掺合料对混凝土的影响

矿物掺合料对高性能混凝土影响初探

摘要：优良的矿物掺合料是制备高强高性能混凝土的有效途径。目前常用的矿物掺合料有：硅粉、粉煤灰、矿渣、沸石、页岩灰等。掺合料对混凝土的力学性能，耐久性能，耐疲劳性能，早龄期收缩特性，抗氯离子渗透的能力等方面都有影响，不同掺合料对高性能混凝土影响不同。

关键词：矿物掺合料；高性能混凝土；影响

0概述

高性能混凝土技术（HPC）是当前建筑材料界的一个研究热点,提出它的目的是让人们在

现有的配制水平基础上,通过利用优质水泥、优质掺合料以及外加剂等组分的匹配,改进工艺,

使混凝土具备宜于浇筑、捣实而不离析的施工性能；能长期保持良好的力学性能；水化温峰

小,体积稳定性好，以及在严酷的工作环境下使用寿命长久的耐用性能。

近年来,随着社会和建筑业的不断发展,对高强高性能混凝土的需求日益增加。目前,世界

各地纷纷展开了高强高性能混凝土的研究与开发工作。通过研究,人们逐渐达到了一种共识，

应用优良的矿物掺合料（配以高效减水剂）是制备高强高性能混凝土的有效途径。

高性能混凝土掺合料已是高性能混凝土的重要组成部分,将其直接掺入混凝土中,该技术

已经较为成熟，并广为工程界所接受。因此,本研究项目正是适应形势的需要，既是混凝土科

学发展的需要,更是走向可持续发展之路,利国利民的需要。

1掺合料种类

常用的矿物掺合料有：硅粉、粉煤灰、矿渣、沸石、页岩灰等。除硅粉和少数粉煤灰外,

用于高强高性能混凝土的其它矿物掺合料通常需要再加工处理,以使其具有要求的性能。

1.1粉煤灰

用作高强混凝土的掺合料的粉煤灰一般选用I级灰。对于强度等级较低的混凝土，通过试

验也可选用II级灰。粉煤灰应尽可能选用需水量小且烧失量低的粉煤灰。

1.2磨细矿渣

用作高强高性能混凝土的磨细矿渣应符合下列质量要求：

比表面积宜大于4000cm2/g。需水量比宜不大于105%。烧失量宜不大于5%。

1.3磨细天然沸石粉

用作掺合料的天然沸石岩，应选用斜发沸石或丝光沸石，不宜选用方沸石、十字沸石以及

菱沸石。

磨细天然沸石粉应符合下列质量要求：

铵离子净交换量不小于110meq/100g（斜发沸石）或120 meq/100g（丝光沸石）。

细度0.08mm方孔筛余不大于10%。

抗压强度比不大于90%。

1.4硅粉

用作掺合料的硅粉应符合下列质量要求：

二氧化硅含量不小于85%（质量分数）。

比表面积（BET-N2吸收法）不小于180000 cm2/g。

密度约为2200Kg/m3。

平均粒径0.1~0.2um。

2矿物掺合料对高性能混凝土的影响：

2.1混凝土力学性能测试

结果分析[1]

试验表明：对单掺矿物掺

合料的高性能混凝土而言，在

水胶比和坍落度相同的情况

下，单掺硅灰的混凝土的强度

最高，其次是掺粉煤灰混凝

土，而掺矿粉的混凝土强度最

低。不掺与单掺矿物掺合料的

混凝土的抗压强度见图1和2。掺硅灰混凝土的强度较高，特别是早期强度。随着硅灰掺量的增加，混凝土强度随着增加，但在28d龄期以后，其强度增长很少。掺硅灰之所以能大幅度提高混凝土的强度，是由其特性决定的。硅灰的比表面积大，其平均粒径仅为0.1～0.2μm，要比水泥小2个数量级，并且硅灰具有高度的无定形性质以及高的SiO2[2]。小的球状硅灰填充于水泥颗粒之间，使胶凝材料具有良好的级配，加水拌和后填充于水泥浆体的孔隙之间，从微观尺度上增加了水泥石的密实度，强化了水泥基材，提高了强度。其次，硅灰的掺入会产生火山灰反应，这种反应能将对强度不利的Ca(OH)2反转化为C-S-H凝胶，并填充在水泥水化产物之间，有力地促进强度的增长，硅灰与Ca(OH)2反应，使Ca(OH)2不断地被消耗会加快水泥的水化速率，提高早期强度[3]。

图1不掺与单

掺矿物掺合料的混凝土的抗

压强度对比图2双掺矿物掺合料的混凝土的强度对比

由试验可以得出，单掺3%的硅灰

混凝土强度比基准混凝土强度低。原

因是由于硅灰的比表面积高达

22000m2/kg，因此单方用水量比基准

混凝土用水量高，由于硅灰的掺量较

低，其对强度的增长作用不明显。

粉煤灰由于其本身的化学成分、

结构和颗粒形状等特征，其水化分两

步进行，因此早期强度低，后期强度

发展较快。从图1和图2也可以看出，

粉煤灰混凝土28d龄期的混凝土强度比基准混凝土强度低，但到了90d龄期则已经赶上基准混凝土强度，即28d龄期以后粉煤灰混凝土强度仍有较大增长。这是因为在水泥的水化对混凝土的强度贡献下降后，持续的粉煤灰火山灰活性反应对强度的增长仍起着重要的作用，进而保证粉煤灰混凝土的后期强度继续增长。

从图1的试验结果可以看出，在矿粉的掺量为70%的情况下，单掺矿粉的混凝土强度比基准混凝土强度低。这主要是由于矿粉的水化比纯水泥要慢（需要水泥水化产生的Ca(OH)2来激发），在高水胶比（高于0.30）的情况下，绝大部分水泥混凝土的早期强度比掺矿粉的混凝土的早期强度高。

对于双掺矿物掺合料的混凝土而言，粉煤灰与硅灰混掺的混凝土强度最高，双掺矿粉与硅灰的混凝土强度与双掺矿粉与粉煤灰的混凝土强度接近。双掺矿物掺合料的混凝土的强度对比见图2。

2.2掺合料对混凝土抗氯离子渗透性的影响分析

在混凝土中掺入粉煤灰、矿粉、硅灰等矿物掺合料，提高混凝土的耐久性，降低了混凝土的电通量，其改善混凝土抗氯离子渗透的能力依次为硅灰＞矿粉＞粉煤灰。不掺与单掺矿物掺合料混凝土各组电通量对比见图3。硅灰的掺入能显著提高混凝土的抗氯离子渗透能力，特别是混凝土早期的抗氯离子渗透能力，并且随着硅灰掺量的增加，混凝土的抗氯离子渗透能力随着提高，见图4。

图3不掺与单

掺矿物掺合料混凝土各组电通

量对比