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摘要本文首先介绍了粉煤灰、磨细矿渣和硅灰三种常见矿物外加剂的组成及特性,紧接着简述了高性能混凝土的性能特点,最后重点讨论了各种矿物外加剂对高性能混凝土性能的影响。
关键词矿物外加剂 高性能混凝土 性能特点
中图分类号:TU528文献标识码:A
在配制高性能混凝土时参入较大量的矿物外加剂可降低温度、改善工作性、增进后期强度、并可以改善混凝土的内部结构,提高抗腐蚀能力,是高性能混凝土不可缺少的组分。
1 矿物外加剂
混凝土矿物外加剂是指以氧化硅、氧化铝和其他有效矿物为主要成分,在混凝土中可以代替部分水泥、改善混凝土综合性能,且掺量一般不小于5%的具有火山灰活性或潜在水硬性的粉体材料。
常用的矿物外加剂品种有粉煤灰、磨细矿渣、硅灰和磨细沸石粉等,国内也习惯上称其为掺合料。
1.1 粉煤灰
粉煤灰也叫飞灰,是由燃煤电厂烟囱收集的灰尘。一般来说,粉煤灰比水泥还细,含有大量的球状玻璃珠(中空或实心的)以及少量的莫来石、石英等结晶物质。原状灰的细度和电厂制煤系统及收尘装置有关,含碳量与锅炉性质及燃烧技术有关。粉煤灰的需水量与其组成有关,用于高性能混凝土的粉煤灰需水量之比应小于1,含碳量最好小于3%。
1.2 磨细矿渣
矿渣是在炼铁炉中浮于铁水表面的溶渣,排出时用水急冷,得到的水淬矿渣,生产矿渣水泥和磨细矿渣外加剂都是用的这种粒状渣。
矿渣磨成磨细矿渣,取代混凝土中部分水泥后,流动性提高、泌水量降低、缓凝、早期强度可与硅酸盐水泥混凝土强度相当、后期强度高及耐久性好。近年来由于高性能混凝土的开发研究,磨细矿渣外加剂得到了广泛的应用。
1.3 硅灰
硅灰是在冶炼硅铁合金和工业硅时产生的SiO2和Si气体与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而形成的一种超细硅质粉体材料。由于硅灰的比表面积大,参入硅灰后,混凝土的用水量增大,需改变高效减水剂的掺量来调节混凝土的用水量。由于硅灰的价格较贵,考虑到混凝土的成本,一般只有在C80级以上的混凝土中才掺入适量的硅灰。硅灰能够填充水泥颗粒间的孔隙,同时与水化产物生成凝胶体,与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体。
2 高性能混凝土
20世纪90年代初期,随着高强混凝土的应用不断广泛,人们发现,高强混凝土也不过是混凝土而已,而且高强度也带来了很多缺陷,如高水化热、脆性高更易开裂等。因此,在实际应用中重点逐渐由抗压强度高转移到其他性质方面,如高弹性模量、高密度、高抗渗性、高抗冻性、及抵抗其他各种环境侵蚀的能力等,这样就提出了“高性能混凝土”这样一个含义更广泛的概念。区别于传统混凝土,高性能混凝土把混凝土结构的耐久性作为首要的技术指标,目的在于通过对混凝土材料硬化前后各种性能的改善,提高混凝土结构的耐久性和可靠性。
3 矿物外加剂对高性能混凝土性能的影响
混凝土矿物外加剂的应用,正如水泥生产中应用混合材料一样,在早期可以说主要是为了节约水泥。因此,在名称上有“掺和料”、“掺合料”、“细掺料”等。随着研究和应用的不断深人,人们发现混凝土矿物外加剂不仅能节约水泥,更重要的是能改善混凝土的综合性能,从现代混凝土技术的发展来说,矿物外加剂已成为高性能混凝土不可缺少的重要组分。在配制高性能混凝土时参入大量的矿物外加剂可降低温度、改善工作性、增进后期强度、并可以改善混凝土的内部结构,提高抗腐蚀能力,尤其是矿物外加剂抑制混凝土碱—集料反应的作用已引起了研究人员的关注。矿物外加剂在高性能混凝土中的作用主要有如下几部分:
