矿物掺和料主要性能概况

矿物掺和料主要性能背景：利用外加剂与矿物掺和料改善混凝土的工作性能，提高其耐久性和体积稳定性，是现代混凝土技术发展的方向。对混凝土而言，其拌和物以调节混凝土的凝结时间、改善混凝土的和易性及流变性能为主；在硬化过程中，以降低混凝土水化热，控制混凝土的早期裂缝的形成为主；硬化过程结束后以提高混凝土的后期强度和耐久性为主。改善这些性能的技术关键是，外加剂与各种矿物掺和料有一个合理的搭配。超叠加理论是目前较先进的矿物掺和料使用方法。关键词：矿物掺和料；超叠加理论目前，使用较广泛的活性矿物掺和料主要有三种，它们是粉煤灰、矿渣粉和硅粉。由于三种活性矿物掺合料的化学组成、结构状态、活性组分含量、细度等指标都不相同，各种掺合料都有其固有的特征性质。例如，掺入粉煤灰时，混凝土的早期强度降低，但后期及长期强度发展良好，同时，削温峰效应好。尤其适用于大体积混凝土的施工，抑制碱集料反应能力强；掺量增大时，材料的碱度储备可能不足，抗碳化性能亦可能降低。掺入矿渣时，混凝土的早期强度发展较好，但后期强度增长稍差，矿渣的CaO含量很高，掺量可以达到(50％～70％)，且不会导致强度的急剧下降和碱度的大幅减少；硅粉的细度最高，活性Si含量最多，活性指数最大，因此，火山灰反应快而强，早期强度发展快，后期强度也十分强劲，但由于极细，增大掺量时，将会导致混凝土的流动性急剧降低。因而，掺量不宜过大，同时，硅粉资源少。价格高，掺量增多将会导致混凝土的成本增加。综上所述，不同的掺和料，各有长短，应根据其特征性能及需要选择，各种掺合料可以单独掺入，此时，可根据掺合料的性能特征确定其最佳的掺量，如超细粉煤灰的最佳掺量在20％～30％之间，超细矿渣粉的最佳掺量在30％～50％之间，硅粉的最佳掺量在10％～15％之间。大量的研究资料和实践表明,矿物掺合料的种类,品质和取代数量对混凝土的抗压强度有着显著的影响。例如粉煤灰对混凝土强度的影响因素就是多方面的:从粉煤灰自身的性质来看,包括粉煤灰的化学组成、细度、粒径分布、烧失量、在水泥基材中的掺量、需水量比、对水泥的适应性等;外在因素有水泥品种、外加剂、水胶比、养护条件等。例如蒋永惠等人采用灰色系统理论研究粉煤灰颗粒分布对水泥强度的影响,发现粉煤灰中10～20um颗粒对水泥强度的贡献最大,是影响水泥强度的关键因素。<30um颗粒与水泥强度的关联度都很大,>30um颗粒含量与各龄期水泥抗压强度均为负相关。刘数华等对比了高钙和低钙粉煤灰对混凝土强度影响,发现高钙灰混凝土具有较高的初期强度,而低钙灰具有更高的后期强度。卫芯艳等对矿渣细度和掺量对混凝土强度的影响进行了研究,研究结果表明:随矿渣粉细度的增大,矿渣粉对混凝土28d强度的贡献增大,当矿渣细度大于400m2/kg时,60%取代量的矿渣混凝土28d的强度均可赶上或超过基准混凝土的强度。同时,大量的研究均表明:由于矿渣属于潜在活性掺合料,水化较慢,因而矿渣粉对混凝土的长期强度增长贡献更加明显。钱晓倩等研究了偏高岭土对混凝土力学性能的影响,研究结果表明:偏高岭土在混凝土中的作用机理与硅粉及其他火山灰相似,但由于其极高的火山灰活性,而能显著提高混凝土的早期和长期抗压强度,适宜的掺量为10%～15%。