3章掺和料详解课件

1、第三章混凝土矿物外加剂孔凡营山东科技大学土建学院土木系同学们好，祝心情愉快！心情好是创新的重要心理条件3.1概述 定义： 是以氧化硅、氧化铝和其他有效矿物为主要成分，在混凝土中可以代替部分水泥、改善混凝土综合性能，且掺量一般5的具有火山灰活性或者潜在水硬性的粉体材料。也叫掺和料、掺合料、细掺料。它是一种在配合比设计时，需要考虑体积或质量变化的外加材料。 分 类 1.按照有无活性来划分：活性矿物外加剂和非活性矿物外加剂。 2.按照按照组成成分多少来划分：单一掺合料和复合矿物外加剂。复合掺合料更有利于改善混凝土综合性能，因为可以达到优势互补。 常用品种 粉煤灰磨细水淬矿渣微粉（简称矿粉）硅灰磨细沸

2、石粉偏高岭土硅藻土烧页岩沸腾炉渣等 都属于活性矿物外加剂。 作 用 主要是改善混凝土综合性能，其次是节约水泥，是现代混凝土特别是高性能混凝土不可缺少的重要组分，同混凝土化学外加剂一样重要，属于现代混凝土高技术。 矿物外加剂在混凝土中的主要功能 1.改善混凝土的和易性； 2.降低混凝土水化温升； 3.提高混凝土早期强度或增进后期强度； 4.改善混凝土内部结构，提高混凝土抗腐蚀能力； 5.提高混凝土的抗裂性能； 6.提高混凝土的耐久性。 混凝土掺加掺合料带来的问题 降低混凝土的碱性，混凝土抗碳化性能以及护筋性会有所降低，可以通过提高混凝土密实度和细化孔结构加以解决。 3.2 粉煤灰（fly-ash

3、）3.2.1定义：3.2.2分类： （1）高钙粉煤灰（C级灰，CaO含量高于10）：是褐煤或者次烟煤的粉煤灰，黄色或浅黄色，有火山灰活性，还有点胶凝性或潜在水硬性。它一般不用于混凝土，因为常出现质量事故如混凝土膨胀开裂等。 （2）低钙粉煤灰（F级灰）：烟煤或无烟煤的粉煤灰， CaO含量较低，灰色或暗灰色，只有火山灰性质，无胶凝性或潜在水硬性。是我国的主要粉煤灰品种，常用于混凝土。 （3）增钙粉煤灰（改性粉煤灰）：电厂锅炉燃煤过程中添加石灰石以便脱硫，形成的粉煤灰， CaO含量高，但不是高钙粉煤灰。 （4）磨细粉煤灰（pulverizedash）：将干燥的粉煤灰磨细到规定细度的粉末，其活性利用率

4、明显高于原状粉煤灰。3.2.3化学成分、矿物组成及细度1.粉煤灰的化学成分： SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等，占粉煤灰总量的85左右，其中SiO2 3560， Al2O3 1340， CaO 25， Fe2O3 310。 粉煤灰一般呈球形铝硅玻璃珠状，比表面积达300600m2/kg，比水泥要细，具有较大的吸附作用，能与水泥熟料矿物反应，形成水硬性化合物。2.矿物组成 1）玻璃体： 5070，这是潜在活性成分，含量越高，则粉煤灰质量越好，主要是活性SiO2和活性Al2O3 ； 2）晶体： 主要是莫来石和石英，是惰性成分，对活性没有贡献； 3）未燃碳（烧失量）： 124，是有害成分，

5、它对混凝土强度影响不是很大，主要影响混凝土抗冻性等耐久性和建筑物的整体性。3.粉煤灰的细度 越细，则活性越高，对混凝土强度贡献越大。 细度用80um方孔筛筛余量表示：一级粉煤灰筛余5；二级粉煤灰8；三级粉煤灰25 。3.2.4粉煤灰的形态原状粉煤灰显微图片磨细粉煤灰的显微图片3.2.3 粉煤灰的技术性能和作用机理1.粉煤灰的质量指标：P14-16（1） 需水量比 掺加30粉煤灰的水泥胶砂需水量/硅酸盐水泥胶砂需水量 需水量比91107，其值越小，则混凝土用水量越少，混凝土强度及其他性能越明显。（2）粉煤灰抗压强度值越高，则粉煤灰活性越大。 粉煤灰抗压强度 掺30粉煤灰的水泥抗压强度/掺30磨细

