几种常见的混凝土矿物外加剂作用机理及其关键技术

钢筋砼排水管成型后每次起吊和放置要轻吊 轻放，管模下要用废旧胶轮胎铺垫，不要直接放 在砼硬地上，严禁碰撞。
３ 钢筋砼排水管管壁砼坍落的修 补 方 法
３．１ 蒸养前的修补 标准允许范围内的管壁砼的坍落，首先吊转
管模，使坍落部位在最低位置，清除松动部分， 涂二度掺 ３％～５％ １０７ 胶的水泥浆，再用同等级 水泥砼填补，然后用０．５ｋＷ电动抹振动抹平成与管 内壁同样的弧形面。 ３．２ 蒸汽养护脱模后的修补
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几种常见的混凝土矿物外加剂 作用机理及其关键技术
陈贯卓
（济钢集团济南鲍德炉料有限公司，济南 ２５０１０９ ）
摘 要：矿物外加剂为当今世界公认的生态环境胶凝材料。本文对几种常见的矿物外加剂进行了综合研究与应用进展分 析，阐述了矿物外加剂改善混凝土力学行为、流变性及耐久性的作用机理，并根据其作用机理对矿物外加剂生产关键技 术及应用技术进行了解析，并展望了矿物外加剂的发展趋势。 关键词：矿物外加剂，混凝土，生态环境材料，粉煤灰，矿渣粉， 硅灰 中图分类号：ＴＵ５２８．０４２ 文献标识码：Ｂ 文章编码：１００３－１３２４（２００４）０６－００４３－０４
２００４ 第 ６ 期
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关；矿物外加剂在改善混凝土性能的前提下， 可等量替代水泥 ３０％－５０％配制混凝土，大幅度 降低了水泥用量。矿物外加剂属于活性掺合料， 但与水泥熟料相比则为低水化活性胶凝材料。大 掺量的矿物外加剂存在于新拌混凝土中，有稀释 整个体系中水化产物的体积比例的效果，减缓了 胶凝体系的凝聚速率，从而可使新拌混凝土的塌 落度损失获得抑制。 ２．３ 矿物外加剂改善混凝土耐久性机理
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破坏断口，可以看到断裂界面大部分是石子， 浆体—集料界面不是主要破坏界面。因此选用高 强度的骨料，有望配出超高强混凝土。 ２．２．２ 微集料效应
（１）自紧密堆积效应 混凝土体系可理解为连续级配的颗粒堆积体 系，粗集料间隙由细集料填充，细集料间隙由水 泥颗粒填充，水泥颗粒之间的间隙，则需更细的 颗粒来填充。矿物外加剂的最可几粒径在 １０ μ ｍ 左右，可起到填充水泥颗粒间隙的微集料作用， 使混凝土形成细观层次的自紧密体系。实验结果 表明：掺矿物外加剂混凝土容重较未掺矿物外加 剂的基准混凝土大。 （２）形状因子效应 矿物外加剂颗粒的形状和表面粗糙度对紧密 堆积及界面粘结强度有密切的关系。 上述二方面物理和化学的综合作用，使掺矿 物外加剂的混凝土具有致密的结构和优良的界面 粘结性能，表现出良好的物理力学性能。 ２．２ 矿物外加剂改善混凝土和易性机理 ２．２．１ 矿物外加剂辅助减水机理 流变学实验研究表明：水泥浆的流动性与其 屈服应力τｏ 密切相关，屈服应力τｏ 愈小，流动 性愈好，表现为新拌混凝土塌落度大。矿物外加剂 可显著降低水泥浆屈服应力，因此可改善混凝土 的和易性；矿物外加剂是经超细粉磨工艺制成的， 颗粒形貌比较接近鹅卵石。