双掺粉煤灰和矿粉高性能混凝土在高寒干燥地区的应用

杨海峰

（陕西省交通建设集团公司，陕西 西安 710075）

0 引 言

高性能混凝土是近年来发展起来的一种新型混凝土，是混凝土技术进入高科技时代的里程碑。一般认为，高性能混凝土具有良好的工作性能、高强度和极佳的耐久性。与普通混凝土相比，高性能混凝土能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限。在配制高性能混凝土时采用低水胶比，选用优质原材料，还要掺加一定数量的高性能外加剂和活性矿物掺合料。

利用活性矿物掺合料配制高性能混凝土是近年来该领域研究的热点之一，目前，应用的矿物掺合料主要有粉煤灰、矿粉和硅灰等。矿物掺料可以提高混凝土的耐久性、体积稳定性以及后期强度，降低水化热，提高抗酸碱腐蚀，防止碱骨料反应的能力。但单一的矿物掺合料对于混凝土的性能会产生不良影响，例如混凝土拌和物的泌水量较大、早期强度较低等，使得它在工程中的应用受到一些限制。如果将两种或多种矿物掺合料复合使用，就可能产生复合交互效应，成为改善混凝土综合性能的一条最有效途径。

目前在陕西省高速公路建设施工领域，混凝土配合比中重点将水泥作为胶凝材料，只有部分项目利用粉煤灰，而采用粉煤灰和矿粉双掺的研究及应用极少。本文主要研究双掺粉煤灰和矿粉掺合料对混凝土工作性能、力学性能和耐久性的影响，以便在陕西省内外类似工程中更好地推广应用。

1 项目概况

陕西省省级高速公路榆商线神木至府谷高速公路窟野河特大桥为变截面预应力混凝土连续刚构桥，其跨径布置为（88＋4×165＋88）m＋（69＋4×130＋79.5＋39.5）m＋（76＋4×140＋76）m，采用悬臂浇筑施工，主梁混凝土数量为6.8万m3。该桥地处毛乌素沙漠东南边缘，属高寒干燥地区；主梁施工历经一年，期间温差极大；主梁有效施工工期较短，要求昼夜不间断施工；主梁混凝土采用泵送运输，其中垂直输送高度超过90m，水平输送距离超过120m；主梁断面尺寸较大，属大体积混凝土；悬臂浇筑工艺复杂，混凝土技术指标要求较高。综上所述，该桥主梁混凝土必须具有优异的工作性能，高强、早强，以及较低的水化热、极佳的抗裂性和极高的耐久性，否则工程质量无法满足。

2 原材料及配合比设计

2.1 原材料

（1）水泥采用冀东水泥厂生产的DP.O52.5R（低碱）水泥，物理性能指标如表1所示。

表1 水泥物理性能

（2）细集料选用府谷黄河Ⅱ区中砂，技术指标如表2所示。

表2 细集料技术指标

（3）粗集料采用包头大青山产的5～10mm、10～20mm单粒级碎石，按照3∶7比例掺配，技术指标如表3所示。

（4）粉煤灰采用神木县若阳粉煤灰C类Ⅰ级，技术指标如表4所示。

（5）矿粉采用包头明峰建材有限公司生产的S75矿粉，技术指标如表5所示。

表3 粗集料技术指标

表4 粉煤灰技术指标

表5 矿粉技术指标

（6）外加剂采用山西黄河化工有限公司生产的“红浪”牌UNF-1B聚羧酸高校减水剂，技术指标如表6所示。

表6 外加剂技术指标

2.2 配合比

在水胶比、集料和外加剂一定的情况下，采用不同掺量粉煤灰和矿粉代替水泥，设计的配合比如表7所示。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

混凝土的性能指标试验结果如表8所示。

表7 混凝土配合比设计

3.2 试验分析

3.2.1 对混凝土工作性能的影响

粉煤灰和矿粉掺量对混凝土工作性能的影响如图1～3所示。

图1 单掺粉煤灰或矿粉不同掺量对初始坍落度的影响

图2 单掺粉煤灰或矿粉不同掺量对坍落度损失的影响

由图1中可以看出，单掺时，随着矿粉取代量的增加，坍落度变化幅度较小，而粉煤灰取代量的增加对提高坍落度的作用很明显，坍落度增加幅度较大。以上结果表明，对于初始坍落度的提高，粉煤灰的作用优于矿粉。这是因为粉煤灰颗粒形状较为圆滑，在自由水的作用下能减少体系中颗粒间的摩擦，起到“滚动轴承”的作用，从而改善混凝土和易性并提高坍落度［1］。

由图1～3可以看出，粉煤灰在一定范围的取代量内具有“增坍性”，而矿粉具有降低坍落度损失的作用；两种掺合料按照合理比例使用可以实现优势互补，但存在一个临界取代量，即当超过该点时混凝土坍落度反而下降［2］。这是因为随着搅拌过程的进行，体系中的细微颗粒增加，颗粒吸附了体系中的液相量，降低了体系中的有效水量，并降低外加剂的有效减水组分，导致混凝土的坍落度下降和经时损失增加；当试件成型后静置时，被吸附的部分液相得以释放而产生大量的表面水，产生泌水现象。

3.2.2 对混凝土力学性能的影响

由图4可以看出，当粉煤灰和矿粉单掺时，随着添加量的提高，混凝土3、7、28d强度均有降低的趋势；对于3d和7d强度，掺加矿粉较粉煤灰好，28d强度变化不大，说明适量提高矿粉掺量对早期强度有利。这主要有两个方面的原因：矿粉的平均颗粒细度较粉煤灰细，水化速度更快；矿粉中的活性成分比粉煤灰多，且活性高于粉煤灰。

