復(fù)合礦物質(zhì)摻合料在混凝土中的效應(yīng)研究

王強 吳健 遲培云

[摘 要] 本文論述了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其對技術(shù)性質(zhì)的影響因素，分析了在粉煤灰中復(fù)合磨細(xì)礦渣粉對混凝土拌合物和易性、硬化混凝土力學(xué)性能和耐久性的效應(yīng)，試驗表明粉煤灰復(fù)合礦粉后對混凝土的各項技術(shù)性質(zhì)均有顯著的益化效應(yīng)。

[關(guān)鍵詞] 粉煤灰復(fù)合磨細(xì)礦渣粉激發(fā)效應(yīng)

1.概述

混凝土是世界上使用量最大的人造材料。隨著混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展，粉煤灰等礦物質(zhì)摻合料已逐步發(fā)展成為混凝土的基本組份。1982年在英國利茲召開了“粉煤灰在混凝土中應(yīng)用”第一屆學(xué)術(shù)討論會，會議對粉煤灰在混凝土中的作用做了新的評價，認(rèn)為它是一種具有獨特性能的新材料，可以在結(jié)構(gòu)混凝土中加以應(yīng)用。我國對粉煤灰混凝土的應(yīng)用技術(shù)也進行了許多年的研究和開發(fā)，并獲得了相當(dāng)大的技術(shù)經(jīng)濟效益和社會效益。但是，大多數(shù)研究人員都把主要精力集中在研究粉煤灰混凝土的宏觀力學(xué)性能上，對其對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成效應(yīng)的研究甚少或很不系統(tǒng)。所以有必要開展各組成材料尤其是礦物質(zhì)摻合料在混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成過程中的效應(yīng)研究，以便更好地掌握混凝土的配制技術(shù)，服務(wù)于工程。

2.混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其對技術(shù)性質(zhì)的影響因素

混凝土是一種復(fù)雜的非勻質(zhì)性材料，其硬化體至少包含粗、細(xì)骨料，未水化的水泥內(nèi)核，氫氧化鈣及其他結(jié)晶顆粒，水泥凝膠，凝膠孔隙，毛細(xì)管，孔隙水及氣泡等組成。影響混凝土強度的因素也是非常復(fù)雜的，要配制出技術(shù)性能優(yōu)良的混凝土，首先必須研究影響混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能形成的主要因素及其規(guī)律。

2.1混凝土內(nèi)部固有缺陷的產(chǎn)生機理

（1）混凝土內(nèi)部界面裂縫的形成

混凝土在硬化過程中，由于水泥水化產(chǎn)生的化學(xué)收縮和環(huán)境干燥等原因產(chǎn)生的物理收縮引起砂漿體積的變化，在粗骨料與砂漿界面上產(chǎn)生了分布極不均勻的拉應(yīng)力，并且粗骨料的粒徑越大，拉應(yīng)力也越大。拉應(yīng)力足以破壞粗骨料與砂漿的界面，形成許多分布不均勻的界面裂縫。

（2）普通混凝土中存在大量宏觀孔隙

在混凝土拌合時，為了保證混凝土拌合物具有一定的工作性，需要加入比水泥完全水化所需水量多得多的水，這些多余的水在混凝土凝結(jié)而形成初始結(jié)構(gòu)時仍留在混凝土中，并占據(jù)一定的空間。隨著水化的進行及以后的干燥過程，水分失去，原來被水占據(jù)的空間則成為孔隙。

另外，混凝土成型后會產(chǎn)生泌水現(xiàn)象，由于上升的水分被粗骨料顆粒所阻止，從而水分聚積于粗骨料的下緣形成水隙，混凝土硬化后就成為界面裂縫。

（3）普通混凝土中粗骨料周圍存在明顯的過渡區(qū)

在普通混凝土中粗骨料界面一定范圍內(nèi)的區(qū)域，其結(jié)構(gòu)與性能不同于硬化水泥石本體。在粗骨料界面處有一層1~3μm的接觸層，在接觸層外有一層大約5~10μm的多孔隙層即過渡區(qū)。由于泌水作用，水會向這一區(qū)域富集，使得這一區(qū)域水泥漿的實際W/C大于本體中的W/C，導(dǎo)致這一區(qū)域水泥石的結(jié)構(gòu)比較疏松；由于Ca(OH)2晶體z軸垂直骨料的表面而取向外生，在水泥石與骨料之間形成了一個Ca(OH)2晶體定向排列的結(jié)構(gòu)層，加劇了過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)疏松。

2.2混凝土受力破壞特征

混凝土受外力作用時，在其內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力在幾何形狀為楔形的微裂縫尖端形成應(yīng)力集中，隨著拉應(yīng)力的逐漸增大，導(dǎo)致微裂縫的進一步延伸、匯合、擴大，最終造成混凝土破壞。從破壞試件的斷面可以看到，破壞主要出現(xiàn)在水泥漿基體中以及水泥漿基體與粗骨料的界面上，隨著混凝土強度的提高(尤其是高強混凝土)，破壞也會出現(xiàn)在粗骨料中。所以，混凝土的強度主要取決于水泥漿基體強度、基體與骨料間的黏結(jié)強度以及骨料的顆料強度。