仲晓林的研究认为在普通水泥混凝土中用沸石粉取代水泥可达10%～20%,在矿渣水泥混凝土中取代水泥为5%～10%,在相同条件下,混凝土早期的抗压强度不会降低,并且混凝土后期强度会有较大幅度的增长。同时,对于配制超高强混凝土,硅灰已经成为不可或缺的成分,Carette的研究结果表明：由于硅粉颗粒非常细,它们可以在很早的几个小时内发生火山灰反应,硅粉对混凝土强度的贡献主要在28d之前,所以就长期强度增长方面,一般认为硅粉混凝土不如纯水泥混凝土或粉煤灰混凝土。根据一些专家提出的超叠加理论。最好的方法，是用几种矿物掺合料复合在一起掺加到混凝土拌合物中，利用各种不同粒径的掺合料互相紧密填充的物理效应，以达到取长补短的目的，从而配制出高强高性能的预拌混凝土。1．活性矿物掺和料的水化活性作用。矿物掺和料按其能否参与水化反应，分为活性矿物掺和料和惰性矿物掺和料。活性矿物掺和料在水泥石和混凝土中逐渐水化形成新的水化产物，它们的水化速度主要决定于其化学成分、矿物组成和激发剂类型，也与颗粒大小有关。它们对水泥石强度等性能的贡献，与它们的水化产物的类型、形貌，水化产物之间的结合力，水化产物与集料间的结合性能有密切关系粒化高炉矿渣是熔化的矿渣在高温状态下迅速水淬而成，其中的钙、硅和铝多处于非结晶的玻璃态．矿渣经烘干磨细到比表面积400～500m2／kg时，就具有良好的水化活性，水化7d左右就能对混凝土的强度作出重要的贡献。通常认为，粒度小于10um的矿渣颗粒对28天混凝土强度起作用，10～45um的颗粒对后期强度起作用而大于45um的颗粒则很难完全水化粉煤灰按成分可分为高钙灰和低钙灰，CaO含量在15%～35%的称高钙灰，其晶体矿物多为有活性的钙化合物，另外其主要组成钙铝玻璃体中含有足够的钙离子可以促进这种非晶体的活性，因而高钙灰的水化活性较高。CaO含量<15%的称的低钙灰，其矿物组成中，基本无水化活性的石英、莫来石占有较大比倒，这种粉煤灰的活性一般很低，通常要到90d龄期时才对混凝土的强度做出显著贡献我国粉煤灰大多数为低钙粉煤灰，绝大部分的粉煤灰颗粒呈实心的球形玻璃体，有少量的空心球形玻璃体，颗粒中小于20um的一般占约50%以上，细颗粒多的粉煤灰其水化活性较高。硅粉的化学成分主要是SiO2。由于颗粒极其细小，故水化速度较快，与溶液中的Ca(oH)2反应．形成超细的水化硅酸钙产物，对提高密实度、强度，提高与集料的界面粘接力作用显著，但由于价格较高，只用于有特殊要求的混凝土及精细制品中。沸石粉也是一种高硅成分的矿物粉，内部多微孔结晶物质，有很大的比表面积，具有较好的水化反应能力，也是一种较好的活性矿物掺和料2.矿物掺和料的物理微填充作用矿物掺和料在混凝土拌和物中也起着物理微填充作用，通常称为“粉集料作用或“微集料”作用，其物理微填充作用可细分为粉集料填充、“微集料填充、“超微填充”三个不同的作用层次。混凝土中的水泥浆硬化后形成的水泥石是一种多孔隙结构，不同尺度的孔对水泥石性能的影响是不一样的。吴中伟院士将孔的危害分为4类：d≥20nm的孔称为多害孔．5～200nm的孔称为有害孔，20～50nm的为少害孔．<20nm的为无害孔。粉煤灰、矿渣粉、石灰石、粉沸石粉等的颗粒尺寸在l～100um之间，即与水泥的颗粒尺度相当，未完全水化前．它们的作用主要是填充在砂子之间的宅隙里．即填充在粗孔和大毛细孔中，提高混凝土的密实度由于一般把大于5mm的集料称为粗集料．把0．