复掺活性矿渣粉和粉煤灰配制高性能混凝土试验研究

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1 概述

高性能混凝土是近些年来发展起来的一种新材料，是混凝土技术进入高科技时代的里程碑。一般认为，高性能混凝土具有高工作性、高强度和高耐久性，与普通混凝土相比，高性能混凝土是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限，降低工程造价。为此，高性能混凝土在配制上的特点是采用低水胶比，选用优质原材料，且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高性能外加剂。

通过使用矿物质掺合料来提高混凝土密实性是混凝土高性能化的最基本措施，不仅效果明显，而且成本较低。目前普遍使用的矿物质掺合料有：粉煤灰、矿渣粉、微硅粉等，这些掺合料因为成分不同，活性不同在混凝土中的作用也不尽相同。硅灰是一种很好的超细矿物掺合料，但数量有限且价格昂贵；沸石粉也是较好的矿物掺合料，但需要粉磨并受地域限制。

上述矿物掺合料中，粉煤灰是工业废料，量大，价廉。不需要（或稍微进行）加工即可满足配制高性能混凝土；矿渣粉具有明显的活性作用。

2 高性能混凝土配合比试验研究

2.1 混凝土原材料选定2.1.1 掺合料的选定

（1）选择具有活性成分的矿渣粉

矿渣粉含有SiO 2、CaO、Al 2O 3、Fe 2O 3及MnO 等化学成分，具有一定的活性，把矿渣粉单独磨细达到一定的比表面积后，能较好地发挥其活性，可与水泥水化析出的Ca(OH)2产生二次水化反应，生成低碱性C-S-H 水化，从而大幅度提高混凝土的后期强度，使Ca(OH)2大量被吸收，晶体尺寸和取向度（定向排列）被消弱，混凝土中的缺陷减少。这一反应又因水化反

复掺活性矿渣粉和粉煤灰配制高性能混凝土试验研究

简宜端，朱圣敏

(葛洲坝试验检测有限公司,湖北省宜昌443002)

[摘要]高性能混凝土是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限，降低工程造价。本文对针对复掺活性矿渣粉和粉煤灰配制高性能混凝土进行试验研究，可供以后类似配合比设计参考。[关键词]高性能混凝土；复掺；矿渣粉；粉煤灰

应热低，降低水泥石及混凝土结构中的碱度，从而减少热应力裂缝，抗腐蚀性提高，防止碱集料反应。总之，矿粉在混凝土中将产生火山灰效应，发生二次水化反应起到致密作用、填充作用、增强作用，有利于提高混凝土强度、改善其耐久性。因此，在当今的混凝土工艺中，配制强度≥70MPa 的混凝土，通常都要掺入活性矿物掺料。特别是在配制≥100MPa 的超高强度混凝土时，不掺入活性矿物掺料在实践中几乎是不可能的。试验选用矿渣粉的品质检测见表1。

（2）选择优质粉煤灰对混凝土耐久性的作用

粉煤灰在混凝土中的作用主要是填充效应、活性效应、微集料效应。因此，粉煤灰对混凝土的工作性能有极大的改善，而且能降低水化热。由于粉煤灰减少了混凝土的孔隙，使混凝土的抗渗性明显提高，改善了混凝土的抗化学腐蚀能力，还有效地减小碱—骨料反应引起的混凝土膨胀，极大地提高了混凝土的耐久性。但粉煤灰的活性不高，其活化效应来的慢，一般在混凝土硬化60d 后活性才发挥出来，致使粉煤灰混凝土的早期强度（包括28d 强度）偏低，因此，要把握好粉煤灰的掺量。试验选用粉煤灰的各项性能指标见表1。（3）矿渣粉、粉煤灰提高混凝土的流动性

将粉煤灰、矿渣粉、沸石粉和硅灰分别等量替代水泥后，通过试验对混凝土减水作用效果的变化进行了对比，见图1。

可见混凝土中常见的掺合料：

I 级粉煤灰、S95矿渣粉、沸石粉和硅灰等量替代部分水泥后，对混凝土坍落度和坍落度保持性的影响是不同的。当用I 级粉煤灰和矿渣粉等量替代水泥后，可起到提高混凝土初始坍落度，减少混凝土坍落度损失率的良好效果，相反，其它两种掺合料等量替代水泥则会引起混凝土初始坍落度降低，坍落度损失速率加快。2.1.2 选择高性能减水剂提高防腐作用

高性能混凝土要求较低的用水量和水胶比，尽可能少的水泥用量和尽可能多的矿物掺合料。因此，要使混凝土保持良好

表1 矿渣粉和粉煤灰的各项性能指标

厂家品种密度（kg/m 3）细度（%）比表面积（m 2/kg）需水量比(%)

