双掺硅灰超细矿渣高强混凝土的研究(精)

1、双掺硅灰超细矿渣高强混凝土的研究李家和盖广清刘铁军（哈尔滨建筑大学（建工系（哈尔滨建筑大学摘要本文研究了硅灰、超细矿渣对高强混凝土坍落度和强度的影响.试验结果表明，硅灰超细矿渣高强混凝土不仅早期强度发展快，而且后期强度持续增长关键词 硅灰，超细矿渣，高强混凝土中图分类号 T U 5收稿日期:1999-10-21.李家和，男，39 岁，博士研究生，副教授，哈尔滨建筑大学材料科学与工程系. 邮编:150006.随着混凝土科学技术的进步，矿物质掺合料已成为高强混凝土中的必须组分.在各种矿物质掺合料中，研究和应用较多的有硅灰、粉煤灰、矿渣、磨细沸石 粉等.研究结果表明，硅灰的活性最高，易于参加水泥的水

2、化，能较大幅度提高混 凝土早期强度；粉煤灰虽可增加混凝土的后期强度，但随掺量增加混凝土早期强度 下降1；普通细度的矿渣活性介于硅灰和粉煤灰之间，对混凝土强度的提高幅度亦介 于硅灰和粉煤灰之间2.由于我国硅灰产量有限,价格昂贵（2500 元/T ,配制高强 混凝土时很难大掺量使用，因此，寻找其它超细矿物质掺合料以降低硅灰掺量的研 究具有十分重要的现实意义.另外，由于我国超细设备开发较晚，超细矿渣作为高 强混凝土掺合料的研究还较少，将超细矿渣与硅灰共同作为高强混凝土掺合料的研 究亦不多见其于上述原因，作者研究了单掺硅灰、单掺超细矿渣，两者双掺对高 强混凝土坍落度和强度的影响，以便使高强混凝土配制技

3、术更合理.1 原料1. 1 水泥水泥采用哈尔滨水泥厂生产的 525#普通硅酸盐水泥，其性能列于表 1.表 1 水泥性能标准稠度（凝结时间（h : min 抗折强度（M Pa 抗压强度（M Pa 初凝终凝 3d 28d3d 28d 28. 03 : 005 : 155. 18. 223. 659. 21.2矿物质掺合料 1.2. 1 硅灰硅灰的比表面积为 200000cm 2/g,化学成分列于表 2.2000 年 3 月吉林 建 筑 工 程 学 院 学 报 N o. 1表 2 硅灰化学成分（SiO 2AI 2O 3Fe 2O 3CaO M g O Na 2O K 2O 烧失量 90. 250.

4、470. 910. 420. 930.301.305. 001.2. 2 超细矿渣超细矿渣的比表面积为 10000cm 2/g,化学成分列于表 3。CaO SiO 2AI 2O 3Fe 2O 3M gO SO 3 烧失量 39. 4036. 2915. 100. 485. 190. 572.971.3骨料1.3. 1 粗骨料粗骨料为最大粒径 25mm 的碎石，其性能列于表 4。表 4 粗骨料性能表观密度（kg /m3 堆积密度（kg/m3 压碎指标（针片状含量（267015007. 39.51.3. 2 细骨料细骨料为细度模数 2. 98 的中粗砂,含泥量为 1.0%.1.4外加剂采用哈尔滨建

5、筑大学研制的 HJD-5 高效混凝土泵送剂,其减水率为 25. 0%.HJD-5 的掺量按胶结材总量的 1.8%加入.2 实验结果及分析2. 1硅灰超细矿渣对高强混凝土坍落度影响硅灰、超细矿渣均采用内掺，即保持每立方米混凝土中总胶结材料用量为一 常量，硅灰和超细矿渣等量取代水泥.混凝土配合比及坍落度结果列于表 5.表 5硅灰超细矿渣对混凝土坍落度影响编号水泥(kg /m 3硅灰(%超细矿渣(%砂(kg /m 3石(kg /m 3水胶比坍落度(cm15000067011400. 3220. 0 24755067011400. 3219. 0 345010067011400. 3216. 0442

6、515067011400. 3211.5 54750567011400. 3221.5 645001067011400. 3223. 0742501567011400. 3222. 5 840002067011400. 3323. 0 942551067011400. 3220. 51040051567011400. 3221.0 1137552067011400. 3221.0 12375101567011400. 3217. 5由表 5 结果可知：(1 硅灰掺入到混凝土中使混凝土坍落度降低 .当硅灰掺量为 5%时，混凝土的 坍落度下降幅度较小；当硅灰掺量为 10%和 15%时，混凝土的坍落

