粉煤灰和矿渣粉双掺在高性能混凝土中的应用

赵 英

1 实施背景

目前，对混凝土的质量和服务要求日益提高，高工作性、高强度、高耐久性是高性能混凝土的显著特性，是当前国际范围内混凝土技术的发展方向，它适应于现代化工程结构高性能混凝土的应用。高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是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。

大量研究表明，在混凝土中掺加粉煤灰或矿渣，不仅有较好的经济效益和社会效益，而且可解决火电厂废物利用问题，减少了贮灰场的占地，还节省了耕地，对电厂既降低了成本，还节约了运灰费用，更重要的是带动了一批建材企业。另外，优质粉煤灰对混凝土的密实度、抗渗性、耐化学腐蚀及其后期强度均有提高和改善作用，而在混凝土中掺入磨细矿渣则对混凝土的多项力学性质和耐久性能有利。到目前为止，人们对粉煤灰混凝土和矿渣混凝土已有比较清楚的认识，但是，对于在混凝土中同时掺加粉煤灰和磨细矿渣粉后复合材料的特性变化尚无较系统和深入的探索，双掺后对新拌混凝土性能和硬化混凝土的强度有何影响，效果如何，两种掺合料之间有无匹配关系，是否存在最佳配比，对于这些问题的研究已显得很有必要。

山西路桥第二工程有限公司在闻合高速公路LA6合同段项目施工中大胆创新，积极研究并将粉煤灰和矿渣粉双掺成功应用于C55高性能混凝土中。

2 基本原理

1)提高混凝土工作性能。

使混凝土拌合物的和易性，流动性提高，坍落度保持性较好。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，减少坍落度损失。

2)提高混凝土抗渗性能。

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。

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少量的水泥，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。

3 主要做法

配合比设计是高性能混凝土制备技术的关键。高性能混凝土配合比设计不同于普通混凝土的设计，不是简单以抗压强度作为设计指标的混凝土，而是包括原材料的选择和控制、拌和物的生产制备和整个施工过程的良好质量控制来实现的，其配合比的设计应以安全、经济、合理为原则，以耐久性、工作性、抗压强度为设计指标，并综合考虑和分析影响高性能混凝土与配合比各种参数的因素来确定其配合比。

试验结果表明:第2组试配数量既能满足C55号强度要求，又能节约成本。最终确定配置C55高性能混凝土的最优配合比为:

水泥∶砂∶碎石∶矿渣粉∶粉煤灰∶水∶减水剂=383∶666∶1087∶106∶43∶165∶6.92。

同时说明:适量的优质活性矿物掺合料如优质粉煤灰、矿渣微粉等可改善混凝土的工作性。粉煤灰的微集料效应、形态效应不但可以提高混凝土的保水性、流动性，并可减少水泥用量，提高高性能混凝土的耐久性，且随着混凝土龄期的延长，双掺后混凝土的强度比普通混凝土强度要高得多。

4 质量控制及保障措施

1)为了保持砂石洁净，对砂石堆放环境必须有专门要求。2)细骨料在投料前不宜过干，其含水量宜采用自动检测并通过自动称量装置，进行用水量修正。3)搅拌必须均匀，高性能混凝土的搅拌要比普通强度混凝土困难，必须采用强制式搅拌机，并延长搅拌时间，约比普遍强度混凝土搅拌时间长一半。4)及时养护，低水灰比的混凝土表面不泌水，容易在凝结过程或浇筑后不久就出现表面干缩裂缝，早期养护对高性能混凝土最为重要。5)对原材料的选择。配置C55级高强混凝土，不需要用特殊的材料，但必须对本地区所能得到的所有原材料进行优选，它们除了要有比较好的性能指标外，还必须质量稳定，即在施工期内主要性能不能有太大的变化。6)工序的质量控制和管理。一般来说，在试验室配置符合要求的高强混凝土相对比较容易，但是要在整个施工过程中，混凝土都要稳定在要求的质量水平功能上就比较困难了。一些在普通情况下不太敏感的因素，在低水灰比的情况下会变得相当敏感，而对高强混凝土，设计时所留的强度富余度又不可能太大，可供调节的余量较小，这就要求在整个施工过程中必须注意各种条件、因素的变化，并且要根据这些变化随时调整配合比和各种工艺参数。

5 项目成效及效果分析

5.1 经济效益

C55高性能混凝土配合比为:水泥∶砂∶碎石∶矿渣粉∶粉煤灰∶水∶减水剂 =383∶666∶1087∶106∶43∶165∶6.92;

普通C55混凝土配合比为:水泥∶砂∶碎石∶水∶减水剂=498∶679∶1109∶154∶6.47;

以本项目实际进场材料单价粉煤灰165元/t、525水泥460元/t、矿粉230 元/t、减水剂6300 元/t、砂110 元/m3、碎石75元/m3、水3元/t为例，对两者进行成本比较:

C55双掺混凝土每立方米成本计算:

0.383×460+666/1550×110+1087/1500 ×75+0.106×230+0.043 ×165+0.165 ×3+6.92 ×6.3=353.36 元。

C55普通混凝土每立方米成本计算:

0.498×460+679/1550×110+1109/1500×75+0.154×3+6.47 ×6.3=373.94 元。

全桥C55混凝土用量约20000 m3，每立方米节约成本373.94 －353.36=20.58 元，总成本节约20000 ×20.58=411600 元。

5.2 社会效益

采用粉煤灰和矿粉代替部分水泥，能改善新拌混凝土的流动性、提高混凝土强度，与传统的混凝土相比，高性能混凝土在配合比上的特点是低用水量、较低的水泥用量，并以化学外加剂与粉煤灰作为水泥、砂石之外的基本组成成分。这些使硬化混凝土内部的孔隙少，具有致密的微观和细观结构，抗渗性能优良，因此高性能混凝土的耐久性很好。

高性能混凝土在硬化过程中体积稳定、水化热低、温升小，冷却时的温度收缩小，干燥收缩也小，所以硬化后不易产生宏观和微观裂缝。

双掺工艺的运用，既改进了传统的混凝土配比，又在很大程度上节余了成本，同时可降低混凝土水泥用量，获得较好的技术、经济和环保效果，在工程实践中具有广阔的应用前景。