复合矿物质掺合料在混凝土中的效应研究

王强 吴健 迟培云

[摘 要] 本文论述了混凝土的内部结构及其对技术性质的影响因素，分析了在粉煤灰中复合磨细矿渣粉对混凝土拌合物和易性、硬化混凝土力学性能和耐久性的效应，试验表明粉煤灰复合矿粉后对混凝土的各项技术性质均有显著的益化效应。

[关键词] 粉煤灰复合磨细矿渣粉激发效应

1.概述

混凝土是世界上使用量最大的人造材料。随着混凝土技术的不断发展，粉煤灰等矿物质掺合料已逐步发展成为混凝土的基本组份。1982年在英国利兹召开了“粉煤灰在混凝土中应用”第一届学术讨论会，会议对粉煤灰在混凝土中的作用做了新的评价，认为它是一种具有独特性能的新材料，可以在结构混凝土中加以应用。我国对粉煤灰混凝土的应用技术也进行了许多年的研究和开发，并获得了相当大的技术经济效益和社会效益。但是，大多数研究人员都把主要精力集中在研究粉煤灰混凝土的宏观力学性能上，对其对混凝土内部结构的形成效应的研究甚少或很不系统。所以有必要开展各组成材料尤其是矿物质掺合料在混凝土内部结构形成过程中的效应研究，以便更好地掌握混凝土的配制技术，服务于工程。

2.混凝土的内部结构及其对技术性质的影响因素

混凝土是一种复杂的非匀质性材料，其硬化体至少包含粗、细骨料，未水化的水泥内核，氢氧化钙及其他结晶颗粒，水泥凝胶，凝胶孔隙，毛细管，孔隙水及气泡等组成。影响混凝土强度的因素也是非常复杂的，要配制出技术性能优良的混凝土，首先必须研究影响混凝土内部结构和性能形成的主要因素及其规律。

2.1混凝土内部固有缺陷的产生机理

（1）混凝土内部界面裂缝的形成

混凝土在硬化过程中，由于水泥水化产生的化学收缩和环境干燥等原因产生的物理收缩引起砂浆体积的变化，在粗骨料与砂浆界面上产生了分布极不均匀的拉应力，并且粗骨料的粒径越大，拉应力也越大。拉应力足以破坏粗骨料与砂浆的界面，形成许多分布不均匀的界面裂缝。

（2）普通混凝土中存在大量宏观孔隙

在混凝土拌合时，为了保证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，这些多余的水在混凝土凝结而形成初始结构时仍留在混凝土中，并占据一定的空间。随着水化的进行及以后的干燥过程，水分失去，原来被水占据的空间则成为孔隙。

另外，混凝土成型后会产生泌水现象，由于上升的水分被粗骨料颗粒所阻止，从而水分聚积于粗骨料的下缘形成水隙，混凝土硬化后就成为界面裂缝。

（3）普通混凝土中粗骨料周围存在明显的过渡区

在普通混凝土中粗骨料界面一定范围内的区域，其结构与性能不同于硬化水泥石本体。在粗骨料界面处有一层1~3μm的接触层，在接触层外有一层大约5~10μm的多孔隙层即过渡区。由于泌水作用，水会向这一区域富集，使得这一区域水泥浆的实际W/C大于本体中的W/C，导致这一区域水泥石的结构比较疏松；由于Ca(OH)2晶体z轴垂直骨料的表面而取向外生，在水泥石与骨料之间形成了一个Ca(OH)2晶体定向排列的结构层，加剧了过渡区的结构疏松。

2.2混凝土受力破坏特征

混凝土受外力作用时，在其内部产生拉应力，该拉应力在几何形状为楔形的微裂缝尖端形成应力集中，随着拉应力的逐渐增大，导致微裂缝的进一步延伸、汇合、扩大，最终造成混凝土破坏。从破坏试件的断面可以看到，破坏主要出现在水泥浆基体中以及水泥浆基体与粗骨料的界面上，随着混凝土强度的提高(尤其是高强混凝土)，破坏也会出现在粗骨料中。所以，混凝土的强度主要取决于水泥浆基体强度、基体与骨料间的黏结强度以及骨料的颗料强度。

