混凝土矿物复合掺合料应用技术规范的探讨*

刘雅琦阮炯正仲崇山，3孙英娇

(1:吉林建筑工程学院城建学院，长春 130111;2:吉林建筑工程学院材料科学与工程学院，长春 130118;3:吉林电力管道工程总公司，长春 130022)

0 引言

目前，人们正在积极探索如何对传统水泥混凝土用胶凝材料进行改性，由于复合掺合料具有诸多优点，促使复合矿物掺合料的应用越来越广泛，要求国家尽快出台关于《混凝土复合矿物掺合料应用技术规范》，对复合矿物掺合料的各项性能指标有一个明确规定，以适应复合矿物掺合料应用技术的发展，为了广大从事混凝土工程的技术人员能更好地了解和掌握混凝土复合掺合料应用技术，科学合理地运用各类复合矿物掺合料.为此，对照目前国内外相关矿物掺合料的标准，探讨混凝土复合矿物掺合料应用技术规范内容和指标，为混凝土复合矿物掺合料应用技术规范制定提供借鉴.

1 矿物掺合料的技术指标

本文以粉煤灰标准为例，介绍美国、英国、日本、加拿大、澳大利亚等国混凝土矿物掺合料各项技术指标[1]，同时与复合矿物掺合料的特性进行分析比较，讨论制定复合矿物掺合料的技术指标(见表1).

表1 混凝土用粉煤灰的技术指标

(1)含水率.规定掺合料中自由水的最大允许限度是很有意义的，由于水分的存在会使掺合料活性降低，因此，各国限制掺合料的最大含水率是合理的;

(2)烧失量.对于粉煤灰而言，烧失量通常代表未燃尽碳的数量，当具有较大比表面积的活性碳含量较高时，会明显影响混凝土的拌合用水量及引气剂用量.但由于复合矿物掺合料可以同时掺入石膏或石灰石等的原材料，这些材料的掺入均会加大烧失量，所以这样再限制复合矿物掺合料烧失量就没有意义了;

(3)SiO2，Al2O3和Fe2O3.对于粉煤灰、矿渣等主要矿物掺合料的活性不仅取决于化学组成，更与相组成有关，当SiO2，Al2O3和Fe2O3等这些组分以非晶态(玻璃)存在时，会表现出良好的活性，即它们与Ca(OH)2的水溶液在常温下发生水化反应生成水硬性晶体.若以结晶体的形式存在，如石英、莫来石和赤铁矿等这些在常温下与Ca(OH)2水溶液基本不发生水化反应的矿物，所以简单规定复合矿物掺合料的化学组成限量也是没有太大意义.笔者曾就铁岭及昆明不同钢厂产的矿渣研究结果为例，铁岭产矿渣质量系数K=1.38(K=(MgO+Al2O3+CaO)%/(SiO2+TiO2+MnO)%)，昆明产矿渣质量系数 K=1.62，经检测，铁岭矿渣活性指数为0.93，昆明矿渣活性指数为0.72.虽然昆明产矿渣质量系数明显大于铁岭的矿渣质量系数，但X射线衍射证明其结晶度高于铁岭矿渣，其活性指数反而低于铁岭矿渣，所以说，矿物掺合料的化学成分是不能单独评定其活性的，还应与其相组成有关;

(4)CaO，MgO.由于复合矿物掺合料可以掺入部分石灰石等，所以复合矿物掺合料中的CaO，MgO可以有三种形式存在，即晶体化合物、玻璃体及碳酸盐的形式.如玻璃态形式中含有较多的钙、镁，其活性通常会得到提高，而且一般不会发生有害膨胀，但如果是以化合物晶体形式存在，则活性会降低.由于石灰石可以提高混凝土的早期强度，改善混凝土的和易性，所以有的复合矿物掺合料可能会掺入部分石灰石，因此复合矿物掺合料不应限制CaO，MgO的含量.

(5)碱和硫酸盐.混凝土可以因含有大量的硫酸盐和碱导致膨胀或开裂，硫酸盐主要形成钙矾石，碱则会在一定活性骨料存在时发生碱——骨料反应.混凝土中由于掺入复合矿物掺合料会使为水泥缓凝用的硫酸盐浓度降低，混凝土中的硫酸盐还具有激发剂作用，所以在复合矿物掺合料中应补充石膏，特别是复合矿物掺合料中含活性Al2O3较多时，则更需要引入硫酸盐，因此，硫酸盐含量的最大限度应适当加大.尽管当混凝土采用的骨料有碱活性组分，但碱会与活性的SiO2，Al2O3反应形成碱铝硅聚合物，降低了有效的碱含量，防止了碱骨料反应的发生，为加速掺有复合矿物掺合料混凝土的凝结和硬化速度，在复合掺合料中适当增加碱和硫酸盐含量是必要的，但也不能加太多，加入过多会引起混凝土的抗风化能力降低.活性高的掺合料可以少用激发剂，活性低的激发剂掺入量多会影响其抗风化能力;

