掺合料对高性能混凝土抗压强度增长的影响.pdf

浙江建筑， 第2 9卷 ， 第 7期 ， 2 0 1 2年 7月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n ，V o 1 2 9 ， N o 7 ，J u 1 2 0 1 2 掺合料对高性能混凝土抗压 强度增长 的影响 E ff e c t o f Ad mi x t u r e o n t h e Co mp r e s s i v e St r e n g t h o f Hi g h P e r f o r ma n c e Co n c r e t e I mp r o v e me n t 滕骅 ， 俞 小光。 T ENG Hu a 一，YU Xi a o gu a ng ( 1 同济大学土木工程学院， 上海 2 0 0 0 9 2 ； 2 杭州钱 江经济开发区建设管理中心 ， 浙 江 杭州 3 1 1 1 0 0； 3 浙江中医药大学 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 5 3 ) 摘要 ： 阐述了矿渣和粉煤灰的作用机理 ， 通过试验分析 了矿渣和粉煤灰对高性能混凝 土抗压 强度增长 的影 响。由于矿渣和 粉煤灰本身离子溶出能力很低 ， 高性能混凝土中用掺合料替代水泥会不 同程度减缓 自由离子 的溶解 ， 因此早期掺矿 物掺合料 的高 性 能混凝土强度明显低于纯水泥混凝土 。矿渣在早期的 自身 的水硬 性及 与水泥水化产 物发生二次 水化反应 ， 因此掺矿 渣的混凝 士在 3 d之后抗压强 度增长 明显 。粉煤灰 自身的物理包裹作用和其独特的吸附效应会使水泥 的早期水化得到一定 的延迟 ， 从而导 致掺粉煤灰混凝土早期 强度增长较慢 。 关键词 ： 掺合料 ； 高性能混凝土 ； 抗压强度 ； 离子溶解； 二次水化 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 83 7 0 7 ( 2 0 1 2 ) 0 70 0 5 2 0 4 在混凝土拌制时加入适量的矿物掺合料 ， 可降 低高性能混凝土 内部温升 ， 改善它的工作性能 ， 增强 其后期强度， 并可改善它的内部碱性环境 ， 提高其抗 腐蚀能力。因此， 矿物掺合料已成为现代高性能混 凝 土不可 缺 少 的 组 分 。现 在 工 程 上 常 用 的矿 物 掺合料主要有三类 ： 潜在水硬性材料 、 火山灰材料以 及非活性材料 。本文通过对矿物掺合料的作用机理 探讨 ， 结 合抗 压强度 试验 研究 ， 分析讨 论 火 山灰 材料 中的粉煤 灰 ， 以及潜 在水 硬 性 材 料 中 的矿 渣 对混 凝 土 力学性 能 的影 响。 1 矿物掺合料 的作 用机理探讨 1 1 矿 渣 矿渣是指冶金工业中的残渣， 是在矿石冶炼金属 过程 中形 成 的， 高性 能混 凝土 中采 用的矿渣 通常 来源 于铁矿石炼铁高炉 ， 因此也称粒化高炉矿渣。矿渣中 含 有钙镁铝黄 长石 和很 少量 的硅 酸一 钙 或硅 酸二 钙 等 组分 ， 使得矿渣具有微 弱的 自身水硬性 。矿渣 在混 凝土所起的作用主要体现在 ： 火山灰效应 、 微集料效 应 ， 同时还能改善混凝土的界面区结构和工作性能。 ( 1 ) 矿渣 火 山灰 效 应 ： 矿 渣 与水 反应 很 缓 慢 ， 纯 矿 渣混 凝 土或许 需要 几年才 能达 到硅 酸盐水 泥 混凝 土 2 8 d强 度 。