双组分矿物掺合料高性能混凝土的性能研究

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摘要：进行了双掺粉煤灰、矿粉对混凝土性能影响的研究，简述了双掺的优势互补原理。结果表明：矿物总掺量有一个最佳范围，且粉煤灰与矿粉的掺配比例也有一个最佳值。这些结果对配制低成本、高性能混凝土具有积极的意义。

关键词：高性能混凝土、粉煤灰、矿粉、性能研究

高性能混凝土的产生是建筑业迅速发展的需要，而它的广泛使用得益于粉煤灰、矿粉等活性掺合料在混凝土中的使用。掺合料替代部分水泥生产混凝土，既可以减少生产水泥造成的污染、保护了环境，又可以将这些废料得以利用、节约了能源。更主要的是掺合料可以改善混凝土的性能。本实验通过改变掺合料的总掺量及粉煤灰与矿粉的掺配比例对高性能混凝土进行了研究。

一、原材料

本实验使用的是太原狮头水泥有限公司生产的P.Ⅰ42.5硅酸盐水泥、太原德龙超细粉科技有限公司生产的S75级矿渣超细粉（以下简称为矿粉）、太原第一热电厂粉煤灰分选公司生产的Ⅱ级粉煤灰、豆罗中砂、5-31.5mm连续级配的泥屯碎石和山西琦盛源科技有限公司的YS-A2型高效减水剂。

二、双掺粉煤灰和矿粉的混凝土实验

本实验中设计了3种粉煤灰与矿粉的掺配比例，分别为：1：1、1：2和1：3。同时考虑到矿物总掺量对混凝土的性能也有影响，本实验中又设计了30%、40%、50%和60%这四种矿物总掺量。此外，为了避免其它因素对实验的干扰，几组实验均采用了相同的水胶比（0.38）、砂率（40%）和外加剂掺量（2.5%）。这也是为了满足混凝土性能的要求。混凝土配合比见表1：

表1

三、实验结果分析

表2

1. 矿物掺合料对混凝土力学性能的影响

1.1 矿物总掺量对混凝土力学性能的影响

图1矿物总掺量对混凝土力学性能的影响

1.1.1从图1中可看出：混凝土的抗压强度并不是随着矿物总掺量的增大而呈线性变化的，只有矿物总掺量在30%和40%时，混凝土的抗压强度才接近或超过不掺矿物的混凝土。混凝土能获得比较良好的力学性能主要是因为矿物掺合料具有以下两个效应。

复合火山灰效应

图2 矿粉的电子显微照片粉煤灰的电子显微照片

从图2的电子显微照片上可以观察到这些矿物以微晶体或玻璃体存在。这赋予了矿物较高的火山灰活性［1］。当两种矿物掺入混凝土中时，水化过程相互激发产生复合胶凝效应。在复合胶凝体系中，水泥总是先水化，生成CSH合CH，CH和水泥中的石膏可对矿粉、粉煤灰的水化起激发作用。矿粉析出的CaO可促进粉煤灰颗粒周围的CSH凝胶、AFt(有石膏存在时)的形成，从而促进粉煤灰颗粒中的铝、硅相的溶解。水化液相中的铝、硅浓度增加，又可加快矿粉的水化过程。

微集料复合效应［2］

硬化混凝土的性质与胶凝材料粉体在拌水前的堆积状态有密切关系。在胶凝材料中，水泥颗粒粒径最大，粉煤灰次之，矿粉最小。如果这些胶凝材料粉体经过适当比例的混合，就可能使得拌水前混凝土中的粉体紧密堆积并具有良好的连续微级配。这就降低了新拌浆体的初始孔隙率。Lange［3］研究认为：初始孔隙率低的新拌浆体对硬化后混凝土的性能起着决定性的作用。因为水化过程中不同粒径的胶凝材料颗粒相互填充，进一步减少了复合胶凝材料体系凝结硬化后的空隙率，从而提高混凝土的抗压强度，同时也降低了混凝土的渗透性。［4］～［5］此外，矿物外加剂颗粒的形状和表面粗糙度对紧密堆积及界面粘结强度有密切关系。［6］