(6)细度.目前，多数人有一个普遍的共识即矿物质掺合料的活性与矿物颗粒的细度成正比.但经试验证明，即使是微小矿物颗粒也仅是很小部分参与了水化反应，如硅灰也仅40%左右水化了，大部分矿物活性掺合料颗粒只是表面层参与水化反应，因此，与其说矿物掺合料代替水泥达到了节省水泥提高了混凝土强度，还不如说不降低水泥石的体积，加强了矿物掺合料的界面强度，提高了混凝土的强度.对复合矿物掺合料而言，更主要的是使掺有水泥后的胶凝材料级配更合理，因此，对于复合矿物掺合料中建议由粗细两种粒径组成，最好粒径能相差1～3倍，要求复合矿物掺合料＜80 μm，并＞45 μm颗粒的占到30% ～40%;＜25 μm颗粒的占到60% ～70%[2]，如澳大利亚、加拿大和美国的规范(＞45 μm颗粒)中最大限度达34% ～50%，也说明允许使用相对粗的粉煤灰，估计也是考虑了矿物掺合料的最主要功能是填充的结果.复合矿物掺合料还有采用比表面积表示细度的，但比表面积检测的方法是采用水泥比表面积测定仪，不是针对复合掺合料设计的，因此不建议采纳;

(7)活性指数.活性指数的测试被认为是评估矿物掺合料强度贡献潜力的有效方法.具有代表性的是波特兰水泥活性指数试验，包括制备参照的波特兰水泥胶浆和由掺合料取代规定比例水泥的试验胶浆.例如:在日本标准里，试验胶浆是粉煤灰等量取代25%的水泥;在英国标准中，试验方法要求等量取代30%;美国标准要求等体积取代35%的水泥(如果粉煤灰的比重在2.2～2.3之间，等量取代25%).目前我国采用的活性指数的检测方法基本与国外相似，具体为粉煤灰等重量取代30%水泥，矿渣等重量取代50%的水泥制备的胶砂试件与基准水泥胶砂试件的标准抗压强度比得到[3].至于复合矿物掺合料活性指数检测方法还没见出台，可能是因为复合矿物掺合料的表观密度变化幅度较大，采用等重量取代水泥检测复合矿物掺合料活性指数的做法不符合实际，为此，建议采用等体积代替水泥测得的复合矿物掺合料活性指数，使复合矿物掺合料的活性具有可比性;

(8)需水量比.需水量对混凝土的强度乃至耐久性都有影响，因此，在许多规范中都有规定，它可以通过基准水泥与掺有一定复合矿物掺合料的水泥胶砂规定流动度需水量的比来描述，注意并不是对复合矿物掺合料需水量做最大限制.但需要了解矿物质掺合料的需水趋势无疑是有必要的，对是否采用减水剂的决定将由用户来决定而不必在规范内明确规定，使用户知道复合矿物掺合料的减水情况，因此在同一流动度下，使用不同水灰比的复合矿物掺合料活性试验来评估复合矿物掺合料潜在的强度贡献成为可能.如果复合矿物掺合料有减水性，至少知道复合矿物掺合料水泥浆强度提高的一部分来自于水灰比的减小;

(9)体积稳定性.由于复合矿物掺合料可掺入的材料很多，难免会掺入部分膨胀的组分，所以，对复合矿物掺合料体积稳定性的检测是有必要的.如:加拿大和美国标准规范中体积稳定性试验规定膨胀最大限度，即:将硅酸盐水泥—复合矿物掺合料胶浆试件置于高温蒸汽条件中，检测试件的膨胀量，这种试验方法最初是用于评估水泥的体积安定的[4];

(10)均匀性指标.复合矿物掺合料的均匀性直接影响复合矿物掺合料的质量，均匀性指标在一批产品中不同的部位取3个试样进行检测，求出3个样品SiO2的含量平均值.

(11)含气量.抗渗功能复合掺合料性能指标，由于抗渗混凝土经常掺有引气剂，但引气剂的掺量很少不容易拌合均匀，为此可在复合掺合料中预先掺入引气剂，制备具有抗渗功能的复合矿物掺合料.当然还可以依据不同的混凝土功能需要，提供抗振、抗裂、抗冻、缓凝等功能的专用复合矿物掺合料，使复合掺合料向多功能性发展，以便同时取得良好的技术、质量、经济效果.因目前国内外对复合掺合料的复杂性均无相关规范，为此建议推荐复合掺合料应用技术规范.

2 推荐复合掺合料应用技术规范

2.1 总则

为了科学合理地生产和应用复合矿物掺合料、改善混凝土性能、提高工程质量、节约资源、降低混凝土成本等规定此规范.

本规范适用于掺用复合矿物掺合料的混凝土和建筑砂浆及混凝土制品.