3.粉煤灰及其复合矿渣粉的化学组成和作用机理

磨细粉煤灰、磨细矿渣粉的化学组成分别见表1和表2。

由于粉煤灰中含有大量玻璃体球形颗粒，内部结构致密，几乎没有裂缝，与其它多孔结构的活性混合材料相比，内比表面积较小，吸附水的能力较小，因而使混凝土的干缩小，抗裂性较高。另外，粉煤灰能有效降低水泥的水化热已被大家所公认，这对减小混凝土内外温差，保证高性能混凝土的体积稳定性具有非常重要的作用。

在新拌混凝土中，粉煤灰微珠既有独特的“滚珠轴承”和 “解絮”形为，又能与水泥和细砂共同发挥混凝土颗粒级配中的微集料充填作用，其充填的特点是活性充填，即粉煤灰活性颗粒的水化反应，使粉煤灰颗粒与水泥浆体的界面胶合，并对水泥浆体和骨料的界面起致密作用。粉煤灰的致密作用减少了混凝土中的孔隙体积和较粗的孔隙，特别是填充了浆体中的毛细孔通道，从而能显著延缓CO2、Cl-、水及氧等在混凝土中的扩散。这对混凝土的耐久性非常重要。

但是，由于粉煤灰的化学活性相对较低，在掺量较高的情况下，对混凝土的早期強度影响较大。为了弥补粉煤灰的这一缺陷，我们在粉煤灰中复合活性较高的磨细矿渣粉。

粉煤灰复合磨细矿渣粉后，提高了火山灰活性效应，增加了体系中微粒间的化学交互、诱导激发作用，因此提高了粉体的化学活性。另外，磨细矿粉中含有较多的超细颗粒，其颗粒粒径多数小于10μm，化学活性显著提高，水化性能大幅度增强，与一般细度的矿渣粉相比，在混凝土用水量相同的情况下，混凝土拌合物所获得的流动性更大，泌水性明显下降。在同掺高效减水剂后，超细的粉煤灰和矿渣粉粒会强烈地吸附高效减水剂并形成双电层，从而促进超细粉粒子填充水泥浆体，把水泥粒子进一步分散开，对混凝土拌合物的流动性产生协同效应。这对水灰比相对较低的高强高性能混凝土能比较容易地获得大流动性具有相当可贵的作用。

4.粉煤灰复合磨细矿渣粉对混凝土技术性质的影响

4.1混凝土拌合物的和易性和强度

试验采用对比的方法，以基准混凝土配合比为基础(序号0)，对比混凝土(序号1)，按等和易性、等强度原则，掺加CM-H高效减水剂（Mх1.2%），同时减少用水量24%，用超量取代法掺加粉煤灰，粉煤灰掺量为40%，超量系数取1.5，粉煤灰超量部分等体积取代砂子，来进行配合比计算；对比混凝土(序号2)在序号1的基础上，取代1/4粉煤灰，等量掺加矿渣粉。检测混凝土拌合物的和易性，制作试件并标准养护到一定龄期后分别进行抗压强度、抗渗性、孔结构以及抗冻融性试验。

配制混凝土所用原材料：(1)山水水泥 P·O42.5，28天抗压强度47.2MPa；(2)大沽河砂，细度模数μf=2.52，含泥量1.2%；(3)花岗岩碎石，最大粒径DM=20mm，含泥量0.27%；(4)自来水；(5)CM-H高效减水剂，掺量1.2%，减水率24%；(6)磨细粉煤灰、磨细矿渣粉的化学组成及细度分别见表1和表2。