它在新拌水泥浆中具 有轴承效果，可增大水泥浆的流动性。 ２．２．２ 矿物外加剂改善塌落度损失机理 矿物外加剂对塌落度损失改善机理可归结为： ①由于其中水泥浆的屈服应力随时间推移迅速增 大，τｏ值与塌落度损失之间具有很好的相关性。矿 物外加剂可显著降低水泥浆的屈服应力τｏ，由于 初始τｏ 亦较小，使τｏ 值在较长的时间内维持在较 低的水平上，使水泥浆处于良好的流动状态，从 而有效地控制了混凝土的塌落度损失。②混凝土 塌落度损失原因之一是由于水分蒸发。混凝土在 运输和施工过程中气泡不断外溢，伴随着水分蒸 发，混凝土塌落度值经时下降。掺矿物外加剂的 新拌混凝土具有良好的黏聚性，且泌水性很弱， 其原因是矿物外加剂的比表面积为４００～６Ｏ０ｍ２／ｋｇ， 大比表面积对水的吸附，起到了保水作用，减缓了 水分的蒸发速率，因此有效地抑制了混凝土塌落度 损失。③混凝土塌落度损失与水泥水化动力学有
首先凿除表面松动的碎（砾）石、砼，用 钢丝刷刷除松动的残渣和凿伤的砼面，用清水清 洗干净，涂刷二度掺 ３％～５％１０７ 胶的水泥浆，再 用同等级砼填补，然后用 ０．５ｋＷ 电动抹振动抹平 到与管内壁同样的弧形面。用草袋或麻袋等物覆 盖洒水湿养 ３ ｄ 以上，防止二次坍落。悬辊法制 作的钢筋砼排水管的管壁砼坍落，是预制钢筋砼 排水管的质量通病，只要在生产中注意控制，严 格按照标准和工艺操作规程进行操作，加强各工 序的质量管理，钢筋砼排水管管壁砼坍落是可以 避免的。
功能矿物外加剂的研究目前是热点。如生态 混凝土、仿生自愈合混凝土、自诊断机敏混凝 土、电磁生态环境混凝土、压电混凝土……。 国内许多科研院所、高校亦开展了功能矿物外加 剂的研究。功能矿物外加剂的研究具有多学科交 叉的特点，产品科技含量比较高，主要立足于 环境友好、环境协调、环境保护，即围绕生态 环境材料主题展开研究，具有品种多样化、功 能多元化的特点，产品的经济附加值提高。但 功能型矿物外加剂大多处在实验室研究或小范围 应用阶段。
初级阶段，该阶段矿物外加剂标志性成就是粉煤 灰作为掺合料用于预拌混凝土，粉煤灰超量替代 水泥，比例为 １ ０ ％～２ ５ ％，其主要作用效果是 改善泵送混凝土的流变性，降低混凝土成本。
（２）成熟阶段 －－ 矿物外加剂 ２０ 世纪 ８０ 年代中～９０ 年代末，矿物外加剂 发展进入了成熟阶段，其标志性成就有：ａ ）硅 灰作为矿物外加剂配制高强、超高强混凝土，掺 量为水泥的 ５％～１５％；ｂ）矿渣微粉作为矿物外 加剂等量替代水泥 ２ ０ ％～６ ０ ％，配制高强、超 高强大流动度，高耐久性混凝土。 上述矿物外加剂的作用效果为：改善混凝土力 学性能；改善混凝土流变性；改善混凝土耐久性。 （３）创新阶段 －－ 特殊功能矿物外加剂 进入 ２１ 世纪，矿物外加剂进入了创新发展阶 段，其标志性成就是特殊功能矿物外加剂作为混 凝土第六组分，赋予混凝土特殊功能，配制出多 功能的混凝土；如建筑保温功能混凝土、环境调 湿功能混凝土、环境吸波混凝土、电磁波屏蔽混 凝土等。其功能特征是环境生态型建筑材料，产 品科技含量高。 １．２ 我国矿物外加剂生产与应用技术发展 １９９８ 年上海市颁布了国内第一个矿渣微粉地 方标准《砂浆、混凝土用粒化矿渣微粉》，１ ９ ９ ９ 年国家标准《砂浆、混凝土用粒化高炉矿渣微 粉》颁布，２ ０ ０ ０ 年国内第一个矿渣微粉应用技 术规程《高炉矿渣微粉应用技术规程》（ 上海市 地方标准） 颁布；２ ０ ０ ２ 年国家标准《高强、高 性能混凝土用矿物外加剂》颁布，该标准正式将 矿渣微粉命名为“矿物外加剂”纳入混凝土第六