3.1 改善新拌混凝土的和易性和工作性能
大部分矿物外加剂具有比水泥更细的颗粒,能填充水泥颗粒间的孔隙,比表面积大,吸附能力强,因而能有效改善新拌混凝土的粘聚性和保水性。其中矿粉、沸石粉和磨细石灰石粉在掺量适当时,还能提高混凝土的流动性;粉煤灰中由于含有部分玻璃微珠,细度和掺量适当时也能提高混凝土的流动性;硅灰的需水量大,但掺量不超过5%时,对混凝土的流动性基本没影响,而能够有效地降低混凝土的粘性和内聚力,从而改善混凝土的可泵性、振捣密实性及抹平性能。
3.2 降低混凝土水化温升
混凝土内部的大小取决于水泥用量、水胶比、构件尺寸、集料的种类和用量等。为了使很低水胶比的混凝土有足够的流动性,就要用较多的水泥,则会产生较大的温升。参入矿物细掺料后,由于水泥熟料的相对减少,水泥水化总热量就会减少,从而可降低混凝土的温升,对大体积混凝土的温度裂缝控制十分有利。但是,参入硅灰并不降低温升,反而温升稍有提前,这是由于超细的硅灰微粉在混凝土中反应很快造成的。磨细的矿渣的比表面积过大时也会有这样的效果,这一点应引起注意。对于需严格控制温升而又有强度要求的工程,可将硅灰、磨细矿渣等较高活性的细掺料同粉煤灰、磨细石灰石粉、磨细石英砂粉等复合使用。(下转第74页)(上接第70页)
3.3 调整实际构件中混凝土的强度发展
掺入不同的矿物外加剂对混凝土的强度会有不同的影响。在相同的水灰比下,硅灰能有效提高混凝土的早期强度;经超细磨的微矿粉也能提高混凝土的早期强度;而粉煤灰、沸石粉等会使混凝土的早期强度略有下降,而后期强度却均有较大的持续增长。因需水量小还可以降低水灰比,所以在达到相同坍落度的情况下,混凝土的早期强度实际上也不会降低。
3.4 提高抗腐蚀能力,增强混凝土耐久性
由于矿物外加剂的细骨料填充效应和后期水化作用,一方面能改善混凝土的孔结构,使孔结构细化,均匀性增加、密实度提高,从而提高抗腐蚀能力。另一方面,由于矿物外加剂改变了水泥的部分水化产物和结构,如氢氧化钙晶体量减少,而水化硅酸钙等凝胶体增加,从而提高混凝土的抗腐蚀能力。再者,偏高岭土、硅灰、沸石粉等对钾、钠和氯离子具有极强的吸附能力,从而有效抑制混凝土的碱—骨料反应和提高对钢筋的保护作用。因此,掺入矿物外加剂可提高混凝土的耐久性。
3.5 提高混凝土的抗裂性能
有大量试验研究表明,粉煤灰、矿粉和沸石粉能减小混凝土的早期收缩,提高混凝土的抗裂性能。
4 结束语
矿物外加剂属于新型生态环境材料,具有广阔的发展前景,矿物外加剂具有良好的技术经济性能,是建材建工和冶金业技术创新的经济生长点;改性型向功能型发展的矿物外加剂作为新型生态环境胶凝材料的生产和应用技术将会有大幅提高。总之,矿物外加剂的开发和在高性能混凝土中的应用肯定将会更多地采用优化模式,其矿物外加剂的新品种和数目也会日渐增多,因此,也需要提高相应的标准规范,以指导其新产品在高性能混凝土中的应用。
参考文献
[1]赵国藩.高性能混凝土发展简介[J].施工技术,2002.
[2]向新.我国粉煤灰利用研究的进展[J].粉煤灰综合利用,1999.
[3]张继东.矿物掺合料在高性能混凝土中的作用[J].建筑材料学报,2004.