而 碱性 化 合 物 能 使 矿 渣 的 水化 反 应得到激发 ， 因此将矿渣掺入到高性能混凝土 当中， 水泥水 化形 成 的 C a ( O H) ， 将 成 为矿 渣 水 化 的激 发 剂 ， 矿渣水 化形成 的主要产物 为 c s H和 A F m 相 的混 合物 ， 其 中生成 的 c S H相 的组成 相 较 于 纯水 泥水 化 的 c s H相 具有较 低 的钙 一 硅 比 。 ( 2 ) 矿渣微集料效应 ： 与粉煤灰作用相似 ， 矿渣 颗粒 比水 泥颗粒 小 ， 可 以填 充 到水 泥颗 粒 之 间 的间 隙 ， 降低了水泥基材料 的孔隙率 ， 改善孔结构 ， 增加 密实 度 ， 使 其具 有更 好 的力 学性 能及 耐久 性 能 。 ( 3 ) 改 善 混凝 土界 面 区 结 构 ： 由 于纯 水 泥 混 凝 土 中水 泥 与骨料 之 间 的界 面过 渡 区通 常存在 较 大量 的 C a ( O H) 晶体 ， 而 c a ( O H) ，晶体 具 有 一 定 的取 向性 ， 因此 导 致 混 凝 土 界 面 过 渡 区形 成 薄 弱 环 节 。 而矿 渣 与 C a( O H) 晶 体 反 应 消 耗 掉 一 定 量 的 C a ( O H) 晶体 ， 使得 C a ( O H) ，晶体在界面过渡区的 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 42 3 作者简介 ： 滕骅( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 浙江杭州人 ， 工程师 ， 从事建筑工程管理工作 。 第 7期 滕骅等： 掺合料对高性能混凝土抗压强度增长的影响 富集得到改善， 同时 又可以降低 C a ( O H) 晶体的尺 寸， 使得混凝土力学性能和耐久性能得到提高。 ( 4 ) 改 善工作 性 能 ： 在 水 泥 水化 早 期 ， 矿 渣填 充 在水 泥颗粒 之 间 ， 降低 水 泥颗粒 的需 水性 ， 具有 一定 的减水作用 ， 从而使混凝土坍落度增大。同时矿渣 还具有一定程度 的保水作用 ， 使混凝土 的黏聚性得 到提 高 。因此 ， 矿渣 的掺 入 能 使 高性 能 混 凝 土具 有 良好 的工 作性 能 。 1 2粉 煤灰 粉煤 灰通 常是 由发 电厂煤 粉燃 烧后 的未燃 尽 的 无机 残渣 冷却 后用 静 电式 除尘 器 收集得 到 的。早期 研究 粉煤 灰对 混凝 土 性 能影 响 ， 主要 集 中在 粉 煤灰 的“ 火 山灰效 应” 。然而 随着 研 究 的不 断深 入 ， 粉煤 灰本 身 的形态 效 应 和微 集 料 效 应也 逐 渐 得 到 重视 。 在 现 阶段 的研 究 中 ， 粉煤 灰对 混凝 土性 能 的探讨 ， 主 要从 物 理作用 和化 学作 用两 方面进 行 。 粉 煤灰 的物 理作用 主要 体现 在形 态效应 和微 集 料 效应 上 ， 是 一切 与 自身化 学性质 无关 ， 而 又能促 进 和改 善 混 凝 土 多 种 性 能 ( 如 强 度 、 抗 渗 性 、 耐 磨 性 等 ) 的各种物理效应 的总称 。它使得粉煤灰能够直 接 被充 分 利 用 ， 是 粉 煤 灰 早 期 作 用 的主 要 来 源 。 Wa n g等人 通过研究不同粒径分布以及 不同颗粒 形态的粉煤灰对于水泥砂浆需水性的影响 ， 他们认 为粉煤 灰 的形态 效 应是 其 表 面 作 用 、 填 充作 用 以及 润滑作用的综合体现。