杨思忠-混凝土矿物掺合料课件

培训人：杨思忠北京远通水泥制品有限公司2012年12月19日混凝土矿物掺合料基础知识培训一、什么是矿物掺合料？在混凝土制备过程中掺入的，与硅

酸盐水泥共同组成胶凝材料以硅、铝、钙等一种或多种氧化物

为主要成分，具有规定细度，能改

善混凝土性能的活性粉体材料。粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、钢渣粉

、磷渣粉、硅灰、沸石粉等矿物

掺合料或辅助

胶凝材料在混凝土中可以代替部分水泥、改善混凝土综合性能，掺量一般不小于5%，多具有火山灰活性或潜在水硬性的粉体材料。GB/T18736-2002《高强高性能混凝土用矿物外加剂》明确规定：用于改善混凝土耐久性能而加入的、磨细的各种矿物掺合料，又称矿物外加剂，其主要特征是磨细矿物材料，细度比水泥颗粒小，主要用于改善混凝土的耐久性和工作性能。现代混凝土必要组分。常用的矿物掺合料有：粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、沸石粉。二、矿物掺和料对水泥基材料的

效应问题粉煤灰效应化学活性效应形态效应微集料效应1、化学活性效应

火山灰性：

掺和料中的SiO2、Al2O3等潜在活性物质与碱性物质或石膏反应生成水硬性物质。掺合料发生水化反应的条件：碱性物质或硫酸盐+水+潜在活性物质水泥的水化反应产生Ca(OH)2C2S+mH→CSH+(2-x)CHC3S+nH→CSH+(3-x)CH粉煤灰的活性7d以后才能逐渐表现来，反应率28d为1.5%～5.5%,90d为8～13%,180d为15～19%之间。界面改善掺和料与水泥熟料水化产生的Ca(OH)2发生火山灰反应，减少了混凝土中Ca(OH)2的含量，从而改善界面过渡区的结构，使浆体—界面的粘接力增强。一定程度上改善混凝土的力学性能与耐久性。骨料过渡区水泥石本体C-S-HCH钙矾石骨料氢氧化钙2、形态效应

由外观形貌、表面性质、颗粒级配等产生的效应。FA中的球形颗粒含量较高时，可增大混凝土的流动性。尖角状颗粒含量很多，易导致混凝土泌水。3、微集料效应掺和料中的微细颗粒均匀分布在水泥浆内，填充毛细孔，改善混凝土孔结构和增大密实度的效应。混凝土中掺入适量的矿物掺合料混合均匀之后，粉体的颗粒级配更为合理，密实度提高。提高混凝土的抗渗性与抗Cl-1的侵蚀能力。超细粉的填充效应粒子组合与空隙率的变化

1、经济性：掺合料可代替部分水泥，降低成本。2、活性：改善水泥基胶凝材料的水化，提高混凝土强度。

主要是提高后期强度。矿物细掺料中含有活性的SiO2和Al2O3，与水泥中的石膏及水泥水化生成的Ca(OH)2反应，生成生成C-S-H和C-A-H、水化硫铝酸钙。除硅灰外的其它矿物掺合料，大多数混凝土的早期强度随着掺量的增加而降低。3、改善工作性。提供充足的浆量，发挥形态效应改善新拌混凝土的工作性。三、矿物掺合料在混凝土中的作用4、提高密实性。增加颗粒堆积密度，减小孔隙率，改善孔结构。5、提高耐久性。矿物细掺料和水泥水化产生的Ca(OH)2发生二次化学反应，降低了混凝土中的Ca(OH)2含量；同时减少混凝土中大的毛细孔，优化混凝土孔结构，降低混凝土最可几孔径，使混凝土结构更加致密，提高了混凝土的抗冻性、抗渗性、抗硫酸盐侵蚀等耐久性能。抑制碱—骨料反应。试验证明，矿物掺合料掺量较大时，可以有效地抑制碱—骨料反应。内掺30％的低钙粉煤灰能有效地抑制碱硅反应的有害膨胀，利用矿渣抑制碱骨料反应，其掺量宜超过40％。6、降低混凝土温升。水泥水化产生热量，而混凝土又是热的不良导体，在大体积混凝土施工中，混凝土内部温度可达到50~70℃，比外部温度高，产生温度应力，混凝土内部体积膨胀，而外部混凝土随着气温降低而收缩。内部膨胀和外部收缩使得混凝土中产生很大的拉应力，导致混凝土产生裂缝。掺合料的加入，减少了水泥的用量，就进一步降低了水泥的水化热，降低混凝土温升。7、不同矿物细掺料复合使用的“超叠效应”。不同矿物细掺料在混凝土中的作用有各自的特点，例如矿渣火山灰活性较高，有利于提高混凝土强度，但自干燥收缩大；掺优质粉煤灰的混凝土需水量小，且自干燥收缩和干燥收缩都很小，在低水胶比下可保证较好的抗碳化性能。四、矿物掺和料对耐久性的影响