混凝土配合比及其流动性和抗压强度试验结果见表3。

从表3的试验结果可以看出，（序号1）掺加粉煤灰复合高效减水剂的混凝土拌合物的流动性要比基准混凝土拌合物的流动性增大约14%，说明了粉煤灰微珠在新拌混凝土中的“形态效应”和 “解絮”形为，提高了混凝土拌合物流动性；对于强度，尽管7天和28天的抗压强度都比基准混凝土的要低，但60天抗压强度却提高了约3%，也说明粉煤灰的火山灰活性效应是逐步发挥的，并且增强作用随时间延长越来越大。（序号2）粉煤灰复合25%矿渣粉再复合高效减水剂的混凝土拌合物和易性比（序号1）的更好，其28天和60天抗压强度分别提高12%和9%。说明混凝土拌合物中不仅有粉煤灰微珠的“形态效应”和 “解絮”形为，复合磨细矿渣粉后，更增加了体系中微粒间的化学交互、诱导激发作用，同时，掺合料中的超细粉粒会强烈地吸附高效减水剂并形成双电层，从而促进超细粉粒子填充水泥浆体，把水泥粒子进一步分散开，对混凝土拌合物的流动性产生协同效应，对硬化混凝土起到细化毛细孔、增加密实度和提高强度的作用。

4.2混凝土的孔結构

在目前的技术条件下，无论采用何种成型工艺，硬化混凝土内部孔隙是必然存在的，其结构与混凝土的各项物理力学性能和耐久性有密切的关系。

我们采用压汞试验分别测定了基准混凝土（序号0）和掺加复合矿粉混凝土（序号2）的孔结构，绘制了两种混凝土内部的孔径分布曲线，如图1所示。

图1基准混凝土和掺加复合矿粉混凝土内的孔径分布曲线

从混凝土内部的孔径分布曲线可以看出，基准混凝土中大孔含量比较多，其最可几孔径分别为53.8?、170.1?和915.2?，相关资料显示：孔径53.8?为少害孔，170.1?为有害孔，915.2?为多害孔；而对比混凝土（序号2）的最可几孔径只有7.7?，属无害孔。这充分显示了复合矿粉中的“微集料填充效应”以及其他行为对混凝土内部结构和水泥水化产物的显著益化作用。

4.3混凝土的抗渗性、抗冻性和耐化学腐蚀性

混凝土的抗渗性采用逐渐施加水压法，即每8小时增加水压0.2MPa，一致增加到3.0MPa，然后劈开试件测定其平均渗透深度；混凝土的抗冻融性采用标准养护28天的棱柱体试件(100×100×400mm)进行快速冻融，300次冻融循环后分别测定其相对动弹性模量，然后计算其耐久性系数DF；混凝土的耐化学腐蚀性采用模拟腐蚀介质浸泡法。腐蚀介质的化学成分为：Mg2+3000mg/L，SO42-6000mg/L，Cl-6000mg/L，NH4+300mg/L，PH≤4.0。将标准养护28天的立方体试件分别浸泡于20℃±2℃的淡水和腐蚀介质中180天，然后分别测定抗压强度，计算耐腐蚀系数。

综合表3、表4和图1的试验结果可以看出，在混凝土中复合掺加两种磨细混合材料，不只是两种混合材料的简单混合，而是有意识地使两种混合材料互相取长补短，相得益彰，产生单一混合材料不能有的优良效果。磨细粉煤灰和磨细矿渣复合掺入混凝土后，混凝土拌合物的和易性更好，硬化混凝土的结构更加密实，早期强度和后期强度都得到提高，孔隙结构明显细化，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项指标诸如抗渗性，抗冻融性以及耐化学腐蚀性等性能均有显著提高。

5.结语

在粉煤灰中复合少量磨细矿渣粉以后掺入混凝土可获得如下效果：

（1）混凝土的早期强度与基准混凝土相当，而后期强度（28天以后）均有明显提高；

（2）混凝土拌合物的和易性与纯掺粉煤灰相比有较大改善，含气量有所提高；

（3）混凝土的孔隙率显著减小，最可几孔径向无害孔方向发展；

（4）代表耐久性指标的抗渗性、抗冻性和耐化学腐蚀性等有更大的提高。

综合上述，在粉煤灰中复合少量磨细矿渣粉，增加了体系中微粒间的化学交互、协调和诱导激发作用，对混凝土的各项技术性质均有明显的益化效应，是混凝土改性的一条有效途径。

作者简介：

王强(1979.06)，男(汉族)，青岛人，工程师，从事市政工程监理工作。