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组分。国家标准的制定并实施标志着矿物外加剂 技术进入了成熟的应用阶段，是国家引导的发展 产业。２０００ 年度由混凝土材料研究国家重点实验 室（同济大学）研究开发的“高性能混凝土复合掺 合料”获得国家科技部、国家建设部等五部颁 发的国家重点新产品证书，列入国家重点新产品 推广计划。近年来，国内许多大专院校、科研 单位、大型钢铁和建材建工企业开始并重视混凝 土材料研究。近年根据建设工程的需求，开发 了许多高性能材料；如高性能海工混凝土用矿物 外加剂和道路混凝土用矿物外加剂。
12我国矿物外加剂生产与应用技术发展1998年上海市颁布了国内第一个矿渣微粉地方标准砂浆混凝土用粒化矿渣微粉1999年国家标准砂浆混凝土用粒化高炉矿渣微粉颁布2000年国内第一个矿渣微粉应用技术规程高炉矿渣微粉应用技术规程上海市地方标准颁布2002年国家标准高强高性能混凝土用矿物外加剂颁布该标准正式将矿渣微粉命名为矿物外加剂纳入混凝土第六组分
矿物外加剂是废渣资源化的生态环境胶凝材 料，是国家重点引导推广生产和使用的生态建筑
材料，并且已制定了产品技术标准。 矿物外加剂分为：矿渣微粉、粉煤灰微粉、
钢筋砼排水管在成型后蒸养之前，应有一个 静停的过程，时间一般是 １～１．５ｈ，这取决于水 泥的类型、最高养护温度等。温度上升的速度与 静停时间是相互关联的，如果静停时间长，则可 采取较高的升温速度（一般为 ２ ０ ℃／ ｈ ，最高可 达 ３ ３ ℃／ ｈ ）。若没有静停过程时，升温速度不 应超过 １ １ ℃／ ｈ ，通常，在考虑简便而又经济的 情况下，升温速度应尽可能低。恒温阶段的时间 取决于最高养护温度和所要求的强度，在 ８０℃， ４ ｈ 是常用的恒温时间。在养护恒温结束后，把 冷却速度控制在 ２２～２３℃／ｈ 范围内是合理的。 ２．５ 吊运
目前国内工业化生产的矿物外加剂种类有： 矿渣微粉、粉煤灰微粉、沸石微粉、硅灰及上 述种类复合矿物外加剂，其中矿渣微粉和粉煤灰 微粉的生产应用比较广泛，截止 ２００４ 年 １０ 月底 国内正式投产或在建大型专业生产企业有１７家之 多，大多为 ６０ 万吨矿渣微粉生产线，目前国内 排名前 １０ 位的钢铁企业均建设了矿渣微粉生产 线。矿物外加剂在商品混凝土比较发达的大、中 型城市及其周边地区已得到广泛的应用。目前国 家有关部门已发文在全国范围推广应用商品混凝 土，将使矿物外加剂具有广泛市场前景。纵观 国内生产状况，生产厂家由于技术或设备的局限 性，所生产的矿物外加剂品种比较有限，且产 品的品质规格多为低档品，尚不能满足建设工程 配制高性能混凝土的需求。目前，国内建设工 程对高品质的矿物外加剂已有相当数量的需求。 １．３ 功能型矿物外加剂
