粉煤灰矿粉混凝土强度形成机理及其双掺效应研究

崔玉梅

【摘 要】粉煤灰和矿粉用于水泥工业已经得到了广泛的应用，但同时利用粉煤灰和矿粉来做混凝土的掺合料来研究还处于一个刚刚开始的阶段。研究粉煤灰、矿粉作为混凝土的掺和料，并使其能够在混凝土中充分发挥优势互补的作用以提高混凝土的各方面基本性，减低生产成本，成为混凝土生产企业重点研究的课题，也是混凝土生产企业适应时代发展，满足市场竞争急需解决的首要问题。

【关键词】粉煤灰混凝土；矿粉混凝土；生产成本；环境友好；耐久性；双掺效应

0 引言

随着现代水泥混凝土技术的发展，即以磨细矿渣粉、粉煤灰等为代表的矿物掺合料已成为除水泥、粗细集料及水外，两种重要的外掺物。混凝土发展趋势己成为组分多元化。

1 粉煤灰混凝土强度形成机理

1.1 粉煤灰的主要反应机理

1）粉煤灰的形态效应，粉煤灰的主要矿物组成是海绵状玻璃体、铝硅酸盐玻璃微珠，这些球状玻璃体表面光滑、粒度细，质地致密，内比表面积小，不仅使水泥浆需水量小，而且它们往往填充在水泥浆体孔隙中，使混凝土密实性大大提高，或者在相同用水量的情况下，可增大流动性，改善和易性和可泵性。

2）粉煤灰的微集料效应，粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中，阻止了水泥颗粒的相互粘聚，而处于分散状态有利于水化反应的进行，同时减少了用水量，硬化后混凝土孔隙率降低，使密实度得以提高。

3）粉煤灰的活性效应，粉煤灰的活性效应也称火山灰效应，粉煤灰中的活性成份 SiO2和 Al2O3与水泥和石灰的水化产物在水溶液中发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，继而与石膏反应生成水化硫铝酸钙。上述这些反应几乎都是在水泥浆孔隙中进行的，大大降低了混凝土内部的孔隙率，改变了孔结构，提高了混凝土的密实度。

1.2 粉煤灰对混凝土耐久性的影响

1）活性效应：在常温下，由于粉煤灰的水化反应比水泥慢，被粉煤灰取代的那部分水泥的早期强度得不到补偿，所以混凝土早期强度随粉煤灰掺量的增加而降低。随着时间的推移，粉煤灰中活性部分 SiO2和 Al2O3与水泥水化生成的Ca（OH）2发生反应，生成大量水化硅酸凝胶。粉煤灰外部的一些水化产物在成长过程中也会象树根一样伸入颗粒空隙中，填充空隙，破坏界面区 Ca（OH）2的择优取向排列，大大改善了界面区，促进了混凝土后期强度的增长。

2）微集料密实填充及颗粒形态效应：均匀分散在混凝土中的粉煤灰颗粒不会大量吸水，不但起着滚珠作用，而且与水泥粒子组成了合理的微级配，减少填充水数量，影响系统的堆积状态，提高堆积密度，具有减水作用，使新拌混凝土工作性优化，硬化混凝土微结构更加均匀密实。而且，不会发生泌水离析现象，可施工性和抹面性好，抗渗性、抗冻性好。

3）交互作用：水泥、粉煤灰、外加剂等不同粉料间会产生物理、化学的交互作用。例如，水泥水化生成的 Ca（OH）2是粉煤灰的活性激发剂，而被激发了的粉煤灰一旦水解，降低液相碱度，又会进一步促进未水化水泥水化。另外，目前生产的水泥含碱量不断提高，粉煤灰的使用大大节约水泥熟料，抑制碱骨料反应；水泥中 C3A 含量少，水化产生的热量少，减少了混凝土构件由于内外温差过大而引起其表面开裂的危险；粉煤灰水化消耗大量 Ca（OH）2，混凝土不耐蚀成分减少，因而耐化学侵蚀性比普通混凝土强得多。同时徐变、干缩等变形性能也优于普通混凝土

