矿物质掺合料对混凝土耐久性的影响

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【摘 要】混凝土耐久性主要是指其抵抗物理和化学侵蚀，如冻结、高温、碳化、侵蚀等能力， 混凝土耐久性不满足要求是导致铁路不能达到设计寿命和寿命降低的主要原因，本文针对高性能混凝土所使用的粉煤灰、矿渣粉等矿物质掺合料对混凝土抗渗性、抗冻性、抗裂性、抗腐蚀及抗氯离子渗透及抑制碱骨料反应等方面做出了一系列的分析和研究。

【关键词】粉煤灰；矿渣粉；混凝土；耐久性

1.前言

近年来，随着高性能混凝土在建筑行业的日益盛行，高性能混凝土所使用的矿物掺合料已得以广泛使用，粉煤灰、矿渣粉是目前铁路建设中不可缺少的矿物质材料，在我国已建和在建的铁路中得以全面使用，粉煤灰、矿渣粉等矿物质的使用不仅可以减少水泥使用量，降低成本，改善和提高混凝土工作性能和力学性能，同时能够提高混凝土耐久性，如混凝土的抗冻性、抗渗性、抗蚀性及抗碳化能力等，混凝土结构耐久性满足设计与否直接影响着铁路的质量、安全及使用寿命，是铁路混凝土结构的核心。

2.粉煤灰、矿渣粉对混凝土抗渗性能的影响

2.1粉煤灰对混凝土抗渗性能的影响

抗渗性与混凝土耐久性的关系十分密切，因为一切破坏作用的因素总是随液体或气体进人混凝土。粉煤灰在混凝土具有充填行为和致密作用，粉煤灰的致密作用是粉煤灰在混凝土中活性充填行为的综合结果，在新拌混凝土阶段，粉煤灰充填于水泥颗粒之间，使水泥颗粒解絮扩散，改善了和易性，增加浇筑密实性，从而使混凝土初始结构致密化；在硬化发展阶段，主要发挥了物理充填料的作用；在硬化后期，又发挥了活性充填料的作用，粉煤灰的活性物质在混凝土中会发生二次水化反应，使粉煤灰具有一定胶凝性，填充了水泥水化后微小孔隙，使混凝土密实度得以提高，使混凝土的抗渗性能得以大大提高，但若要最大功效地发挥粉煤灰在混凝土的抗渗功能，其在胶凝在材料中的掺量控制尤为重要，目前，在铁路桥梁施工中粉煤灰在胶材中的取代率在12%～20%为宜。

2.2矿渣粉对混凝土抗渗性能的影响

矿渣粉的主要成分为SiO2和Al2O3，具有超高活性，将其作为掺合料掺入水泥混凝土中，这些活性的SiO2和Al2O3即可与水泥的C2S水化产生反应，进一步形成水化硅酸钙产物，大幅度提高水泥混凝土的致密性，从而改善孔结构，减少孔隙率和最大孔径尺寸，使混凝土形成密实填充结构和细观层次的自紧密堆积体系，达到提高混凝土抗渗性能，使混凝土的水渗透系数得到明显降低，同时防止产生泌水和离析现象的发生。研究表明，采用粉煤灰与矿物掺合料双掺，同时注重混凝土的养护可以极大地提高混凝土的抗渗性能。

3.粉煤灰、矿渣粉对混凝土抗冻性能的影响

3.1粉煤灰对混凝土抗冻性能的影响

混凝土的强度和引气量是影响普通混凝土和粉煤灰混凝土抗冻性的决定性因素，在零度以下环境下，混凝土中内部孔隙和毛细孔道中的水结冰产生体积膨胀，当这种膨胀力超过混凝土的抗拉强度时则使混凝土产生微细裂缝，在反复冻融作用下，混凝土内部的微细裂缝逐渐增多和扩大，混凝土的强度逐渐降低，混凝土表面产生酥松剥落，直至完全破坏。

混凝土中用粉煤灰并等量取代水泥后，在早、中期水化产物减少，毛细孔增多，强度偏低。以粉煤灰混凝土28 d强度测定，即混凝土受冻前龄期较短时，混凝土易冻坏，这在粉煤灰品质较差、混凝土需水量相应增加的情况下尤为突出，但随着粉煤灰的活性物质发生二次水化反应，使粉煤灰具有一定胶凝性，填充了水泥水化后微小孔隙，使混凝土密实度得以提高。但粉煤灰的掺入有助于混凝后期强度的提高，所以随着混凝土强度的提高，后期粉煤灰混凝土的抗冻性将得到较大的提高。