3.粉煤灰及其復(fù)合礦渣粉的化學(xué)組成和作用機理

磨細(xì)粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉的化學(xué)組成分別見表1和表2。

由于粉煤灰中含有大量玻璃體球形顆粒，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，幾乎沒有裂縫，與其它多孔結(jié)構(gòu)的活性混合材料相比，內(nèi)比表面積較小，吸附水的能力較小，因而使混凝土的干縮小，抗裂性較高。另外，粉煤灰能有效降低水泥的水化熱已被大家所公認(rèn)，這對減小混凝土內(nèi)外溫差，保證高性能混凝土的體積穩(wěn)定性具有非常重要的作用。

在新拌混凝土中，粉煤灰微珠既有獨特的“滾珠軸承”和 “解絮”形為，又能與水泥和細(xì)砂共同發(fā)揮混凝土顆粒級配中的微集料充填作用，其充填的特點是活性充填，即粉煤灰活性顆粒的水化反應(yīng)，使粉煤灰顆粒與水泥漿體的界面膠合，并對水泥漿體和骨料的界面起致密作用。粉煤灰的致密作用減少了混凝土中的孔隙體積和較粗的孔隙，特別是填充了漿體中的毛細(xì)孔通道，從而能顯著延緩CO2、Cl-、水及氧等在混凝土中的擴散。這對混凝土的耐久性非常重要。

但是，由于粉煤灰的化學(xué)活性相對較低，在摻量較高的情況下，對混凝土的早期強度影響較大。為了彌補粉煤灰的這一缺陷，我們在粉煤灰中復(fù)合活性較高的磨細(xì)礦渣粉。

粉煤灰復(fù)合磨細(xì)礦渣粉后，提高了火山灰活性效應(yīng)，增加了體系中微粒間的化學(xué)交互、誘導(dǎo)激發(fā)作用，因此提高了粉體的化學(xué)活性。另外，磨細(xì)礦粉中含有較多的超細(xì)顆粒，其顆粒粒徑多數(shù)小于10μm，化學(xué)活性顯著提高，水化性能大幅度增強，與一般細(xì)度的礦渣粉相比，在混凝土用水量相同的情況下，混凝土拌合物所獲得的流動性更大，泌水性明顯下降。在同摻高效減水劑后，超細(xì)的粉煤灰和礦渣粉粒會強烈地吸附高效減水劑并形成雙電層，從而促進超細(xì)粉粒子填充水泥漿體，把水泥粒子進一步分散開，對混凝土拌合物的流動性產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。這對水灰比相對較低的高強高性能混凝土能比較容易地獲得大流動性具有相當(dāng)可貴的作用。

4.粉煤灰復(fù)合磨細(xì)礦渣粉對混凝土技術(shù)性質(zhì)的影響

4.1混凝土拌合物的和易性和強度

試驗采用對比的方法，以基準(zhǔn)混凝土配合比為基礎(chǔ)(序號0)，對比混凝土(序號1)，按等和易性、等強度原則，摻加CM-H高效減水劑（Mх1.2%），同時減少用水量24%，用超量取代法摻加粉煤灰，粉煤灰摻量為40%，超量系數(shù)取1.5，粉煤灰超量部分等體積取代砂子，來進行配合比計算；對比混凝土(序號2)在序號1的基礎(chǔ)上，取代1/4粉煤灰，等量摻加礦渣粉。檢測混凝土拌合物的和易性，制作試件并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護到一定齡期后分別進行抗壓強度、抗?jié)B性、孔結(jié)構(gòu)以及抗凍融性試驗。

配制混凝土所用原材料：(1)山水水泥 P·O42.5，28天抗壓強度47.2MPa；(2)大沽河砂，細(xì)度模數(shù)μf=2.52，含泥量1.2%；(3)花崗巖碎石，最大粒徑DM=20mm，含泥量0.27%；(4)自來水；(5)CM-H高效減水劑，摻量1.2%，減水率24%；(6)磨細(xì)粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉的化學(xué)組成及細(xì)度分別見表1和表2。