1.3 粉煤灰对混凝土工作性的影响

1）粉煤灰是由大小不等的球状颗粒的玻璃体组成，表面光滑致密，在混凝土拌合物中能起滚珠作用；

2）新拌混凝土中水泥颗粒易聚集成团，粉煤灰的掺入可有效分散水泥颗粒，释放更多的浆体来润滑骨料；

3）能减少用水量，使混凝土的水灰比降到更小水平，减少泌水和离析现象；

4）具有良好的保水性，有利于泵送施工。

2 矿粉混凝土强度形成机理

矿粉用作水泥的混合材或混凝土的掺合料，均能改善或提高混凝土的综合性能，其作用主要表现在物理化学作用：

1）改善胶材物理级配；

2）对氯离子的物理吸附作用；

3）改善混凝土界面结构；

4）减少水泥初期水化物的相互搭接。

矿渣混凝土水化时能产生较多的C-S-H凝胶，而C-S-H凝胶会吸附一部分氯离子。这种物理吸附能阻止其向混凝土内部渗透。因此矿粉能改善混凝土抗氯离子的渗透渗性能。在混凝土中性能较弱的部分集中在水泥浆体与集料间的界面层，主要是氢氧化钙含量的问题。减少氢氧化钙晶体的尺寸，不仅能有利于混凝土力学性能的提高，还有利于耐久性的改善。矿粉在水泥初期水化产物的连接，具有一定减水作用和改善混凝土的经时损失。

矿粉的微集料效应，混凝土做为连续级配的颗粒堆积体系，粗集料的间隙由细集料填充，细集料的间隙由水泥颗粒填充，而水泥颗粒之间的间隙则需要更细的颗粒来填充。矿物掺合料的细度比水泥颗粒细，在混凝土中起到了更细颗粒的作用。因而可改善混凝土的孔结构，降低了孔隙率并减小了最大孔径的尺寸，使混凝土形成了密实充填结构和微观层次的自紧密堆积体系。从而有效地改善并提高了混凝土的综合性能，矿粉在混凝土水泥浆中的微集料效应，能提高水泥水化产物的均匀性分布，其活性在水泥水化时也能得以充分发挥，从而提高混凝土的后期强度。

3 粉煤灰矿粉双掺效应

3.1 矿粉-粉煤灰双掺的复合效应

多数矿物掺合料，掺入混凝土中一般都有微集料效应、形态效应、火山灰效应，界面耦合效应等。但不同的矿物掺和料由于其物理状态、化学组成不同，掺入混凝土中表现出来的效应，可能是正效应，也可能是负效应。而两种矿物掺和料复合掺入混凝土中，若物理性能、控制比例适当，则其在混凝土中的复合交互效应，大于单掺效应。

3.2 微集料效应的复合

在混凝土胶凝材料体系中，水泥颗粒粒径最大，粉煤灰、矿粉粒径较小，而混凝土是多元复合体系，砂石形成其骨架，水泥颗粒填充在砂石的孔隙中（一级填充）混凝土中掺入粉煤灰、矿粉，则可填充在水泥颗粒形成的孔隙中（二级填充）如果配合比例适当，就有可能形成较好的粉料级配。互相填充，从而减少颗粒间的空隙，减少硬化后混凝土的总孔隙率，提高混凝土的致密性，从而提高混凝土的强度及抗渗性能。

3.3 复合化超叠加效应

混凝土是一种多组分复合材料，各组分性能的叠加效应表现得十分明显。矿粉、粉煤灰等多组分矿物复合在一起，可以充分发挥各自优势，其各自的形态效应、微集料效应、火山灰效应相互作用，可以进一步提高混凝土性能。

3.4 密实堆积效应

如前所述，掺加不同粒径和粒度分布矿物掺合粒，可以提高浆体的密实堆积程度，使得胶凝材料水化加快，混凝土孔隙率降低，微观结构变得均匀，产生优良的力学性能和耐久性能。

3.5 中心质效应

把不同尺度分散相称为中心质，把连续相称为介质。各级中心质和介质之间存在相互的效应，称为“中心质效应”。混凝土骨料为大中心质，未水化的水泥颗粒和矿物掺合料为次中心质效。混凝土掺加一定细度的矿物掺合料使水泥石的中心质增多，次中心质之间的间距进一步减少，有利的中心质效应增多，中心质网络骨架得到加强。

3.6 界面结构的提高效应

掺入的矿物掺合料的二次水化反应（火山灰反应）消耗了大量的氢氧化钙，减少了氢氧化钙的含量，并干扰氢氧化钙的结晶，使其氢氧化钙尺寸减少，富集程度和取向程度下降；火山灰反应增加水化硅酸钙（C-S-H）凝胶和水化硫铝酸钙（C-A-S-H）凝胶数量，硬化后混凝土界面过滤层孔隙率降低。

4 结束语

总之，矿粉、粉煤灰双掺可起到优势互补的作用，充分发挥二者的微集料效应、火山灰效应、界面耦合效应及形态效应，使得混凝土综合性能得到明显改善，同时也增强了混凝土的抗碳化、抗氯离子侵蚀等性能。

【参考文献】

[1]蒋家奋.矿渣微粉在水泥混凝土中应用的概述[J].混凝土与水泥制品，2002.

[2]钱觉时.粉煤灰特性与粉煤灰混凝土[J].北京：科学出版社，2002.

[责任编辑：程龙]