矿物掺合料

采用合理的配合比、材料选择恰当，矿物 掺合料可提高混凝土抗硫酸盐及海水侵蚀的能 力。
（8）钢筋锈蚀（Corrosion of Embedded Steel）
对合理养护的混凝土，矿物掺合料可将低水、 空气和氯离子的渗透过混凝土的能力，从而减少 钢筋的锈蚀。
（9）碳化（Carbonation）
有报道显示通常粉煤灰掺量的情况下， 较短（标准）湿养护的混凝土（普通掺量） 碳化会略微增加，但一般增加程度不大。
化学分析法
根据矿渣中主要氧化物的含量计算出各种系 数来评定矿渣的活性,如质量系数 (CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+MnO2+TiO2),水硬性系数 (CaO+ MgO+(Al2O3)/3)/(SiO2+(Al2O3)×2/3)等。 尽管化学分析法在特定条件下(如:矿渣的热 历史差别不大等)可用来粗略评价矿渣的潜在水 硬性,但已有许多研究表明,这些系数与矿渣潜在 水硬性间没有良好的相关性。
二、矿物掺合料的历史 （1）第一阶段（20世纪30～60年代）
自从工业锅炉改为煤粉炉后,人们就开始对粉煤灰的 火山灰性质进行了研究。最初,粉煤灰等工业废渣只是被 当作节省水泥、降低成本的一种措施,在很长时间内人们 对其应用都持一种消极的态度,甚至认为矿物掺合料的掺 入是以牺牲混凝土性能为代价的。 20世纪30年代,美国开始对粉煤灰掺入混凝土和砂浆 进行较完整的研究,而较早地把矿渣作为水泥混凝土掺合 料的公开论文是德国学者R.Grun在1942年发表的“高炉矿 渣在水泥工业中的应用”。1948年,R.E.Davis成功地将 粉煤灰大规模应用于美国蒙大拿州的饿马坝工程,为矿物 掺合料的应用树立了典范。
材料 抵抗冲击负 荷作用的能 力。
（3）抗冻融性（Freeze-Thaw Resistance） 含碳量！
粉 材料抵抗多次“冻融循环”而不疲劳、 破、坏的性质。 煤 灰 在寒冷气候条件下，土壤或岩层中冻结
的冰在白天融化，晚上冻结，或者夏季融化， 冬季冻结。这种融化、冻结的过程称为冻融 作用。
煅 烧 页 岩
藻土等
③ 惰性掺合料，如石灰石粉、石英粉等
矿渣（Ground granulated blast-furnace slag）
CaO：38～46
SiO2：26～42
Al2O3：7～20
Fe2O3：0.2～1
MgO：4～13
粉煤灰（Fly ash）
CaO：2～7
SiO2：40～65
Al2O3：15～40

授课内容
矿物掺合料的定义 矿物掺合料的历史
矿物掺合料的分类
矿物掺合料的特性 矿物掺合料的检测 矿物掺合料的生产 矿物掺合料面临问题
一、矿物掺合料的定义
矿物掺合料是指在配制混凝土时加入 的能改变新拌混凝土和硬化混凝土性能的 无机矿物细粉。
国外将这种材料称为辅 助胶凝材料 （Supplementary cementitious materials）， 已成为高性能混凝土不可缺 少的第六组分。
（一）矿渣
超细矿渣制备技术目前主要有立磨生产技术、 辊压机联合粉磨或终粉磨生产技术、球磨机闭路 生产技术、球磨机开流生产技术以及振动磨生产 技术。 国际上以立磨和辊压机终粉磨系统为主。从 国内实际应用情况来看, 以立磨和球磨两种生产 工艺占大多数。 采用立磨和闭路磨工艺要特别注意除铁的问 题, 如果聚集在磨床或磨内的铁不能及时除掉, 不仅影响产量, 对设备的磨损特别大。
酸碱溶出度法
酸碱溶出度法是以火山灰质材料在酸或碱溶液中 或者在先酸后碱溶液中可溶物的组分和含量作为评定 火山灰活性的指标。 但是,过去一些企图找出可溶组分及含量与火山 灰质材料在石灰或水泥砂浆中的强度发展间的任何关 系的努力均没有成功。
结构分析法 基于矿渣微观结构与其水硬活性内在联系 的特点。 将矿渣结构分为3个层次,即玻晶比、玻璃 相平均离子键程度和玻璃相中网络形成体的聚 合度,并确定了各层次中与活性相关的表征参 数。 该方法从本质上描述了矿渣的潜在胶凝性 能,但用结构分析很难确定3个结构参数对活性 影响的定量关系。
（2）泌水和离析（Bleeding and Segregation）