由于和游离石灰及高碱性水化硅酸钙产生二次水化，生成强度更高、稳定性更优、数量更多的低碱性水化硅酸钙，改善了水化胶凝物质的组成，并减少或消除了游离石灰，对提高混凝土耐久性作用极大。

1、抗硫酸盐侵蚀性能显著提高，因为在水泥石中缺乏或不存在游离石灰时形成具有膨胀作用的钙矾石反应不能进行；

2、在有碱集料反应产生的条件下由于矿物细粉掺合料的掺加在混凝土水化产物中形成大量低碱水化硅酸钙，它们能吸收和固定大量的钠、钾离子从而使混凝土中的有效碱含量大大减少，极大地减少了碱集料反应的危害性。3、矿物细粉掺合料的掺加它们填充集料和水泥颗粒的孔隙，使混凝土结构和界面更为致密，阻断了可能形成的渗透通路，使混凝土抗渗性大为提高。4、在低水胶比情况下，掺加矿物细粉掺合料，混凝土中的可冻水很缺乏，抗冻性大幅度提高，当然高抗冻性与与低水胶比直接相关，但也与掺加矿物细粉掺合料密不可分，例如，水科院李金玉等人研究同为0.26的水胶比，不掺加矿物细粉掺合料的C60混凝土其抗冻融循环只达到F250，而掺加矿物细粉掺合料的混凝土抗冻融循环可达F1000以上。5、对于碳化和钢筋锈蚀的担忧。掺加矿物细粉掺合料的可能带来的负面影响是混凝土的碱度降低，抗碳化能力减弱，引起保护钢筋的能力减弱。但是在低水胶比下，混凝土的碱度下降并不十分急剧。蒲心诚等人对大掺量粉煤灰水泥的碱度研究表明粉煤灰掺量从0提高至70%时pH值仅由12.6下降至12.06，说明粉煤灰掺加70%时，水泥胶砂的pH值仍然高于12，高于配筋结构允许的最低碱度11.5。除此之外，掺加矿物细粉掺合料，在低水胶比时密实性很高，水分甚至氧和二氧化碳都难以进入，这同样增大了混凝土的护筋性。五、常用矿物掺和料（一）粉煤灰1、化学成分粉煤灰的化学成分因煤的品种及燃烧条件而异。一般来说，粉煤灰化学成分的变动范围为：SiO2含量约为40％～60％；Al2O3含量为20％～30％，Fe203含量为5％～10％，CaO含量2%～8%，烧失量3％～8％，SiO2和Al2O3是粉煤灰中的主要活性成分，粉煤灰的烧失量主要是未燃尽碳，其混凝土吸水量大，强度低，易风化，抗冻性差，为粉煤灰中的有害成分。从煤粉炉烟道气体中收集的粉末，分为F类和C类。F类粉煤灰：由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰C类粉煤灰：由

