高性能混凝土用矿物掺合料在公路及应急施工中的应用

刘 健 李海鹏

(武警第一机动总队交通第一支队，北京 102100)

0 引言

随着建筑业的迅猛发展，“节能高效，绿色环保”已是建筑业健康发展的趋势。混凝土的和易性、坍落度、可泵性、密实性与水泥的各种指示有很大关系，水泥中C3A含量过大、碱含量过高等因素，都会影响混凝土质量的稳定性；混凝土施工中掺入矿物掺合料可以减少水泥用量，提高混凝土的强度等级、改善混凝土施工和耐久性能、降低成本。高性能的掺合料在国内外大型工程及高速铁路中得到了广泛应用，阳翼高速公路建设过程中对高性能掺合料的应用进行了相关研究。

1 工程概述

山西阳(城)翼(城)段高速公路全长64.8 km，于2007年10月20日开工建设，2010年10月20日建成通车。阳翼高速公路位于山西省临汾盆地东部，属于构造剥蚀基岩山区，地形起伏大，沟壑纵横，地下水埋深较大，存在大量的煤层及采空区，地质条件复杂。为了提高混凝土施工和易性、确保耐久性、经济性，在大桥、隧道的混凝土施工中掺加了高性能矿物掺合料。

2 矿物掺合料的应用机理

水泥主要成分是熟料，其水化活性与水化程度在普通四组分混凝土(水泥、水、砂、石)中起决定性作用。过分提高粉料磨细度，某种程度上会恶化水泥性能(需水量、收缩增大、初期水化热增高等)。掺加矿物微粉掺合料，作为胶凝材料取代部分水泥，可使混凝土性能得到改善。

矿物掺合料包括磨细矿渣、磨细粉煤灰、磨细天然沸石、硅灰等。在山西省高速公路施工中，磨细矿渣粉和磨细粉煤灰具有材料来源广泛、品质有保障、环保、经济效益好等多方面优势。适当比例的双掺叠加效应是高性能混凝土最佳的选择。

2.1 磨细矿渣粉

磨细矿渣粉是冶炼过程中排出的一种固体硅钙系废弃物，经

超细粉磨，精细分级制造而成，具有一定的细度，掺入混凝土中，形成合理颗粒级配的微粉。磨细矿渣粉技术指标集化学成分见表1，表2。

表2 主要化学成分

2.2 磨细粉煤灰

磨细粉煤灰是煤粉燃烧后的废弃物，系黏土类火山灰质硅铝系材料，经过合理工艺磨细的一种活性掺合料，其技术指标见表3，主要化学成分见表4。

表3 磨细粉煤灰技术要求

表4 主要化学成分

2.3 矿物掺合料使用特点

2.3.1降低混凝土水化热

混凝土在硬化过程中，水泥水化反应产生大量水化热，减少水泥用量降低水化热，减少混凝土裂缝。

2.3.2提高混凝土抗渗性能

掺合料可以产生火山灰效应和微集料效应，火山灰效应吸收水泥水化时形成的Ca(OH)2，使晶粒变小，改善了混凝土的微观结构，使水泥浆体的孔隙明显下降，强化集料界面粘结力。微集料效应可以填充水泥颗粒间隙的微集料，降低了孔隙率，使混凝土形成了密实充填结构，提高混凝土的抗渗性能。

2.3.3磨细矿渣与磨细粉煤灰掺入对混凝土工作性能及力学性能的影响

在水泥水化初期，磨细矿渣粉分布并包裹在水泥颗粒的表面，起到了延缓和减少水泥初期水化物相互搭接的隔离作用，改善混凝土坍落度损失。矿渣粉和磨细粉煤灰复合掺加，改善了新拌和易性和粘聚性，使混凝土后期强度持续得到提高。

