多元礦物摻合料在高強(qiáng)高性能混凝土中的應(yīng)用研究

王英杰

摘要：本文通過對三元復(fù)合膠凝材料（水泥+礦粉+粉煤灰）在混凝土中的作用機(jī)理的分析，經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究，對三元膠凝材料在混凝土硬化過程中各個時期的強(qiáng)度和耐久性的影響試驗(yàn)研究，提出了以簡單的試驗(yàn)方法確定高強(qiáng)高性能混凝土配制過程中三元膠凝材料的摻量的方法。

關(guān)鍵詞：三元膠凝材料混凝土水泥礦粉粉煤灰

引言

多元礦物摻合料在客運(yùn)專線高強(qiáng)高性能混凝土中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在改善高強(qiáng)高性能混凝土工作性、耐久性和提高經(jīng)濟(jì)效益方面有著重要的作用。但是其摻量比例問題一直是困擾配合比設(shè)計(jì)人員的一個難題，造成混凝土適配過程中的勞動量很大，試驗(yàn)人員要分別按照不同的摻量做配合比拌合物性能和力學(xué)性能試驗(yàn)，不合適了還要重新適配，浪費(fèi)時間且浪費(fèi)精力。替代量太少了起不到相應(yīng)的效果、太多了影響施工進(jìn)度和預(yù)制梁的張拉等。國內(nèi)現(xiàn)行的規(guī)范對混凝土用膠凝材料的檢測只是單一的水泥對摻合料的試驗(yàn)檢測而且是定量的摻量檢測，只能對單項(xiàng)原材料的合格與否做出判定，而不能確定各材料之間的適應(yīng)性和現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)水平未發(fā)現(xiàn)的未知因素對混凝土中礦物摻合料的影響。筆者經(jīng)過在十九局集團(tuán)有限公司施工的五個梁場的高強(qiáng)高性能混凝土配合比試驗(yàn)中總結(jié)了同事和自己的經(jīng)驗(yàn)提出了新的方法確定多元摻合料在高強(qiáng)高性能混凝土中的摻量，既節(jié)省了時間又減少了工作量，方便快捷的將高強(qiáng)高性能混凝土中多元水泥基膠凝材料的摻量確定在最佳狀態(tài)。

一、組成混凝土的理論體系分析

現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為，混凝土的結(jié)構(gòu)組成符合密實(shí)充填結(jié)構(gòu)和細(xì)觀層次的自緊密規(guī)程堆積體系理論，是一個以骨料為主體以水泥基膠凝材料為粘結(jié)體的連續(xù)級配的顆粒堆積體系。粗集料的間隙由細(xì)集料填充，細(xì)集料的間隙由水泥顆粒填充，而水泥顆粒之間的間隙則需要更細(xì)的顆粒來填充，單一以水泥作為膠凝材料的混凝土有水來填充，但混凝土拌合時引入的自由水在蒸發(fā)后留下的空隙是聯(lián)通的不利于混凝土的耐久性。礦物摻合料的細(xì)度比水泥顆粒細(xì)，在混凝土中取代了部分水填充水泥的空隙，不但在減水方面取到了一定的作用，還改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，降低孔隙率并減少了最大孔徑尺寸，并有效降低了聯(lián)通的空隙數(shù)量，使混凝土形成更密實(shí)的連續(xù)級配的顆粒堆積體系。因抗凍要求需要引入的微氣泡除外，這些氣泡之間是不連通的對混凝土的耐久性等有利。

二、多元礦物摻合料復(fù)合效應(yīng)分析

科學(xué)研究表明多元礦物摻合料摻入混凝土中的效應(yīng)歸結(jié)為：微集料效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、火山灰效應(yīng)、界面效應(yīng)等，但不同的礦物摻合料在不同的效應(yīng)形式下表現(xiàn)可能是正效應(yīng)也可能是負(fù)效應(yīng)。不同效應(yīng)間相互作用相互疊加，而這主要取決于礦物摻合料的物理性態(tài)、化學(xué)組成等特征以及各種摻合料之間的適應(yīng)性及摻量。如果摻合料物理性能、摻量比例控制得當(dāng)，多元復(fù)合礦物摻合料摻入混凝土中所表現(xiàn)出來的綜合正效應(yīng)才能得到最大程度的發(fā)揮，我們把這種多元礦物摻合料的之間相互作用、相互疊加效應(yīng)稱為多元復(fù)合礦物摻合料的復(fù)合效應(yīng)。

