常用矿物掺合料对超高性能混凝土性能的影响

常用矿物掺合料对超高性能混凝土性能的影响

石峻尧

天津工业化建筑有限公司  天津市  301701

摘要：目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，矿物掺合料的选择与应用，是超高性能混凝土（UHPC）研制工作中的重要环节。本文梳理了可用于UHPC的几种重要矿物掺合料，包括硅灰、粉煤灰、矿渣粉、稻壳灰、偏高岭土和玻璃微粉，探讨了它们的理化性质，并基于这些矿物掺合料对UHPC体系产生的微集料效应和填充效应，促进（或抑制）水泥水化反应的效应，以及它们本身的火山灰反应活性等，深入分析了掺加这些矿物掺合料对UHPC在新拌状态和硬化状态下几项重要性能的影响。还整理、分析了涉及矿物掺合料的UHPC相关专利，为UHPC中矿物掺合料的选择与优化提供重要参考。

关键词：超高性能混凝土；矿物掺合料；理化性质；微集料效应；填充效应

引言

水利工程大多建于地质条件极其复杂的偏远地区，一般具有后期维护难度大、环境条件恶劣、施工作业困难等特点，故对结构耐久要求更高。长期以来，为施工方便及确保混凝土强度，通常利用增加单方用水量和提高水泥用量的方式生产水工混凝土。实践表明，该方法难以保证混凝土耐久性。由于具有优异的耐久性能、力学性能和拌合物性能，超高性能混凝土（UHPC）被广泛应用于水库大坝、江河堤防等工程领域，对于降低全寿命周期综合成本、提高工程质量等发挥着积极作用。

1矿物掺合料在超高性能混凝土（UHPC）中应用的意义

目前有关矿物掺合料的研究越来越多，结果显示：粉煤灰掺量较大时有利于提升混凝土的流动性，但会导致混凝土强度下降；微硅粉的掺入却能够显著提高混凝土的整体强度，但会在一定程度上影响到混凝土拌和物的流动性能。由此可知，不同类别的矿物掺合料对于超高性能混凝土（UHPC）性能的影响也是不同的。除了掺入类别以及掺入量之外，矿物掺合物的不同龄期也会对超高性能混凝土（UHPC）性能产生影响。例如，微硅粉在前7d对混凝土强度产生影响，在28d之后，微硅粉对混凝土强度的影响微乎其微。超高性能混凝土（UHPC）是为满足新型高层建筑的发展需要而产生的，其具备诸多方面的优良性能，如：强度高、抗拉能力强等，在超高性能混凝土（UHPC）中掺入矿物掺合料有着良好的效果，在有效利用工业废料如：粉煤灰、微硅粉等基础上，实现了工业废料再利用，也极大地增强了超高性能混凝土（UHPC）的整体性能。矿物掺合料应用于超高性能混凝土（UHPC）中有着十分重要的意义，主要体现在减少环境污染以及提高材料性能方面。

2常用矿物掺合料对超高性能混凝土性能的影响

2.1化学组成

硅灰、稻壳灰及玻璃微粉的SiO2含量高于粉煤灰、矿渣粉及偏高岭土。一般来说，矿物掺合料中活性SiO2的含量越高，可发生火山灰反应的反应物就越多，火山灰反应的活性或潜力就越大；若矿物掺合料含有的硅是结晶度较高的晶体，其火山灰反应活性则较低。因此，矿物掺合料的SiO2含量并不能作为衡量其活性的关键指标。矿渣粉的CaO含量远高于其他矿物掺合料，有利于C-S-H凝胶的生成。粉煤灰与偏高岭土中含有的大量Al2O3，亦可与水泥水化产物发生反应生成二次水化产物。应当指出的是，玻璃微粉中的碱含量（Na2O当量含量，指Na2O+0.658K2O）较高，这将增加发生碱集料反应的风险。

2.2矿物掺合料对抗压强度影响

UHPC抗压强度受矿渣粉、粉煤灰的影响。在胶凝材料总量及水胶比不变的条件下，用矿渣粉或粉煤灰等量取代水泥，从0%逐渐增加矿渣粉或粉煤灰掺量至胶凝材料的40%，与基准对照组相比，结果显示UHPC各龄期抗压强度随矿物掺合料掺量的增大呈减少趋势。深入分析可知，水泥水化产物Ca(OH)2需要与矿渣粉、粉煤灰反应才能生成凝胶性水化产物，而水泥水化速率高于该反应速率。所以，将水泥采用矿渣粉、粉煤灰等量取代后会降低凝胶体系的水化速率。在矿物掺合料用量及凝胶材料总量不变的情况下，改变矿渣粉与粉煤灰比例，同一龄期内UHPC的抗压强度变幅较小，各龄期强度与基准对照组相比明显下降，这也与较大的矿物掺合料掺量降低了胶凝材料的水化速率有关。

