用，其充填的特點(diǎn)是活性充填，即粉煤灰活性顆粒的水化反應(yīng)，使粉煤灰顆粒與水泥漿體的界面膠合，并對(duì)水泥漿體和骨料的界面起致密作用。粉煤灰的致密作用減少了混凝土中的孔隙體積和較粗的孔隙，特別是填充了漿體中的毛細(xì)孔通道，從而能顯著延緩CO2、Cl-、水及氧等在混凝土中的擴(kuò)散。這對(duì)混凝土的耐久性非常重要。

但是，由于粉煤灰的化學(xué)活性相對(duì)較低，在摻量較高的情況下，對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度影響較大。為了彌補(bǔ)粉煤灰的這一缺陷，我們?cè)诜勖夯抑袕?fù)合活性較高的磨細(xì)礦渣粉。

粉煤灰復(fù)合磨細(xì)礦渣粉后，提高了火山灰活性效應(yīng)，增加了體系中微粒間的化學(xué)交互、誘導(dǎo)激發(fā)作用，因此提高了粉體的化學(xué)活性。另外，磨細(xì)礦粉中含有較多的超細(xì)顆粒，其顆粒粒徑多數(shù)小于10μm，化學(xué)活性顯著提高，水化性能大幅度增強(qiáng)，與一般細(xì)度的礦渣粉相比，在混凝土用水量相同的情況下，混凝土拌合物所獲得的流動(dòng)性更大，泌水性明顯下降。在同摻高效減水劑后，超細(xì)的粉煤灰和礦渣粉粒會(huì)強(qiáng)烈地吸附高效減水劑并形成雙電層，從而促進(jìn)超細(xì)粉粒子填充水泥漿體，把水泥粒子進(jìn)一步分散開，對(duì)混凝土拌合物的流動(dòng)性產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。這對(duì)水灰比相對(duì)較低的高強(qiáng)高性能混凝土能比較容易地獲得大流動(dòng)性具有相當(dāng)可貴的作用。

4.粉煤灰復(fù)合磨細(xì)礦渣粉對(duì)混凝土技術(shù)性質(zhì)的影響

4.1混凝土拌合物的和易性和強(qiáng)度

試驗(yàn)采用對(duì)比的方法，以基準(zhǔn)混凝土配合比為基礎(chǔ)(序號(hào)0)，對(duì)比混凝土(序號(hào)1)，按等和易性、等強(qiáng)度原則，摻加CM-H高效減水劑（Mх1.2%），同時(shí)減少用水量24%，用超量取代法摻加粉煤灰，粉煤灰摻量為40%，超量系數(shù)取1.5，粉煤灰超量部分等體積取代砂子，來(lái)進(jìn)行配合比計(jì)算；對(duì)比混凝土(序號(hào)2)在序號(hào)1的基礎(chǔ)上，取代1/4粉煤灰，等量摻加礦渣粉。檢測(cè)混凝土拌合物的和易性，制作試件并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到一定齡期后分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性、孔結(jié)構(gòu)以及抗凍融性試驗(yàn)。

配制混凝土所用原材料：(1)山水水泥 P·O42.5，28天抗壓強(qiáng)度47.2MPa；(2)大沽河砂，細(xì)度模數(shù)μf=2.52，含泥量1.2%；(3)花崗巖碎石，最大粒徑DM=20mm，含泥量0.27%；(4)自來(lái)水；(5)CM-H高效減水劑，摻量1.2%，減水率24%；(6)磨細(xì)粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉的化學(xué)組成及細(xì)度分別見(jiàn)表1和表2。

混凝土配合比及其流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，（序號(hào)1）摻加粉煤灰復(fù)合高效減水劑的混凝土拌合物的流動(dòng)性要比基準(zhǔn)混凝土拌合物的流動(dòng)性增大約14%，說(shuō)明了粉煤灰微珠在新拌混凝土中的“形態(tài)效應(yīng)”和 “解絮”形為，提高了混凝土拌合物流動(dòng)性；對(duì)于強(qiáng)度，盡管7天和28天的抗壓強(qiáng)度都比基準(zhǔn)混凝土的要低，但60天抗壓強(qiáng)度卻提高了約3%，也說(shuō)明粉煤灰的火山灰活性效應(yīng)是逐步發(fā)揮的，并且增強(qiáng)作用隨時(shí)間延長(zhǎng)越來(lái)越大。（序號(hào)2）粉煤灰復(fù)合25%礦渣粉再?gòu)?fù)合高效減水劑的混凝土拌合物和易性比（序號(hào)1）的更好，其28天和60天抗壓強(qiáng)度分別提高12%和9%。說(shuō)明混凝土拌合物中不僅有粉煤灰微珠的“形態(tài)效應(yīng)”和 “解絮”形為，復(fù)合磨細(xì)礦渣粉后，更增加了體系中微粒間的化學(xué)交互、誘導(dǎo)激發(fā)作用，同時(shí)，摻合料中的超細(xì)粉粒會(huì)強(qiáng)烈地吸附高效減水劑并形成雙電層，從而促進(jìn)超細(xì)粉粒子填充水泥漿體，把水泥粒子進(jìn)一步分散開，對(duì)混凝土拌合物的流動(dòng)性產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，對(duì)硬化混凝土起到細(xì)化毛細(xì)孔、增加密實(shí)度和提高強(qiáng)度的作用。

