粉煤灰礦粉混凝土強(qiáng)度形成機(jī)理及其雙摻效應(yīng)研究

崔玉梅

【摘 要】粉煤灰和礦粉用于水泥工業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但同時(shí)利用粉煤灰和礦粉來做混凝土的摻合料來研究還處于一個(gè)剛剛開始的階段。研究粉煤灰、礦粉作為混凝土的摻和料，并使其能夠在混凝土中充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用以提高混凝土的各方面基本性，減低生產(chǎn)成本，成為混凝土生產(chǎn)企業(yè)重點(diǎn)研究的課題，也是混凝土生產(chǎn)企業(yè)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，滿足市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)急需解決的首要問題。

【關(guān)鍵詞】粉煤灰混凝土；礦粉混凝土；生產(chǎn)成本；環(huán)境友好；耐久性；雙摻效應(yīng)

0 引言

隨著現(xiàn)代水泥混凝土技術(shù)的發(fā)展，即以磨細(xì)礦渣粉、粉煤灰等為代表的礦物摻合料已成為除水泥、粗細(xì)集料及水外，兩種重要的外摻物?；炷涟l(fā)展趨勢(shì)己成為組分多元化。

1 粉煤灰混凝土強(qiáng)度形成機(jī)理

1.1 粉煤灰的主要反應(yīng)機(jī)理

1）粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)，粉煤灰的主要礦物組成是海綿狀玻璃體、鋁硅酸鹽玻璃微珠，這些球狀玻璃體表面光滑、粒度細(xì)，質(zhì)地致密，內(nèi)比表面積小，不僅使水泥漿需水量小，而且它們往往填充在水泥漿體孔隙中，使混凝土密實(shí)性大大提高，或者在相同用水量的情況下，可增大流動(dòng)性，改善和易性和可泵性。

2）粉煤灰的微集料效應(yīng)，粉煤灰中的微細(xì)顆粒均勻分布在水泥顆粒之中，阻止了水泥顆粒的相互粘聚，而處于分散狀態(tài)有利于水化反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)減少了用水量，硬化后混凝土孔隙率降低，使密實(shí)度得以提高。

3）粉煤灰的活性效應(yīng)，粉煤灰的活性效應(yīng)也稱火山灰效應(yīng)，粉煤灰中的活性成份 SiO2和 Al2O3與水泥和石灰的水化產(chǎn)物在水溶液中發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，繼而與石膏反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣。上述這些反應(yīng)幾乎都是在水泥漿孔隙中進(jìn)行的，大大降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，改變了孔結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的密實(shí)度。

1.2 粉煤灰對(duì)混凝土耐久性的影響

1）活性效應(yīng)：在常溫下，由于粉煤灰的水化反應(yīng)比水泥慢，被粉煤灰取代的那部分水泥的早期強(qiáng)度得不到補(bǔ)償，所以混凝土早期強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而降低。隨著時(shí)間的推移，粉煤灰中活性部分 SiO2和 Al2O3與水泥水化生成的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成大量水化硅酸凝膠。粉煤灰外部的一些水化產(chǎn)物在成長(zhǎng)過程中也會(huì)象樹根一樣伸入顆?？障吨?，填充空隙，破壞界面區(qū) Ca（OH）2的擇優(yōu)取向排列，大大改善了界面區(qū)，促進(jìn)了混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)。

2）微集料密實(shí)填充及顆粒形態(tài)效應(yīng)：均勻分散在混凝土中的粉煤灰顆粒不會(huì)大量吸水，不但起著滾珠作用，而且與水泥粒子組成了合理的微級(jí)配，減少填充水?dāng)?shù)量，影響系統(tǒng)的堆積狀態(tài)，提高堆積密度，具有減水作用，使新拌混凝土工作性優(yōu)化，硬化混凝土微結(jié)構(gòu)更加均勻密實(shí)。而且，不會(huì)發(fā)生泌水離析現(xiàn)象，可施工性和抹面性好，抗?jié)B性、抗凍性好。

3）交互作用：水泥、粉煤灰、外加劑等不同粉料間會(huì)產(chǎn)生物理、化學(xué)的交互作用。例如，水泥水化生成的 Ca（OH）2是粉煤灰的活性激發(fā)劑，而被激發(fā)了的粉煤灰一旦水解，降低液相堿度，又會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)未水化水泥水化。另外，目前生產(chǎn)的水泥含堿量不斷提高，粉煤灰的使用大大節(jié)約水泥熟料，抑制堿骨料反應(yīng)；水泥中 C3A 含量少，水化產(chǎn)生的熱量少，減少了混凝土構(gòu)件由于內(nèi)外溫差過大而引起其表面開裂的危險(xiǎn)；粉煤灰水化消耗大量 Ca（OH）2，混凝土不耐蝕成分減少，因而耐化學(xué)侵蝕性比普通混凝土強(qiáng)得多。同時(shí)徐變、干縮等變形性能也優(yōu)于普通混凝土

