粉煤灰礦粉混凝土強度形成機理及其雙摻效應研究

崔玉梅

【摘 要】粉煤灰和礦粉用于水泥工業已經得到了廣泛的應用，但同時利用粉煤灰和礦粉來做混凝土的摻合料來研究還處于一個剛剛開始的階段。研究粉煤灰、礦粉作為混凝土的摻和料，并使其能夠在混凝土中充分發揮優勢互補的作用以提高混凝土的各方面基本性，減低生產成本，成為混凝土生產企業重點研究的課題，也是混凝土生產企業適應時代發展，滿足市場競爭急需解決的首要問題。

【關鍵詞】粉煤灰混凝土；礦粉混凝土；生產成本；環境友好；耐久性；雙摻效應

0 引言

隨著現代水泥混凝土技術的發展，即以磨細礦渣粉、粉煤灰等為代表的礦物摻合料已成為除水泥、粗細集料及水外，兩種重要的外摻物。混凝土發展趨勢己成為組分多元化。

1 粉煤灰混凝土強度形成機理

1.1 粉煤灰的主要反應機理

1）粉煤灰的形態效應，粉煤灰的主要礦物組成是海綿狀玻璃體、鋁硅酸鹽玻璃微珠，這些球狀玻璃體表面光滑、粒度細，質地致密，內比表面積小，不僅使水泥漿需水量小，而且它們往往填充在水泥漿體孔隙中，使混凝土密實性大大提高，或者在相同用水量的情況下，可增大流動性，改善和易性和可泵性。

2）粉煤灰的微集料效應，粉煤灰中的微細顆粒均勻分布在水泥顆粒之中，阻止了水泥顆粒的相互粘聚，而處于分散狀態有利于水化反應的進行，同時減少了用水量，硬化后混凝土孔隙率降低，使密實度得以提高。

3）粉煤灰的活性效應，粉煤灰的活性效應也稱火山灰效應，粉煤灰中的活性成份 SiO2和 Al2O3與水泥和石灰的水化產物在水溶液中發生反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，繼而與石膏反應生成水化硫鋁酸鈣。上述這些反應幾乎都是在水泥漿孔隙中進行的，大大降低了混凝土內部的孔隙率，改變了孔結構，提高了混凝土的密實度。

1.2 粉煤灰對混凝土耐久性的影響

1）活性效應：在常溫下，由于粉煤灰的水化反應比水泥慢，被粉煤灰取代的那部分水泥的早期強度得不到補償，所以混凝土早期強度隨粉煤灰摻量的增加而降低。隨著時間的推移，粉煤灰中活性部分 SiO2和 Al2O3與水泥水化生成的Ca（OH）2發生反應，生成大量水化硅酸凝膠。粉煤灰外部的一些水化產物在成長過程中也會象樹根一樣伸入顆粒空隙中，填充空隙，破壞界面區 Ca（OH）2的擇優取向排列，大大改善了界面區，促進了混凝土后期強度的增長。

2）微集料密實填充及顆粒形態效應：均勻分散在混凝土中的粉煤灰顆粒不會大量吸水，不但起著滾珠作用，而且與水泥粒子組成了合理的微級配，減少填充水數量，影響系統的堆積狀態，提高堆積密度，具有減水作用，使新拌混凝土工作性優化，硬化混凝土微結構更加均勻密實。而且，不會發生泌水離析現象，可施工性和抹面性好，抗滲性、抗凍性好。

3）交互作用：水泥、粉煤灰、外加劑等不同粉料間會產生物理、化學的交互作用。例如，水泥水化生成的 Ca（OH）2是粉煤灰的活性激發劑，而被激發了的粉煤灰一旦水解，降低液相堿度，又會進一步促進未水化水泥水化。另外，目前生產的水泥含堿量不斷提高，粉煤灰的使用大大節約水泥熟料，抑制堿骨料反應；水泥中 C3A 含量少，水化產生的熱量少，減少了混凝土構件由于內外溫差過大而引起其表面開裂的危險；粉煤灰水化消耗大量 Ca（OH）2，混凝土不耐蝕成分減少，因而耐化學侵蝕性比普通混凝土強得多。同時徐變、干縮等變形性能也優于普通混凝土

