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矿物掺合料能使混凝土高强的作用机理
发布者:管理员   |   发布时间:2021-03-04   |   所属分类:行业知识   |   阅读次数:1199

矿物掺合料能使混凝土高强的作用机理

    材料试验证明,矿物掺合料在混凝土高强化中发挥了相当大的作用。因此,目前普遍认为矿物掺合料是配制高强混凝土不可缺少的一个组分。矿物掺合料在混凝土高强化中的作用主要表现在以下几个方面。

    (1)减少作用进一步降低水胶比高强混凝土对于单位体积的用水量有较高的要求。配制高强混凝土降低用水量是为了降低水胶比,目的在于提高混凝土的强度。从一定意义上讲,混凝土高强化的程度取决于混凝土用水量的降低程度。在高效减水剂使用之前,由于混凝土用水量比较大,很难降低水胶比,使得混凝土强度的提高受到很大限制。在采用高效减水剂后,混凝土的用水量大大减少,水胶比进一步降低,使得混凝土在高强化方面向前推进了一大步。由此可见,减少混凝土的用水量可以提高混凝土的高强化。然而,一些矿物掺合料也具有较强的减水作用,它可以使混凝土的用水量进一步减少,水胶比进一步降低,这一作用对混凝土的高强化是十分重要的。

    (2)填充水泥石的孔隙使毛细孔细化对于高强混凝土来说,由于水胶比较低,孔隙率通常也是较低的。因此影响混凝土强度的关键因素不是孔隙率,而是混凝土中孔的分布。也就是说,混凝土进一步高强化的关键在于使孔细化,由有害孔转变成无害孔。在混凝土中掺加细度合格的矿物掺合料,由于它们的颗粒很小,可以填充在水泥颗粒的空隙中,因而可以细化水泥石的孔隙。很显然,只有那些较细的矿物掺合料才具有这种细化能力,而较粗的矿物参合料不具有这种能力。这就是为什么只有那些超细的矿物掺合料才能配制高强混凝土的一个重要原因。

    (3)微集料作用改善硬化水泥石的变形性能许多研究结果表明,用粉煤灰、硅灰粉等部分地取代水泥后,可以减小硬化水泥石的自生体积变形和干缩变形,这不仅是提高了灌浆料的体积稳定性,更重要的是减少了微裂纹。众所周知,在水泥混凝土中,集料是不发生自身体积变形的,干缩变形也非常小。而硬化水泥石由于水化反应和环境的干燥作用发生变形,这种变形的不一致性则是微裂纹形成的主要原因。掺入矿物掺合料可减小硬化水泥石的这些变形,就意味着减小了微裂纹形成的动力,因而可以有效地减少混凝土中的微裂纹。

    (4)改善硬化水泥石与集料的界面结构硬化水泥石与集料的界面过渡区通常是灌浆料中的最薄弱环节,改善过渡区结构有利于提高灌浆料的强度。然而,矿物外加剂在这一方面有着特别的功能。从界面过渡区的形成过程来看,矿物掺合料对界面过渡区结构有两个方面的作用。

    ①可以防止混凝土中水囊的形成在集料下部形成的水囊对高强混凝土的强度有很大的影响,而这些水囊通常是由于泌水造成的。在混凝土中掺入一些矿物掺合料可提高水泥浆的保水性能,因而可以有效地避免形成水囊。

    ②可防止氢氧化钙晶体在界面过渡区的定向排列水泥水化释放出的氢氧化钙易在集料界面富集,并定向排列,从而形成一个薄弱的过渡区。众所周知,一些火山灰质矿物掺合料可与氢氧化钙反应,生成C-S-H凝胶,有效地减少了混凝土中氢氧化钙的含量,加之这些矿物掺合料的保水作用,有效地阻止了氢氧化钙向集料界面富集及其取向作用,使其能够均匀地分布在硬化水泥石中。

