粉煤灰、矿渣粉的双掺在高性能混凝土中的作用

摘要：粉煤灰、矿渣粉的双掺可提高混凝土工作性能，提高混凝土抗渗性能，降低水化热和提高混凝土强度，使高性能混凝土在工程中发挥更用效的作用。（参考《www.jianzhu518.com》）
    关键词：高性能混凝土 粉煤灰 矿渣粉 双掺 原材料的作用
    0 引言
    据统计：在正常工作条件下，混凝土结构从建成到拆除重建的周期平均为40～50年。设计年限远大于40～50年，但普通水泥混凝土结构物容易表面开裂，受到盐类腐蚀，冻融剥蚀等危害所以无法实现预计的使用寿命，公元128年Hadrin大帝时期建造的一座建筑物如古罗马万神殿、古罗马圆形剧场、古罗马加尔输水道历时100多年的波特兰水泥混凝土建筑物等沿用至今，研究表明存在一种高耐久性的混凝土，这就是高性能混凝土。
    1 高性能混凝土基本概念
    1.1 什么是高性能混凝土 高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土。它以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能重点予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。为此，高性能混凝土在配置上的特点是采用低水胶比，选用优质原材料，且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。耐久性混凝土属于高性能混凝土的范畴，国家对高性能混凝土没有定义。一般认为，高性能混凝土是高工作性、高耐久性。
    1.2 什么结构物是高性能混凝土 根据《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》，混凝土结构设计使用年限级别
    2 为什么现代混凝土结构不耐久
    ①水泥质量—过细、水化过快（C3A）；②水泥用量—过多；③水灰比—过大；④混凝土早期强度—过高；⑤外加剂—过乱；⑥施工质量—较差。
    3 如何实现混凝土的高性能化
    ①增加混凝土的密实性；②增加钢筋的保护层厚度；③防止混凝土开裂；④改善粗骨料与水泥浆体间的薄弱界面和微结构；⑤阻挡和延缓各种有害物质侵入混凝土内部。
    4 与普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下独特的性能
    4.1 高性能混凝土具有一定的强度和高抗渗能力，但不一定具有高强度，中、低强度亦可。
    4.2 高性能混凝土具有良好的工作性，混凝土拌和物应具有较高的流动性，混凝土在成型过程中不分层、不离析，易充满模型；泵送混凝土、自密实混凝土还具有良好的可泵性、自密实性能。
    4.3 高性能混凝土的使用寿命长，对于一些特护工程的特殊部位，控制结构设计的不是混凝土的强度，而是耐久性。能够使混凝土结构安全可靠地工作50～100年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。
    4.4 高性能混凝土具有较高的体积稳定性，即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变形。
    5 粉煤灰、矿渣粉的双掺在高性能混凝土中的作用
    5.1 混凝土工作性能提高 混凝土拌合物的和易性，流动性提高，塌落度保持性较好。混凝土粗、细骨料形成混凝土的骨架，其间有大量的空隙，这部分空隙在不使用掺和料时由水泥颗粒来填充，尽管水泥颗粒很小，但仍有空隙。在掺入矿渣粉和粉煤灰后，由于它们的粒径与水泥颗粒粒径形成粒径梯度，颗粒之间相互填充，因此可以进一步减少细集料颗粒间的空隙，使其更加密实，并且可以使得水泥颗粒间的水分得以释放，形成自由水,提高混凝土的流动性，这是矿渣粉和粉煤灰的微集料效应。
    另外粉煤灰的形态效应也使得混凝土的流动性很好，粉煤灰的矿物组成是海绵玻璃体和铝硅玻璃体微珠，这些球形玻璃体表面光滑，颗粒尺寸小，质地致密，在新拌合物中起到一定的润滑作用；矿渣粉与水泥颗粒之间及矿渣粉与矿渣粉之间接触点面积小，且矿渣粉的斥水作用使得对减水剂吸附作用也较弱，因此矿渣粉及粉煤灰的双掺可提高混凝土的流动性，和易性，减少塌落度损失。
    5.2 混凝土抗渗性能的提高 加入矿渣粉和粉煤灰后，其微集料效应和火山灰效应使得混凝土的结构更为致密，降低了孔隙率。由于矿渣粉的细度高于粉煤灰，复合掺加后使得材料颗粒间相互填充孔隙，使各组成材料紧密堆积，进一步降低孔隙率，从而增加混凝土结构的密实度，改善混凝土的抗渗性能。
    5.3 降低水化热和提高混凝土强度 掺入矿渣粉的混凝土的水化反应依赖于水泥水化反应产生的碱性物质的激发，生成凝胶体的速度远低于纯水泥混凝土，矿渣粉在水泥颗粒间起到分散剂的作用。而且粉煤灰在水泥水化初期不参与水化反应，而是与水泥水化产物Ca（OH）2进行二次水化，滞后于水泥水化的过程，延缓了由于水化而产生的温升。同时由于矿渣粉及粉煤灰的掺加替代了大量的水泥，进一步降低了水化热。在混凝土中加入矿渣粉和粉煤灰后，在混凝土内部的碱性环境中，矿渣粉和粉煤灰吸收水泥水化时形成的Ca（OH）2，进一步水化形成C-S-H凝胶，使界面区的Ca（OH）2晶粒变小，改善了混凝土的微观结构，使水泥浆体的空隙率明显下降，强化了集料界面的粘结力，使得混凝土的物理力学性能大大提高。另外矿渣粉和粉煤灰的微集料效应，使混凝土形成了微观的自紧密结构，提高了混凝土的强度。 6 耐久性的试验结果
    6.1 水胶比和电通量
    随龄期增加，电通量逐渐降低，早期影响显著，后期减小。
    同一龄期随水胶比降低，电通量降低，
    56d 1000～2000库仑（水胶比0.3～0.5）
    56d小于1000库仑（水胶比0.3～0.4）
    6.2 含气量和电通量
    砼中含气量增加，电通量增加不大
    当电通量为1000库仑时，对应的含气量为4%左右。
    6.3 含泥量和电通量
    含泥量增加，电通量增加
    当含泥量为4%时，电通量接近1000库仑，再大满足不了要求。
    6.4 粉煤灰掺量和电通量
    7d随粉煤灰掺量增加，电通量增加
    当掺40%时，28d、56d电通量减少
    当掺大于40%时，28d、56d电通量增加
    因此可看出40%是拐点。
    6.5 粉煤灰烧失量和电通量
    烧失量增加，电通量增大，28d影响大，56d影响不明显。
    当烧失量为1～9%时，56d电通量<1000库仑。
    6.6 外加剂掺量和电通量
    当掺量<1%随掺量增加，电通量在降低
    当掺量>1%随掺量增加，电通量在增加。
    7 工程实例
    杭州湾大桥：海工混凝土粉煤灰取代水泥20-40%
    三峡大坝混凝土：粉煤灰取代水泥10-40%
    大小洋山深水港工程混凝土：矿渣粉-粉煤灰复合掺量65%
    8 结束语
    高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限，降低工程造价。高性能混凝土能不能经受上百年的风雨，需要历史的见证及考验。
    参考文献：
    [1]《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》.
    [2]《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（CCES01-2004）.
    [3]《铁路混凝土试验方法汇编》. 来源: 《www.jianzhu518.com》.