4.2混凝土的孔結(jié)構(gòu)

在目前的技術(shù)條件下，無(wú)論采用何種成型工藝，硬化混凝土內(nèi)部孔隙是必然存在的，其結(jié)構(gòu)與混凝土的各項(xiàng)物理力學(xué)性能和耐久性有密切的關(guān)系。

我們采用壓汞試驗(yàn)分別測(cè)定了基準(zhǔn)混凝土（序號(hào)0）和摻加復(fù)合礦粉混凝土（序號(hào)2）的孔結(jié)構(gòu)，繪制了兩種混凝土內(nèi)部的孔徑分布曲線，如圖1所示。

圖1基準(zhǔn)混凝土和摻加復(fù)合礦粉混凝土內(nèi)的孔徑分布曲線

從混凝土內(nèi)部的孔徑分布曲線可以看出，基準(zhǔn)混凝土中大孔含量比較多，其最可幾孔徑分別為53.8?、170.1?和915.2?，相關(guān)資料顯示：孔徑53.8?為少害孔，170.1?為有害孔，915.2?為多害孔；而對(duì)比混凝土（序號(hào)2）的最可幾孔徑只有7.7?，屬無(wú)害孔。這充分顯示了復(fù)合礦粉中的“微集料填充效應(yīng)”以及其他行為對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和水泥水化產(chǎn)物的顯著益化作用。

4.3混凝土的抗?jié)B性、抗凍性和耐化學(xué)腐蝕性

混凝土的抗?jié)B性采用逐漸施加水壓法，即每8小時(shí)增加水壓0.2MPa，一致增加到3.0MPa，然后劈開試件測(cè)定其平均滲透深度；混凝土的抗凍融性采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天的棱柱體試件(100×100×400mm)進(jìn)行快速凍融，300次凍融循環(huán)后分別測(cè)定其相對(duì)動(dòng)彈性模量，然后計(jì)算其耐久性系數(shù)DF；混凝土的耐化學(xué)腐蝕性采用模擬腐蝕介質(zhì)浸泡法。腐蝕介質(zhì)的化學(xué)成分為：Mg2+3000mg/L，SO42-6000mg/L，Cl-6000mg/L，NH4+300mg/L，PH≤4.0。將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天的立方體試件分別浸泡于20℃±2℃的淡水和腐蝕介質(zhì)中180天，然后分別測(cè)定抗壓強(qiáng)度，計(jì)算耐腐蝕系數(shù)。

綜合表3、表4和圖1的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在混凝土中復(fù)合摻加兩種磨細(xì)混合材料，不只是兩種混合材料的簡(jiǎn)單混合，而是有意識(shí)地使兩種混合材料互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，相得益彰，產(chǎn)生單一混合材料不能有的優(yōu)良效果。磨細(xì)粉煤灰和磨細(xì)礦渣復(fù)合摻入混凝土后，混凝土拌合物的和易性更好，硬化混凝土的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度都得到提高，孔隙結(jié)構(gòu)明顯細(xì)化，有害的孔隙基本被消除，孔隙率大幅度降低，表明混凝土耐久性的各項(xiàng)指標(biāo)諸如抗?jié)B性，抗凍融性以及耐化學(xué)腐蝕性等性能均有顯著提高。

5.結(jié)語(yǔ)

在粉煤灰中復(fù)合少量磨細(xì)礦渣粉以后摻入混凝土可獲得如下效果：

（1）混凝土的早期強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，而后期強(qiáng)度（28天以后）均有明顯提高；

（2）混凝土拌合物的和易性與純摻粉煤灰相比有較大改善，含氣量有所提高；

（3）混凝土的孔隙率顯著減小，最可幾孔徑向無(wú)害孔方向發(fā)展；

（4）代表耐久性指標(biāo)的抗?jié)B性、抗凍性和耐化學(xué)腐蝕性等有更大的提高。

綜合上述，在粉煤灰中復(fù)合少量磨細(xì)礦渣粉，增加了體系中微粒間的化學(xué)交互、協(xié)調(diào)和誘導(dǎo)激發(fā)作用，對(duì)混凝土的各項(xiàng)技術(shù)性質(zhì)均有明顯的益化效應(yīng)，是混凝土改性的一條有效途徑。

作者簡(jiǎn)介：

王強(qiáng)(1979.06)，男(漢族)，青島人，工程師，從事市政工程監(jiān)理工作。