2.2 术语

复合矿物掺合料:由两种或两种以上的矿物原料加少量外加剂，单独粉磨至规定的细度后再按一定比例复合，或者是两种或两种以上的矿物原料，按一定的比例复合后，混合均匀后再粉磨至规定细度的粉体材料.

2.3 一般规定

(1)掺入复合矿物掺合料的混凝土宜采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥;

(2)配制强度等级为C 60及C 60以上的混凝土宜选复合矿物掺合料活性指数为F 95以上，C 60以下的混凝土可采用其它活性指数的复合矿物掺合料.建筑砂浆宜选活性指数为F 75的复合矿物掺合料.有特殊功能要求的混凝土建议优先选用有特殊功能的复合掺合料;

(3)当采用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥配制混凝土时，总掺加量不应超过复合矿物掺合料在混凝土中取代水泥的最大掺量的限值;

(4)复合矿物掺合料贮存时，严禁与其它杂物混杂，不得受潮，存放超过产品规定的贮存期限时，应重新进行复试，合格后方可使用.

2.4 建议按功能划分复合矿物掺合料技术要求

由于不同功能复合矿物掺合料对混凝土性能影响不同，因此建议按功能划分复合矿物掺合料，其相关技术要求如表2所示.

表2 按功能化分复合矿物掺合料技术要求举例

2.5 复合矿物掺合料的检验与验收

(1)组批.复合矿物掺合料出厂前按同等级进行编号取样，以连续供应的相同等级的复合矿物掺合料200 t为一批，不足200 t者也按一个批次计，每一批为一个取样单位;

(2)取样.①散装取样:取样按GB/T 12573规定进行，可从运输工具或储库中连续抽取有代表的样品.也可在20个以上不同部位等量取样，每份试样总质量至少12 kg，试样混合均匀后，按四分法取出比试样所需量多一倍的试样;②袋装取样:从每个编号中任意抽取10袋，从每袋中分别取样不少于1 kg样品，按①中所说方法取样.

(3)检验.①出厂检验:每一检测批的复合矿物掺合料检测项目需按表2中序号1～8项进行检验;②形式检验:有下列情况之一者必须形式检验.新产品或老产品转场生产的试制定性鉴定;正式生产后，如材料工艺有较大的改变，可能影响产品性能时;正常生产，应一年检验一次;长期停产，恢复生产时;出厂检验结果与上次型试检验有较大差异时;国家质量监督机构提出进行试验要求时;

(4)验收.实验报告:生产单位应按年度向使用单位提供法定检测单位的质量检测报告.根据客户要求，生产单位在产品发出之日起10 d内提出生产合格证.合格证包括出厂检验和各种试验结果.28 d活性指数应在发货后35 d内补报.复合矿物掺合料中加入其他组分的品种和数量应在实验报告中予以说明.

3 结论

经过上述对复合矿物掺合料的应用技术规范的研究与探讨，提出复合矿物掺合料应用技术规范的原则，推荐的规范中在技术要求上有许多不同于以往矿物掺合料的应用技术规范的地方.如:

(1)复合矿物掺合料的按活性划分为3个等级，这样有利于扩大掺合料的来源，使部分活性低的原材料也可以得到应用，如预拌砂浆;

(2)按混凝土功能需要划分复合掺合料以满足不同工程的需要，充分发挥复合掺合料的技术优势，按工程对混凝土功能的需要，对掺合料性质提出相应具体的要求.如抗渗用复合掺合料，抗裂用复合掺合料等;

(3)活性指数检测采用体积法，即检测时用规定体积的复合掺合料代替等体积的水泥，使活性指数检测更具科学合理性;

(4)细度指标上采用分段限制，可充分合理的利用复合掺合料，而不是目前要求越细越好;

(5)烧失量限制的取消可以使复合掺合料的组成更具有包容性，使石膏和石灰石掺入复合掺合料成为可能.

从以上对复合掺合料技术指标建议变更可以看出，部分复合掺合料技术指标已不适应复合掺合料技术的发展，加上各标准部门缺少沟通，造成了使用者无所适从，在一定程度上阻碍了混凝土矿物掺合料应用技术的发展.希望本文对混凝土矿物复合掺合料应用技术规范的探讨能起到抛砖引玉的作用，及时更新规范以适应复合矿物掺合料技术不断发展的需要.

[1]刘 健，徐金余，罗 鑫，白二雷，高志刚.矿物掺合料对碱矿渣粉煤灰胶凝材料改性研究[J].新型建筑材料，2011(10):12－13.

[2]阮炯正.混凝土掺合料应用和生产技术研究[J].建筑技术，2012(1):13－15.

[3]阮炯正，梁 锐，朱会荣，刘丹丹，杨志鹏.混凝土复合掺合料专业化生产技术[J].混凝土，2009(9):83－84.

[4]林育土.矿物掺合料的复合效应及对混凝土性能的影响[J].化工技术与开发，2007(8):18－21.