    由于以上这些作用,使得水泥石与集料的界面过渡区得到有效改善,水泥石与集料共同发挥作用,以促进混凝土强度的提高。工程实践证明,在制备高强混凝土中,掺加适量的磨细矿渣磨细粉煤灰、磨细天然沸石和硅灰粉等活性矿物参合料,从而可获得比不掺时更高的强度。

磨细粉煤灰

    粉煤灰又称飞灰,或简称为FA,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。通常所指的粉煤灰是指燃煤电厂在锅炉中燃烧后从烟道排出、被收尘器收集的物质。粉煤灰是一种典型的非均质性物质,通常呈灰褐色的球状颗粒,其比表面积为250~700m2/kg,颗粒尺寸从几百微米到几微米。

    优质粉煤灰中含有大量的SiO2和Al2O3,有时还含有较高的CaO,它们都是活性较强的氧化物,掺入水泥中能与水化产物Ca(OH)2进行二次反应,生成稳定的水化硅酸钙凝校,具有明显的增强作用。根据试验研究证明,优质粉煤灰同减水剂一样,也具有一定的减水作用,如I级粉煤灰的颗粒较细,在混凝土中能够均匀分布,使水泥石中的总孔隙降低,便化混凝土更加致密,混凝土的强度也有所提高。由此可见,粉煤灰能提高混凝土的强度是其具有的主要作用。

    在优质粉煤灰中含有70%以上的球状玻璃体。这些球状玻璃体表面光滑、无棱角、性能稳定,在混凝土中类似于轴承的润滑作用,减小了混凝土中各种材料之间的摩擦阻力,能显著改善混凝土拌合料的和易性,泵送高强混凝土掺入粉煤灰后可以提高拌合料的可泵性。在配制高强混凝土时掺加适量的粉煤灰,由于强度大幅度提高,孔结构进一步细化,孔分布更加合理,因此,也能有效地提高混凝土的抗渗性、抗冻性,混凝土的弹性模量也可提高5%~10%。

    在高强混凝土中掺入适量的粉煤灰,能改善混凝土的性能,提高混凝土的密实性和后期强度,这可以由粉煤灰效应来解释。用于配制高强混凝土的粉煤灰,掺入量一般为水泥质量的15%~30%。粉煤灰的质量至少应满足现行国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596-2017)中Ⅱ级粉煤灰的技术要求。

磨细矿渣

    粒化高炉矿渣磨细后的细粉称为磨细矿渣(GGBS)。粒化高炉矿渣是熔化的矿渣在高温状态迅速水粹而成。经过水粹急冷后的矿渣,其中玻璃体的含量较多,结构处在高能量状态不稳定、潜在活性大,但经过磨细才能使潜在的活性发挥出来。粉磨矿渣是提高其活性极为有效的技术措施,目前对其活性的有效利用基是通过细磨(比表面积300~800m2/kg)乃至超细磨(比表面积800~1200m2/kg)获得的。

    磨细矿渣的主要化学成分为SiO2、Al2O3和CaO。在一般情况下这3种氧化物的含量可达到90%。此外还含有少量的MgO、Fe2O3、Na2O、K2O等在高强混凝土中加入适量的磨细矿渣后,可以使得混凝土拌合物的流动性提高,泌水率大大降低,其早期强度与硅酸盐水泥混凝土相当,但混凝土的后期强度高,耐久性好由于磨细矿渣混凝土的浆体结构比较致密,且磨细矿渣能吸收水泥水化生成的氢氧化钙,从而改善了混凝土的界面结构。因此,磨细矿渣混凝土的抗渗性明显优于不参加磨细矿渣的普通混凝土,对混凝土的耐久性也带来了有利的影响。

    磨细矿渣对混凝土耐久性的贡献,主要表现在优异的抗氯离子渗透性和抗化学侵蚀性良好的抗冻性和抗渗性。所以,磨细矿渣混凝土特别适用于海洋构筑物、地下工程及受到污染的、需要抗侵蚀的混凝土结构。