[4]江东亮,李龙土,欧阳世翕,施建林.中国材料工程大典.北京:化学工业出版社,2006.
关键词矿物外加剂 高性能混凝土 性能特点
中图分类号:TU528文献标识码:A
在配制高性能混凝土时参入较大量的矿物外加剂可降低温度、改善工作性、增进后期强度、并可以改善混凝土的内部结构,提高抗腐蚀能力,是高性能混凝土不可缺少的组分。
1 矿物外加剂
混凝土矿物外加剂是指以氧化硅、氧化铝和其他有效矿物为主要成分,在混凝土中可以代替部分水泥、改善混凝土综合性能,且掺量一般不小于5%的具有火山灰活性或潜在水硬性的粉体材料。
常用的矿物外加剂品种有粉煤灰、磨细矿渣、硅灰和磨细沸石粉等,国内也习惯上称其为掺合料。
1.1 粉煤灰
粉煤灰也叫飞灰,是由燃煤电厂烟囱收集的灰尘。一般来说,粉煤灰比水泥还细,含有大量的球状玻璃珠(中空或实心的)以及少量的莫来石、石英等结晶物质。原状灰的细度和电厂制煤系统及收尘装置有关,含碳量与锅炉性质及燃烧技术有关。粉煤灰的需水量与其组成有关,用于高性能混凝土的粉煤灰需水量之比应小于1,含碳量最好小于3%。
1.2 磨细矿渣
矿渣是在炼铁炉中浮于铁水表面的溶渣,排出时用水急冷,得到的水淬矿渣,生产矿渣水泥和磨细矿渣外加剂都是用的这种粒状渣。
矿渣磨成磨细矿渣,取代混凝土中部分水泥后,流动性提高、泌水量降低、缓凝、早期强度可与硅酸盐水泥混凝土强度相当、后期强度高及耐久性好。近年来由于高性能混凝土的开发研究,磨细矿渣外加剂得到了广泛的应用。
1.3 硅灰
硅灰是在冶炼硅铁合金和工业硅时产生的SiO2和Si气体与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而形成的一种超细硅质粉体材料。由于硅灰的比表面积大,参入硅灰后,混凝土的用水量增大,需改变高效减水剂的掺量来调节混凝土的用水量。由于硅灰的价格较贵,考虑到混凝土的成本,一般只有在C80级以上的混凝土中才掺入适量的硅灰。硅灰能够填充水泥颗粒间的孔隙,同时与水化产物生成凝胶体,与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体。
2 高性能混凝土
20世纪90年代初期,随着高强混凝土的应用不断广泛,人们发现,高强混凝土也不过是混凝土而已,而且高强度也带来了很多缺陷,如高水化热、脆性高更易开裂等。因此,在实际应用中重点逐渐由抗压强度高转移到其他性质方面,如高弹性模量、高密度、高抗渗性、高抗冻性、及抵抗其他各种环境侵蚀的能力等,这样就提出了“高性能混凝土”这样一个含义更广泛的概念。区别于传统混凝土,高性能混凝土把混凝土结构的耐久性作为首要的技术指标,目的在于通过对混凝土材料硬化前后各种性能的改善,提高混凝土结构的耐久性和可靠性。
3 矿物外加剂对高性能混凝土性能的影响
混凝土矿物外加剂的应用,正如水泥生产中应用混合材料一样,在早期可以说主要是为了节约水泥。因此,在名称上有“掺和料”、“掺合料”、“细掺料”等。随着研究和应用的不断深人,人们发现混凝土矿物外加剂不仅能节约水泥,更重要的是能改善混凝土的综合性能,从现代混凝土技术的发展来说,矿物外加剂已成为高性能混凝土不可缺少的重要组分。在配制高性能混凝土时参入大量的矿物外加剂可降低温度、改善工作性、增进后期强度、并可以改善混凝土的内部结构,提高抗腐蚀能力,尤其是矿物外加剂抑制混凝土碱—集料反应的作用已引起了研究人员的关注。矿物外加剂在高性能混凝土中的作用主要有如下几部分:
