粉煤灰復合礦粉對混凝土技術性質的影響研究

【摘 要】純水泥混凝土耐久性較差；在混凝土中復合摻加兩種混合材料，使兩種混合材料互相取長補短，摻入混凝土后，混凝土拌合物的和易性更好，硬化混凝土的結構更加密實，早期強度和后期強度都得到提高，表明混凝土耐久性的各項性能均有顯著改善。

【關鍵詞】粉煤灰；礦渣粉；復合；混凝土

1.概述

混凝土是目前世界上使用量最大的人造材料。近一個世紀以來，混凝土結構設計人員對材料的強度特性非常重視，但沒有認識到材料耐久性的重要性。由于材料耐久性不足而破壞引起的結構修理和更換費用大幅度上升，迫使結構工程師考慮材料耐久性。所以研究提高混凝土耐久性具有十分重要的技術經濟意義。

2.影響混凝土耐久性的原因

2.1混凝土中存在化學不穩定性物質

混凝土的內部結構存在較多數量的化學不穩定性物質，如氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等，它們在腐蝕環境中會產生溶出性腐蝕、離子交換腐蝕或膨脹性腐蝕，從而使硬化混凝土的基本力學性能和耐久性降低。

2.2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，這些多余的水會在混凝土中形成水泡，蒸發后形成毛細孔。由于孔隙的存在，水泥石中的一些組分可以溶出并向外擴散，產生溶蝕。同時，環境中的一些有害組分也容易進入水泥石，使水泥石受到腐蝕。

2.3混凝土中粗骨料周圍存在明顯的過渡區

在混凝土中粗骨料周圍一定范圍內的區域，其結構與性能不同于硬化水泥石本體。在骨料周圍界面處有一層大約10～20μm的多孔隙層即過渡區。由于泌水作用，水和Ca（OH）2會向這一區域富集，使得這一區域水泥漿的實際W/C大于本體中的W/C，Ca（OH）2六角板狀晶體呈層狀排列，導致這一區域水泥石的結構比較疏松。

上述各種缺陷的存在，導致混凝土的耐久性較差。

3.粉煤灰復合礦粉的化學組成及其作用機理

將粉煤灰和礦渣粉按3∶1比例混合均勻即成復合礦粉。粉煤灰、礦渣粉以及粉煤灰復合礦粉的化學組成見表1。

由于粉煤灰中含有大量玻璃體球形顆粒，內部結構致密，幾乎沒有裂隙，與其它多孔結構的活性混合材料相比，內比表面積較小，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，這對減小混凝土內外溫差，保證高性能混凝土的體積穩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，又能與水泥和細砂共同發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，消耗大量的易被腐蝕的Ca（OH）2，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，我們在粉煤灰中復合活性較高的礦渣粉。

粉煤灰復合礦渣粉后，提高了火山灰活性效應，增加了體系中微粒間的化學交互、誘導激發作用，因此提高了粉體的化學活性，其活性效應可從表2的混凝土各齡期強度發展情況得到明顯體現。

4.粉煤灰復合礦粉對混凝土技術性質的影響

試驗采用對比的方法，即在混凝土中分別摻加粉煤灰、礦渣粉及粉煤灰復合礦粉各50%，標準養護到一定齡期后分別進行抗壓強度、抗滲性、抗化學腐蝕性以及抗凍融性試驗。

配制混凝土所用原材料：（1）大宇水泥 P·O42.5R，28天抗壓強度47.6MPa；（2）大沽河砂，細度模數μf=2.85，含泥量1.4%；（3）花崗巖碎石，最大粒徑DM=25mm，含泥量0.26%；（4）自來水；（5）CM-1高性能減水劑，摻量2.0%，引氣量約4.5%，減水率約25%；（6）粉煤灰、礦渣粉及復合礦粉的化學組成及細度見表1。

4.1混凝土配合比及其流動性和抗壓強度試驗結果見表2。

從表2的試驗結果可以看出，摻加復合礦粉的混凝土拌合物的流動性要比單摻粉煤灰或單摻礦渣粉的混凝土拌合物的流動性大，28天抗壓強度分別提高22%和5%，60天抗壓強度分別提高31%和11%；與純水泥混凝土（序號0）相比，只是單摻粉煤灰的混凝土的28天強度稍低，但到60天時均超過純水泥混凝土的強度，說明礦物質摻合料的潛在化學活性隨著齡期的延長逐漸得到發揮，并且強度增長速度要比純水泥混凝土快得多。

4.2混凝土的抗滲性、抗凍融性以及耐化學腐蝕性的試驗結果見表3。

混凝土的抗滲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準養護28天的棱柱體試件（100×100×400mm）進行快速凍融，300次凍融循環后分別測定其相對動彈性模量，然后計算其耐久性系數DF；混凝土的耐化學腐蝕性采用模擬腐蝕介質浸泡法，腐蝕介質的化學成分為：Mg2+3500mg/L，SO42-6550mg/L，Cl-6150mg/L，NH4+600mg/L，將標準養護28天的立方體試件分別浸泡于20℃±2℃的淡水和腐蝕介質中180天，然后分別測定抗壓強度，計算耐腐蝕系數。

綜合表2和表3的試驗結果可以看出，純水泥混凝土抗滲能力較低，耐化學介質腐蝕的能力也較差；在混凝土中復合摻加兩種混合材料，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，產生單一混合材料不能有的優良效果。粉煤灰和礦渣復合摻入混凝土后，混凝土拌合物的和易性更好，硬化混凝土的結構更加密實，早期強度和后期 強度都得到提高，表明混凝土耐久性的各項指標諸如抗滲性，抗凍融性以及耐化學腐蝕性等性能均有顯著改善。

5.結語

（1）在粉煤灰中復合25%礦渣粉后，能有效提高粉煤灰的活性，使混凝土的早期和后期強度均有明顯提高，并且適合于澆筑大體積混凝土。

（2）復合摻加礦粉比單摻粉煤灰或礦渣粉，對混凝土的和易性、強度和耐久性有更優越的效果，并且可以降低水泥用量高達50%，其技術經濟效果是非常顯著的。