图4 粉煤灰或矿粉单掺对抗压强度的影响

由图5可以看出，随着粉煤灰和矿粉复合比例的降低，混凝土3、7、28d强度均有增长趋势，和图4进行比较，均高于单掺强度。这说明细磨矿粉可以提高粉煤灰的活性，使粉煤灰能够较早地参与反应，并且随粉煤灰和矿粉复合比例的降低，混凝土的3、7、28d强度均高于基准混凝土及单掺粉煤灰或矿粉的混凝土。以上结果表明，单从强度角度考虑，粉煤灰与矿粉复合时，应以矿粉为主。

图5 粉煤灰和矿粉双掺对抗压强度的影响

粉煤灰和矿粉复合使用时，首先，水泥水化产生Ca（OH）2，在Ca（OH）2的作用下，矿渣立即水化生成大量的低密度水化硅酸钙、钙矾石及Ca（OH）2。这些具有大比表面积的水化产物聚集在粉煤灰颗粒周围，起着晶核的作用，从而加速粉煤灰的水化反应。其次，由于矿粉的碱度远大于粉煤灰，矿渣水化时将提高胶凝材料体系中的OH-含量，以及新拌混凝土浆体中的碱度。碱度的提高，将打破粉煤灰的玻璃相，加速粉煤灰的水化。随着粉煤灰快速反应，大量的晶核被消耗，同时浆体体系中的碱度也将迅速降低，又会加快矿粉的水化速度。由粉煤灰和矿粉组成的复合掺合料在混凝土中应用，可以对矿渣的晶核作用加以利用，并提高混凝土的碱度，激发粉煤灰的活性，使“叠加效应”充分发挥［3］。

3.2.3 对混凝土耐久性的影响

混凝土中加入粉煤灰或矿粉，可有效减少混凝土的水化热，降低混凝土内部的温度峰值，并延缓温度峰值出现的时间，有利于避免或减少温度裂缝，对混凝土耐久性有利，特别是对大体积混凝土尤为重要［4］。

（1）对混凝土抗渗性能的影响。从抗渗的结果可以看出，单掺或双掺粉煤灰和矿粉都能提高混凝土的抗渗性能，特别是双掺的混凝土抗渗等级达到P20（没有透水）。这是充分发挥了粉煤灰和矿粉“火山灰效应”和“微集料效应”的结果。“火山灰效应”改善了混凝土的微观结构，降低孔隙率，提高密实度，加强了与骨料界面的粘结力，从而提高了混凝土的抗渗能力；“微集料效应”改善了混凝土中的孔结构，减小了大孔径的尺寸，使混凝土更加密实，提高了抗渗性能［5］。

（2）对混凝土抗冻性能的影响。从表8的试验结果可以看出，单掺粉煤灰混凝土的抗冻性下降，单掺矿粉的混凝土抗冻性提高。这是由于矿粉中的活性成分SiO2和Al2O3与水泥的水化产物在有水的情况下发生反应，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［6］。上述反应几乎都在水泥孔隙中进行，大大降低了混凝土内部的孔隙率，改变了孔结构，提高混凝土中各组分的粘结作用，提高了密实度。同时，矿粉的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中，不仅填充了水泥颗粒间的孔隙，还能改善颗粒级配，增加水泥胶体的密实度；另外，矿粉与Ca（OH）2生成的CS-H胶凝体填充于毛细孔内，使其变为不连通的毛细孔，增加水泥石结构的致密程度，混凝土总孔隙率降低，孔结构变小，有效阻断了水分扩散，提高混凝土的抗冻性。

综合以上结果可以看出，在混凝土中复合掺加两种掺合料，不只是两种掺合料的简单混合，而是有意识地使两种掺合料互相取长补短，相得益彰，产生单一掺合料无法达到的优良效果。粉煤灰和矿粉复合掺入混凝土后，混凝土拌和物的和易性更好，硬化混凝土更加密实，早期强度和后期强度都得到提高，孔隙结构明显改善，有害的孔隙基本被消除，孔隙率大幅度降低，表明混凝土耐久性的各项指标，诸如抗渗性、抗冻融性以及耐化学腐蚀性等均有显著提高。

4 工程实际应用

结合混凝土工作性能、力学性能和耐久性，当粉煤灰与矿粉比例为1∶1时，效果最佳，所以，确定最终施工用配合比为D2，其主要性能指标见表9。

表9 窟野河特大桥混凝土主要性能指标

此配合比混凝土抗渗等级为P20，不透水，抗冻等级为F150。

目前，该工程交付使用近2年，混凝土硬化状态好，无明显温度裂纹，表面无明显蜂窝、麻面等缺陷。

5 结 语

（1）粉煤灰和矿粉双掺能明显改善混凝土的和易性，减少坍落度经时损失，大大改善混凝土的施工性能。

（2）粉煤灰和矿粉双掺可以较为显著地提高混凝土的强度，单掺矿粉混凝土的强度较单掺粉煤灰混凝土的强度高，但单掺粉煤灰混凝土具有更高的强度增长率。

（3）粉煤灰和矿粉的早期物理填充作用和后期活性填充作用等特性，不仅可以改善混凝土内部的孔隙结构，提高混凝土密实性，还可以使混凝土耐久性得到提高。

（4）粉煤灰和矿粉双掺技术利用了粉煤灰和矿粉的潜在活性，大大减少了水泥用量，降低和延缓了水化热峰值及出现时间，有效地抑制了混凝土温度裂缝和收缩裂缝的形成。

（5）经本次工程实践，确认了粉煤灰和矿粉双掺高性能混凝土在公路建设领域应用的可行性，不但可以提高混凝土的质量，利用工业废料，减少环境污染，节约能源，还降低了工程造价。因此，这项技术值得大力推广。