15～5mm的集料称为细集料，把I～15Oum间矿物料粉的作用称为“粉集料”作用。适当地掺用矿物掺和料，发挥它们的粉集料作用，不但可以明显提高混凝土的密实度，还可以取代部分水泥，降低生产成本。颗粒尺度为0.1～1.0um间粒子的填充作用称为“微集料填充”作用，这样的微粒填充在水泥、粉集料及它们的水化产物间的微小空隙里，即填充在大毛细孔中。微硅粉是目前最好的微集料，微硅粉颗粒大多在0．1～O．5um(IO0～500nm)范围内，掺用后，每个水泥颗粒周围可有1000～100000个微球粒。掺用微硅粉后，可使水泥石中5Omm以上的孔明显减少。随着水泥石水化龄期的延长，水泥石中总孔隙率和较大孔的孔隙率逐渐降低，这就是水泥和活性矿物掺和料的水化产物产生的二次填充作用从已有的测试结果来看，硅酸盐水泥的水化产物可使>50nm的孔隙明显减少，粉煤灰的水化产物可使>20nm的孔隙率有所降低，硅粉的水化产物可使20～50nm的孔隙率明显降低，这说明它们的水化产物中有相当数量是纳米尺度的，其中徽硅粉的水化产物更细小这种填充作用可以称为“超微填充作用”。不同的矿物掺和料的填充作用尺度及它们的水化产物的超徽填充作用尺度是各不相同的，目前已进行的研究仅是刚起步。更深入更系统地研究各种掺和料及其水化产物的填充作用，发挥它们各自的特点．图1粉煤灰掺量对混凝土孔隙率的影响试验结果说明，粉煤灰由于密实填充作用及二次水化反应，可以提高混凝土密实程度，粉煤灰等量替代水泥后，与相同水灰比的空白混凝土相比，混凝土孔隙率明显下降，特别是大孔孔隙率的降低幅度尤为显著。但随着粉煤灰掺量增加，混凝土大孔孔隙率略有增加，其原因可能是由于粉煤灰掺量增加，早龄期时混凝土中总的水化产物相对减少。混凝土总孔隙率降低主要由于粉煤灰的密实填充作用，但不能有效堵塞90％相对湿度下的失水通道。可以预计，随着养护龄期的延长，粉煤灰混凝土随着水泥水化和粉煤灰的二次水化作用的进一步进行，以及粉煤灰的微集料效应，将能有效减少混凝土中大孔含量，进一步改善混凝土的孔结构。图2硅灰掺量对混凝土空隙的影响试验结果说明，由于硅灰具有较高的细度和火山灰活性，其密实填充效应和火山灰效应更为显著，与粉煤灰相比，热硅灰对混凝土垫孔隙率影响更灿大。此外，硅去灰对混凝土大饭孔孔隙率的降糠低尤为显著，真当硅灰掺量为正lO政％，大孔孔隙斧率仅有槐0遥．塞16车％删挣，且随硅灰掺窄量增加，没有公出现类似粉煤逢灰掺量增加时烫混凝土中大孔协孔隙率增长的李现象，这可能塔与硅灰活性较狭高，可以较快少地发生二次水惕化反应有关。吐图膝3港排硅灰和粉煤灰住复合对混凝土防空隙的影响愉试验竿[1]炒表明颜（星1鸭）羞兴粉煤灰掺人大汁幅降低混凝土货的孔隙率。随壮粉煤灰掺量的谊进一步增加，彼总孔隙率与毛息细孔孔隙率仍共有小幅下降，态而大孔孔隙率让呈微增加趋势烦，但与空白混助凝土相比，即忘使掺字40哀％粉煤灰的混内凝土，其大孔政孔隙率仍然处判于较低水平。御（题2担）赛箭由于较高的细颂度和火山灰活淡性，与粉煤灰即相比硅灰对混遣凝土孔隙率影稳响更大，其中欧对混凝土大孔肃孔隙率的降低贼尤为显著，当打硅灰掺量为济10睛％局票时，大孔孔隙赤率仅有樱0京．遮16悟％拖把。示（环3生）秃反泳硅灰与粉煤灰细复合时，混凝灾土总孔隙率和愈毛细孔隙率较兵单掺混凝土能蓬进符一步降低，这赤可能与拣C+FA+s帜F煎三元胶凝体系隐的密实填充性踪能改善和复合禁胶凝效应相关枯，起到了一定剑优势互补的作殊用。