3.1 改善新拌混凝土的和易性和工作性能
大部分矿物外加剂具有比水泥更细的颗粒,能填充水泥颗粒间的孔隙,比表面积大,吸附能力强,因而能有效改善新拌混凝土的粘聚性和保水性。其中矿粉、沸石粉和磨细石灰石粉在掺量适当时,还能提高混凝土的流动性;粉煤灰中由于含有部分玻璃微珠,细度和掺量适当时也能提高混凝土的流动性;硅灰的需水量大,但掺量不超过5%时,对混凝土的流动性基本没影响,而能够有效地降低混凝土的粘性和内聚力,从而改善混凝土的可泵性、振捣密实性及抹平性能。
3.2 降低混凝土水化温升
混凝土内部的大小取决于水泥用量、水胶比、构件尺寸、集料的种类和用量等。为了使很低水胶比的混凝土有足够的流动性,就要用较多的水泥,则会产生较大的温升。参入矿物细掺料后,由于水泥熟料的相对减少,水泥水化总热量就会减少,从而可降低混凝土的温升,对大体积混凝土的温度裂缝控制十分有利。但是,参入硅灰并不降低温升,反而温升稍有提前,这是由于超细的硅灰微粉在混凝土中反应很快造成的。磨细的矿渣的比表面积过大时也会有这样的效果,这一点应引起注意。对于需严格控制温升而又有强度要求的工程,可将硅灰、磨细矿渣等较高活性的细掺料同粉煤灰、磨细石灰石粉、磨细石英砂粉等复合使用。(下转第74页)(上接第70页)
3.3 调整实际构件中混凝土的强度发展
掺入不同的矿物外加剂对混凝土的强度会有不同的影响。在相同的水灰比下,硅灰能有效提高混凝土的早期强度;经超细磨的微矿粉也能提高混凝土的早期强度;而粉煤灰、沸石粉等会使混凝土的早期强度略有下降,而后期强度却均有较大的持续增长。因需水量小还可以降低水灰比,所以在达到相同坍落度的情况下,混凝土的早期强度实际上也不会降低。
3.4 提高抗腐蚀能力,增强混凝土耐久性
由于矿物外加剂的细骨料填充效应和后期水化作用,一方面能改善混凝土的孔结构,使孔结构细化,均匀性增加、密实度提高,从而提高抗腐蚀能力。另一方面,由于矿物外加剂改变了水泥的部分水化产物和结构,如氢氧化钙晶体量减少,而水化硅酸钙等凝胶体增加,从而提高混凝土的抗腐蚀能力。再者,偏高岭土、硅灰、沸石粉等对钾、钠和氯离子具有极强的吸附能力,从而有效抑制混凝土的碱—骨料反应和提高对钢筋的保护作用。因此,掺入矿物外加剂可提高混凝土的耐久性。
3.5 提高混凝土的抗裂性能
有大量试验研究表明,粉煤灰、矿粉和沸石粉能减小混凝土的早期收缩,提高混凝土的抗裂性能。
4 结束语
矿物外加剂属于新型生态环境材料,具有广阔的发展前景,矿物外加剂具有良好的技术经济性能,是建材建工和冶金业技术创新的经济生长点;改性型向功能型发展的矿物外加剂作为新型生态环境胶凝材料的生产和应用技术将会有大幅提高。总之,矿物外加剂的开发和在高性能混凝土中的应用肯定将会更多地采用优化模式,其矿物外加剂的新品种和数目也会日渐增多,因此,也需要提高相应的标准规范,以指导其新产品在高性能混凝土中的应用。
参考文献
[1]赵国藩.高性能混凝土发展简介[J].施工技术,2002.
[2]向新.我国粉煤灰利用研究的进展[J].粉煤灰综合利用,1999.
[3]张继东.矿物掺合料在高性能混凝土中的作用[J].建筑材料学报,2004.
[4]江东亮,李龙土,欧阳世翕,施建林.中国材料工程大典.北京:化学工业出版社,2006.