提高混凝土性能的方法浅析

2011-02-17张文恩吴川市建筑安装工程公司广东吴川524500

中国科技信息 2011年8期

关键词：氢氧化钙水泥浆水化

张文恩吴川市建筑安装工程公司，广东吴川 524500

提高混凝土性能的方法浅析

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混凝土的结构比较复杂，通常可视为由骨料相、水泥浆基体、界面相所组成。其中界面过渡区尤为复杂，各种说法不一，本文针对混凝土界面过渡区，论述改善和提高混凝土性能的一些方法。

界面过渡区；混凝土性能；水泥浆基体

从材料科学的观点，任何一种材料特殊性能的获得或改进，实际上都要通过其微观结构的改变来实现，即材料的宏观性能取决于微观结构。从宏观上看，混凝土是骨料颗粒分布在水泥浆基体中所形成的复合材料。从微观上看，则显示出混凝土内部结构的复杂性，对微观结构的研究表明，在贴近大颗粒骨料表面的硬化水泥浆体结构，与系统中水泥浆或砂浆的结构非常不同。在应力作用下混凝土许多性能，与水泥浆－骨料界面结构的特性关系极大。因此，混凝土内部结构存在第三相，即界面过渡区相。

界面过渡区的形成是由于混凝土浇筑时产生泌水，沿粗骨料周围形成水膜，骨料底面的水膜更厚。因此，在贴近大骨料处比远离大骨料的基体中所形成的水灰比要高得多，水膜中即使有水泥颗粒也是极少量的。当基体中水泥颗粒溶解时，绝大部分迁移性离子，如钙离子、氢氧根、硫酸根和铝酸盐离子等首先扩散于水膜中，并结合形成氢氧化钙和钙矾石。由于水膜中的高水灰比，在水膜中晶体生长不受限制，形成的晶体很大，板状的氢氧化钙晶体会导致形成取向层，结构疏松，孔隙很多，强度极差，极易产生微裂缝。这也是混凝土过渡区中强度差的主要原因。界面过渡区犹如一根链条中最弱的一环，成为混凝土中的强度极限相，是最容易开裂、水最易渗透和最易受侵蚀的区域。

改善混凝土界面区的组成、结构与性能是改善和提高混凝土性能的重要途径。目前改善界面区微观结构的方法主要有：（1）掺入具有火山灰活性的粉体掺和料进行改性，如硅粉、粉煤灰、沸石粉和矿渣微粉等；（2）加入纤维材料进行改性，如钢纤维、碳纤维和聚合物纤维等；（3）加入聚合物溶液进行改性，特别是水溶性聚合物；（4）掺入粉末矿物与纤维或聚合物等多种材料进行复合改性。其中粉体掺和料是最常用的。

一、活性粉体掺和料

该掺和料具有火山灰活性，主要成分为二氧化硅及氧化铝。它本身不具有或具有极低的胶凝特性，但在有水条件下，能与混凝土中的游离氢氧化钙反应，生成胶凝性水化物，并能在空气或水中硬化。

1、硅粉

硅粉亦称硅灰，是硅铁和硅金属生产中的工业尘埃，它是在冶炼硅、铁合金时由电弧炉中高纯度石英与焦炭发生还原反应而生成的。它是一种非常细的粉末，呈球状，主要成分是颗粒极细（0.1μm～0.2μm）的无定型的二氧化硅（占90%以上）。它的平均粒径是水泥的1%，比表面积约15m2/g～20m2/g。因此，硅粉在混凝土中具有极为优良的微集料效应、火山灰活性效应和改善界面过渡区效应。使混凝土中的毛细孔和凝胶孔的孔结构更加密实、更加细化、大孔消失、孔隙率减少。硅粉能大量减少内部泌水，硅粉颗粒密实堆积在骨料表面，从而消除水膜“墙壁”隔断的影响。防止了氢氧化钙大晶体的取向生长，界面过渡区内的氢氧化钙、钙矾石和孔隙数量均大量减少，内部结构主要组成是密实的硅酸钙水化物凝胶，界面过渡区内的结构与基体的密实度近于相同，保证了骨料与基体之间的有效黏结，对混凝土物理性能、力学性能和耐久性都可得到很大的改善和提高。