1.1.2从图1中还可看出：掺矿物的混凝土早期（3d、7d）抗压强度均不及不掺矿物的混凝土，而中期（28d）抗压强度有部分接近甚至超过不掺矿物的混凝土。这是由于当混凝土中掺入矿粉和粉煤灰后，体系中将发生一系列的物理化学变化。［6］

首先，水泥水化放出Ca(OH)2,在激发剂Ca(OH)2的作用下，超细矿粉立即水化释放出大量的低密度的水化硅酸钙、钙矾石及Ca(OH)2，Swamy［7］的研究表明，当水泥中掺入比表面积为1200m2/kg的矿粉后，其3d立方体抗压强度与未掺矿粉的混凝土相当。同时，由于矿粉的比表面积远大于水泥的比表面积，其初始水化产物的比表面积肯定比水泥水化产物大，这些具有大的比表面积的水化硅酸钙、钙矾石以及Ca(OH)2聚集在粉煤灰颗粒周围，起“晶核”的作用，从而加速粉煤灰的水化反应。［8］

其次，由于超细矿渣的碱度（CaO+MgO）远大于粉煤灰，超细矿渣水化时，将提高胶凝材料体系中的OH含量，以及新拌混凝土浆体的碱度、OH含量和浆体的碱度提高，［9］加速粉煤灰的水化。

随着粉煤灰的快速反应，大量的晶核被消耗，同时浆体体系中的碱度也将迅速降低，又加快超细矿粉的水化反应速度。［6］

1.2粉煤灰与矿粉的掺配比例对混凝土力学性能的影响

图3矿物总掺量为30%时粉煤灰与 图4矿物总掺量为40%时粉煤灰与

矿粉的掺配比例对混凝土力学性能的影响矿粉的掺配比例对混凝土力学性能的影响

从图3和图4中可以看出：矿物总掺量在30%时，混凝土的抗压强度随着矿粉掺量的增大而减小。矿物总掺量在40%时，粉煤灰与矿粉的掺配比例为1：3的混凝土的力学性能最好，1：1的次之，1：3的最差。

2.矿物掺合料对混凝土工作性能的影响

2.1矿物总掺量对混凝土工作性能的影响

图5矿物总掺量对混凝土工作性能的影响

2.1.1从图5中可以看出：掺矿物的混凝土坍落度比不掺矿物的混凝土大，且都达到了大流动性混凝土的要求。这主要是由于矿物掺合料具有滚珠效应。图2中显示矿物掺合料尤其是粉煤灰颗粒大都为玻璃微珠，呈圆球状，而且颗粒直径小于水泥颗粒直径，掺入混凝土中就像加入了剂，大大减小了内摩擦阻力，从而有效地改善了混凝土的流动性。［10］～［14］

2.1.2从图5中还可看出：矿物总掺量为30%、40%和60%时混凝土的坍落度接近或超过200mm，比总掺量为50%的混凝土好。

2.2粉煤灰与矿粉的掺配比例对混凝土工作性能的影响

图6矿物总掺量为30%时粉煤灰与 图7矿物总掺量为40%时粉煤灰与

矿粉的掺配比例对混凝土工作性能的影响矿粉的掺配比例对混凝土工作性能的影响

图8矿物总掺量为60%时粉煤灰与 图9粉煤灰与矿粉的掺配

矿粉的掺配比例对混凝土工作性能的影响 比例对混凝土工作性能的影响

2.2.1从图6、7、8中可以看出：矿物总掺量为30%和40%时，粉煤灰与矿粉掺配比例为1：1的混凝土坍落度明显比其它两个配比大，掺配比例为1：2和1：3的混凝土坍落度相差不大。矿物总掺量为60%时，掺配比例为1：1、1：2、1：3的混凝土坍落度呈递减趋势。

2.2.2从图9中可以看出：掺配比例为1：1、1：2、1：3的混凝土坍落度呈递减趋势。由此可以得出后面的结论：随着矿粉掺量的增大，混凝土的坍落度减小，即矿粉的掺入对混凝土的流动性不利。

四、结论与展望

1.矿物总掺量为30%，且粉煤灰与矿粉的掺配比例为1：1时，混凝土的力学性能较好。而矿物总掺量为40%，且粉煤灰与矿粉的掺配比例为1：3时，混凝土的力学性能较好。

2.矿物总掺量为30%、40%或60%，且粉煤灰与矿粉的掺配比例为1：1时，混凝土的工作性能较好。

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