    在高强混凝土的配制中,磨细矿渣的掺量一般在20%~50%,而且经常与其他掺合料如粉煤灰或者硅灰粉复掺,在上海市东海大桥的建设中,就成功地采用这种复掺技术。

硅灰粉

    硅灰粉又称微硅粉。在冶炼硅金属时,将高纯度的石英、焦炭投入电弧炉内,在2000℃的高温下,石英被还原成硅,即成为硅金属。10%~15%的硅化为蒸气,并进入烟道。硅蒸气在烟道内随气流上升,与空气中的氧结合成为二氧化硅,通过回收硅灰粉的收尘装置,即可收得粉状的硅灰粉。目前,也有采用特种工艺人工制备的。

    硅灰粉的主要成分是SiO2,一般占85%以上,绝大部分是无定形的氧化硅。其他成分如氧化铁、氧化钙、三氧化硫等一般都不超过1%,烧失量为1.5%~3%。硅灰粉最主要的品质指标是二氧化硅含量和细度。二氧化硅含量越高、细度越细,其对混凝土的改性效果也越好。

    由于硅灰粉中主要含有极细(0.1~0.2pm,为水泥粒径的1/50~1/100)的无定形的二氧化硅,所以在氢氧化钙碱性激发剂的作用下,无定形的二氧化硅便很快与氢氧化钙反应生成水化硅酸钙。由于硅灰粉中的二氧化硅含量极高且颗粒极细,因此具有极高的火山灰活性,对混凝土的早期和中期强度的发展特别有利。此外,当它均匀分布在水化产物中时,其极细的颗粒还具有良好的微填充效应,使混凝土的孔结构充分细化。上述两个特性导致混凝土的强度和耐久性显著提高。

    工程实践证明,在所有的矿物掺合料中,硅灰粉是和生产高强混凝土联系最密切的,因为对于给定的取代水泥比例,它通常产生最大的强度增长。硅灰粉通常用来帮助低于60MPa混凝土强度的发展,但当混凝土的强度为90MPa或更高时,必须参加一定量的硅灰粉。

    硅灰粉在高强混凝土中的掺加量,一般为胶凝材料的8%~10%。掺加硅灰粉的高强混凝土的水胶比为0.22~0.25,利用高效减水剂后混凝土的坝落度可达20cm左右,混凝土的强度可达到120MPa以上。在配制C80以下的混凝土时,硅灰粉的用量一般为胶凝材料总量的5%~10%。

    根据实际调查,硅灰粉还是目前为止价格最高的矿物掺合料,其成本是硅酸盐水泥的若干倍。因此,用硅灰粉取代部分水泥后将使胶凝材料的成本提高较多,但如果要配制C80以上的高强混凝土,掺加硅灰粉仍是目前国内外常用的简便有效的技术途径。

磨细天然沸石粉

    磨细天然沸石粉是天然的沸石岩磨细而成,颜色为白色。沸石是火山熔岩形成的“架状”结构的铝硅酸盐矿物,主要由SiO2、Al2O3、H2O和碱金属、碱土金属离子组成,其中硅氧四面体和铝氧四面体构成了沸石的三维空间结构,碱金属、碱土金属和水分子结合的松散、易置换,使得沸石具有特殊的应用性能——吸附作用,离子交换作用等。根据材料试验可知,磨细天然沸石粉掺入混凝土中主要具有如下作用。

    (1)提高混凝土的强度和抗渗性天然沸石对于混凝土的强度效应首先来源于沸石矿物组成、特殊结构和较大内表面积等特点。沸石中的主要化学成分是SiO2,约占70%,另外含有A12O3约占12%,同时还含有较高的可溶硅铝,但天然沸石岩粉本身没有活性。天然沸石掺入混凝土后,一方面在混凝土中的碱性激发下,由于沸石晶体结构中包藏的活性硅和活性铝与水泥水化过程中提供的Ca(OH)2发生二次反应,生成C-S-H凝胶及硅酸钙水化物,使混凝土更加密实,强度提高;另一方面,沸石粉加入水泥混凝土后,在搅拌初期,由于沸石粉的吸水,一部分自由水被沸石粉吸走,因而,要得到相同的坝落度和扩展度,减水剂的用量有所增加,但在混凝土硬化过程中,水泥进一步水化需水时,沸石粉排出原来吸入的水分后体积膨胀,使拌合物的黏度提高,粗集料的裹浆增加,因此,粗骨科与水泥的界面得到改善,拌合物比较均匀,和易性好,泌水性减少,从而增加了混凝土的抗渗性。