2、粉煤灰

粉煤灰是在现代化电厂的煤粉燃烧过程中，当煤通过炉膛高温区时，挥发性物质和碳被烧尽，而绝大部分的矿物杂质如黏土、石英和长石等则会在高温下熔融。这种熔融物质很快被送到温度较低的地方，固化成球状颗粒的玻璃体，最后用电收尘器收集起来。其化学成分因煤的品种及燃烧条件而异。一般来说，粉煤灰中二氧化硅含量约为45%～60%，氧化铝含量为20%～30%，氧化铁含量为5%～10%。

粉煤灰由于颗粒粒径微小，绝大多数为球形玻璃体，表面光滑微孔较小，可使混凝土用水量减少5%～15%，并具有优良的形态效应、活性效应和微集料效应，使混凝土中毛细孔明显“细化”，尤其使界面过渡区得到显著改善，粉煤灰细粒与界面过渡区中疏松、易溶于水的氢氧化钙晶体发生化学反应生成结构密实稳定的水化物，增加了界面过渡区的密实度，从而使混凝土抗裂性、抗渗性及抗侵蚀耐久性得到改善。

3、沸石粉

沸石粉简称F矿粉，是一种由天然沸石磨细而成的火山灰质矿物掺和料。其主要化学成分为二氧化硅及氧化铝，其中活性硅及活性铝的含量应不低于10%及8%。

掺入沸石粉减少混凝土拌和物的泌水性，其含有的活性硅及活性铝能参与胶凝材料的水化凝结过程，且能与氢氧化钙晶体反应生成水化硅酸钙及水化铝酸钙凝胶，进一步促进水泥的水化反应，增加其水化产物，改善界面过渡区的结构，提高了混凝土的密实度，使混凝土的强度和抗渗性也得到提高。

4、矿渣微粉

矿渣微粉是将炼铁高炉排出的水淬矿渣外加少量助磨剂，经超细粉磨后而得到的一种粉末状产品。其主要化学成分为二氧化硅、氧化铝和氧化钙（总含量约达90%），具有超高活性，将其作为掺和料加入水泥混凝土中，这些活性的二氧化硅、氧化铝既可与水泥中水化产生的氢氧化钙反应，进一步形成水化硅酸钙产物，填充于水泥混凝土的孔隙中，大幅度提高水泥混凝土的致密度，同时将强度较低的氢氧化钙晶体转化成了强度较高的水化硅酸钙凝胶，从而使混凝土的一系列性能得到显著改善。

二、纤维材料

混凝土是一种脆性比较大的材料，通过掺入能吸收断裂能量的材料取得防裂效果，是对混凝土材料进行改性的一个重要方法。应力在多组分的混凝土中分布是不均匀的，尤其在界面过渡区处更为严重。混凝土中含有许多微裂缝，在应力作用下这些微裂缝会迅速扩展，将大大降低抗拉性能。混凝土中掺入纤维材料是在裂缝形成之后立即保持一个横跨缝口的拉力，起到限制裂缝的微钢筋的作用，可提高混凝土的抗裂性，减少较宽裂缝的发生。

混凝土的塑性开裂主要发生在混凝土硬化前，特别是在混凝土浇筑后4～5小时内，此阶段由于水分的蒸发和转移，混凝土内部的抗拉应变能力低于塑性收缩产生的应变，因而引起混凝土内部塑性裂缝。掺入纤维材料后，由于其分布均匀，起到类似筛网的作用，减缓了由于粗骨料的快速失水所产生的裂缝，延缓了第一条塑性收缩裂缝出现的时间。同时，在混凝土开裂后，纤维的抗拉作用阻止了裂缝的进一步发展，从而能较大幅度提高混凝土的抗渗性和抗裂性。

三、聚合物溶液

一般为有机乳液，颗粒较小，粒径小于1μm，不到水泥颗粒的1/10，有利于集料表面的紧密堆积。此外，乳液均匀分布于水相中，随着水分减少而渐渐靠近，最后相互扩散而成为薄膜，因此，水分多的地方，聚合物颗粒也多，所以聚合物会在集料表面富集，聚合物本身具有良好的变形能力，使其能够在界面过渡区形成良好的、具有高度抗渗性的薄膜，从而提高了混凝土的抗渗性和耐久性。