褐煤或次烟煤煅烧

收集的粉煤灰，其

氧化钙含量一般大

于10%。2、粉煤灰质量等级低钙粉煤灰的密度一般为1.8～2.6g/cm3，松散容重为600～1000kg/m3，GB/T1596－2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》提出粉煤灰的技术要求。指标级别IIIIII细度（0.045mm方孔筛筛余），％不大于122545需水量比，％不大于95105115烧失量，％不大于5815含水量，％不大于1三氧化硫，％不大于3游离氧化钙，％不大于F类，1C类，4安定性（雷氏夹沸煮后增加距离），mm不大于C类，53、粉煤灰对混凝土性能的影响

（1）对新拌混凝土出机坍落度的影响

FA掺量较低时，新拌混凝土出机坍落度略有增加。FA掺量较高时，新拌混凝土出机坍落度随掺量的增大而下降。（2）对混凝土不同龄期抗压强度的影响早期强度均低于基准混凝土FA掺量合适，28d强度略高于基准混凝土FA掺量过大，各龄期的强度均低于基准混凝土（3）对浆体凝结时间的影响FA掺量越大，浆体的凝结时间越长FA掺量超过30%，浆体的凝结时间涨幅增大。（4）对混凝土塑性收缩的影响FA混凝土的塑性收缩低于不掺FA混凝土高钙灰更有利于降低混凝土的塑性收缩（5）对混凝土抗碳化性能的影响加入掺合料消耗掉混凝土中的部分Ca(OH)2，使混凝土的总体碱度降低，继而加速碳化进程粉煤灰掺量30%之内对混凝土的碳化性能影响幅度较低混凝土碳化后失去对钢筋的保护作用，对钢筋混凝土结构的耐久性不利（6）对混凝土抗冻融性能的影响在经历相同的冻融循环次数后，FA混凝土的相对动弹模量低于基准混凝土，说明掺加FA后不利于混凝土的抗冻融性能4、粉煤灰使用时存在问题和对策改善拌和物施工性，但坍落度太大时，(I级)粉煤灰颗粒易上浮发生泌浆；早期强度较低；大掺量时在较低气温下凝结缓慢；早期孔隙率大，碳化问题较突出(需采取对策)；对水敏感，在无保湿的条件下，因内部黏度增加，阻碍持续泌水而会加剧塑性开裂。所以应该采取的技术措施主要是①要控制坍落度尽可能小。因为试验表明大掺量粉煤灰混凝土坍落度为125mm时，可相当于180mm的普通混凝土。但由于用水量很低而不离析或泌水。②注意不要过度振捣，防止粉煤灰上浮。③要降低水胶比，保证大掺量粉煤灰混凝土强度，尤其是早期强度。④注意及早、有效的养护以及足够的湿养护时间。初凝前后开始覆盖养护保证不失水。湿养护时间也很重要，最好养护14天，至少7天。总之：采用较低水胶比，及早地覆盖养护，充足的湿养护时间（>7d）是粉煤灰在混凝土中应用的关键技术。（二）粒化高炉矿渣粉（矿粉）矿渣是在炼铁炉中浮于铁水表面的熔渣，排出时用水急冷，得到粒化高炉矿渣。将粒化高炉矿渣经干燥、磨细达到相当细度且符合相应活性指数的粉状材料，细度大于350m2/kg，其活性比粉煤灰高。GB/T18046-2008《用于水泥与混凝土中的粒化高炉矿渣》指标级别S105S95S75表面积，m2/kg≥500≥400≥300活性指数，7d28d≥95≥105≥75≥95≥55≥75流动度比，％≥95粒化高炉矿渣在水淬时形成的大量玻璃体,具有微弱的自身水硬性。高性能混凝土用矿渣粉比表面积超过400m2/kg，以较充分地发挥其活性，减少泌水性。当矿渣的比表面积超过400m2/kg后，用于很低水胶比的混凝土中时，混凝土早期的自收缩随掺量的增加而增大；矿渣粉磨得越细，掺量越大，则低水胶比的高性能混凝土拌和物越黏稠。用于大体积混凝土时，矿渣的比表面积宜不超过420m2/kg。超过420m2/kg的宜用于水胶比不很低的非大体积混凝土；矿渣颗粒多为棱形，会使混凝土拌合物需水量随着细度提高而增加，成本也提高。综合技术经济效益不好。矿粉对新拌混凝土出机坍落度的影响