表面作用取决于粉煤灰的比 表面积 和其 颗粒 的亲 水能 力 ， 比表面 积越 大 ， 其 表层 需 水量 越 大 ； 填充 作 用 主 要取 决 于粉 煤 灰 颗粒 的粒 径分 布 ， 较 小 的粉 煤 灰 颗 粒 能够 填 充 到 水 泥颗 粒 之 间 ， 从 而减 小 了水 泥 对水分 的需 求 ， 这 同表 面作 用与 颗粒大小的关系恰好相反 ； 润滑作用则取决于粉煤 灰颗粒 形 状 ， 圆形颗 粒具有 较好 的润 滑作 用 。 粉煤 灰 的 微集 料 效 应 主要 有 两方 面 意 义 ： 一是 由 于 粉 煤 灰 颗 粒 自身 强 度 很 高 ， 其 抗 压 强 度 在 7 0 0 MP a 以上 ， 因此粒 度较 小 ( 3 0 m 以下 ) 的粉煤 灰 颗粒 在水 泥 石 中可 以起 相 当 于水 泥 熟 料 颗 粒 的作 用 ； 同时 ， 粉煤 灰颗 粒 使 得水 泥 基 材 料更 加 密实 ， 这 53 是 因为粉煤灰的掺人能够填： 充到水泥浆体或者混凝 土中较粗的孔隙， 尤其是填塞了浆体中毛细孔通道 ， 对 水 泥石或 混凝 土 的耐久性 能特 别有 利 6 3 o 粉煤 灰 在水 泥 水化 早 期 主要 起 到 物理 作 用 ， 而 到中后期 ， 它可以与水化产物 C a ( O H) 发生化学反 应形 成具有 胶凝 性 质 的水 化 硅 酸 钙 ， 其 基本 的反 应 方程 式如下 所示 ： C H+S+H C S H ( 1 ) 式 ( 1 ) 是粉 煤 灰 主要 的 火山灰 反 应 ， 它 在 动 力 特性上与硅酸二钙 的缓慢水化反应非 常相似。因 此 ， 从 某种 意义 上来 说 ， 添加： 盼煤 灰 与提高 水泥 中 的 硅酸二钙矿物含量有相似的效果 ： 即都降低混凝土 早期 水化 放 热 和 早 期 强 度 ， 但 不 会 影 响 长 期 强 度 。 而 同时 由于粉 煤灰 产生 的火 山灰反 应 的使 得混 凝土 实 际 固相 体积 增 大 ， 因此 混 凝 土 的最 终 孔 隙 率得 到 降低 ， 故掺粉煤灰混凝土与纯水泥混凝土相比， 将具 有更 高 的强度 和耐 久 性 ， 因此 粉 煤灰 在 现 代 高性 能 混凝 土 中能得 到广 泛 的应用 。 2试验材料和 混凝 土配 合比 试 验所 用 水 泥 采 用 P ( 1 5 2 5级 普 通 硅 酸盐 水 泥 ， 细度 模量 为 3 5 0 m k g ， 矿物 成分见 表 1 。 表 1水 泥矿 物 成 分 矿物成分 含量 硅 酸 二 钙 1 9 8 硅 酸三 钙 5 4 6 铝酸三钙 6 9 铁铝酸四钙石膏 1 0 1 5 1 骨料 ： 细骨料采 用河砂 ， 细度模 数为 2 3 2 6 ， 含 水率为 1 1 ， 含 泥质 量分数 1 4 ； 粗 骨料 为碎石 ， 5 2 5 m m连续级配 ， 含泥质量： 分 数 0 5 。 外 加剂 ： 矿粉 采用 $ 9 5级磨 细矿粉 ， 细度 模量 为 4 5 0 m k g ； 粉煤灰采用 I 级 C l a s s F ( 低钙) 灰 ， 细度 模 量 为 4 0 0 m k g 。 减 水剂 ： 采 用聚羧 酸类 高性 能减水 剂 。 配合比： 试验 配合 比采用 的水 灰 比为 0 5 0和 0 3 5， 粉煤灰 和矿 渣替代水 泥量 均为 3 0 ， 试验配 合 比见 表 2 。 