7、度下降幅度较 大.出现，12 吉林建 筑 工 程学 院 学 报 2000 年 3 月灰掺入到混凝土中增大了拌合物的塑性粘度.因此，随着硅灰掺量的增加，混凝土的坍落度逐渐减小.(2 单掺超细矿渣后，混凝土坍落度比未掺掺合料混凝土大，而且在试验范围内 超细矿渣掺量对混凝土坍落度变化值影响很小.分析其原因，我们认为：一是超细矿渣本身需水量低于泥，二是超细矿渣降低了混凝土的塑性粘度 .因此，当水胶比 一定时，超细矿渣混凝土具有较大的坍落度.(3 双掺硅灰超细矿渣后，混凝土坍落度有升有降.当硅灰掺量 5%,超细矿渣 10% 20%时，混凝土坍落度高于单掺硅灰和未掺掺合料混凝土的坍落度；当硅 灰掺量 10

8、%,超细矿渣 15%时,混凝土坍落度小于硅灰掺量 5%的双掺硅灰超细矿 渣混凝土的 坍落度.上述结果说明硅灰掺量较小(5%时，掺硅灰超细矿渣混凝土坍 落度由超细矿 渣控制.当硅灰掺量较大(10%时,掺硅灰超细矿渣混凝土的坍落度 由硅灰控制.因此，若从混凝土坍落度角度来考虑硅灰和超细矿渣的效果时，要适当限制硅灰的掺量.2. 2 硅灰超细矿渣对混凝土强度的影响评价矿物质掺合料活性的主要指标之一是它们对混凝土强度的影响，为此在前面试验的基础上进行了强度测定.高强混凝土各龄期的抗压强度列于表 6,表7是 各组高强 混凝土各个龄期的抗压强度与其 28d 抗压强度的比值.表 6 高强混凝土各龄期抗压强度编

9、号水泥(%硅灰(%超细矿渣(%抗压强度(MPa3d 7d 28d 90d11000038. 150. 265. 370. 1 2955043. 857. 970. 373. 0 39010046. 761.471. 373. 448515048. 563. 773. 674. 9 5950537. 252. 168. 671.3 69001036. 353. 469. 473. 078501535. 954. 970. 878. 6 88002034. 455. 371. 079. 9 98551045. 661.372. 578. 4108051545. 662. 473. 582. 6 1

10、17552044. 263. 573. 783. 6 1275101549. 566. 174. 284. 7注：配合比同表 5.表 7 高强混凝土各龄期强度与 28d 强度比编号水泥(%硅灰(%超细矿渣(%抗压强度(3d 7d 28d 80d1100005877100107 295506282100104 3901006586100103 4851506687100102595055476100104 6900105277100105 7850155178100111 8800204978100113 13第 1 期李家和，盖广清，刘铁军：双掺硅灰超细矿渣高强混凝土的研究续表 7编号水泥(%

11、硅灰(%超细矿渣(%抗压强度(3d 7d 28d 80d9855106385100108 10805156285100112 11755206086100114127510156789100114由表 6 和表 7 结果可见：(1 掺硅灰高强混凝土各龄期抗压强度均高于未加掺合料高强混凝土(1#配比相应龄期的抗压强度，但各龄期抗压强度提高幅度不相同硅灰掺量 5%时，3d 抗压 强度提 高15. 0%, 7d 抗压强度提高 15. 3%, 28d 抗压强度提高 7. 6%, 90d 抗压强度 提高 4. 1%;硅灰掺量达 15%时,3d 抗压强度提高 27. 3%, 7d 抗压强度 26. 9%,

12、 28d抗压强度提高 12. 7%, 90d 抗压强度提高 6. 8%.由这些数据可以看出：硅灰对高强 混凝土早期强度(3d 和 7d 提高幅度大，并且随硅灰掺量增加，强度提高幅度逐渐 增加.从表 7 抗压强度比可以看出：掺加硅灰后，硅灰高强混凝土早期强度比(3d, 7d 明显高于未 加掺合料高强混凝土相同龄期的抗压强度比，而 90d 时硅灰高强混凝土的抗压强度比低于未加掺合料高强混凝土的抗压强度比，亦说明硅灰对高强混 凝土早期强度的贡献要大于后期强度.(2 单掺超细矿渣高强混凝土 3d 抗压强度低于未加掺合料高强混凝土的3d 抗压强度，并且随超细矿渣掺量的增加，抗压强度降低幅度增大，7d 和

13、 28d 时，超细 矿渣高强混凝土抗压强度达到或超过未加掺合料高强混凝土相应龄期的抗压强度 但略低于相同掺量硅灰高强混凝土的抗压强度.90d 龄期，当超细矿渣掺量 10%以 下时，超细矿渣高强混凝土抗压强度稍低于相同掺量硅灰高强混凝土的抗压强度；而超细矿渣掺量达 15%时，超细矿渣高强混凝土抗压强度超过硅灰高强混凝土抗压 强度.试验结果表明：超细矿渣掺量达一定值后对高强混凝土后期强度的贡献要大 于硅灰，这一点也可从抗压强度比数据中得出.(3 双掺硅灰超细矿渣高强混凝土的抗压强度由硅灰和超细矿渣联合控制.3d龄期时，混凝土抗压强度由硅灰控制，即硅灰掺量越大，抗压强度提高幅度越大；7d 龄期时,双

