矿粉与粉煤灰双掺在混凝土中的试验与应用.doc

矿粉和粉煤灰复掺混凝土的试验与应用张 杰 ,陈云飞,孙明喜,高星光（山东电力建设第二工程公司 250100）摘要：矿粉和粉煤灰同时复掺入混凝土中，改变了以往仅以粉煤灰为主要掺合料的局面。克服单掺粉煤灰时取代水泥量有限的弱点，可以进一步降低水泥用量。矿粉和粉煤灰复掺，其火山灰效应、形态效应和微集料效应相互叠加，在混凝土拌合物中优势互补，减少了混凝土坍落度经时损失，适于远距离运输、泵送，利于施工。不仅提高了混凝土后期硬化强度，而且提高了混凝土抗氯离子侵入性能，改善了混凝土的耐久性。另外，矿粉和粉煤灰均为工业废料，降低混凝土成本同时，变废为宝，节能降耗，改善环境。关键词：矿粉 粉煤灰 复掺混凝土 混凝土耐久性 节能降耗1引言矿渣微粉是水淬粒化高炉矿渣经粉磨后达到规定细度的一种粉体材料。矿渣是由高炉炼铁熔融的矿渣骤冷时，来不及结晶而大部分形成的玻璃态物质。其主要化学成分为氧化钙、氧化硅和氧化铝，此三种成分占其总量的95%以上。1862年，德国人发现水淬粒化高炉矿渣具有较高的潜在活性，此后，矿渣曾长期作为水泥混合材使用。磨细矿粉在水泥等激发剂的作用下，与水化合可生成水硬性的胶凝材料。自上世纪90年代起，我国开始了矿粉的特点及应用研究。清华大学对矿粉在高强混凝土的应用进行了研究，在其编写的高强混凝土结构设计与施工指南一书中，特别提出矿粉在配制高强混凝土方面的巨大潜力。由中国土木工程学会出版的混凝土结构耐久性设计与施工指南（CCES 01-2004）标准中，也明确指出对于耐久性混凝土矿物掺合料应作为混凝土的必要组分，且对于恶劣环境和海水环境，宜将大掺量矿渣作为胶凝材料的必需组分。由于粉煤灰各“灰元”结构的不同和不同掺量，对混凝土的质量具有不同程度的影响，混凝土中的水泥在水化过程中产生的氢氧化钙可以对粉煤灰固有的火性进一步激化，发生二次反应，改善混凝土内部结构，促进混凝土性能的提高。根据混凝土结构耐久性设计与施工指南规定：使用两种或两种以上的掺合料复合而成的磨细矿物掺合料，其效果通常能明显优于单一矿物掺合料。因此，应开展矿粉与粉煤灰复掺技术的试验和应用。2开展复掺混凝土试验的原因和条件2.1试验的原因华电国际莱州电厂一期21000MW级工程由华电国际电力股份有限公司全资建设，规划容量81000MW，一期为两台1000MW国产超超临界机组。厂址位于山东省莱州市金城镇海北嘴，莱州电厂属海滨电厂，有大型的运煤码头，部分地上的建筑物离海距离不足50米。从建筑环境分类上来看，属于典型的类近海或海洋环境，部分结构环境作用等级为D（严重）级。根据混凝土结构耐久性设计与施工指南（CCES 01-2004）要求，该区域的混凝土应注重环境侵蚀对混凝土耐久性的影响，因此混凝土不仅要满足设计强度的要求，还要满足混凝土耐久性设计要求。2.2试验用原材料骨料：砂子采用莱州郭家店河砂，具体指标见表一；石子采用莱州石子531.5mm连续粒级碎石，具体指标见表二；水泥：采用龙口丛林水泥PO 42.5，水泥性能指标见表三；矿粉：采用龙口丛林集团生产的S95级粒化高炉矿渣粉，主要化学成分见表四；粉煤灰：龙口电厂级粉煤灰，主要化学成分见表五；外加剂：北京中建宏业建筑科技有限公司生产的MRT-1型高效减水剂，掺量2.5%时，其技术指标见表六；拌合用水：符合饮用标准的饮用水。表一：砂子技术指标细度模数含泥量泥块含量表观密度松散堆积密度氯离子含量3.22.6 %0.7 %2700 kg/m31480 kg/m30.002 %表二：石子技术指标级配含泥量泥块含量表观密度松散堆积密度压碎指标针片状含量5-31.5mm连续粒级0.8 %0.4 %2720 kg/m31460 kg/m395 %表三：水泥物理性能指标比表面积（m2/kg）标准稠度用水量（%）安定性（雷氏夹）凝结时间（min）抗折强度（MPa）抗压强度（MPa）烧失量（%）初凝终凝3d28d3d28d37028.22mm2263155.28.919.647.22.26表四：矿粉性能指标烧失量比表面积流动度比活性指数1.364709599表五：粉煤灰物理性能指标烧失量细度需水量比含水量1.4525.292/表六：外加剂性能指标减水率含气量收缩率比抗压强度比对钢筋锈蚀作用1d3d7d28d21%3.0102%无2.3试验方案和内容（1）研究内容矿粉对混凝土工作性能、物力力学性能、耐久性和混凝土成本的影响。（2）试验方案按本工地最常用C25、C30、C35、C40强度等级设计混凝土，胶凝材料分纯水泥、水泥+粉煤灰、水泥+粉煤灰+矿粉组成试样。