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高性能混凝土掺合料研究综述

摘要：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，并广泛应用。本文着重介绍了矿物掺合料的作用效果和机理，对混凝土性能的影响以及当中存在的问题并提出些自己的看法。
关键词：掺合料；作用机理；混凝土性能

0 引言
随着混凝上科学技术的快速发展，其性能由单一的高强度向高性能(强度、耐久性)化方向发展，混凝上的配合比由原来的水泥、砂、石子、水等四组分向现在的水泥、掺合料、砂、石子、水、减水剂等六组份方向发展。近年来，利用活性矿物掺合料配制混凝土是近年来该领域研究的热点之一。掺合料的掺入可降低混凝上温升，改善混凝上工作性能，增进后期强度，并可改善混凝上的内部结构，提高抗腐蚀能力；而且可以节约能源和资源，有利于环境保护。

1 国内外研究现状
目前国际标准化组织及大多数国家根据掺入制造时外掺物掺人时间，掺入主要的作用的不同把外掺物分为化学外加剂(additive)和矿物外加剂(addmixture)同时还专门把水泥制造过程中掺入的工艺外加剂(Additive)和大量使用的水泥混合掺合料(cement addmixture)如矿渣(slag)、粉煤灰(fly—ash)等区分开来。其实一直以来掺合料悄悄逐渐在混凝土技术中应用开来，在不同时期，人们在混凝土中加入掺合料目的是不同的。在20世纪50、60年代，我国水泥产量较低，而且品种比较单一，水泥本身的掺合料量较少，人们在拌制混凝土时常常用一定数量的掺合料来代替水泥。在20世纪70、80年代，由于对混合材认识水平的提高，在水工、大型建筑物的基础等一些大体积混凝土中加入掺合料是为了降低混凝土的水化放热量，减少温度裂缝。90年代以后，人们对混合材的认识有了很大的转变，不再把一些工业废渣看成是混凝土的掺合料，而把它们看成是混凝土中必不可少的改性材料。掺合料的品质有了很大的提高，掺合料的掺量也有较大幅度的提高。
同样，从20世纪80年代起，我国对混凝土掺合料研究也逐渐重视起来，2005年《混凝土用矿物掺合料应用技术规程》作为天津市地方工程标准，2009年11月7日,“全国混凝土外加剂与掺合料应用技术交流大会”在济南召开，中国混凝土与水泥制品协会会长徐永模指出,混凝土行业的发展,要在加强自主创新能力,提高混凝土性能以及大力推动绿色环保、节能减排等方向进行努力，报告主要内容为多组分掺合料对改善混凝土性能的研究成果。此外，2010年2月石家庄市建筑协会混凝土专业委员组织石家庄建工集团等企业开展混凝土粉煤灰-矿渣粉掺合料应用技术的课题研究，明确指出采用矿物掺合料来改善混凝土性能是一项重要技术措施，并编制了《混凝土粉煤灰-矿渣粉掺合料应用技术规程》。
综上所述，混凝土掺合料的研究应用越来越受到国内外研究者的关注，已经取得了较大的研究成果。

2 常用矿物掺合料简述
2.1粉煤灰
粉煤灰又称飞灰，主要来自于燃煤电厂排放出的粉尘，是一种颗粒非常细以致能在空气中流动并被除尘设备收集的粉状物质。粉煤灰的主要成分为si02，AI2O3，以及少量FeO、CaO、MgO等，有些时候含有比较高的CaO。粉煤灰外观类似水泥，胶凝性差，是目前用量最大的混凝土掺合料。
2.2 矿渣
粒化高炉矿渣是溶化的矿渣在高温状态迅速水淬而成。矿渣的主要化学成分为Si02、CaO、Al2O3。矿渣有碱性、酸性和中性之分。酸性矿渣的胶凝性差，而碱性矿渣的凝胶性好。因此，矿渣微粉应选用碱性矿渣。
2.3 硅灰
硅灰是电弧炉冶炼金属或硅铁合金时的副产品。硅灰的主要成分是Si0：一般占90％以上，绝大部分是无定形的氧化硅。硅灰很细，用透气发测得的硅灰比表面积为3．4—4．7m2／g，用氮吸附法测量，一般为18—22 m2／g。
2.4 石灰石粉
石灰石粉具有比熟料易磨性好的优点。合理的掺量在水泥体系中能改善整个体系级配，在应用过程中能起到矿物减水的作用，也可作为激发剂使用。
2.5 其他矿物掺合料
矿物掺合料还有沸石粉，高岭土粉，石英粉，稻壳灰等，其主要成分为SiOz。