矿粉掺量较低时，新拌混凝土出机坍落度增加。矿粉掺量较高时，新拌混凝土出机坍落度随掺量的增大变化不大。矿粉对混凝土抗压强度的影响KF的活性比FA大，仅从强度的角度考虑可实现更大掺量。早期强度高，掺量较低时强度高于基准混凝土。后期强度的增长低于同等掺量的粉煤灰混凝土矿粉对浆体凝结时间的影响矿粉掺量越大，浆体的凝结时间越长浆体的凝结时间的延长与KF的掺量基本呈线性增长关系。矿粉对混凝土塑性收缩的影响掺量在25%以内，混凝土的塑性收缩略有增大，但增大幅度很小掺量超过25%，混凝土的塑性增长幅度很大，易导致裂缝的产生粉煤灰与矿粉对混凝土塑性收缩的影响对比

矿粉的特性及利弊具有潜在的水硬性，单独加水可以缓慢水化硬化，化学活性高，在盐类激发下，可提高活性能提高抗化学侵蚀性，后期强度增长率高化学收缩和自收缩较大比粉煤灰抗抗碳化性能较好比表面积超过400m2∕kg时不降低混凝土温升，且自收缩随掺量(＜75%)而增大，对开裂敏感使用路线：控制细度，加大掺量混凝土里掺入磨细矿渣，如果矿渣磨得偏细，或掺得不多，且环境及混凝土温度不低，早期也不注意及时的湿养护（给水），这时由于其水化潜热高于水泥，混凝土就会因硬化快、自身收缩较大，而开裂敏感性增大；如果它粉磨细度较小，或掺量很大，或环境及混凝土温度偏低，或早期注意及时的湿养护，由于它起始水化时间明显延迟（水泥用量少，pH值上升缓慢），自身收缩被湿养护所补偿，混凝土开裂敏感性就可以减小。矿粉在商品混凝土在应用时注意的问题严格控制矿粉的细度和掺量：不宜太细。不宜太粗，会使混凝土粘聚性下降，出现离析和泌水，粘结时间延长，早期强度下降。注意养护：对养护条件要求苛刻，需要加强养护，充分发挥掺合料的作用。注意调整混凝土的凝结时间：矿粉对混凝土凝结时间与不掺矿粉混凝土相比，具有一定的缓凝效果。初凝、终凝时间比基准混凝土推迟1～2h。冬季施工时，控制矿粉掺量和使用早强型减水剂。注意调整混凝土用水量：与高效减水剂复合使用时，具有辅助减水功能，所以在保证混凝土初始坍落度相同情况下，可以减水用水量。

（三）硅灰硅灰又称硅粉或硅烟灰，是从生产硅铁合金或硅钢等所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘，色呈浅灰到深灰。硅灰的颗粒是微细的玻璃球体，部分粒子凝聚成片或球状的粒子。其平均粒径为0.1µｍ～0.2µｍ，是水泥颗粒粒径的1/50～1/100，比表面积高达2.0×104m2/kg。其主要成分是SiO2（占90％以上），它的活性要比水泥高1～3倍。以10％硅灰等量取代水泥，混凝土强度可提高25％以上。1、硅灰的化学成分

硅粉的火山灰活性指标高达110%，这与其化学成分有关。硅粉的SiO2含量很高，在80%以上，这种SiO2是非晶态、无定形的，易溶于碱溶液中，在早期即可与CH反应，可以提高混凝土的早期强度。生成的水化硅酸钙凝胶钙硅比小，组织结构致密。2、硅灰的特性硅灰可以提高混凝土的早期和后期强度，但自干燥收缩大，且不利于降低混凝土温升。因此，复掺时，可充分发挥他们的各自优点，取长补短。例如，可复掺粉煤灰和硅灰，用硅灰提高混凝土的早期强度，用优质粉煤灰降低混凝土需水量和自干燥收缩，在加之颗粒的填充作用，使混凝土更密实。