1.3 粉煤灰對混凝土工作性的影響

1）粉煤灰是由大小不等的球狀顆粒的玻璃體組成，表面光滑致密，在混凝土拌合物中能起滾珠作用；

2）新拌混凝土中水泥顆粒易聚集成團，粉煤灰的摻入可有效分散水泥顆粒，釋放更多的漿體來潤滑骨料；

3）能減少用水量，使混凝土的水灰比降到更小水平，減少泌水和離析現象；

4）具有良好的保水性，有利于泵送施工。

2 礦粉混凝土強度形成機理

礦粉用作水泥的混合材或混凝土的摻合料，均能改善或提高混凝土的綜合性能，其作用主要表現在物理化學作用：

1）改善膠材物理級配；

2）對氯離子的物理吸附作用；

3）改善混凝土界面結構；

4）減少水泥初期水化物的相互搭接。

礦渣混凝土水化時能產生較多的C-S-H凝膠，而C-S-H凝膠會吸附一部分氯離子。這種物理吸附能阻止其向混凝土內部滲透。因此礦粉能改善混凝土抗氯離子的滲透滲性能。在混凝土中性能較弱的部分集中在水泥漿體與集料間的界面層，主要是氫氧化鈣含量的問題。減少氫氧化鈣晶體的尺寸，不僅能有利于混凝土力學性能的提高，還有利于耐久性的改善。礦粉在水泥初期水化產物的連接，具有一定減水作用和改善混凝土的經時損失。

礦粉的微集料效應，混凝土做為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。礦物摻合料的細度比水泥顆粒細，在混凝土中起到了更細顆粒的作用。因而可改善混凝土的孔結構，降低了孔隙率并減小了最大孔徑的尺寸，使混凝土形成了密實充填結構和微觀層次的自緊密堆積體系。從而有效地改善并提高了混凝土的綜合性能，礦粉在混凝土水泥漿中的微集料效應，能提高水泥水化產物的均勻性分布，其活性在水泥水化時也能得以充分發揮，從而提高混凝土的后期強度。

3 粉煤灰礦粉雙摻效應

3.1 礦粉-粉煤灰雙摻的復合效應

多數礦物摻合料，摻入混凝土中一般都有微集料效應、形態效應、火山灰效應，界面耦合效應等。但不同的礦物摻和料由于其物理狀態、化學組成不同，摻入混凝土中表現出來的效應，可能是正效應，也可能是負效應。而兩種礦物摻和料復合摻入混凝土中，若物理性能、控制比例適當，則其在混凝土中的復合交互效應，大于單摻效應。

3.2 微集料效應的復合

在混凝土膠凝材料體系中，水泥顆粒粒徑最大，粉煤灰、礦粉粒徑較小，而混凝土是多元復合體系，砂石形成其骨架，水泥顆粒填充在砂石的孔隙中（一級填充）混凝土中摻入粉煤灰、礦粉，則可填充在水泥顆粒形成的孔隙中（二級填充）如果配合比例適當，就有可能形成較好的粉料級配。互相填充，從而減少顆粒間的空隙，減少硬化后混凝土的總孔隙率，提高混凝土的致密性，從而提高混凝土的強度及抗滲性能。

3.3 復合化超疊加效應

混凝土是一種多組分復合材料，各組分性能的疊加效應表現得十分明顯。礦粉、粉煤灰等多組分礦物復合在一起，可以充分發揮各自優勢，其各自的形態效應、微集料效應、火山灰效應相互作用，可以進一步提高混凝土性能。

3.4 密實堆積效應

如前所述，摻加不同粒徑和粒度分布礦物摻合粒，可以提高漿體的密實堆積程度，使得膠凝材料水化加快，混凝土孔隙率降低，微觀結構變得均勻，產生優良的力學性能和耐久性能。

3.5 中心質效應

把不同尺度分散相稱為中心質，把連續相稱為介質。各級中心質和介質之間存在相互的效應，稱為“中心質效應”。混凝土骨料為大中心質，未水化的水泥顆粒和礦物摻合料為次中心質效。混凝土摻加一定細度的礦物摻合料使水泥石的中心質增多，次中心質之間的間距進一步減少，有利的中心質效應增多，中心質網絡骨架得到加強。

3.6 界面結構的提高效應

摻入的礦物摻合料的二次水化反應（火山灰反應）消耗了大量的氫氧化鈣，減少了氫氧化鈣的含量，并干擾氫氧化鈣的結晶，使其氫氧化鈣尺寸減少，富集程度和取向程度下降；火山灰反應增加水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠和水化硫鋁酸鈣（C-A-S-H）凝膠數量，硬化后混凝土界面過濾層孔隙率降低。

4 結束語

總之，礦粉、粉煤灰雙摻可起到優勢互補的作用，充分發揮二者的微集料效應、火山灰效應、界面耦合效應及形態效應，使得混凝土綜合性能得到明顯改善，同時也增強了混凝土的抗碳化、抗氯離子侵蝕等性能。

【參考文獻】

[1]蔣家奮.礦渣微粉在水泥混凝土中應用的概述[J].混凝土與水泥制品，2002.

[2]錢覺時.粉煤灰特性與粉煤灰混凝土[J].北京：科學出版社，2002.

[責任編輯：程龍]