6、标准砂的水泥抗压强度（3）含硫量：SO33.5，适当的SO3有利于增进混凝土强度，但过高，则将导致混凝土体积不安定而开裂。（4）含水率：一二级粉煤灰的含水率1，含水率过大，则导致粉煤灰活性下降，容易凝聚结块，不利于运输和储存。（5）细度：见前述。2.粉煤灰的作用机理：（1）火山灰活性效应； （2）比重效应；（3）填充效应； （4）微骨料效应； （5）形貌效应（滚珠效应）； （6）环保效应； （7）经济效应； （8）降低砼水化热 。3.2.4 粉煤灰对混凝土性能的影响1、对混凝土拌和物性能的影响： 使用一二级粉煤灰，可以提高混凝土的流动性、可泵性，提高混凝土的易捣实性。2、对混凝土强度的影响：

7、降低混凝土早期强度，混凝土后期强度有所提高。当养护温度较高时或者大体积混凝土施工，混凝土强度会显著提高。3、对混凝土耐久性影响： （1）现代混凝土掺有粉煤灰后，对抗冻性无不良影响； （2）掺加粉煤灰后，现代混凝土的抗渗性有所提高； （3）抗硫酸盐腐蚀性能明显提高； （4）抗碳化性能有所降低，但护筋性显著提高。4、对水化热影响： 能降低混凝土水化热和混凝土水化温升，极大地推迟温峰出现时间。 在大体积混凝土中掺加粉煤灰，是降低水化热、防止混凝土温度裂缝的最为有效的措施。5、对混凝土收缩和抗裂性的影响： （1）抑制混凝土的自收缩。 （2）降低混凝土早期收缩和长期干燥收缩，这对减少混凝土裂缝极为有利。

8、 （3）改善混凝土抗裂性能。3.2.5 掺加低钙粉煤灰的效果1.节约水泥1015，经济效益显著；2.改善混凝土综合性能： 1）改善混凝土和易性、可泵性、易捣实性和抹面性； 2）降低混凝土水化热，是大体积混凝土的主要掺合料； 3）提高混凝土抗硫酸盐性能； 4）提高混凝土抗渗性； 5）抑制混凝土的碱骨料反应。3.2.6 粉煤灰主要用途 主要用于泵送混凝土、大体积混凝土、抗渗混凝土、蒸养混凝土、轻骨料混凝土、地下工程混凝土、水下工程混凝土、碾压混凝土、抗软水侵蚀混凝土和抗硫酸盐腐蚀混凝土工程，一般不用于早期强度要求高的混凝土工程。 混凝土掺用粉煤灰的注意事项按照粉煤灰混凝土应用技术规范规定， （1）

9、一级粉煤灰适用于钢筋混凝土和跨度小于6m的预应力钢筋混凝土； （2）二级粉煤灰适用于钢筋混凝土和无筋混凝土； （3）三级粉煤灰主要用于无筋混凝土。对于强度等级要求等于或大于C30的无筋粉煤灰混凝土，宜采用一、二级粉煤灰； （4）用于预应力钢筋混凝土、钢筋混凝土的粉煤灰，经过试验论证，可采用比上述规定低一级的粉煤灰。 总之，粉煤灰已经由过去的工业废渣变为现在的宝贵资源，是现代混凝土不可缺少的重要原料。 研发和推广粉煤灰混凝土技术，大有前途！3.2.7粉煤灰混凝土的配合比设计 （JGJ28-86)一、设计方法:1.按 JGJ55-2000进行普通混凝土基准配合比设计；2.按表4.2.1选择粉煤灰取

10、代水泥率（c）表4.2.1 粉煤灰取代水泥率（c）注：1. 采用42.5水泥取上限， 32.5水泥取下限2. C20 以上混凝土宜用I、 II级粉煤灰，C15以下混凝土可用III级粉煤灰。混凝土等级普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥C1515251020C20101510C25C30152010153.按所选用的粉煤灰取代水泥率（c），求出每立方米粉煤灰混凝土的水泥用量(mc)： mc=mc0(1 c) mc0为每立方米基准混凝土的水泥用量4.按表4.3.2选择粉煤灰超量系数（c）表4.3.2 粉煤灰超量系数（c）粉煤灰级别超量系数（c）I1.01.4II1.21.7III1.52.05.按超量系数