采用普通混凝土拌合物性能试验方法（GB/T50080-2002）检测试样工作性，采用普通混凝土物理力学性能试验方法（GB/T50081-2002）检测试样物理力学性能，采用普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法（GB/T50082-2009）检测试样的耐久性能。3试验结果分析3.1矿粉和粉煤灰对混凝土工作性能的影响试验所用混凝土配合比及其工作性能如表七、表八所示。表七：混凝土配合比编号强度等级原材料用量（kg/m3）水泥粉煤灰矿粉砂子石子水外加剂H1C254000082010001808.0H2260140082010001808.0H318010012082010001808.0H4C304200078010201809.2H5280140078010201809.2H620010012078010201809.2H7C3544000760102018011.0H83401000760102018011.0H922090130760102018011.0H10C4045000750102517512.0H113501000750102517512.0H1226090100750102517512.0表八：混凝土工作性能编号坍落度（mm）凝结时间（h:min）0min30min60min初凝终凝H1200120608:3010:15H22201501009:0010:45H32201801609:3011:00H4200130808:4510:35H52201601209:2011:10H623019016010:0011:30H7190120709:3012:00H822016011010:1512:30H923020016010:4513:00H10190120609:3011:45H1122017014010:1512:15H1222021017010:5013:00从表八可知，混凝土中单掺粉煤灰或矿粉与粉煤灰复配，混凝土和易性得到改善，坍落度经时损失减小，混凝土初、终凝时间有所延迟，表明混凝土可泵性得到改善。为保证混凝土的可泵性能，预拌混凝土要求有很好的流动性，混凝土初始坍落度一般控制在180mm以上，泵送时坍落度一般控制在lOOmm以上。以平均粒径小于水泥颗粒的高性能掺合料等量替换部分水泥后,大量超细微粒填充于水泥颗粒间,置换了其间的填充水,因而使拌合物的表面水相应大量增加,促进了混凝土流动性的改善。同时,由于磨细矿渣的需水性低于硅酸盐水泥,因而替代部分水泥后所形成的胶凝体系的总需水量下降,富余的水分有利于提高混凝土的流动性。另外,由于掺合料大量替换水泥,使得拌合物中C3A的相对含量大幅减少,溶液中的减水剂的浓度消耗速率趋缓,而且更由于较小的掺合料颗粒包围于较大的水泥颗粒周围,有效地阻碍了水泥水化产物的相互搭接,因而显著地改善了坍落度损失。因此，使混凝土凝结时间有所延长，坍落度经时损失有所减小，有利于预拌混凝土的泵送施工。磨细矿粉和级粉煤灰复合掺加，两种材料的火山灰效应、形态效应和微集料效应相互叠加，形成“工作性能互补效应”，使混凝土具有良好的可泵性。所谓“工作性能互补效应”，即对新拌混凝土，二者复掺可发挥粉煤灰的“形态效应”。粉煤灰中富含的球状玻璃体对浆体起到“润滑作用”增大了拌合物的流动性，减小泵送阻力，改善由于矿粉的掺入所导致的混凝土粘聚性提高、泌水性增加的趋势，使新拌混凝土得到最佳的工作性。3.2 矿粉和粉煤灰对混凝土力学性能的影响采用表七中的配合比，测定混凝土的3d、7d、28d强度，结果见表九表九：混凝土力学性能编号抗压强度（MPa）3d7d28d60dH115.328.635.237.1H212.425.633.838.8H312.026.234.539.1H422.232.339.741.2H518.630.140.653.8H619.229.742.144.2H726.538.544.346.8H821.732.345.648.1H922.035.246.749.5H1027.938.949.252.1H1124.333.552.355.2H1225.036.853.557.8由表九可见混凝土中单掺粉煤灰或矿粉与粉煤灰复配，混凝土早期强度均有所降低，28d强度与基准基本接近，后期强度均有较大幅度的增长。实际应用中，建议采用磨细矿粉与级粉煤灰复合配制混凝土，以充分发挥二者的“优势互补效应”，配制性能更为优异同时成本更为经济的混凝土。