14、掺硅灰超细矿渣高强混凝土抗压强度已高于单掺硅灰高强混凝土的 抗压强度，说明两种掺合料复合掺加的效果好于单掺的效果；28d 及 90d 龄期时，双掺硅灰超细矿渣高强混凝土抗压强度持续增长，说明超细矿渣后期增强效果得以 发挥.3 高强混凝土微观结构分析混凝土抗压强度的变化主要由其内部结构变化所决定，为此进行了水化产物分 析和孔结构分析.3. 1 水化产物研究中采用差热分析和热失重方法计算了水泥浆体中的Ca (O H 2 含量，计算结果列于表 8.:(H 2;硅灰(5% 14 吉 林 建 筑 工 程 学 院 学 报 2000 年 3 月细矿渣(15%水泥石中 Ca (O H 2 含量比同龄期纯水泥石

15、少.说明硅灰、超细 矿渣参与了水泥的水化，它们与水泥水化释放的 Ca (O H 2 发生火山灰反应生成了 致密的 CSH 凝胶，提高了水泥石的强度.另外，纯水泥石水化 3d 时 Ca(O H 2 含量 为 5. 39%,因此高 活性硅灰的掺量在 5%左右就能满足火山灰反应的要求，不必过 量掺加，水泥石或混凝土后期强度的提高应以超细矿渣的火山灰效应为主.试验中还采用扫描电镜观察了 Ca (O H 2 的形貌，在纯水泥石中存在着大量的六方板状的 Ca(O H 2晶体，而在硅灰超细 矿渣水泥石中看不到结晶良好的 Ca (O H 2 晶体，说 明 Ca (O H 2 确与硅灰及超细矿渣进 行了火山灰反

16、应.表 8 氢氧化钙含量(编号 3d 7d 28d 90d 15. 396. 7110. 2016. 17103. 284. 116. 267. 793. 2水泥石孔径分布采用压汞法测定了水泥石的孔径分布，结果列于表 9.表 9硬化水泥石孔径分布孔径分布(m L /g#水泥石 10#水泥石 3d 7d 28d 90d 3d 7d 28d 90d 100nm 0. 03590. 02850. 01300. 00600. 01250. 00440. 00300. 000 总孔隙率0. 10500. 0910. 08500. 08200. 07200. 06300. 00600. 0552由表 9

17、结果可知，硅灰、超细矿渣的掺入,导致了水泥石孔径分布发生 了变化；3d龄期时,纯水泥石 50100nm 和大于 100nm 孔级孔量占总孔隙率的 74. 2%,而硅灰超 细矿渣水泥石该孔级孔量只占总孔隙率的 41.7%,说明此时硅灰的火 山灰活性已发挥；随着水化龄期的延长，硅灰超细矿渣水泥石大于 100nm 的孔量减 少程度很大.90d 时，硅灰超细矿渣水泥石大于 100nm 孔量只占总孔隙的 0. 4%,说 明超细矿渣与 Ca(O H 2 反应生成的 CS H 凝胶继续填充大孔，使大孔向小孔转化；硅灰超细矿渣水泥石各龄期的 总孔隙率都低于纯水泥石相应龄期的总孔隙率.上述孔径分布的变化，导致了

18、水泥石结 构的密实，进而使混凝土强度得以提高.4 结论(1 硅灰掺入到高强混凝土中后，使混凝土坍落度下降，超细矿渣掺入对高强混 凝土坍落度影响不大从降低混凝土成本和保证坍落度角度考虑，硅灰掺量 5%,超细矿渣 15%以上为宜.(2 硅灰对提高高强混凝土早期强度有益，超细矿渣可保证高强混凝土后期强度 持续增长硅灰超细矿渣两者复合掺加时，混凝土强度高于两者单掺的混凝土强度 (3 硅灰超细矿渣吸收了水泥水化产生的Ca(O H 2,生成致密的 CSH 凝胶,填充于大孔中，使大孔向小孔转化，水泥石结构更加密实，进而提高了高强混凝土早期和 后期.15第 1 期李家和，盖广清，刘铁军：双掺硅灰超细矿渣高强混凝土的研究16 吉林建筑工程学院学报 2000 年 3 月参考文献1 陆金平等.双掺硅灰粉煤灰超高强混凝土的研究.上海建材学院学报，1993( 2 2 李建勇等.利用超细矿渣和硅灰配制高性能混凝土的研究.混凝土，1997( 4 Study ofHigh Strength Concrete with Silica