2.3不同掺量的影响

为了进一步探讨混凝土工作性能受矿物掺合料掺量的影响，双掺硅粉和粉煤灰时，随掺量的增加混凝土扩展度、坍落度均表现出增大趋势;在其它掺和方式下，随掺量的增加混凝土扩展度、坍落度均表现出减小趋势，其中双掺矿粉和粉煤灰的减小幅度最小，双掺矿粉和硅粉的减小幅度较大。深入分析，硅粉和矿粉都能在一定程度上减弱混凝土的流动性，二者的综合作用致使混凝土扩展度、坍落度减小幅度更加明显。然而，掺量从0%增加至15%时的减小幅度明显＞从15%增加至30%是，究其原因可能是硅粉、矿粉的填充效应随产量的增大趋于弱化，所以矿粉和硅粉掺量明显增大后可以发挥一定的微粒润滑作用，对于硅粉、矿粉减弱混凝土流动性具有抵消作用。

2.4单掺矿渣或微硅粉对超高性能混凝土（UHPC）性能的影响

根据试验结果可知，单一掺加矿渣时，随着掺量的增大，其流动度以及扩展度都在明显增大，由此也说明其流变性能得到了较好的改善。相较于单一掺加粉煤灰，单掺矿渣的混凝土流动性更小。此外，掺加矿渣也有助于增加超高性能混凝土（UHPC）拌和物的黏性，且泌水现象并不明显。再结合其早期晚期强度影响可知，单掺矿渣时强度的提升较粉煤灰更高，因而单掺矿渣可以进行大流动性高性能混凝土的制备。而单掺微硅粉时虽然有助于改善混凝土强度，但扩展度以及坍落度都无法达到要求，因而单掺微硅粉无法进行大流动性超高性能混凝土（UHPC）的制备。

2.5矿物掺合料对UHPC新拌阶段性能的影响

UHPC所用矿物掺合料颗粒的表面特征、尺寸和级配等，对UHPC在新拌阶段性能均有一定程度的影响。具体而言，矿物掺合料颗粒的表面特征主要影响颗粒发挥滚动效应所产生的润滑作用的大小；颗粒级配主要影响需水量的大小和浆体的保水性。两方面综合作用决定UHPC新拌阶段拌合物的工作性。硅灰的颗粒呈球形，粒径远小于其他原材料，表面较光滑。因此，在粒径分布合理、分散良好的条件下，硅灰能够进入大颗粒间的空隙中，在提高密实度的同时，发挥润滑作用，表现为剪切增稠效应随硅灰掺量的增加而降低，改善了拌合物的工作性。另一方面，硅灰颗粒具有极大的比表面积，将显著增加需水量，使得混凝土拌合物变粘稠，但不会对浆体开始流动的屈服应力造成明显影响。粉煤灰的表面特征与硅灰有相似之处。粉煤灰颗粒呈球状，可发挥润滑作用，提高拌合物流动性。粉煤灰的颗粒尺寸分布接近水泥，反应活性远低于水泥，故粉煤灰替代部分水泥可一定程度上降低用水量，改善UHPC拌合物的流动性。

结语

1)双掺硅粉和粉煤灰情况下，随掺量的增加混凝土扩展度和坍落度呈现出不断增加的趋势;随掺量的增加三掺、矿粉与硅粉双掺、矿粉与粉煤灰双掺条件下，混凝土扩展度和坍落度均表现出减小趋势，其中双掺矿粉和粉煤灰情况下的减小幅度较小，双掺矿粉和硅粉情况下的减小幅度较大。2)混凝土扩展度、坍落度受不同掺加方式的影响存在一定差异，即硅粉和粉煤灰双掺的混凝土扩展度、坍落度表现出增大趋势，其它掺加方式表现出减小变化趋势，并且矿粉和硅粉双掺时混凝土的扩展度、坍落度最小。

参考文献

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［2］龚英，熊焕淮，高江林，等.萘系减水剂对新拌混凝土工作性能的影响［J］.人民黄河，2015，3712:128－131.