“优势互补效应”主要体现在“工作性互补效应”和“强度互补效应”两个方面。“工作性互补效应”前已述及，“强度互补效应”即矿粉与粉煤灰复合掺入，可形成致密的掺合料-水泥多元胶凝体系并能改善硬化混凝土的微观结构。由于高性能掺合料的平均粒径小于水泥的平均粒径,因而可均匀地分布于水泥颗粒间,改善多元复合胶凝材料系统的颗粒分布,形成较为紧密结构。对硬化混凝土，早期发挥矿粉的火山灰效应，改善浆体和集料的界面结构，弥补由于粉煤灰的火山灰效应滞后于水泥熟料水化，从而使得火山灰反应生成物和水泥水化生成的凝胶数量不足导致与未反应的粉煤灰之间界面粘结不牢引起的早期强度损失；后期发挥粉煤灰的火山灰效应所带来的孔径细化作用以及未反应的粉煤灰颗粒的“内核作用”，改善硬化混凝土的微观结构使混凝土后期强度持续得到提高。33矿粉和粉煤灰对混凝土耐久性的影响.矿粉和粉煤灰对混凝土抗渗性能的影响对表七中编号为H4,H5,H6的C30级混凝土进行抗渗试验，结果见表十。表十：混凝土抗渗性能编号抗渗压力（MPa）试件平均渗水高度（mm）H40.8渗透H51.625H61.620表十结果表明，在混凝土中掺入磨细矿粉，混凝土的抗渗性能得到显著提高。磨细矿粉对混凝土抗渗性能的改善主要取决于它的两个综合效应：一是火山灰效应，二是微集料效应。火山灰效应：矿粉改变了胶凝材料与集料的界面粘结强度，普通混凝土的浆体与集料的界面粘结受水化产物Ca (OH)2定向排列的影响而强度降低。矿粉吸收水泥水化时形成的Ca(OH)2，并进一步水化生成更有利的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，使水泥浆体的孔隙率明显下降，强化了集料界面粘结力.从而使混凝土的抗渗性能提高。微集料效应：混凝土体系可理解为连续级配的颗粒堆积体系，粗集料间隙由细集料填充，细集料间隙由水泥颗粒填充，水泥颗粒之间的间隙则由更细的颗粒填充。矿粉或粉煤灰等掺合料可起到填充水泥颗粒间隙的微集料作用，从而改善了混凝土的孔结构，降低了孔隙率，并减少了最大孔径的尺寸，使混凝土形成了密实充填结构和细观层次的紧密堆积体系，这样就大大减小了离子的扩散率，大幅度提高了混凝土的抗渗性能进而获得优良的抗冻性、抗侵蚀性等耐久性能。.矿粉和粉煤灰对混凝土抗氯离子侵入性能的影响在试验室内标准养护条件下，采用RCM法对试件的氯离子扩散系数进行了测定。研究采用了表七中编号为H4,H5,H6的C30级混凝土配合比，结果见下图：由图1可见，由于粉煤灰混凝土及矿粉、粉煤灰复掺的混凝土早期水化程度较低，孔隙率较大，28d的氯离子扩散系数约是90d的3倍。但是，掺加矿粉、粉煤灰的混凝土氯离子扩散系数明显降低，特别是二者复掺体现出明显的叠加效果。掺加矿粉、粉煤灰的混凝土其氯离子扩散系数远远满足混凝土结构耐久性设计与施工指南中对滨海地区混凝土抗氯离子侵入性指标的要求。随着龄期的发展，矿粉、粉煤灰二次水化的产物填充了孔隙，堵塞了氯离子扩散的通道，大掺量粉煤灰混凝土90d氯离子扩散系数达到1.510-12 m2/s，后期具有良好的抗氯离子侵蚀性能。4经济效益和社会效益各配比成本计算如下：（水泥：330元/t,矿粉：180元/t,粉煤灰：105元/t,砂：24.7元/t，石子：32.7元/t。图2 成本对比050100150200250C25C30C35C40水泥水泥+粉煤灰水泥+粉煤灰+矿粉表十一：成本对比表编号强度等级单方总价（元）H1C25185H2153H3144H4C30191H5160H6151H7C35197H8175H9158H10C40201H11178H12165以上配比还在试验当中，成本还有下降的余地。由上可见，掺加粉煤灰、矿粉可明显降低混凝土成本，并且以矿粉、粉煤灰双掺成本最低，每方混凝土较单掺粉煤灰降低成本10-15元左右。矿粉和粉煤灰作为工业废料，将其合理经济的应用混凝土生产当中，变废为宝、节能降耗、利于环保。一举多得。5.应用效果矿粉和粉煤灰复掺混凝土有利于远距离运输和泵送采用矿粉和粉煤灰复掺混凝土浇筑的莱州电厂厂房C列基础，内实外光6.结论（1) 在混凝土中掺入磨细矿粉，可以减小坍落度的经时损失，有效改善混凝土的工作性能，大幅度提高混凝土后期强度，降低混凝土水化热，显著提高混凝土的抗渗、抗冻、抗氯离子侵蚀等耐久性能，特别适用于恶劣条件下，对耐久性有较高要求的混凝土。（2) 矿粉与粉煤灰复掺配制混凝土，可充分发挥二者的“优势互