混凝土配合比及其流動性和抗壓強度試驗結(jié)果見表3。

從表3的試驗結(jié)果可以看出，（序號1）摻加粉煤灰復(fù)合高效減水劑的混凝土拌合物的流動性要比基準(zhǔn)混凝土拌合物的流動性增大約14%，說明了粉煤灰微珠在新拌混凝土中的“形態(tài)效應(yīng)”和 “解絮”形為，提高了混凝土拌合物流動性；對于強度，盡管7天和28天的抗壓強度都比基準(zhǔn)混凝土的要低，但60天抗壓強度卻提高了約3%，也說明粉煤灰的火山灰活性效應(yīng)是逐步發(fā)揮的，并且增強作用隨時間延長越來越大。（序號2）粉煤灰復(fù)合25%礦渣粉再復(fù)合高效減水劑的混凝土拌合物和易性比（序號1）的更好，其28天和60天抗壓強度分別提高12%和9%。說明混凝土拌合物中不僅有粉煤灰微珠的“形態(tài)效應(yīng)”和 “解絮”形為，復(fù)合磨細(xì)礦渣粉后，更增加了體系中微粒間的化學(xué)交互、誘導(dǎo)激發(fā)作用，同時，摻合料中的超細(xì)粉粒會強烈地吸附高效減水劑并形成雙電層，從而促進超細(xì)粉粒子填充水泥漿體，把水泥粒子進一步分散開，對混凝土拌合物的流動性產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，對硬化混凝土起到細(xì)化毛細(xì)孔、增加密實度和提高強度的作用。

4.2混凝土的孔結(jié)構(gòu)

在目前的技術(shù)條件下，無論采用何種成型工藝，硬化混凝土內(nèi)部孔隙是必然存在的，其結(jié)構(gòu)與混凝土的各項物理力學(xué)性能和耐久性有密切的關(guān)系。

我們采用壓汞試驗分別測定了基準(zhǔn)混凝土（序號0）和摻加復(fù)合礦粉混凝土（序號2）的孔結(jié)構(gòu)，繪制了兩種混凝土內(nèi)部的孔徑分布曲線，如圖1所示。

圖1基準(zhǔn)混凝土和摻加復(fù)合礦粉混凝土內(nèi)的孔徑分布曲線

從混凝土內(nèi)部的孔徑分布曲線可以看出，基準(zhǔn)混凝土中大孔含量比較多，其最可幾孔徑分別為53.8?、170.1?和915.2?，相關(guān)資料顯示：孔徑53.8?為少害孔，170.1?為有害孔，915.2?為多害孔；而對比混凝土（序號2）的最可幾孔徑只有7.7?，屬無害孔。這充分顯示了復(fù)合礦粉中的“微集料填充效應(yīng)”以及其他行為對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和水泥水化產(chǎn)物的顯著益化作用。

4.3混凝土的抗?jié)B性、抗凍性和耐化學(xué)腐蝕性

混凝土的抗?jié)B性采用逐漸施加水壓法，即每8小時增加水壓0.2MPa，一致增加到3.0MPa，然后劈開試件測定其平均滲透深度；混凝土的抗凍融性采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28天的棱柱體試件(100×100×400mm)進行快速凍融，300次凍融循環(huán)后分別測定其相對動彈性模量，然后計算其耐久性系數(shù)DF；混凝土的耐化學(xué)腐蝕性采用模擬腐蝕介質(zhì)浸泡法。腐蝕介質(zhì)的化學(xué)成分為：Mg2+3000mg/L，SO42-6000mg/L，Cl-6000mg/L，NH4+300mg/L，PH≤4.0。將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28天的立方體試件分別浸泡于20℃±2℃的淡水和腐蝕介質(zhì)中180天，然后分別測定抗壓強度，計算耐腐蝕系數(shù)。

綜合表3、表4和圖1的試驗結(jié)果可以看出，在混凝土中復(fù)合摻加兩種磨細(xì)混合材料，不只是兩種混合材料的簡單混合，而是有意識地使兩種混合材料互相取長補短，相得益彰，產(chǎn)生單一混合材料不能有的優(yōu)良效果。磨細(xì)粉煤灰和磨細(xì)礦渣復(fù)合摻入混凝土后，混凝土拌合物的和易性更好，硬化混凝土的結(jié)構(gòu)更加密實，早期強度和后期強度都得到提高，孔隙結(jié)構(gòu)明顯細(xì)化，有害的孔隙基本被消除，孔隙率大幅度降低，表明混凝土耐久性的各項指標(biāo)諸如抗?jié)B性，抗凍融性以及耐化學(xué)腐蝕性等性能均有顯著提高。

5.結(jié)語

在粉煤灰中復(fù)合少量磨細(xì)礦渣粉以后摻入混凝土可獲得如下效果：

（1）混凝土的早期強度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，而后期強度（28天以后）均有明顯提高；

（2）混凝土拌合物的和易性與純摻粉煤灰相比有較大改善，含氣量有所提高；

（3）混凝土的孔隙率顯著減小，最可幾孔徑向無害孔方向發(fā)展；

（4）代表耐久性指標(biāo)的抗?jié)B性、抗凍性和耐化學(xué)腐蝕性等有更大的提高。

綜合上述，在粉煤灰中復(fù)合少量磨細(xì)礦渣粉，增加了體系中微粒間的化學(xué)交互、協(xié)調(diào)和誘導(dǎo)激發(fā)作用，對混凝土的各項技術(shù)性質(zhì)均有明顯的益化效應(yīng)，是混凝土改性的一條有效途徑。

作者簡介：

王強(1979.06)，男(漢族)，青島人，工程師，從事市政工程監(jiān)理工作。