2.3.4磨细矿渣粉有效抗腐蚀

磨细矿渣中氧化铝含量高于水泥，其氧化铝组分，最终以C3A方式结合氯离子生成F盐(C3A·Cl(NaK)·10H2O)；水泥中硫酸根含量明显高于矿渣粉，所以普通混凝土结合氯离子受硫酸根的影响，就比掺矿渣粉混凝土大得多；矿渣粉水泥产物碱度低，能增强矿渣粉和氯离子的结合。矿渣粉具有优越的氯离子结合能力，其抗腐蚀的能力比普通混凝土要强。

3 使用磨细矿渣粉、磨细粉煤灰的现实意义

磨细矿渣粉、磨细粉煤灰价格低于水泥，减少减水剂用量，降低成本。混凝土表面致密光洁，观感好。改善因水泥品质波动而对混凝土产生的影响。掺合料可以改善混凝土的耐久性。

掺合料在大体积混凝土施工中减少了温度应力。对低强度等级混凝土，可大幅度降低成本。抗腐蚀、抗渗性能提高，适用于隧道、桩基等工程。高性能混凝土矿物掺合料还可大量使用于水泥基灌浆材料中，改善砂浆的工作性能，使喷锚支护、压力注浆、喷射施工效率更高。

4 使用方法

作为一种胶凝材料组分，矿渣粉等量取代，粉煤灰超量取代部分水泥后，超量部分适当减少原配合比砂率即可。

磨细矿渣粉执行相关国家标准。所生产矿渣粉最高级别28 d强度比可达110，需水量比95，可供C100级以下混凝土使用，

其工艺控制的关键是矿粉的粒度形貌和颗粒级配。

磨细粉煤灰的比表面积可达800 m2/kg，甚至更高，选择性使用粉煤灰与复合少量矿物激发剂， P.Ⅰ，P.Ⅱ型硅酸盐水泥中，最高掺量可达60%，而强度等级不变。

混凝土配合比设计参数见表5。

表5 混凝土配合比设计参数表

5 掺矿物掺合料混凝土的工程应用注意事项

5.1 混凝土的制备与运送

制备混凝土时，宜采用强制式搅拌机，并适当延长搅拌时间。各种矿物掺合料的计量应按重量计，每盘计量允许偏差不应超过±2%。混凝土运送到浇筑点时，不离析，保证施工要求的工作性和均匀性。

5.2 混凝土的浇筑与成型

凝土浇筑时，实测坍落度与要求坍落度之间的允许偏差应符合要求。混凝土浇筑应分层连续进行，其运输、浇筑及间歇的全部时间不应超过混凝土的初凝时间。混凝土初凝后，不得受到二次振动。混凝土浇筑后应立即进行振捣，并应避免漏振或过振。振捣后混凝土表面不应出现明显的掺合料浮浆层。

5.3 混凝土的养护

混凝土浇筑后，应及时覆盖混凝土表面；在高温季节、大风、日照较强等环境中或采用水胶比小于0.40的混凝土施工时应立即覆盖混凝土表面，并进行保湿养护。养护时间不宜少于7 d；当有补偿收缩或缓凝要求的混凝土保湿养护时间不宜少于14 d；当气温较低或在干燥环境下应适当延长养护时间。蒸养时升、降温速度宜小于20 ℃/h，恒温温度不宜超过60 ℃。当室外日平均气温连续5 d低于5 ℃时，混凝土结构工程应采取防冻措施。

6 应用效果及在道路抢险抢通中的探讨

阳翼高速公路横穿崇山峻岭，桥梁、隧道等控制性工程占到整个道路长度的40%，混凝土用量多，在实践中广泛应用高性能混凝土用矿物掺合料，改善了混凝土的性能、节约了造价，还起到节能降耗、美化环境的效果。在进行道路大体积永久结构混凝土抢险抢通施工中，大体积的混凝土快速施工可能会产生大量水化热，造成施工质量隐患。这种情况下可以考虑掺加部分高性能的矿物掺合料，降低大体积混凝土施工的水化热，在保证增强结构耐久性的同时，明显改善施工的工作性能。