流动度比（%）烧失量（%）三氧化硫含量（%）含水率

（%）

活性指数

（%）矿渣粉2880-440-1050.81 3.320.2104I 级粉煤灰22309.3-100- 1.10 1.180.2-标准要求

I 级粉煤灰 ≥2800-≥350-≥95≤3.0≤4.0-≥95S95矿渣粉

-≤12

-≤95

-≤5.0

≤3.0

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的施工性和流动性，就必须选用高效减水剂，其减水率应达到25％以上，具有减水、增塑、缓凝、保塑、保水和润滑等多种功能，同时与水泥的适应性好，可以有效的降低混凝土拌合物的用水量，降低水胶比，使混凝土的流动性较好，粘聚性好，不离析、不泌水、经时损失小。可以说高性能减水剂的应用也是混凝土高性能化不可少的条件。另外，高性能减水剂常复合引气成分，这些引气剂在混凝土中可以引入微小气泡，这些气泡成球状孔，分布均匀，气泡壁凝集了较密实的水化产物，使气泡成为封闭状态。而且，封闭的气泡可阻断毛细孔，降低毛细孔的连通性，从而减少了界面的扩散通道，提高了混凝土的抗渗透性能，减少氯离子的扩散系数和各种有害介质的侵入。2.2 高性能混凝土试验成果分析2.2.1 配合比参数和试验成果

通过配合比设计，高性能混凝土其流动性和强度结果见

表2 高性能混凝土试验成果表

试验编号强度等级

每方混凝土材料用量（kg/m 3）

矿渣粉掺量（%）粉煤灰掺量（%）

坍落度

（mm ）7d 强度（MPa ）28d 强度（MPa ）水泥矿渣粉粉煤灰砂碎石外加剂水1C60335103786251111 6.19160201516566.878.62335181-6231107 6.1916035016856.270.23

335

-181

604

1074

6.19

160

35

170

55.1

73.5

表3 混凝土冻融试验成果表

试验编号试验龄期

(d)

相对动弹性模量（％）

重量损失率（％）

50次100次150次200次250次50次100次150次200次250次12897.795.193.592.890.20.040.020.250.58 1.1322895.792.190.588.585.20.080.120.56 1.03 1.843

28

92.7

90.1

89.5

87.8

84.2

0.09

0.15

0.68

1.24

1.96

表2。

从表2可以看出复合掺加矿渣粉和粉煤灰的混凝土早期强度和28d 强度都大于仅掺粉煤灰的混凝土和掺矿渣粉的混凝土。为什么胶凝材料重量相同的情况下，同时使用两种掺合料比单掺矿粉和粉煤灰的混凝土强度高呢？矿渣粉对混凝土的早期强度有利，而粉煤灰对混凝土后期强度有利，所以复合使用两种掺合料混凝土较单掺粉煤灰和矿渣粉混凝土性能好。有关研究表明粉煤灰玻璃结构网络中[SiO 4]4-聚合度高，较难

为混凝土的碱(即Ca(OH)2)激活，因此纯粉煤灰混凝土试样硬化体强度不高。矿渣玻璃结构网络中[SiO 4]4-聚合度低，易被碱激发，水化速度较粉煤灰快，先期形成的水化产物对粉煤灰的水化有诱导作用。因此，同时使用矿粉和粉煤灰，则混凝土硬化的强度有所增加。而且由于粉煤灰中的活性成分与硬化

水泥浆体中的Ca (OH)2发生二次反应

（即“火山灰效应”）形成的水化产物填充了混凝土的孔隙，使混凝土的结构致密，使其后期强度较仅掺矿粉的要高得多，因此同时使用两种掺合料比单掺矿粉或粉煤灰的混凝土力学性能要好。2.2.2 高性能混凝土耐久性试验

试验成果见表3。

从表3可以得出，复合掺加矿渣粉和粉煤灰混凝土抗冻性能好于仅掺粉煤灰混凝土和仅掺矿渣粉混凝土；该配合比拌制的混凝土，抗冻达到D250时，动弹模损失不到10%，混凝土重量损失小于1.2%。

3 结语

利用矿渣、粉煤灰可以生产符合要求的高强大流动性混

凝土，矿渣粉和粉煤灰一方面参与部分水化作用，另一方面作为微集料，填充混凝土内部微隙增加密实性，并能调节和易性。复合掺加矿粉和粉煤灰的混凝土比单掺矿粉和粉煤灰的混凝土性能好、强度高、流动性大，提高耐久性，并能降低成本，具有显著的技术经济效益和社会效益。

[作者简介]简宜端（1976-），男，就职于葛洲坝试验检测有限公司。

[单位地址]湖北省宜昌市西陵区清波路25#葛洲坝试验检测有限公司（443002）

图1 不同掺合料替代水泥流动度损失