3.2矿渣粉对混凝土抗冻性能的影响

矿渣粉可以改善混凝土抗冻性能的主要原因在于，一方面矿渣粉填充于水泥颗粒之前 的微集料效应，改善了混凝土微观层次的自然紧密体系和孔径分布，避免生成连通的毛细孔，另一方面，水泥石中 的胶凝孔径小冰点极低，因此胶凝孔中的水兵不结冰，矿渣粉粉的加入，大大增加了C-S-H胶凝体和胶凝孔数量，减少了结冻孔数量，缓解了因结冰而引起的体积增大，压力增大，故混凝土中掺入矿渣粉可以提高混凝土的抗冻性，研究表明，矿渣粉掺量在10%以内，混凝土的质量损失率和基准混凝土的（矿渣掺量为0）相比，变化不大，但矿渣粉从10%增加到40%时，混凝土的质量损失率下降较多，同时矿渣粉的掺入也可以有效地降低混凝土强度损失率。

4.粉煤灰、矿渣粉对混凝土抗裂性能的影响

混凝土中水泥在水泥过程会生成大量的Ca（OH）2晶体，而粉煤灰和矿渣粉较水泥颗粒要细，掺入混凝土后可显著改善界面过渡区的微结构，因为矿物掺合料与富集在界面的Ca（OH）2反应，生成C-S-H凝胶，使Ca（OH）2晶体、钙矾石和孔隙大量减少，凝胶相对增加，同时颗粒极细的磨细矿渣粉和粉煤灰的掺入可减少泌水，消除骨料下部的水隙，使界面过渡区的原声微裂缝大大减少，界面过渡区的厚度相应减小，使其结构的密室度与水泥浆体的相同或接近，骨料与浆体的粘结力得到增强，而且改善了界面过渡区的机构，减少了界面区的微裂缝，使抗裂性得以提高。

5.粉煤灰、矿渣粉双掺对抗腐蚀和氯离子渗透性能

5.1粉煤灰、矿渣粉抗腐蚀作用

粉煤灰、矿渣粉掺合料还具有改善混凝土抗腐蚀的功能，混凝土掺合料水化时消耗了水泥熟料与掺合料界面过渡区的部分氢氧化钙和水化铝酸钙， 形成耐腐蚀的低碱型水化硅酸钙（托贝莫来石）和钙矾石等， 钠离子、钾离子与铝氧八面体络阴离子团结合成四面体进入硅酸盐晶体结构，形成水化铝硅酸钙被固定，使游离碱含量降低，有效避免侵蚀的发生。

5.2粉煤灰、矿渣粉抗氯离子渗透功能

氯离子在混凝土中的渗透主要是通过是水泥石中的贯通孔和集料中的贯通孔、水泥石和集料界面界面的贯通孔实现的，而矿物掺合料改善抗氯离子渗透的主要机理是其在混凝土中的密实填充和火山灰效应，填充效应是指掺合料颗粒填充在水泥胶凝材料的空隙中，特别是掺入了高效减水剂后再掺入矿物掺合料的混凝土具有更好的减水增塑效果， 即高性能混凝土“双掺”技术，由于粉煤灰、矿渣粉的密实填充效应和粉煤灰的火山灰效应降低了混凝土中硬化浆体孔隙率、改善了混凝土孔隙特征，使毛细孔细化和结构致密化，同时二次水化使毛细孔变长和曲折，阻断了可能渗透的通道，从而阻止了氯离子的渗透，同时，粉煤灰对氯离子的物理吸附和化学结合作用也是不可忽略的重要因素，粉煤灰细度越细，在低水胶比混凝土中的密实填充效应越明显，阻止效果越佳。

6.粉煤灰抑制碱骨料反应性能

粉煤灰可以减少混凝土中的碱一骨料反应。首先，掺入粉煤灰后，粉煤灰消耗了可溶性碱；其次，粉煤灰与水泥水化释放出来的Ca（OH）2反应，有效地降低孔隙溶液中的pH值，因而降低骨料中硅与碱的反应活性；同时，粉煤灰中高度反应的无定形相（玻璃体）迅速消耗水泥中的碱，生成非膨胀的钙一碱硅胶；最后，粉煤灰有助于降低混凝土的透水性，降低水分向混凝土中的渗透，而有水分才能充分进行碱一骨料反应。

7.结语

充分合理利用粉煤灰的减水效应、填充效应、火山灰效应和形态效应及矿渣粉的显微形态、表面活性和填充作用，进行有效搭配、取长补短、合理优化，会形成超叠加效应，使混凝土具有更好的耐久性性能，有效地延长铁路混凝土的使用年限和寿命。