岩土工程师辅导：混凝土中矿物细掺料渗透性的影响

　　在配制混凝土时加入较大量矿物细掺料，可以降低温升，改善工作性，增进后期强度，并可改善混凝土内部结构，提高耐久性和抗渗性，尤其是矿物细掺料对碱-集料反应具有很好的抑制作用，这些矿物细掺料称为辅助胶凝材料。在配制高性能混凝土时，通常使用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥再掺加矿物细掺料。不同的矿物细掺料混合或矿物细掺料与水泥混合称为复合胶凝材料。

　　1.矿物细掺料的主要种类

　　矿物细掺料基本可以分为四类：

　　(1)有胶凝性(或称潜在活性)的。如粒化高炉矿渣(简称矿渣)和水硬性石灰。

　　(2)有火山灰活性的。火山灰活性指本身没有或极少有胶凝性，但其粉末状态在有水存在时，能与Ca(OH)在常温下发生化学反应，生成具有胶凝性的组分。如粉煤灰、硅灰等。

　　(3)同时具有胶凝性和火山灰活性的。如高钙粉煤灰或增钙液态渣以及固硫渣等。矿渣实际也同时具有火山灰活性。

　　(4)其他未包括在上述三类中的本身具有一定化学反应的材料。如磨细的石灰岩、石英砂、白云岩以及各种硅质岩石的产物。

　　本文主要介绍了矿渣、粉煤灰和硅灰对混凝土渗透性的影响。

　　2.矿物细掺料水化活性的激发

　　评定矿物细掺料的活性时一个很复杂的问题，因为矿物细掺料在混凝土中的作用有化学的，也有物理的，很难用单一指标来概括其品质。

　　3.复合胶凝材料的水化机理

　　自波特兰水泥诞生以来世界各国对通用硅酸盐体系水泥的改性研究以及对新的水泥熟料矿物体系的探索从未间断。随着人们对于水泥工业高能耗环境负荷相对严重等问题认识的不断深化和对于改善水泥混凝土耐久性的日益重视，节能、降耗、环保以及进一步提高水泥及混凝土的性能已成为世界各国水泥工业可持续发展的方向。实现这一目标主要可采用两方面的技术，一是在通用硅酸盐水泥体系及其矿物组成范围内，通过调控原材料的易烧性和易磨性，改进生产工艺及装备水平，合理掺加矿渣粉煤灰等工业废渣的途径加以解决;二是突破现有通用硅酸盐水泥熟料矿物体系及范围的限制，研究开发节能新品种水泥体系。目前在第一方面已取得了很好的进展，如在水泥中掺加矿渣粉煤灰等。还有采用现代新型干法生产技术及高效粉磨技术，极大地改善了水泥及混凝土的性能，节约了能源。但这些措施并没有从根本上解决存在的问题，而第二条技术途径已成为当今水泥工业和水泥材料学科领域研究开发的热点，其中以贝利特为主导矿物的高贝利特水泥体系是最活跃的研究方向之一。

　　硅粉是用电弧炉生产硅金属或硅铁合金的副产品。冶炼硅铁合金时，以石英岩碎石、生铁为原料，焦炭为还原剂，在电炉中近2000℃的高温下，石英成分还原成硅，随即与铁生成硅铁合金。此时，约有10%～15%的硅(Si)化为蒸汽进入烟道，并随气流上升遇氧结合成一氧化硅(SiO)逸出炉外，与冷空气中的氧结合成(SiO2)烟雾，受冷凝结为细小的球状微珠，以粉尘形式从烟囱排入大气，或用适当收尘设施收集起来。这种粉尘即为硅粉。自从1982年挪威技术研究院对硅粉混凝土的性能首次进行综合研究以来，广大科研工作者对硅粉进行了不断的研究。硅粉根据其含碳量的不同，颜色可由白到黑， 一般为灰色。硅粉颗粒极细，用氮气吸附法测定的硅粉比表面积达20m2/g，最细颗粒小于0. 01μm，平均粒径为0. 1～0 .3μm，比水泥颗粒细2个数量级。硅粉的真密度约为2 1～2 5g/cm3，与粉煤灰相近，松散密度为200～300kg/m3，约为水泥的1/3.它的主要化学成分为SiO2，几乎都呈非晶态，硅粉中SiO2的的质量分数随生产国和生产方法而异，其含量越高，硅粉在碱性溶液中的活性越大。一般来讲，用作混凝土掺合料的硅粉，其SiO2的质量分数应在90%以上，其中活性的SiO2 (在饱和石灰水中可溶)达40%以上。在常温下硬化的水泥浆体(或称水泥石)，通常由未水化的水泥颗粒、水泥水化产物、水、少量空气以及由水和空气占有的孔隙网所组成，因此它是一个固-液-气3相多孔体，其性能主要取决于这些组分的性质、它们的相对含量以及它们之间的相互作用。