表 2混凝配合比 配合 比编号水 泥 ( k g m ) 粉煤灰 ( k g m ) 矿粉 ( k g m ) 1 3 3 1 1 5 水 ( k g m ) 1 5 5 1 5 5 1 5 5 1 9 2 l 9 2 l 9 2 砂 ( k g m ) 粗骨料 ( k g , m ) 减水剂 ( k g m ) O 3 5 P C O 3 5F A 0 3 5 FL AG 0 5 O PC 0 5 0F A 0 5 0 FL AG 4 4 3 31 O 31 0 38 4 2 6 9 2 6 9 6 72 6 72 6 7 2 7 2 8 7 2 8 7 2 8 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 1 O 1 1 O 1 1 0 4 5 5 4 5 5 4 5 5 一 5 4 浙江建筑 2 0 1 2年第 2 9卷 3 试验结果与分析 试验 6种配合比混凝土 0 9 0 d抗压强度的发 展变化见表 3 。从 表 3可 以看 出， 掺入矿物掺合料 会明显 降低 混凝 土早期抗 压强 度 的增 长， 尤其是 07 d ； 但 是 ， 后 期 强 度 ( 9 0 d ) 相 差 不 大 ， 而且 掺 矿 物掺合 料混 凝 土后 期 强 度 增 长较 快 。可 以预 计 ， 掺 矿 物 掺合 料 混 凝 土 在 9 0 d之后 抗 压 强 度 还 将 继 续 增长 ， 并最终超过纯水泥混凝 土。同时 ， 还 可 以看 出 ， 掺 入矿 渣混凝 土 3 d之 后抗 压 强 度增 长 最 快 ， 其 抗压 强度 逐渐超 过 掺粉煤 灰 混凝 土 ， 并 在 1 4 d时强 度接 近单 掺水 泥混凝 土 。 表 3混 凝 土 抗 压 强 度 O 3 5 PC 0 3 5 FA O 3 5F L AG O 5 0 P C 0 5 OF A 0 5 O FL AG ( t ) M P a ( t ) f o ( 9 0 ) ( t ) MP a ( t ) L( 9 0 ) ( t ) MP a ( t ) f o ( 9 0 ) ( t ) MP a ( t ) f o ( 9 0) ( t ) MP a ( t ) f o ( 9 0) ( t ) MP a ( t ) ( 9 0 ) 4 O 8 5 1 O 1 3 4 1 8 O 1 5 4 2 0 6 1 O 2 1 7 6 0 4 9 0 8 8 O 58 1 O 7 1 5 4 9 2 4 5 9 4 6 5 9 l 9 3 5 3 0 7 1 5 8 1 9 3 9 7 5 3 3 4 0 7 5 4 6 5 3 0 9 1 5 1 3 5 2 4 3 1 8 2 3 3 6 8 5 5 l 1 4 8 8 2 3 l 1 O 3 8 8 7 3 4 5 6 4 6 4 0 2 8 6 7 3 8 4 4 2 8 2 8 l 5 3 24 8 8 4 3 41 6 1 6 3 3 5 6 1 9 1 9 8 1 3 5 7 6 1 5 0 1 2 7 7 1 6 7 1 1 8 3 8 1 4 5 9 5 61 6 9 41 9 7 5 6 2 7 3 7 5 2 6 4 8 0 2 7 1 2 4 8 9 5 2 3 Ol 4 2 4 9 7 2 8 1 9 0 9 3 5 2 1 7 7 0 0 4 61 8 3 8 2 8 9 4 2 8 9 7 4 O 8 3 2 31 5 8 3 2 38 0 2 7 0 2 0 7 4 3 4 9 2 8 4 6 3 2 4 8 4 9 0 6 7 5 7 9 O 6 O 5 5 6l 9 6 0 4 4 3 7 9 7 9 0 4 4 8 4 9 8 9 5 3 8 0 O 7 1 0 0 7 4 4 9 1 O 0 7 4 5 9 l 0 O 5 7 9 0 1 00 5 5 4 0 1 0 O 5 4 1 6 1 0 0 3 1 水灰 比对 高性能 混凝 土抗压 强度 的影响 不 同水灰 比混 凝 土抗 压 强 度 时 变 曲 线 见 图 1 。 