多元礦物摻合料在高強高性能混凝土中的應用研究

王英杰

摘要：本文通過對三元復合膠凝材料（水泥+礦粉+粉煤灰）在混凝土中的作用機理的分析，經過大量的試驗研究，對三元膠凝材料在混凝土硬化過程中各個時期的強度和耐久性的影響試驗研究，提出了以簡單的試驗方法確定高強高性能混凝土配制過程中三元膠凝材料的摻量的方法。

關鍵詞：三元膠凝材料混凝土水泥礦粉粉煤灰

引言

多元礦物摻合料在客運專線高強高性能混凝土中已經得到廣泛應用。在改善高強高性能混凝土工作性、耐久性和提高經濟效益方面有著重要的作用。但是其摻量比例問題一直是困擾配合比設計人員的一個難題，造成混凝土適配過程中的勞動量很大，試驗人員要分別按照不同的摻量做配合比拌合物性能和力學性能試驗，不合適了還要重新適配，浪費時間且浪費精力。替代量太少了起不到相應的效果、太多了影響施工進度和預制梁的張拉等。國內現行的規范對混凝土用膠凝材料的檢測只是單一的水泥對摻合料的試驗檢測而且是定量的摻量檢測，只能對單項原材料的合格與否做出判定，而不能確定各材料之間的適應性和現在的科學技術水平未發現的未知因素對混凝土中礦物摻合料的影響。筆者經過在十九局集團有限公司施工的五個梁場的高強高性能混凝土配合比試驗中總結了同事和自己的經驗提出了新的方法確定多元摻合料在高強高性能混凝土中的摻量，既節省了時間又減少了工作量，方便快捷的將高強高性能混凝土中多元水泥基膠凝材料的摻量確定在最佳狀態。

一、組成混凝土的理論體系分析

現代科學認為，混凝土的結構組成符合密實充填結構和細觀層次的自緊密規程堆積體系理論，是一個以骨料為主體以水泥基膠凝材料為粘結體的連續級配的顆粒堆積體系。粗集料的間隙由細集料填充，細集料的間隙由水泥顆粒填充，而水泥顆粒之間的間隙則需要更細的顆粒來填充，單一以水泥作為膠凝材料的混凝土有水來填充，但混凝土拌合時引入的自由水在蒸發后留下的空隙是聯通的不利于混凝土的耐久性。礦物摻合料的細度比水泥顆粒細，在混凝土中取代了部分水填充水泥的空隙，不但在減水方面取到了一定的作用，還改善混凝土的孔結構，降低孔隙率并減少了最大孔徑尺寸，并有效降低了聯通的空隙數量，使混凝土形成更密實的連續級配的顆粒堆積體系。因抗凍要求需要引入的微氣泡除外，這些氣泡之間是不連通的對混凝土的耐久性等有利。

二、多元礦物摻合料復合效應分析

科學研究表明多元礦物摻合料摻入混凝土中的效應歸結為：微集料效應、形態效應、火山灰效應、界面效應等，但不同的礦物摻合料在不同的效應形式下表現可能是正效應也可能是負效應。不同效應間相互作用相互疊加，而這主要取決于礦物摻合料的物理性態、化學組成等特征以及各種摻合料之間的適應性及摻量。如果摻合料物理性能、摻量比例控制得當，多元復合礦物摻合料摻入混凝土中所表現出來的綜合正效應才能得到最大程度的發揮，我們把這種多元礦物摻合料的之間相互作用、相互疊加效應稱為多元復合礦物摻合料的復合效應。

2.1微集料效應的復合

在混凝土粉料中，水泥顆粒粒徑最大，礦粉、粉煤灰次之。如果膠凝材料中的粉料經過適當比例的混合，就有可能形成混凝土中粉體材料良好的連續微級配。復合膠凝材料在水化過程中不同粒徑的膠凝材料顆粒互相填充，減少了顆粒間的空隙，從而進一步減少了復合膠凝材料體系凝結硬化后的總孔隙率，這就有可能降低混凝土的滲透性。但摻合料摻量過多由于礦粉的顆粒比較細會使膠凝材料的總比表面積增加，同時增加混凝土的單位用水量，還會影響早期強度和高強高性能的施工進度。

混凝土抗氯離子擴散系數De、滲透高度比s與混凝土粉料的Rosin-Rammler分布均勻性系數n、空隙率ρ的相關性顯著，而混凝土粉料的Rosin-Rammler分布均勻性系數n、空隙率ρ與混凝土抗壓強度的相關性并不顯著，原因可能在于在相關分析中并沒有考慮多元復合膠凝材料的化學性質變化以及其在不同齡期的水化效果，仍有待研究。 這說明均勻性系數和空隙率是從不同的角度來描述混凝土粉料的顆粒之間的相互填充效果，其物理意義是相似的。

由此表明多元復合膠凝材料（水泥、礦粉、粉煤灰、）摻入混凝土中后在膠凝材料的水化、凝結、硬化過程中產生的微集料效應，比單一以水泥為膠凝材料的微集料作用顯著可表現為正效應。