　　硅粉之所以可以作为一种辅助性胶凝材料改善硬化水泥浆体的微结构，首先是因为硅粉具有很高的火山灰活性。虽然硅粉本身基本上与水不发生水化作用，但它能够在水泥水化产物Ca(OH)2及其它一些化合物的激发作用下发生二次水化反应而生成具有胶凝性的产物;其次是因为硅粉的微集料特性，它不仅自身可以填充硬化水泥浆体中的有害孔，其二次水化产物也可以填充硬化水泥浆体中的有害孔，从而改善硬化水泥浆体孔隙结构。

　　粒化高炉矿渣简称矿渣，是具有胶凝性(或称潜在活性)和火山灰活性的矿物细掺料，除了在水淬时形成的大量玻璃体外，矿渣中还含有钙镁铝黄长石和很少量的硅酸一钙或硅酸二钙等结晶态组分，因此它具有很微弱的自身水硬性。粒径大于45μm的矿渣颗粒很难参与水化反应，因此要求用于高性能混凝土的矿渣微粉磨至比表面积超过4000cm2/g，以较充分的发挥其活性，减少泌水性。矿渣磨的越细，其活性越高，掺入混凝土中以后，早期产生的水化热越大，越不利于降低混凝土的温升，当矿渣的比表面积超过4000cm2/g以后，用于很低水胶比的混凝土中时，混凝土早期的收缩降低。

　　4.矿物细掺料对混凝土渗透性的影响

　　矿物细掺料对混凝土渗透性的影响主要体现在矿物掺和料对混凝土界面的改善，孔隙填充效果，水化热和温升的降低以及复合胶凝材料活性对混凝土耐久性的明显改善。

　　混凝土的耐久性包括抗渗性、抗冻融性、抗冲刷性、抗空蚀性、抗化学侵蚀性、碱骨料反应膨胀、钢筋锈蚀破坏等多个方面。其中混凝土抗渗性能是非常关键的因素。

　　混凝土是一种透水材料它的渗透性与它的孔隙率孔隙分布及孔隙连通性有关振捣密实的混凝土水灰比愈小养护龄期愈长则渗透性愈小在混凝土中掺入引气剂也可降低混凝土渗透性。低渗透性一般地水灰比小于0.50的混凝土它的渗透系数可以达到1×10-11m/s的等级在海水中的混凝土它的渗透性是决定混凝土工程耐久性的最重要的因素渗透性高的混凝土在海水中很易遭破坏。掺混合材料是降低水泥用量的重要措施掺混合材料混凝土的水灰比和配合比计算方法习惯上是将混合材料与水泥都作为胶结材料水灰比为用水量与胶凝材料总量的比值由于不同混合材料的活性不同如粉煤灰的活性比水泥低很多而硅粉的活性却比水泥高很多因此对掺有混合材料的混凝土的水灰比和配合比计算方法进行了不少研究斯密斯Smith首先提出要合理设计掺粉煤灰的混凝土的配合比他假定每种粉煤灰有一个独特的有效系数K重量为F的粉煤灰相当于重量为KF的水泥水灰比等于W/C+KFW为用水量C为水泥用量F为混合材料的掺量对于粉煤灰K约为0.20～0.25，对于硅粉K约为25.K值不仅随混合材料品种不同而不同，而且也随混合材掺量养护条件龄期的不同而不同。近年来英国邓肯大学的曼迪Munday等人提出将混合材料作为混凝土的第五种材料引入一个粉煤灰与水泥的比值F/C的概念。

　　5.结论

　　随着建筑工业的发展，建筑材料的需求量日趋增大，而传统建材在生产上一直存在着严重的弊端，即原材料需大量消耗土壤和矿产资源，结果造成能源浪费和自然环境的破坏。粉煤灰和矿渣应用于建筑材料，不仅有利于解决环保和节能问题，形成以“环境材料”为主体的格局，而且对提高建筑材料的性能尤其是材料的耐久性、扩大建筑材料的种类和使用范围具有积极的作用。传统的水泥胶凝材料主要以硅酸盐熟料为主要成分，配以适量的石膏或少量的混合材料。其中最主要和应用最广的为活性材料水淬矿渣和粉煤灰。少熟料和无熟料水泥可以大大降低能耗， 减少对环境的破坏。但这种胶凝材料在水化时必须借助一定的活性激发形式或激发剂激发活性材料的活性，才能顺利水化，否则基本上没有胶凝性或胶凝性很小。目前，国内外所研究的激发剂主要有以碱金属或碱土金属化合物为主的激发剂和硫酸盐激发剂等，首先通过热力或机械形式使废渣达到一定的细度，形成具有一定活性的表面性质，其次通过掺加一定配比的固态化学激发剂如NaOH、Ca(OH)2、Na2SiO3等，在水化过程的不同龄期进一步激发废渣的活性，使胶凝材料达到预期的强度。

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