3.耐久性映钢筋混凝土耐截久性的降低除遭自然灾害或意条外事故外器,汤主要源于以下党几个方面或其雪复合作用袭:丢钢筋腐蚀柜;梢混凝土碳化犹;钻冻融循环愧;赛硫酸盐侵蚀鱼;荣碱消2闹骨料反应及机歉械磨损。其中萍钢筋锈蚀是最奴主要原因。钢育筋腐蚀通常由费两种原因造成葛:秤混凝土碳化造挪成钢筋表面局光部环境雪pH损值降低恳,缎使钢筋钝化膜生失去对钢筋的吓保护作用迁;梨由于混凝土遭豪受氯离子污染玩,将使钢筋表面钝仇化膜破坏怖,粉后者是造成近堆代混凝土桥梁陕破坏的主要原惨因。为了提高炮结构物的耐久剑性碰,书研究人员开发煎出高性能混凝孩土。高性能混异凝土最重要的荣特点是沸:倡低水胶比、高巧效外加剂和大胶量矿物掺合料约的使用。吴中泛伟等研究表明常:唐矿物掺合料可奴以提高混凝土奇耐久性、体积愤稳定性绳,指提高后期强度喘,奴降低水化热眯,工有时还有改善弟混凝土拌和物丈和易性、减少登泌水、离析的摆作用欧,纸提高混凝土抗刘酸碱腐蚀和防匹止碱骨料反应谜的能力。导图凝4送强度增长与电贼通率变化的关抵系韵实验视[2]愿表明抱（踪1壳）淡桃矿物掺合料由纲于活性不同秋,姿在水胶比相同甜的条件下询,王它们对混凝土那不同龄期强度昨的影响是不同芒的。硅灰活性晶最高积,抢掺硅粉的混凝羽土早期强度较咬高冻;赔矿渣活性较硅承粉低瑞,拴对于早期强度干有一定的降低询,杯但较短时间内丢便可发挥活性傅效应使混凝土恢强度有较大的拔增长。粉煤灰揉活性低宪,献反应较慢楼,剖因而粉煤灰显虹著降低混凝土瞒的早期强度起,五但其对后期强她度的增进有很宿大贡献。然（源2密）顷肢掺矿物掺合料商后隔,碍混凝土盗91d物和客28d锻间的蔬6h竖电通量变化较捕大畏,迅混凝土绒91d安和茶28d胜间的熔6h顾电通量变化率劣与强度增长率毫之间有较好的召相关性。漆（奔3宁）冶缺对于掺粉煤灰或或矿渣的混凝扁土萌,包宜采用较长龄新期混凝土的抗ASTMC乱1202滋的测试指标评木价混凝土的抗宴氯离子渗透能社力。载表捎1县肆粉煤灰和矿祖粉掺量对混凝露土长期强度的榨影响扰表民2检兔掺合料对贫C够60速混凝土抗氯离司子扩散系数的易影响久/cm攻2趁/s和表通3乱寨粉煤灰和矿盒粉对混凝土抗向冻性的影响悲/%红实验径[3]伸表明急(棵1)楼粉煤灰和矿粉园可以较为显著倡地提高混凝土但的后期强度仪,欲矿粉混凝土的框强度较粉煤灰乏混凝土的强度进高转,览但粉煤灰混凝喝土具有更高的追强度增长率续,故尤其是大掺灰绩量时。字(纸2)歇随着粉煤灰和壮矿粉等掺合料快掺量的增加以,讽混凝土抗氯离裁子渗透性能提娃高痰,肌矿粉比粉煤灰蔽可以更好地提横高混凝土的抗延氯离子渗透性篇能。投(君3)勤粉煤灰和矿粉解掺量低于备25%梅时汉,障矿物掺合料对雪混凝土抗冻性钢无不良影响炮,烦但当粉煤灰掺问量达到午36%体时确,铅强度下降较为监明显怠,相混凝土抗冻性耕能有所下降。结论糊混凝土是由宏亮观连续的水化浑相即水泥石、性彼此相互孤立险的非水化朋相及敲各种集料闹两大基本部分菊组成，从微观索或亚微观的层叉次看，宏观连蜻续的水泥石守(仿硬化水泥浆体句)砖也是不连续的凉，是由水化产恶物、未水钢的颗粒内核、匆尺寸不同的孔顿隙及部分物理压吸附水所组成敏。混凝土及水场泥石强度的产巾生是复杂的物翠理化学作用