粉煤灰和礦渣粉雙摻在高性能混凝土中的應用

趙 英

1 實施背景

目前，對混凝土的質量和服務要求日益提高，高工作性、高強度、高耐久性是高性能混凝土的顯著特性，是當前國際范圍內混凝土技術的發展方向，它適應于現代化工程結構高性能混凝土的應用。高性能混凝土是一種新型高技術混凝土，是以耐久性作為設計的主要指標，針對不同用途要求，對下列性能重點予以保證:耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩定性和經濟性。

大量研究表明，在混凝土中摻加粉煤灰或礦渣，不僅有較好的經濟效益和社會效益，而且可解決火電廠廢物利用問題，減少了貯灰場的占地，還節省了耕地，對電廠既降低了成本，還節約了運灰費用，更重要的是帶動了一批建材企業。另外，優質粉煤灰對混凝土的密實度、抗滲性、耐化學腐蝕及其后期強度均有提高和改善作用，而在混凝土中摻入磨細礦渣則對混凝土的多項力學性質和耐久性能有利。到目前為止，人們對粉煤灰混凝土和礦渣混凝土已有比較清楚的認識，但是，對于在混凝土中同時摻加粉煤灰和磨細礦渣粉后復合材料的特性變化尚無較系統和深入的探索，雙摻后對新拌混凝土性能和硬化混凝土的強度有何影響，效果如何，兩種摻合料之間有無匹配關系，是否存在最佳配比，對于這些問題的研究已顯得很有必要。

山西路橋第二工程有限公司在聞合高速公路LA6合同段項目施工中大膽創新，積極研究并將粉煤灰和礦渣粉雙摻成功應用于C55高性能混凝土中。

2 基本原理

1)提高混凝土工作性能。

使混凝土拌合物的和易性，流動性提高，坍落度保持性較好。摻入礦渣粉和粉煤灰后，由于它們的粒徑與水泥顆粒粒徑形成粒徑梯度，顆粒之間相互填充，因此可以進一步減少細集料顆粒間的空隙，使其更加密實，并且可以使得水泥顆粒間的水分得以釋放，形成自由水，提高混凝土的流動性，這是礦渣粉和粉煤灰的微集料效應。另外粉煤灰的形態效應也使得混凝土的流動性很好，粉煤灰的礦物組成是海綿玻璃體和鋁硅玻璃體微珠，這些球形玻璃體表面光滑，顆粒尺寸小，質地致密，在新拌合物中起到一定的潤滑作用;礦渣粉與水泥顆粒之間及礦渣粉與礦渣粉之間接觸點面積小，且礦渣粉的斥水作用使得對減水劑吸附作用也較弱，因此礦渣粉及粉煤灰的雙摻可提高混凝土的流動性，和易性，減少坍落度損失。

2)提高混凝土抗滲性能。

加入礦渣粉和粉煤灰后，其微集料效應和火山灰效應使得混凝土的結構更為致密，降低了孔隙率。由于礦渣粉的細度高于粉煤灰，復合摻加后使得材料顆粒間相互填充孔隙，使各組成材料緊密堆積，進一步降低孔隙率，從而增加混凝土結構的密實度，改善混凝土的抗滲性能。

3)降低水化熱和提高混凝土強度。

摻入礦渣粉的混凝土的水化反應依賴于水泥水化反應產生的堿性物質的激發，生成凝膠體的速度遠低于純水泥混凝土，礦渣粉在水泥顆粒間起到分散劑的作用。而且粉煤灰在水泥水化初期不參與水化反應，而是與水泥水化產物Ca(OH)2進行二次水化，滯后于水泥水化的過程，延緩了由于水化而產生的溫升。同時由于礦渣粉及粉煤灰的摻加替代了少量的水泥，進一步降低了水化熱。在混凝土中加入礦渣粉和粉煤灰后，在混凝土內部的堿性環境中，礦渣粉和粉煤灰吸收水泥水化時形成的Ca(OH)2，進一步水化形成C-S-H凝膠，使界面區的Ca(OH)2晶粒變小，改善了混凝土的微觀結構，使水泥漿體的空隙率明顯下降，強化了集料界面的粘結力，使得混凝土的物理力學性能大大提高。另外礦渣粉和粉煤灰的微集料效應，使混凝土形成了微觀的自緊密結構，提高了混凝土的強度。