指粗骨料与细骨料分离。
混凝土在摊铺 以后凝结以前， 从外观上看来 在表面出现水 分的一种现象。 混凝土在运输、 振捣、泵送的 过程中出现粗 骨料下沉，水 分上浮的现象。 描述混凝土泌 水特性的指标： 泌水量、泌水 率。
（3）含气量（Air Content）
（2）第二阶段（20世纪70～80年代）
直到20世纪70年代,能源危机、环境污染以及 资源枯竭问题的出现,才又强烈激发人们对粉煤灰、 矿渣等工业废渣进行再利用的研究,为工业废渣用 作水泥混凝土掺合料开辟了新篇章。
（3）第三阶段（20世纪90年代～现在） 经过一定的质量控制或制备技术获得的优质 矿物掺合料,可明显改善硅酸盐水泥自身难以克 服的组成和微结构等方面的缺陷,包括劣化的界 面区、耐久性不良的晶相结构、高水化热造成 的微裂纹等,赋予了混凝土优异的耐久性能和工 作性,超越了传统的降低成本和环境保护的意义, 已成为混凝土材料一个不可或缺的组分,有人称 之为混凝土的第六组分。
（5）渗透性和吸水性（Permeability and Absorption）
一种材料 在不损坏介 质构造情况 下，能使流 体通过的能 力。
指材料在水中能吸收
水分的性质。
如果养护充分，通常可将低混凝土 的渗透性和吸水性。
（6）碱集料反应（Alkali-Aggregate Reactivity）
（7）抗硫酸盐性（Sulfate Resistance）
Fe2O3：4～20
硅灰（Silica fume） 细度和比表面积约 为水泥的80～100倍，粉 煤灰的50～70倍。
CaO：0.5～1
百度文库
SiO2：90～92
Al2O3：0.4～1
Fe2O3：0.3～2
火山灰（Natural pozzolans）
CaO：0.5～1 SiO2：40～60
Al2O3 +Fe2O3 ： 15～30
矿 渣
水 泥
（4）干缩和徐变（Drying Shrinkage and Creep）
混凝土徐变是指混凝 土在应力作用下,其应 变随时间而持续增长的 特性。
即混凝土的干燥收 缩。就是混凝土在 养护时由于养护不 好，造成的其表面 缺水而引起收缩， 给混凝土工程的带
来了开裂的隐患。
当掺量较少时，矿物掺合料对干缩和徐 变影响很小，通常没有实际影响。（粉煤灰 -用水量不增加-减少干缩）
三、矿物掺合料的分类 1.根据来源分类 矿物掺和料的分类 类别 天然类 人工类 工业废料类 品种 火山灰、凝灰岩、沸石粉、硅质页岩等 水萃高炉矿渣、煅烧页岩、偏高岭土等 粉煤灰、硅灰等
2.根据化学活性
① 有胶凝性（或称潜在水硬活性）的，如
矿渣、高钙灰、固硫渣等
② 有火山灰活性的，如粉煤灰、硅灰、硅
矿渣粉的比表面积及活性指数
选择性粉磨
如果将水泥熟料与矿渣在同一台磨机中 混合粉磨，由于矿渣的易磨性比水泥熟料差 （约差30％），必然产生选择性粉磨，使成 品中两组分的颗粒分布不同)。 据资料显示 矿渣水泥中熟料组分比表面积不必超过350～ 400m2/kg；矿渣比表面积应达500m2/kg左右)。 显然如果混合粉磨，要达到矿渣的适宜比表 面积，熟料就会过粉磨而浪费电能；只达到 熟料比表面积，则矿渣太粗而不能充分发挥 其潜在水硬性，使矿渣水泥的强度偏低，所 以只能分别粉磨。
•维卡法是较早测定火山灰活性的方法； •该法系测量火山灰质材料自氢氧化钙溶液中 吸收石灰的速率； •对迅速区别活性和惰性材料有一定效果； •但还不能充分评定火山灰质材料的使用价值。
强度法 强度法是把矿物掺合料以一定量取代水 泥或同其它胶凝材料结合所呈现的强度作为 指标来评价矿物掺合料活性的一种方法。 还有学者在强度法的基础上,经过一定的 数学处理,提出了比强度的概念来评价矿物掺 合料的活性。 强度法是掺合料效应的综合体现,受实验 所用胶凝材料的影响较大。
提高火山灰活性的方法
煅烧 酸处理
延长碾磨时间
高温处理
化学活化剂
六、矿物掺合料的生产
视频：高性能矿渣粉生产工艺及应用 （2006年度四川省科技进步二等奖）
