矿物质超细粉对混凝土性能的影响研讨(2021整理).docx

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浅谈矿物质超细粉对混凝土性能的影响
作者
（单位）

摘要：高性能混凝土是目前混凝土发展的主要方向之一，而矿质超细粉是高性能混凝土不可或缺的一部分。从近来几十年的得研究成果来看，制备高新能混凝土的技术途径基本上是在普通混凝土四种基本组分（水泥、水、细骨料和粗骨料）基础上复合超塑化剂（高效减水剂）和矿物质超细粉的方法。配置高性能混凝土是掺入超塑化剂是为了使其具有合适的工作性，而矿物质超细粉作为第六组分，是配置高新能混凝土必不可少的。这除了可以起到填充水泥石的效应外，由于这些矿质超细粉具有相当的火山灰活性，从而提高混凝土的密实性，对提高强度及后期强度的发展也十分有利，而且有些矿物质超细粉还具有辅助减水效果，可以减少混凝土的用水量或有益于改善混凝土的工作性。
关键词：矿物质超细粉；填充效应；水灰比；界面过度结构；孔结构；碱-骨料反应
1矿物质超细粉
矿物质超细粉是指粒径<10 μm的矿物质粉体材料。由于超细化而具有新的特性：表面能高；‚对水泥空隙的微观填充作用；ƒ化学活性的提高。由于这些特性，使超细粉在水泥浆体中具有过去一般掺合料没有的功能。在我国GB1344-1999规定的矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥中，矿渣、火山灰质材料及粉煤灰是与水泥熟料共同粉磨的，这些掺合料的粒径与水泥粒子是大体相等的。而矿物质超细粉是作为混凝土的一个组分材料而被单独粉磨的。超细粉一般的比表面积≥6000；而一般水泥的细度仅为2800-3200左右。超细粉掺入水泥中起微观填充作用，并给混凝土带了许多新特性。工程上经常使用的高性能混凝土超细粉的品种有:硅粉（SF)、粉煤灰(FA)超细矿渣(BFS)。另外,还有超细沸石粉(NZ)、偏高岭土超细粉(MK)等等。

2 影响混凝土性能的因素
2.1水灰比
普通混凝土要想获得较高强度，主要是降低水灰比。通过Rüsh提出的相图，水灰比与水泥浆组成关系（如图-1所示）。混凝土的8时，水全部水化后，水泥石中有水泥凝胶、凝胶水、毛细水和空隙。毛细水是可以在混凝土中扩散渗透的，这就造成了毛细管的存在，使混凝土的抗渗性降低，耐久性降低。普通混凝土水灰比（W/C）通常在0.4-0.8之间，所以在其水泥石中存在大量毛细孔，对混凝土的抗渗性和耐久性很不利。水灰比过低的话就会造成混凝土施工性能差，无法均匀密实的填充模板。

图-1 水泥浆组成与水灰比关系（水泥水化程度100%）
骨料和水泥浆的界面过度结构
普通混凝土受压破坏时，一般沿着骨料和水泥浆的界面破坏。这是由于水泥浆与骨料的界面附近，形成一个过渡带，其特点是Ca(OH)2粗大的结晶与定向排列富集与界面上，而且往往存在许多孔隙、水囊和潜在的微裂缝。（如图2所示）。所以过渡带的强度低，抗渗性和耐久性都不好。

图-2水泥浆-骨料界面的微观结构模型图（森野）
2.3水泥石中的孔结构
普通混凝土的水泥石中有大量的孔隙存在，这些空隙对混凝土的强度和耐久性都很不利。

3 掺入矿质超细粉后混凝土一些性能的变化
矿质超细粉改善骨料和水泥石之间的界面结构
由于超细粉的火山灰活性和微填充效应，使得界面过度去孔隙率降低及结晶含量降低。图-3为Khagat等以15%的硅粉取代水泥后，得到的混凝土（)的界面过渡区孔隙率和原生CH明显降低。

图-3 含与不含硅粉（SF)的混凝土中，水泥石与粗骨料界面区形成简图
（K.H.Khagat and P.C.Aitcin)
图中a）不含SF的新拌混凝土，由于泌水，在粗骨料表面周围形成水囊，而界面连接处水泥粒子也不足；b）是在a）所示基体系统硬化后的过渡区。在过渡区存在着CH相、C-S-H相及流线的大量空隙，还有一些类似于针状物填充其间。c）含SF新拌混凝土，SF微粒填充于粗骨料周围的空间，而不是被水占据；d）是在c）的基体中的过渡区，孔隙率很低。

3.2 改善了水泥石的孔结构
以20%的复合超细粉等量取代水泥，5制成的水泥净浆试件，标准养护7d、28d，测定的含于不含超细粉的孔结构如图1-4所示。

图-4 含（a）与不含（b）超细粉的水泥石结构（冯乃谦）
（以20%复合超细粉等量取代水泥，5，标养7d、28d的孔结构）
由图可见，7d龄期时，100nm以上大孔，不含超细粉的试件含量偏高一些。而<100nm的孔含量，则含超细粉的试件偏高些。28d龄期时，含超细粉的试件，≥100nm的大孔含量明显少于不含超细粉的试件；<100nm的小孔，明显地高于不含超细粉的试件。
有大量的实验证明，≥100nm的大孔含量高，对混凝土的强度、抗渗性、耐久性都不利；<100nm的孔含量高，有利于强度、抗渗性和耐久性。