由于硅灰具有高比表面积，因而其需水量很大，将其作为混凝土掺合料，须配以减水剂，方可保证混凝土的和易性。硅粉混凝土的特点是特别早强和耐磨，很容易获得早强，而且耐磨性优良。硅粉使用时掺量较少，一般为胶凝材料总重的5％～10％，且不高于15％，通常与其它矿物掺合料复合使用。在我国，因其产量低，目前价格很高，处于价格考虑，一般混凝土强度低于80MPa时，都不考虑掺加硅粉。存在问题1、掺矿物掺合料混凝土的早期开裂问题收缩时开裂的主要原因。降温收缩、干缩、自收缩等。大量的细掺合料与高性能减水剂使用，加剧混凝土的塑性收缩，开裂。必须对掺入大比例掺合料的混凝土加强早强养护，初凝后立即覆盖，并注意二次抹面。2、矿物掺合料混凝土在较大水胶比时的碳化问题大掺量会使混凝土早期强度明显下降。粉煤灰在混凝土中，14d以前基本上不参与水化，使水灰比增大，造成早强孔隙率大。一再加快的施工速度使混凝土普遍得不到充分养护，早强孔隙率较大。所以粉煤灰混凝土实际的碳化深度较大。GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》规定，在一般干湿交替的环境，在水胶比较大时，控制粉煤灰的掺量。水胶比在0.50时，粉煤灰掺量在20%以内；水胶比在0.40时，粉煤灰掺量在30%以内。对于掺粉煤灰的混凝土，尽管前提是必须降低水胶比，但实际工程中混凝土湿养护龄期一般不会超过7d，大掺量粉煤灰混凝土因为孔隙率较大而碳化深度较大。为控制碳化，必须增加湿养护。3、实验室试验与工程现场间的关系和差异混凝土的开裂在很大程度上取决于试件尺寸、养护经过和环境条件。实验室模拟现场存在困难（试件小，构件大；试件变形只有，构件变形受约束；试件制作与养护条件固定，构件工作环境多变；试验条件认为设置，现场情况随即变化）六、关于超细石灰石粉超细石灰石粉是以生产石灰石碎石和机制砂时产生的细砂和石屑为原料，通过进一步粉磨制成的粒径不大于10μm

的细粉，在混凝土中具有良好的减水和填充效应。大量研究（如石灰石粉对水泥水化的种种物理化学作用，CaCO3与水泥水化产物反应生产的新生水化相等）表明石灰石不完全是一种惰性混合材料。后期可以生成三碳水化铝酸钙和单碳水化铝酸钙。在高性能混凝土研究中，往往忽略材料颗粒级配、粒度分布问题，特别是粉体材料的粒度分布未引起足够的重视。实际上大量的水泥和掺合料在混凝土中起到的只是填料作用，而且由于其颗粒粒度分布不合理，其填充效率低下，所形成的混凝土内部结构空隙率较大。研究表明，高性能混凝土需要微细填料！