3 作用效果及作用机理
3.1 作用效果
在混凝土中加入适量的矿物掺合料，可以部分替代，降低工程成本，减小水化热的危害，对混凝土的力学、耐久性、工作性均有改善。

3.2 作用机理
1)火山灰效应(活性效应)：粉煤灰中的SiO2、 A l2O3 等硅酸盐玻璃体, 与水泥、 石灰拌水后产生碱性激发剂Ca ( OH) 2 发生化学反应, 生成水化硅酸钙等凝胶,对砂浆起到增强作用。粉煤灰的活性效应就是指粉煤灰活性成分所产生的这种化学效应。如将粉煤灰用作胶凝组分, 则这种效应自然就是最重要的基本效应。粉煤灰水化反应的产物在粉煤灰玻璃微珠表层交叉连接, 对促进砂浆或混凝土强度增长 ( 尤其是抗拉强度的增长 )起了重要的作用。
2)微集料效应：矿物掺合料粒径很小，如硅灰达到纳米级别，未水化的颗粒可以填充到水泥石或水泥石与集料界面处孔隙当中，使混凝土结构更加密实可以减少一些结构缺陷，防止了泌水、离析，改善了可泵性，从而提高混凝土强度，改善其耐久性。
3)形态效应：矿物掺合料的颗粒形状多为球形，如粉煤灰颗粒为球形，可以在混凝土浆体内起到类似“滚珠”作用，提高流动性，提高流动性的同时还改善了粘聚性和保水性，更加利于泵送施工。

4 掺合料对混凝土的性能影响
4.1 含掺合料混凝土的流动性
掺合料具有独特的细度及无定形性质，适宜代替部分胶凝材料。小的球状硅粉颗粒填充于粗水泥颗粒间的部分空间，使细颗粒的粒度分布更合理，而且能置换出部分颗粒问填充的水分。这种填充作用有助于拌合水改善混凝土的流动性。因此，改善水泥和掺合料的级配，能使拌合物中可利用的自由水增加，达到所要求的稠度时，降低需水量。这也说明，掺合料对已给出用水量的混凝土，能改善流动性，掺合料具有形态效应。
4.2 含掺合料混凝土的强度
含掺合料的混凝土抗压强度除了与水胶比、养护条件有关外，还和掺合料置换率以及掺合料的比表面积有关，相关研究表明，含掺合料的混凝土长期强度好。且置换率越大，比表面积越小，长期强度增长比例越大。因而，考虑到掺合料混凝土的长期强度，设计其配合比时，在相同胶结料的情况下，可以提高矿渣粉对水泥的置换率。大幅度降低水泥用量，不仅具有经济效益，还能降低水化热，对大体积混凝土是十分有效的。并对推迟发热速度，提高混凝土强度也十分有效。此外，掺合料与硬化水泥石的骨面层受到火山灰反应产物的填充，相互结合强化，从而使掺合料混凝土的抗压强度和抗弯强度都比基准混凝土要高。
4.3含掺合料混凝土的耐久性
含掺合料的混凝土，由于其填充作用和火山灰反应，掺合料和混凝土中的Ca(OH)：反应，生成C—S—H凝胶。降低了混凝土的渗透性及Ca(OH)：的含量，因此，提高了抗硫酸盐等化学侵蚀的能力。不过由于掺合料的火山灰反应，消耗了一部分Ca(OH)：，影响了混凝土的pH值，从而影响了混凝土的碳化。碳化作用通过Ca(HC03)：、CaCO3等平衡，使混凝土的pH值降低，从而降低了对钢筋的保护能力；同时，碳化产生收缩，提高了空气对混凝土的渗透性，特别是低强度混凝土，渗透性相对较高。掺合料代替水泥量越大，碳化系数越大。此外，含掺合料的混凝土的耐磨性与耐火性能都有不同程度的提高，并且有一定的抵抗腐蚀环境的能力