由图 1可知 ： ( 1 ) 0 3 5 P C 的抗 压 强 度 一 直 高 于 0 5 0 P C ， 这是由于混凝土的抗压强度主要取决于混 凝土内部的孔隙率以及界面过渡 区的作用， 而降低 w c 可 以使 混凝 土 的总 孔 隙率 下 降 ， 并 且 当 w c下 降到一定程度时( 0 3 5 ) ， 可以显著改善界面过渡区 的强度 J 。( 2 ) 0 3 5 P C抗压 强 度 增 长速 率 高 于 0 5 0 P C， 特别是 7 d之前， 0 3 5 P C的抗压强度增长 曲线斜率非常大 ， 同时 ， 由表 3可知 ， 0 5 0 P C 7 d抗 压强 度 增 长 6 4 8 8 ， 而 0 3 5 P C已 增 长 8 3 8 6 。 这是 因为在 水灰 比低 的情 况 下 ， 水 泥 颗粒 彼 此 靠 得 更 紧 ， 凝胶 体形 成连续 系统 更快 ， 因此低 水灰 比混 凝 土抗 压强度 增 长更快 。 龄期 d 图 1不同水灰比高性能混凝土抗压强度 时变 曲线 3 2 掺合 料 对 高性 能 混凝土 抗压 强度 的影 响 矿物掺合料替 代水泥会减缓 高性能混凝 土早 期 水 泥水 化 ， 从 而 导 致 其 早 期 抗 压 强 度 增 长 较 纯 鲁苣 噬坦鞲 第 7期 滕骅等： 掺合料对高性能混凝土抗压强度增长的影响 水 泥 混凝 土 慢 。水 灰 比 0 5 0和 0 3 5在 不 同矿 物 掺 合 料条 件 下 ， 混 凝 土 抗 压 强 度 增 长 的 时 变 曲线 分别见图 2 、 图 3 。分析试 验 曲线 可 以发现 ， 两个 水 灰 比混 凝 土抗 压 强 度 增 长 都 具 有 如 下 相 同 的规 律 ： ( 1 ) 在 09 0 d ， 纯 水 泥 混 凝 土 P C的 抗 压 强 度 都 在 掺 粉 煤 灰 ( F A) 和 矿 渣 混 凝 土 ( F L A G) 的 上 方 ， 7 d之前 P C的抗压强度增长速率都高于 F A和 F L A G， 这 说 明 矿物 掺 合 料 的 掺人 会 使 得 混 凝 土 早 期水泥水化 得到 减缓 。( 2 ) 两个水 灰 比的 F A和 F L A G曲线 在 71 4 d试 验 期 问都 有 一 个 相 交 点 ， 在 这 个交 点 之后 F L A G的抗 压 强度 超 过 F A， 而 且 ， 在 31 4 d这 段 龄 期 ， F L A G的 抗 压 强 度 增 长 速 率 一 直高于 F A。产生这种现象是由于矿渣本身具有 一 定 的水 化 能力 ， 而且 它 在 3 d左 右 开始 与水 泥 水 化产物氢氧化钙 晶体开始反应 ， 形成 二次水 化反 应 ， 导致 抗 压强 度 快 速 增 长 。 而 粉 煤 灰 在 1 4 d之 前 的作用 则主要体 现在物理 吸附效应 上 ， 对 抗压 强度增长没起到多大 的作用。( 3 ) 掺粉煤 灰混凝 土在 1 4 d之后抗压强度增长速率逐渐高于 F L A G， 其 抗 压强 度 在 水 灰 比 0 5 0中 超 过 F L A G， 而 在 水 灰 比 0 3 5中也 有超 过 F L A G的趋 势 。