1.3 粉煤灰對(duì)混凝土工作性的影響

1）粉煤灰是由大小不等的球狀顆粒的玻璃體組成，表面光滑致密，在混凝土拌合物中能起滾珠作用；

2）新拌混凝土中水泥顆粒易聚集成團(tuán)，粉煤灰的摻入可有效分散水泥顆粒，釋放更多的漿體來潤(rùn)滑骨料；

3）能減少用水量，使混凝土的水灰比降到更小水平，減少泌水和離析現(xiàn)象；

4）具有良好的保水性，有利于泵送施工。

2 礦粉混凝土強(qiáng)度形成機(jī)理

礦粉用作水泥的混合材或混凝土的摻合料，均能改善或提高混凝土的綜合性能，其作用主要表現(xiàn)在物理化學(xué)作用：

1）改善膠材物理級(jí)配；

2）對(duì)氯離子的物理吸附作用；

3）改善混凝土界面結(jié)構(gòu)；

4）減少水泥初期水化物的相互搭接。

礦渣混凝土水化時(shí)能產(chǎn)生較多的C-S-H凝膠，而C-S-H凝膠會(huì)吸附一部分氯離子。這種物理吸附能阻止其向混凝土內(nèi)部滲透。因此礦粉能改善混凝土抗氯離子的滲透滲性能。在混凝土中性能較弱的部分集中在水泥漿體與集料間的界面層，主要是氫氧化鈣含量的問題。減少氫氧化鈣晶體的尺寸，不僅能有利于混凝土力學(xué)性能的提高，還有利于耐久性的改善。礦粉在水泥初期水化產(chǎn)物的連接，具有一定減水作用和改善混凝土的經(jīng)時(shí)損失。

礦粉的微集料效應(yīng)，混凝土做為連續(xù)級(jí)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。礦物摻合料的細(xì)度比水泥顆粒細(xì)，在混凝土中起到了更細(xì)顆粒的作用。因而可改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，降低了孔隙率并減小了最大孔徑的尺寸，使混凝土形成了密實(shí)充填結(jié)構(gòu)和微觀層次的自緊密堆積體系。從而有效地改善并提高了混凝土的綜合性能，礦粉在混凝土水泥漿中的微集料效應(yīng)，能提高水泥水化產(chǎn)物的均勻性分布，其活性在水泥水化時(shí)也能得以充分發(fā)揮，從而提高混凝土的后期強(qiáng)度。

3 粉煤灰礦粉雙摻效應(yīng)

3.1 礦粉-粉煤灰雙摻的復(fù)合效應(yīng)

多數(shù)礦物摻合料，摻入混凝土中一般都有微集料效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、火山灰效應(yīng)，界面耦合效應(yīng)等。但不同的礦物摻和料由于其物理狀態(tài)、化學(xué)組成不同，摻入混凝土中表現(xiàn)出來的效應(yīng)，可能是正效應(yīng)，也可能是負(fù)效應(yīng)。而兩種礦物摻和料復(fù)合摻入混凝土中，若物理性能、控制比例適當(dāng)，則其在混凝土中的復(fù)合交互效應(yīng)，大于單摻效應(yīng)。

3.2 微集料效應(yīng)的復(fù)合

在混凝土膠凝材料體系中，水泥顆粒粒徑最大，粉煤灰、礦粉粒徑較小，而混凝土是多元復(fù)合體系，砂石形成其骨架，水泥顆粒填充在砂石的孔隙中（一級(jí)填充）混凝土中摻入粉煤灰、礦粉，則可填充在水泥顆粒形成的孔隙中（二級(jí)填充）如果配合比例適當(dāng)，就有可能形成較好的粉料級(jí)配?；ハ嗵畛洌瑥亩鴾p少顆粒間的空隙，減少硬化后混凝土的總孔隙率，提高混凝土的致密性，從而提高混凝土的強(qiáng)度及抗?jié)B性能。

3.3 復(fù)合化超疊加效應(yīng)

混凝土是一種多組分復(fù)合材料，各組分性能的疊加效應(yīng)表現(xiàn)得十分明顯。礦粉、粉煤灰等多組分礦物復(fù)合在一起，可以充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，其各自的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)、火山灰效應(yīng)相互作用，可以進(jìn)一步提高混凝土性能。

3.4 密實(shí)堆積效應(yīng)

如前所述，摻加不同粒徑和粒度分布礦物摻合粒，可以提高漿體的密實(shí)堆積程度，使得膠凝材料水化加快，混凝土孔隙率降低，微觀結(jié)構(gòu)變得均勻，產(chǎn)生優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性能。

3.5 中心質(zhì)效應(yīng)

把不同尺度分散相稱為中心質(zhì)，把連續(xù)相稱為介質(zhì)。各級(jí)中心質(zhì)和介質(zhì)之間存在相互的效應(yīng)，稱為“中心質(zhì)效應(yīng)”?；炷凉橇蠟榇笾行馁|(zhì)，未水化的水泥顆粒和礦物摻合料為次中心質(zhì)效?；炷翐郊右欢?xì)度的礦物摻合料使水泥石的中心質(zhì)增多，次中心質(zhì)之間的間距進(jìn)一步減少，有利的中心質(zhì)效應(yīng)增多，中心質(zhì)網(wǎng)絡(luò)骨架得到加強(qiáng)。

3.6 界面結(jié)構(gòu)的提高效應(yīng)

摻入的礦物摻合料的二次水化反應(yīng)（火山灰反應(yīng)）消耗了大量的氫氧化鈣，減少了氫氧化鈣的含量，并干擾氫氧化鈣的結(jié)晶，使其氫氧化鈣尺寸減少，富集程度和取向程度下降；火山灰反應(yīng)增加水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠和水化硫鋁酸鈣（C-A-S-H）凝膠數(shù)量，硬化后混凝土界面過濾層孔隙率降低。

4 結(jié)束語

總之，礦粉、粉煤灰雙摻可起到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用，充分發(fā)揮二者的微集料效應(yīng)、火山灰效應(yīng)、界面耦合效應(yīng)及形態(tài)效應(yīng)，使得混凝土綜合性能得到明顯改善，同時(shí)也增強(qiáng)了混凝土的抗碳化、抗氯離子侵蝕等性能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蔣家奮.礦渣微粉在水泥混凝土中應(yīng)用的概述[J].混凝土與水泥制品，2002.

[2]錢覺時(shí).粉煤灰特性與粉煤灰混凝土[J].北京：科學(xué)出版社，2002.

[責(zé)任編輯：程龍]