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沸石微粉、硅灰及其它天然矿物或人造矿物材料。 矿物外加剂作为生态环境辅助胶凝材料主要用
途如下： （１）水泥特殊混合材；（２） 建筑砂浆辅助胶凝
材料；（ ３ ） 混凝土辅助胶凝材料；（ ４ ） 建筑功能外 加剂。
１ 矿物外加剂研究与应用
１．１ 我国矿物外加剂的发展 我国矿物外加剂的发展经历了以下三个阶段： （１）初级阶段 －－ 掺合料 ２０ 世纪 ７０ 年代初～８０年代中为矿物外加剂的
参考文献： ［１ ］魏红卫． 圆涵管裂缝的原因及控制对策［Ｊ ］． 砼
与水泥制品，２ ０ ０ １ ，（ ４ ） ［２ ］砼和钢筋砼排水管工艺规程［Ｓ ］． １ ９ ９ ０ ．
（收稿日期：２００４－０９－１１）
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２ 矿物外加剂特性与作用机理
２．１ 矿物外加剂改善硬化混凝土力学行期
矿物外加剂是根据复合胶凝效应原理，遴选 不同种类胶凝特性互补的矿物组成矿物外加剂复 合体系。复合胶凝效应包括三方面作用：诱导激 活效应、表面微晶化效应和界面耦合效应。
（１ ）诱导激活效应 诱导激活是介稳态复合相在水化过程中相互 诱导对方能态跃过反应势垒，使介稳态体系活 化，使水化动力学加速。诱导激活是介稳相离子 基团和分子的化学复合作用。以介稳态非典型玻 璃相复合体系为例。高钙类玻璃相（ 如：矿渣） 与高铝中硅玻璃相（如：粉煤灰）复合体系水化液 相主要离子为 Ｃａ２＋、Ａ１０＋ 和 Ｓｉ０４４＋，当存在 Ｓ０４２＋ 时，则形成 ＡＦｔ，ＡＦｔ 是良好的胶凝产物，具有 稳定性好，溶度积小等特点。它的形成将消耗液 相中的 Ｃａ２＋ 和 Ａ１０＋，溶液中 Ｃａ２＋ 浓度降低，促使 高钙玻璃相水解反应继续进行，Ａ１０２＋ 浓度降低则 促进了高铝中硅玻璃相水解。两类玻璃相水化液 相离子互补，使 ＡＦｔ 形成反应不断加速，同时也 加速了高钙玻璃相网络配位离子 Ｃａ２＋ 和高铝中硅 玻璃相网络离子 Ａ１３＋ 被持续萃取。上述过程循环 反复，使玻璃相失去稳定性，活性提高，使非 典型玻璃相被相互诱导激活。 （２ ）表面微晶化效应 介稳态复合体系在水化过程中若不存在外界 干扰，系统中的水化产物只能借助热力学起伏在 某局部区域出现，即新相只能通过成核才能形 成，当有另一复合相存在时，其微晶核作用降低 了成核势垒，产生非均匀成核使水化产物在另一 复合相表面沉淀析出，加速了水化过程。 （３ ）界面耦合效应 矿物外加剂复合体系通过诱导激活、水化硬 化形成稳定的凝聚体系，其显微界面的粘结强度 与其宏观物理力学性能密切相关。 普通混凝土的浆体与集料的界面是力学的薄 弱环节，界面区显微结构研究结果表明：矿物 外加剂掺入混凝土中，可改善水泥浆—集料界面 区 Ｃａ（ＯＨ）２ 的取向度。ＤＳＣ 定量分析结果还表明： “矿物外加剂 ＋ 水泥”体系的 Ｃ ａ （ ０ Ｈ ） ２ 含量明显 低于纯水泥体系。ＳＥＭ 观察水化产物形貌，发现 掺矿物外加剂的水泥石 Ｃａ（０Ｈ）２ 的晶体尺寸比较 小。矿物外加剂对水化产物 Ｃａ（０Ｈ）２ 数量、尺寸 及空间分布排列的影响，均有利于界面粘结强度 的改善。因此掺矿物外加剂的混凝土抗压和抗折 强度有显著改善，观察矿物外加剂混凝土试件的