矿物掺合料无论用作水泥大掺量混合材还 是高性能混凝土细掺料，其基本条件是具备足 够的比表面积)。 通常，水泥混合材比表面积 要求350～500m2/kg；混凝土细掺料要求420～ 600m2/kg，有的甚至高达800m2/kg以上。
（4）水化热（Heat of Hydration）
（5）凝结时间（Setting time）
（7）可泵性（Pumpability）
通常使用矿物掺合料可以改善混凝土的泵送性能。
2.对硬化混凝土的影响 （1）强度（Strength）
（2）抗冲击性与耐磨性（Impact and Abrasion Resistance）
矿物掺合料的功能效应
① 形态效应：利用矿物掺合料的颗粒形态在混 凝土中起减水作用，“矿物减水剂”
② 微细集料效应：利用矿物掺合料中的微细颗 粒填充到水泥颗粒填充不到的空隙中 ③ 化学活性效应：利用矿物掺合料的胶凝性或 火山灰性，将Ca(OH)2晶体转化成CSH凝胶
1.对新拌混凝土的影响 （1）需水量（Water Requirements）
CaO+MgO+R2O：15 烧失量：10％左右
石英粉（ Quartz powder ）
四、矿物掺合料的特性
经济效益：低廉
技术效益：功能
社会效益：环保
环保：绿色产品 以工业废渣为主的掺合料在混凝土中的大 量应用,首先它意味着混凝土的生产降低了 工业废渣自身的环境污染及土地资源浪费 其次它减少了胶结材中水泥的用量而间接 地减少了由于生产水泥而导致的能源、资源 消耗及环境污染 另外由于它能在一定程度上提高混凝土的 性能,延长了混凝土的使用寿命,减少了维护 及重建所需的水泥及混凝土用量,也间接地 节约了资源、能源,降低了环境污染
矿物掺合料
（Mineral admixtures)
School of materials Science and engineering
引言
矿物掺和料的意义：研究热点 成本 环保 工作性能（球型玻璃体、滚珠效应）、力 学性能（微细颗粒填充、界面过渡区）、 耐久性能（降低水化温升） ——粉煤灰品质密切相关、用量
矿渣微粉合理粒径范围的确定
假定水泥与矿渣颗粒均为球形， 当相互间达到最紧密堆积且矿渣颗 粒粒径最大时，必须满足下列条件， 首先作为骨架的水泥颗粒最密集堆 积，其次矿渣颗粒以最大可能的粒 径填充在水泥颗粒构成的空隙中。
目前水泥的平均粒径为20～30μm，因此矿渣微粉的 理论合理粒径(单个颗粒)为4.4～4.6μm，即矿渣合理比 表面积为400～600m2/kg。在实际生产中矿渣微粉的颗粒 分布为连续分布，矿渣微粉的比表面积为400～600m2/kg 时，其平均粒径为10～16μm，D50=7一12μm。
矿物掺合料相关标准
用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB T 1596-2005）
用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉（GB/T 18046-2000）
高强高性能混凝土用矿物外加剂（GBT18736-2002）
用于水泥混合材的工业废渣活性试验方法（GBT12957-2005）
粉煤灰、烧结或天然的火山灰作为混凝土矿物掺合料的标准(ASTMC618－00)
在《矿物掺合料应用技术规范》( 征 求意见稿) 中, 对矿物掺合料的定义是:以 硅、铝、钙等一种或多种氧化物为主要成 分, 掺入混凝土中能改善新拌或硬化混凝 土性能的粉体材料, 涉及的矿物掺合料包 括了粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、钢渣粉、 磷渣粉、硅灰、沸石粉等6种材料。
有关学者建议矿物掺合料的定义为: 对人体无害的, 在一定范围内取代水泥 后能够配制出工作性能、力学性能和耐 久性能符合混凝土要求的粉体材料。
（10）抗化学侵蚀性（Chemical Resistance）
矿物掺合料通过降低混凝土的渗透性使混凝 土抗化学侵蚀性能增加。虽然许多矿物掺合料可 提高抗化学侵蚀性，但并不能使混凝土完全免受 化学侵蚀。
五、矿物掺合料的检测 •维卡法 •强度法
•酸碱溶出度法
•结构分析 •化学分析 •相关标准
维卡法