3 主要做法

配合比設計是高性能混凝土制備技術的關鍵。高性能混凝土配合比設計不同于普通混凝土的設計，不是簡單以抗壓強度作為設計指標的混凝土，而是包括原材料的選擇和控制、拌和物的生產制備和整個施工過程的良好質量控制來實現的，其配合比的設計應以安全、經濟、合理為原則，以耐久性、工作性、抗壓強度為設計指標，并綜合考慮和分析影響高性能混凝土與配合比各種參數的因素來確定其配合比。

試驗結果表明:第2組試配數量既能滿足C55號強度要求，又能節約成本。最終確定配置C55高性能混凝土的最優配合比為:

水泥∶砂∶碎石∶礦渣粉∶粉煤灰∶水∶減水劑=383∶666∶1087∶106∶43∶165∶6.92。

同時說明:適量的優質活性礦物摻合料如優質粉煤灰、礦渣微粉等可改善混凝土的工作性。粉煤灰的微集料效應、形態效應不但可以提高混凝土的保水性、流動性，并可減少水泥用量，提高高性能混凝土的耐久性，且隨著混凝土齡期的延長，雙摻后混凝土的強度比普通混凝土強度要高得多。

4 質量控制及保障措施

1)為了保持砂石潔凈，對砂石堆放環境必須有專門要求。2)細骨料在投料前不宜過干，其含水量宜采用自動檢測并通過自動稱量裝置，進行用水量修正。3)攪拌必須均勻，高性能混凝土的攪拌要比普通強度混凝土困難，必須采用強制式攪拌機，并延長攪拌時間，約比普遍強度混凝土攪拌時間長一半。4)及時養護，低水灰比的混凝土表面不泌水，容易在凝結過程或澆筑后不久就出現表面干縮裂縫，早期養護對高性能混凝土最為重要。5)對原材料的選擇。配置C55級高強混凝土，不需要用特殊的材料，但必須對本地區所能得到的所有原材料進行優選，它們除了要有比較好的性能指標外，還必須質量穩定，即在施工期內主要性能不能有太大的變化。6)工序的質量控制和管理。一般來說，在試驗室配置符合要求的高強混凝土相對比較容易，但是要在整個施工過程中，混凝土都要穩定在要求的質量水平功能上就比較困難了。一些在普通情況下不太敏感的因素，在低水灰比的情況下會變得相當敏感，而對高強混凝土，設計時所留的強度富余度又不可能太大，可供調節的余量較小，這就要求在整個施工過程中必須注意各種條件、因素的變化，并且要根據這些變化隨時調整配合比和各種工藝參數。

5 項目成效及效果分析

5.1 經濟效益

C55高性能混凝土配合比為:水泥∶砂∶碎石∶礦渣粉∶粉煤灰∶水∶減水劑 =383∶666∶1087∶106∶43∶165∶6.92;

普通C55混凝土配合比為:水泥∶砂∶碎石∶水∶減水劑=498∶679∶1109∶154∶6.47;

以本項目實際進場材料單價粉煤灰165元/t、525水泥460元/t、礦粉230 元/t、減水劑6300 元/t、砂110 元/m3、碎石75元/m3、水3元/t為例，對兩者進行成本比較:

C55雙摻混凝土每立方米成本計算:

0.383×460+666/1550×110+1087/1500 ×75+0.106×230+0.043 ×165+0.165 ×3+6.92 ×6.3=353.36 元。

C55普通混凝土每立方米成本計算:

0.498×460+679/1550×110+1109/1500×75+0.154×3+6.47 ×6.3=373.94 元。

全橋C55混凝土用量約20000 m3，每立方米節約成本373.94 －353.36=20.58 元，總成本節約20000 ×20.58=411600 元。

5.2 社會效益

采用粉煤灰和礦粉代替部分水泥，能改善新拌混凝土的流動性、提高混凝土強度，與傳統的混凝土相比，高性能混凝土在配合比上的特點是低用水量、較低的水泥用量，并以化學外加劑與粉煤灰作為水泥、砂石之外的基本組成成分。這些使硬化混凝土內部的孔隙少，具有致密的微觀和細觀結構，抗滲性能優良，因此高性能混凝土的耐久性很好。

高性能混凝土在硬化過程中體積穩定、水化熱低、溫升小，冷卻時的溫度收縮小，干燥收縮也小，所以硬化后不易產生宏觀和微觀裂縫。

雙摻工藝的運用，既改進了傳統的混凝土配比，又在很大程度上節余了成本，同時可降低混凝土水泥用量，獲得較好的技術、經濟和環保效果，在工程實踐中具有廣闊的應用前景。