水泥和某些矿物掺合料实际上不适合做超细填料。首先它们不适合磨到超细，原因是超高细度的水泥和矿物掺合料会引起水化反应加剧、凝结硬化过快、混凝土温升提高、显著增大混凝土收缩而引起开裂等一系列问题；其次这些材料难以粉磨到超细。因此，高性能混凝土需要具有低反应活性的易于加工的超细填料！超细石灰石粉的研究与应用国外对超细石灰石粉的研究、开发和利用比较早,德国开发生产了石灰石粉掺量从6%～20%的石灰石硅酸盐水泥。在日本,从20世纪末开始,超细石灰石粉已广泛应用于配制高流动性混凝土和高性能喷射混凝土。美国ACI212.1R-81《AdmixturesforConcreteandGuideforUseofAdmixturesinConcrete》中指出，石灰石粉可以作为混凝土的矿物掺合料。MixC*FA*GL**TotalBinderAggregate(MaxSize18mm)kg/m2Water(kg/m3)Admixture(%bytotalbinder)W/CWC+FAWC+FA+GL(kg/m3)VMASuper-plasticizerA152—38153317881530.0381.141.011.010.29B1535131952317921540.0391.301.010.760.30C15110125450617771520.0401.661.010.610.30D15115119249417781520.0412.041.010.510.31*C=PortlandCement;FA=FlyAsh;GL=GroundLimestone;TotalBinder=C+FA+GLMarioCollepardi关于自密实混凝土的研究中使用石灰石粉在国外石灰石粉用于大型工程的实例

跨度为960+1990+960m的三跨度组成的世界跨度最大的日本明石海峡吊桥的桥墩、缆索锚固结构体的高流动性混凝土，块体混凝土的配比中每m3混凝土中水泥的用量为260kg，石灰石粉的掺量为150kg，用水量为145kg

。在国外石灰石粉用于大型工程的实例法国的西瓦克斯核电站Ⅱ号反应堆C50高性能混凝土的配合比中使用了CPJ5细掺料水泥，含有9%的石灰石粉。而每m3混凝土中水泥用量为266kg，石灰石粉掺量为114kg，硅灰掺量为40kg，水胶比为0.38，坍落度为18-23㎝，28天抗压强度为67MPa，绝热温升为30℃，其它指标均符合要求。相同单位用水量时混凝土坍落度的变化超细石灰石粉混凝土的工作性相同坍落度时混凝土单位体积用水量掺加超细石灰石粉高强混凝土达到相同坍落度时对外加剂用量的影响外加剂用量（kg/m3）超细石灰石粉掺量(kg/m3)水胶比为0.27时，不同掺量的超细石灰石粉的混凝土外加剂用量从图可以看出，随着超细石灰石粉的掺量增加，外加剂的用量逐渐减低，在超细石灰石粉掺量为100kg/m3时，外加剂的用量减少了3.5kg/m3。

超细石灰石粉混凝土相同用水量下混凝土抗压强度编号LS(%)3d7d28d56dX1018.729.740.747.3X21518.925.237.742.1X32018.527.138.345.7X42519.128.638.244.3注：1、表中除LS外单位均为MPa2、单位体积用水量为140kg/m3超细石灰石粉混凝土相同坍落度不同用水量下抗压强度注：表中除水外强度数据单位均为MPa编号WLS3d7d28d56dX51600%16.720.629.038.6X615515%18.422.532.040.5X714520%20.524.935.042.3X814225%21.526.935.443.7超细石灰石粉混凝土力早期开裂性能相同坍落度不同水胶比下平板开裂试验结果编号LS（%）W/B裂缝数量（条）最大裂缝长度(cm)裂缝总长度(cm)X500.40221387.5X8250.3533.58.5注：统计面积为3600cm2；

X5混凝土不掺加超细石灰石粉，

X8混凝土掺加超细石灰石粉100Kg/m3。超细石灰石粉混凝土力早期开裂性能从试验结果可知，掺入超细石灰石粉可提高混凝土早期开裂性能超细石灰石粉混凝土抗碳化性能编号LS%W/B碳化深度mmX500.48.63X6150.3865.42X7200.3634.93X8250.3553.6在相同坍落度条件下，混凝土碳化深度随超细石灰石粉掺量的不断增加而降低石灰石粉在复合胶凝材料中的作用主要是填充效应、活性效应和加速效应。石灰石粉的填充效应使基体更为致密；这一点值得我们关注，清华大学覃维祖教授指出：对于混凝土的强度而言填充性是第一位的，因为首先我们要把孔隙填满。超细石灰石粉对混凝土强度的影响机理致密且细小的碳酸钙颗粒表面在具有突出的减水能力的同时，可以显著地降低流体的黏度