这 是 由于 粉 煤灰吸附的水分在 1 4 d之后 开始释放 出来 ， 同时 粉煤灰开始与氢 氧化钙 晶体发 生反应 ， 形成 混凝 土的第二次水化反应 ， 而对 比而言 ， 矿渣与氢 氧化 钙的二次水化反应在 1 4 d之后 已大幅度减慢下来。 ( 4 ) 纯水泥 混凝 土的抗 压强 度 在 2 8 d之后 增 长极 其 缓 慢 ， 基 本趋于稳定 ， 而 F L A G和 F A仍有小 幅度 的增 长， 尤其是掺粉煤灰混凝土。可以预计 ， F L A G和 F A 抗 压强度最终会接近甚 至超过 P C 。 图 2 w c O 5 0不同掺合料高性能混凝土 抗压强度时变曲线 龄期， d 圈 3 w c O 3 5不 同掺合 IIi I 高性能混凝土 抗压 强度 时变 曲线 5 5 4 结 语 本文研究矿物掺合料 ( 粉煤灰和矿渣 ) 对高性 能混凝 土抗压 强 度增 长 的影 响 ， 可 以初 步得 到 如 下 结 论 ： 掺合料 取代 水 泥会 减 缓 高 性 能混 凝 土 早 期水 化， 使得混凝土抗压强度增长速率降低 ， 因此掺合料 的掺人会对混凝 土的早期 强度增 长产生较 大的影 响 ， 在施 工过程 中要 充 分 考 虑这 个 因素 。粉 煤 灰 自 身的物理包裹作用和其独特的吸附效应会使水泥的 早期水化得到一定 的延迟 ， 因而导致掺粉煤灰混凝 土早期强度较低 ， 而其后期( 1 4 d之后 ) 的释放能力 及 火 山灰效应 会 导致混 凝土 的二 次水化 反应 。矿 渣 在早期的 自身的水硬性及与水泥水化产物氢氧化钙 晶体发生二次水化反应 ， 因此掺矿渣的混凝土在 3 d 之 后抗 压强度 增 长明显 。 参 考 文 献 1 E L L I S M C A p r o p o s e d me c h a n i s m f o r t h e g r o w t h o f c s H d u r i n g t h e h y d r a t i o n o f t r i c a l c i u m s i l i c a t e J C e m e n t a n d C o n - c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 5 ) ： 6 6 56 7 2 2 MI N D E S S S ， YO U N G J F ，D AR WI N D 混凝土 M 吴科如 ， 张 雄 ， 姚武 ， 译 北京 ： 化学工业出版社 ， 2 0 0 5： 4 1 94 2 5 3 洪天从， 基于 电阻率 法的混凝 土 化进程 和渗透 性能演 变规 律研究 D 杭州 ： 浙江大学建筑： 程学院 ， 2 0 1 2 4 李 国栋 粉煤灰的结构、 形态 与活性特征 J 粉煤灰 的综合应 用 ， 1 9 9 8 ， 3 ( 1 2 ) ： 3 5 3 8 5 WA NG A Q，Z HA N G C Z，S U N Wny a s h e f f e c t s ：IT h e m o r p h o l o g i c a l e f f e c t o f fl y a s h J ： C e me n t a n d C o n c r e t e R e - s e a r c h ， 2 0 0 3， 3 3 ( 1 2 )： 2 0 2 3 2 0 2 9 6 沈旦 申 粉煤灰 混凝土 M 北 京： 中国铁 道 出版社 ， 1 9 8 9： 6 9 73 自 髓骥 日 自苣 疆趟