2.1微集料效應(yīng)的復(fù)合

在混凝土粉料中，水泥顆粒粒徑最大，礦粉、粉煤灰次之。如果膠凝材料中的粉料經(jīng)過適當(dāng)比例的混合，就有可能形成混凝土中粉體材料良好的連續(xù)微級配。復(fù)合膠凝材料在水化過程中不同粒徑的膠凝材料顆?；ハ嗵畛?，減少了顆粒間的空隙，從而進(jìn)一步減少了復(fù)合膠凝材料體系凝結(jié)硬化后的總孔隙率，這就有可能降低混凝土的滲透性。但摻合料摻量過多由于礦粉的顆粒比較細(xì)會使膠凝材料的總比表面積增加，同時增加混凝土的單位用水量，還會影響早期強(qiáng)度和高強(qiáng)高性能的施工進(jìn)度。

混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)De、滲透高度比s與混凝土粉料的Rosin-Rammler分布均勻性系數(shù)n、空隙率ρ的相關(guān)性顯著，而混凝土粉料的Rosin-Rammler分布均勻性系數(shù)n、空隙率ρ與混凝土抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性并不顯著，原因可能在于在相關(guān)分析中并沒有考慮多元復(fù)合膠凝材料的化學(xué)性質(zhì)變化以及其在不同齡期的水化效果，仍有待研究。 這說明均勻性系數(shù)和空隙率是從不同的角度來描述混凝土粉料的顆粒之間的相互填充效果，其物理意義是相似的。

由此表明多元復(fù)合膠凝材料（水泥、礦粉、粉煤灰、）摻入混凝土中后在膠凝材料的水化、凝結(jié)、硬化過程中產(chǎn)生的微集料效應(yīng)，比單一以水泥為膠凝材料的微集料作用顯著可表現(xiàn)為正效應(yīng)。

2.2 形態(tài)效應(yīng)的復(fù)合

分析電子顯微鏡照片，發(fā)現(xiàn)水泥、礦粉多為不規(guī)則且表面粗糙的顆粒，粉煤灰為表面光滑的球狀玻璃體顆粒。摻合料的顆粒形貌、細(xì)度、分布對其水化程度、水化深度及其硬化后的性能有不同程度的影響。由于礦粉顆粒不規(guī)則且表面粗糙，其摻入混凝土中會降低新拌混凝土的流動性、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體球狀形態(tài)又起到了滾動、潤滑作用，增加了混凝土拌合物的流動性，減少混凝土用水量和泵送阻力，再與高效減水劑配合使用使新拌混凝土得到最佳的流動度、粘聚性、保水性。因此，多元膠凝材料的復(fù)合使用，可以起到形態(tài)互補(bǔ)的的效果，從微觀結(jié)構(gòu)起到改善混凝土宏觀性能的效果，可以產(chǎn)生正效應(yīng)。