    (2)抑制混凝土碱-集料反应由于碱-集料反应对混凝土耐久性的极大危害,碱-集料反应的核心问题是混凝土中的碱与集料中的活性组分发生反应。

    混凝土中所含的碱,主要由生产水泥的原料黏土、燃料煤引入及拌合水及化学外加剂中的碱。水泥中的碱一部分以硫酸盐及碳酸盐的形式存在,一部分固溶在熟料矿物中,而拌合水及化学外加剂中的碱类全部是水溶性的,均能参与碱集料反应。在拌合混凝土时,水泥中以硫酸盐及碳酸盐形式的碱及拌合水、化学外加剂中的碱,可以很快溶入水中,而固溶在熟料中的碱则随着矿物水化的进行而缓慢地溶入水中,同时溶入水中的碱类又被部分被水化产物所吸收,并以不可溶的形式存在,可溶部分很大程度以Na2SO4存在。

    掺入天然沸石能抑制混凝土碱-集料反应的危害,是因为以下几点:①沸石粉替代部分水泥,使混凝土总体系中水泥量减少,降低了混凝土中含碱量;②由于天然沸石具有离子交换性和离子交换选择性,使得混凝土中的Na+比较容易进入沸石中,而Ca2+则被交换出来,降低了Na+浓度;③如上述的沸石晶体结构中包藏的活性硅和活性铝,可与Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶,能吸收一定量的碱,另外沸石强大的吸附特性将混凝土中的游离钠吸附到其特有的晶体孔穴和通道中去,降低了游离钠的浓度。

    综上所述,由于混凝土中碱性浓度得到降低,有效地抑制了碱集料反应的危害。

    (3)降低混凝土的水化热在高强混凝土中,由于水泥用量较高,混凝土中的水化热也较为集中;在大体积混凝土中,水泥的水化热较高。在掺入沸石粉以后,由于降低了水泥的耗用量,水泥的水化热值也相应降低。虽然水化热高峰有所提前,但水泥水化热值远低于纯水泥混凝土,并且随着沸石掺量的加大,混凝土水化热的降低也加大。以3d时的测定结果为例。在沸石粉的掺量为10%时,水化热可降低15%;沸石粉掺量为20%时,水化热可降低30%。在高强混凝土与大体积混凝土中水化热的降低有利于抑制混凝土的膨胀。

    (4)改善混凝土施工性能沸石对极性水分子有很大的亲和力,在自然状态下,沸石内部的孔穴与管道中吸附大量的水分与空气。在水泥混凝土拌合物中,原来被天然沸石粉吸附的气体被排放到混凝土拌合物中,提高了混凝土拌合物的结构黏度和粗集料的裹浆量,减少了混凝土的泌水量,和易性得到了全面的改善。

    流态混凝土是通过掺加高效减水剂或硫化剂将原坝落度为80~120mm的普通混凝土增加至180~220mm的一种高流动性混凝土。流态混凝土通常采用泵送施工。混凝土在泵送过程中,将适量的天然沸石粉应用于泵送混凝土中,可以补充细粉料含量的不足,避免了离析分层,使混凝土有利于泵送施工。

    为指导天然沸石在混凝土中的应用,住建部颁布了建筑工业行业标准《混凝土和砂浆用天然沸石粉》(JG/T566-2018)。配制高强高性能混凝土选用的磨细天然沸石粉,在《高强高性能混凝土用矿物外加剂》(GB/T18736-2017)中对其质量提出了更严格的技术要求。




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