5 待解决的问题
经过几十年的努力，矿物掺合料的研究已取得巨大进展，矿物掺合料对混凝土性能的有益性已勿庸置疑。但用作矿物掺合料的工业废渣毕竟是工业副产品，能满足混凝土要求可直接使用的工业废渣所占比例较低，不同品种、产地的工业废渣在化学品质、矿物组成、颗粒群分布及有害杂质含量等方面均存在较大差异，给其实际应用带来了极大的困难
5.1 矿物掺合料应用的理论研究
目前，虽然对矿物掺合料进行了大量的研究，但总体深度不够，研究缺乏一定的系统性与整体性，其制备和应用缺乏系统的理论指导，实际使用还存在较多问题。如高活性的硅灰虽能显著提高混凝土的强度及多种耐久性能，但却可能加剧混凝土的收缩，并对混凝土的工作性有不利影响，而且因资源有限、成本较高等方面的原因限制硅灰在混凝土中的应用。粉煤灰和矿渣虽在一定程度上能改善混凝土的工作性及诸多耐久性能，但在较大掺量下会使混凝土早期力学性能下降较明显。而当前人们认为，决定矿物掺合料使用性能的是其活性，因而在矿物掺合料加工时采取了许多物理及化学的措施来激发矿物掺合料的活性。这些措施虽在一定程度上提高了水泥混凝土强度，但也带来了一系列诸如可能引发碱集料反应、抗硫酸盐侵蚀能力弱、外加剂相容性差等隐患，给其应用造成许多人为的障碍。再如微集料效应，人们已认识到矿物掺合料的微集料效应对混凝土的增强作用，但目前研究大部分都停留在对现象的解释上，充分发挥矿物掺合料的微集料效应还必须进行深入研究。因此，需要发展一套系统理论来指导矿物掺合料的应用。
5.2 矿物掺合料性能评价问题
矿物掺合料的物理化学性质直接影响到混凝土的各种性能，因此矿物掺合料性能的评价问题一直备受关注，人们发明了许多方法，但均以矿物掺合料本身化学反应活性、矿物掺合料化学和矿物组成，以及掺有矿物掺合料的水泥强度等3种方法来评价矿物掺合料。这些方法虽然在一定程度上从某个侧面反映了矿物掺合料的性能，但还不足以全面评价矿物掺合料在水泥混凝土中的作用。如维卡法尽管在一定程度上能表征矿物掺合料本身的化学反应活性，但在现代混凝土技术中因低水胶比和高胶凝材料用量，矿物掺合料的化学反应活性并不居决定性地位，而矿物掺合料的粒径分布等因素对水泥基材料性能的影响很大，因此仅用维卡法并不能准确反映矿物掺合料的作用。再如强度法虽然在一定程度上综合体现了矿物掺合料的各种效应，但强度法容易受到矿物掺合料粒子与熟料粒子细度匹配问题的影响，并与熟料本身性质有关，因而抗压强度法受熟料性质影响较大，用强度法所取得的数据不具有广泛的可比性。因此需要研究一套合理的方法来评价矿物掺合料的性能。

6 结语
随着混凝土的高性能化，矿物质掺合料已成为其中的一个功能组分，对高性能混凝土发挥着重要的作用。对矿物掺合料进行研究，不仅可指导矿物掺合料的制备和应用，提高水泥基材料的性能，还可提高工业废渣的利用率及降低其利用成本，改善水泥生产不足和工业废渣污染环境等方面的矛盾。矿物质掺合料的种类很多，又各有特点。因此，掌握各种掺合料粉体的特点及其发挥作用的机理，对于全面合理地利用掺合料的重要性不言而喻。我们要根据实际需要来开发不同种类的复合掺合料粉体，综合利用各种粉体的特点，使混凝土技术的高性能化持续向前发展。