2.3界面效應(yīng)的復(fù)合

混凝土澆搗過程中，骨料周圍會形成一層水膜，從而使貼近骨料處比遠(yuǎn)離骨料處所形成的水灰比更高。于是造成了界面過度區(qū)毛細(xì)孔體積大，氫氧化鈣晶體富集并擇優(yōu)取向，存在大量微裂縫等對混凝土有害的結(jié)構(gòu)。因此，混凝土界面過度區(qū)通常是混凝土性質(zhì)鏈條中最薄弱的一環(huán)。摻入礦粉、粉煤灰可減少混凝土中的Ca(OH)2的形成，并抑制Ca(OH)2晶體在界面區(qū)的生長。而且超細(xì)礦粉、粉煤灰摻入水泥—水系統(tǒng)后起分散作用,增加水泥粒子的水化空間，礦粉吸收由水泥熟料水化生成的Ca(OH)2,生成C-S-H相,并同時和CaSO4反應(yīng),生成Aft相,促進(jìn)熟料繼續(xù)水化，漿體自由水逐漸減少，而粉煤灰逐漸釋放出其內(nèi)部內(nèi)的水,對水泥水化進(jìn)行自養(yǎng)護(hù),使界面附近反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,反應(yīng)產(chǎn)物不斷填充界面微裂縫,界面附近漿體逐漸緊密,界面得到加強(qiáng)。同時礦粉、粉煤灰等顆粒尺寸較小保水性好，可抑制骨料周圍水膜的形成，從而改善界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)，使的膠體—集料界面的粘結(jié)力增強(qiáng)。由此可見礦粉、粉煤灰二元摻合料多元界面效應(yīng)為正效應(yīng)。

2.4火山灰效應(yīng)的復(fù)合

試驗(yàn)證明礦粉、粉煤灰單摻入混凝土中在與水泥組成的二元膠凝材料的水化體系中都會存在火山灰活性反應(yīng)，礦粉、粉煤灰作為二元復(fù)合材料同時摻入混凝土在以水泥、礦粉、粉煤灰作為三元膠凝材料的水化體系中火山灰效應(yīng)更明顯。在三元膠凝材料水化過程中互相激發(fā)產(chǎn)生復(fù)合的膠凝效應(yīng)。在復(fù)合膠凝體系中，水泥熟料總是首先水化，生成CSH和CH，CH和水泥中的石膏可對礦渣、粉煤灰的水化起激發(fā)作用。礦粉析出的游離CaO和水泥中的石膏可促進(jìn)粉煤灰顆粒周圍的CSH凝膠和AFt的形成，從而促進(jìn)粉煤灰顆粒中的鋁、硅相的溶解，使水化液相中的鋁、硅濃度增加，這又可加速礦渣的水化過程。這種作用反復(fù)進(jìn)行，逐漸疊加。

綜上所述，混凝土中摻入礦粉、粉煤灰對混凝土綜合性能的改善優(yōu)于單一以水泥作為水泥基膠凝材料的混凝土。而復(fù)摻?；郀t礦渣、粉煤灰三元復(fù)合膠凝材料的混凝土，其綜合性能要優(yōu)于復(fù)二元復(fù)合膠凝材料的混凝土。這說明只要比例控制適當(dāng)，使得三種膠凝材料交互復(fù)合的正效應(yīng)達(dá)到最優(yōu)化，有助于混凝土良好微級配的形成，從而改善混凝土的宏觀性能。

三、礦物摻合料的用量研究

混凝土多元礦物摻合料的復(fù)合效應(yīng)十分復(fù)雜、微妙，但是由于儀器設(shè)備的局限性和現(xiàn)在科學(xué)未發(fā)現(xiàn)的多元膠凝體系的更復(fù)雜、更微妙的作用，怎樣才能一步到位比較簡單的找出多元水化膠凝材料的適應(yīng)性和最優(yōu)摻配比例？筆者有以下的見解：

因?yàn)楦邚?qiáng)高性能混凝土在配制過程中不但要考慮強(qiáng)度和耐久性，還要考慮泵送性、凝結(jié)時間、張拉時間、表面顏色和不利條件下（冬季或夏季）的混凝土施工等因素。

通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，水泥：礦粉：粉煤灰用量比例為180:135:135時對現(xiàn)有膠材性能來說摻配比例較適合，在混凝土配合比試驗(yàn)室可以以這個摻配比例為基礎(chǔ)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)與調(diào)整，大大減小了配合比設(shè)計(jì)時的工作量和配合比設(shè)計(jì)時間。

結(jié)論上述試驗(yàn)方法不能直接決定摻合料在高強(qiáng)高性能高性能混凝土中的摻量，但是可以大大縮小配合比設(shè)計(jì)時摻合料用量范圍，不但縮短了時間還大大減少了勞動量。