2.2 形態效應的復合

分析電子顯微鏡照片，發現水泥、礦粉多為不規則且表面粗糙的顆粒，粉煤灰為表面光滑的球狀玻璃體顆粒。摻合料的顆粒形貌、細度、分布對其水化程度、水化深度及其硬化后的性能有不同程度的影響。由于礦粉顆粒不規則且表面粗糙，其摻入混凝土中會降低新拌混凝土的流動性、增加粘度，但混凝土拌合物的粘聚性和保水性很好；粉煤灰的光滑的玻璃體球狀形態又起到了滾動、潤滑作用，增加了混凝土拌合物的流動性，減少混凝土用水量和泵送阻力，再與高效減水劑配合使用使新拌混凝土得到最佳的流動度、粘聚性、保水性。因此，多元膠凝材料的復合使用，可以起到形態互補的的效果，從微觀結構起到改善混凝土宏觀性能的效果，可以產生正效應。

2.3界面效應的復合

混凝土澆搗過程中，骨料周圍會形成一層水膜，從而使貼近骨料處比遠離骨料處所形成的水灰比更高。于是造成了界面過度區毛細孔體積大，氫氧化鈣晶體富集并擇優取向，存在大量微裂縫等對混凝土有害的結構。因此，混凝土界面過度區通常是混凝土性質鏈條中最薄弱的一環。摻入礦粉、粉煤灰可減少混凝土中的Ca(OH)2的形成，并抑制Ca(OH)2晶體在界面區的生長。而且超細礦粉、粉煤灰摻入水泥—水系統后起分散作用,增加水泥粒子的水化空間，礦粉吸收由水泥熟料水化生成的Ca(OH)2,生成C-S-H相,并同時和CaSO4反應,生成Aft相,促進熟料繼續水化，漿體自由水逐漸減少，而粉煤灰逐漸釋放出其內部內的水,對水泥水化進行自養護,使界面附近反應繼續進行,反應產物不斷填充界面微裂縫,界面附近漿體逐漸緊密,界面得到加強。同時礦粉、粉煤灰等顆粒尺寸較小保水性好，可抑制骨料周圍水膜的形成，從而改善界面過渡區的結構，使的膠體—集料界面的粘結力增強。由此可見礦粉、粉煤灰二元摻合料多元界面效應為正效應。

2.4火山灰效應的復合

試驗證明礦粉、粉煤灰單摻入混凝土中在與水泥組成的二元膠凝材料的水化體系中都會存在火山灰活性反應，礦粉、粉煤灰作為二元復合材料同時摻入混凝土在以水泥、礦粉、粉煤灰作為三元膠凝材料的水化體系中火山灰效應更明顯。在三元膠凝材料水化過程中互相激發產生復合的膠凝效應。在復合膠凝體系中，水泥熟料總是首先水化，生成CSH和CH，CH和水泥中的石膏可對礦渣、粉煤灰的水化起激發作用。礦粉析出的游離CaO和水泥中的石膏可促進粉煤灰顆粒周圍的CSH凝膠和AFt的形成，從而促進粉煤灰顆粒中的鋁、硅相的溶解，使水化液相中的鋁、硅濃度增加，這又可加速礦渣的水化過程。這種作用反復進行，逐漸疊加。

綜上所述，混凝土中摻入礦粉、粉煤灰對混凝土綜合性能的改善優于單一以水泥作為水泥基膠凝材料的混凝土。而復摻粒化高爐礦渣、粉煤灰三元復合膠凝材料的混凝土，其綜合性能要優于復二元復合膠凝材料的混凝土。這說明只要比例控制適當，使得三種膠凝材料交互復合的正效應達到最優化，有助于混凝土良好微級配的形成，從而改善混凝土的宏觀性能。

三、礦物摻合料的用量研究

混凝土多元礦物摻合料的復合效應十分復雜、微妙，但是由于儀器設備的局限性和現在科學未發現的多元膠凝體系的更復雜、更微妙的作用，怎樣才能一步到位比較簡單的找出多元水化膠凝材料的適應性和最優摻配比例？筆者有以下的見解：

因為高強高性能混凝土在配制過程中不但要考慮強度和耐久性，還要考慮泵送性、凝結時間、張拉時間、表面顏色和不利條件下（冬季或夏季）的混凝土施工等因素。

通過以上試驗數據可以看出，水泥：礦粉：粉煤灰用量比例為180:135:135時對現有膠材性能來說摻配比例較適合，在混凝土配合比試驗室可以以這個摻配比例為基礎進行配合比設計與調整，大大減小了配合比設計時的工作量和配合比設計時間。

結論上述試驗方法不能直接決定摻合料在高強高性能高性能混凝土中的摻量，但是可以大大縮小配合比設計時摻合料用量范圍，不但縮短了時間還大大減少了勞動量。