3.3 矿质超细粉的减水作用
由于矿质超细粉的比表面积都比较大，而且具有活性，在不掺入高效减水剂，对于新拌混凝土无明显的减水效果，甚至反而增水。但当与高效减水剂双掺时，其增塑减水效果急剧增加，表现出比单掺减水剂更优越的流动性。表-1为矿质超细粉掺合料的减水实验结果。表-1中的硅灰比表面积约为200000，矿渣超细粉和粉煤灰的比表面积分别为8800和7017。
表-1 矿质超细粉掺合料减水率实验（蒲心诚）
实验配比
水泥/%
矿物掺合料/%
高效减水剂/%
流动度/mm
需水量/mL
减水率/%
硅灰
粉煤灰
矿渣
1
100
0
0
0
0
145
112
0
2
100
0
0
0

150
76

3
90
10
0
0
0
145
190

4
90
0
10
0
0
146
110

5
90
0
0
10
0
145
108

6
90
10
0
0

148
64

7
90
0
10
0
1.5
148
72

8
90
0
0
10

145
76

9
90
5
5
0
0
146
174

10
80
10
10
0
0
146
240

11
80
10
0
10
0
148
215

12
80
0
10
10
0
147
110

13
90
5
5
0

148
61

14
80
10
10
0

145
59

15
80
10
0
10

145
62

16
80
0
10
10

145
70

降低水化热
由于矿质超细粉具有火山灰活性，可以和水泥石水化放出的反应，速率与水泥相比相当小，水化热也小。因此以超细粉置换一部分水泥后，水化热放出的速度减缓了。其中粉煤灰降低水化热的效果是最好的，矿渣超细粉次之。硅灰由于比表面积很大，火山灰活性反应的速率较快，它降低水化热的效果最差。
在广州，某工程基础为满堂红大体积钢筋混凝土，在混凝土内掺30%矿渣粉以降低水化热。但凝结硬化后，由于水化放热，仍有大量的温度裂缝。后来改为内掺30%的粉煤灰，裂缝问题解决了。说明粉煤灰降低水化热的效果更好。

提高混凝土的体积稳定性。
由于水化反应产物的体积相对于水化之前会减小，所以掺入超细粉置换水泥，会使水化反应产物减少，从而提高体积稳定性。粉煤灰对混凝土土体积稳定性最好。
抑制碱-骨料反应
碱骨料反应是一个很复杂，大量的研究表明碱骨料反应需要有水和碱浓度很高的条件下进行。由于火山灰活性掺合料能与水泥石中的反应，降低混凝土中碱的浓度，而且混凝土中加入超细粉使混凝土结构密实，毛细孔很少，使水渗透量小，从一定程度上抑制碱-骨料反应。通过冯乃谦在矿物质超细粉对碱-骨料反应（ASR)抑制的研究中可知，天然沸石超细粉对碱骨料反应的抑制最有效，当天然沸石超细粉（比表面积6000~8000）取代混凝土中20%水泥，可以有效地抑制碱硅反应的有害膨胀。优于矿渣超细粉和粉煤灰。

4 结论
因此，通过矿质超细粉在混凝土中得应用，改善了混凝土的一些施工性能，改善了骨料与水泥石的界面结构，改善了水泥石的孔结构；提高了混凝土的抗渗性、耐久性和强度。在混凝土中加入矿质超细粉是获得高性能混凝土很重要的一方面。
但是，矿质超细粉对混凝土性能的影响并不都是好的方面。例如，在硅灰混凝土中，硅灰和水化硅酸钙在相当短的时间内就发生反应，生成凝胶状物质，使混凝土的坍落度损失加快；火山活性的矿物掺合料，与反应，使碱含量，是混凝土的中性化速度加快。
由于不同的矿质超细粉具有的物理和化学性质都不尽相同，所以要根据工程实际的需求选择合适的矿质超细粉，而且矿质超细粉不同的置换率对混凝土性能的影响不相同。所以为了更好地利用矿质超细粉，还需根据国家规范，查阅很多国内外的资料，根据工程实际情况要求，合理的选择矿质超细粉的种类和置换率，以及与之相匹配的水泥和骨料。

参考文献：
[1] 冯乃谦. 高新能混凝土结构 .机械工业出版社
[2] 姚武. 绿色混凝土. 化学工业出版社
[3] 符芳. 土木工程材料 . 东南大学出版社
[4] 王冲，蒲心诚. 超细矿物掺合料对新拌混凝土的增塑减水机理分析. 混凝土，2001， 8:51~54
[5] 蒲心诚. 应用比强度指标研究活性矿物掺合料在混凝土中得火山灰效应 . 混凝土与水泥制品，1997,6：

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