11、（c） ，求出每立方米粉煤灰混凝土的掺量(mf)mf= c(mc0 mc)6. 计算每立方米粉煤灰混凝土中的水泥、粉煤灰和细骨料的绝对体积， 或采用重量法计算砂石重量。7.按粉煤灰超出水泥的体积，扣除同体积的细骨料用量。8.粉煤灰混凝土的用水量，按基准配合比的用水量取用。9. 试配调整，满足和易性及强度的要求。例题粉煤灰混凝土设计强度等级为 30，施工要求混凝土坍落度为180，根据施工单位历史资料统计，混凝土强度标准差3MPa。所用原材料情况如下： 水泥：32.5级普通硅酸盐水泥，水泥密度为=3.10/cm，水泥强度等级标准值的富余系数为1.35； 砂：中砂，级配合格，砂子表观密度os=2.6

12、0/cm531.5mm卵石，级配合格，石子表观密度og=2.65/cm3；HSP高效减水剂：1%掺量，减水率：20%, I级粉煤灰试求：粉煤灰混凝土计算配合比解：(1)确定混凝土配制强度（fcu,0）fcu,0= fcu,k + 1.645= 30 + 1.6453 =34.9 MPa(2)确定水灰比（W/C）fce = c fce,k = 1.35 32.5=34.9MPa查用水量表，选用mw0=210kg高效减水剂减水率为20%用水量 ： mw0=210(1-20%)=168kg水泥用量： mc0 =168/0.50=336kg查表4.2.1选用粉煤灰取代水泥率（c=20%），求出每立方米

13、粉煤灰混凝土的水泥用量(mc); mc=mc0(1 c)=336(120%)=269kg由表4.3.2 对于I级粉煤灰，选用粉煤灰超量系数c=1.2，求出每立方米粉煤灰混凝土的粉煤灰掺量(mf)mf=1.2(336269)=1.267=80kg; mc+ mf=269+80=349300kg, 由表4.0.4， 合格采用重量法计算砂石重量：设粉煤灰混凝土的=2450kg/m3假定表观密度法计算，将mc=269； mf=80kg mw=168代入方程组ms=716kg, mg=1217kg,每立方米粉煤灰混凝土的材料用量为：mc=269； mf=80kg；mw=168， ms=716kg； mg

14、=1217kg因试配得粉煤灰混凝土的实测表观密度为2410kg/m3, 故得校正系数：由此得每立方米粉煤灰混凝土的材料用量为：mc=265； mf=79kg；mw=165， ms=704kg； mg=1197kg高效减水剂：3.44kg3.3 粒化高炉矿渣粉（blast fumace slag powder ）3.3.1定义： 也叫磨细矿渣（ pulverized slag ），简称矿粉，是指矿渣经过干燥、粉磨（有时可以添加少量石膏或助磨剂一起粉磨）达到规定细度并符合规定活性指数的粉体材料。 矿渣是一种潜在活性很大的材料，但需要磨细，其活性才能充分发挥出来，磨细是激活矿渣活性最为有效的简便方法

15、。3.3.2矿渣的技术性能与质量指标1、主要化学成分： CaO 、 SiO2、 Al2O3、 MgO、 Fe2O3等。 其中前三项约占矿粉总量的90左右， CaO 3046，是有用成分，越多越好； SiO2 2640，以偏低为好； Al2O3 624； MgO 110，不以结晶方镁石形式而存在，不会引起混凝土安定性不良，其含量适当高些，则活性好； MnO 1%左右，是有害成分； TiO2 一般2，是非活性成分，越少越好。 另外，还含有少量Na2O、K2O等。2、矿物组成： 主要是玻璃体，其次是钙镁黄长石晶体，很少量的硅酸一钙、硅酸二钙等晶体，所以矿渣具有微弱的自身水硬性。3、矿粉的活性指数M：

16、 M=(CaO +MgO+Al2O3) /SiO2。 M1，碱性矿渣，胶凝性好，M越大，矿渣活性越高； M1，酸性矿渣，胶凝性差，不用做掺合料； M=1, 中性矿渣。4、质量系数K： K =（ CaO MgOAl2O3 ）/（ SiO2 +MnO） 式中，分子属于活性成分，分母是非活性成分。K用来评价矿渣质量，K越大，矿粉质量越好，即活性越高，一般规定K1.25、矿粉质量等级： 按照矿粉的比表面积、活性指数和流动性来分，分为S105、S95和S75三个等级，S105最好。 见P24-25表246、高强高性能混凝土所用的矿粉质量指标： 见P25表2.53.3.3 矿粉的作用机理 矿粉改善硬化混凝

17、土力学性能机理（简单了解）共有两大效应，即（1）复合胶凝效应，包括 a.诱导激活效应： b.表面微晶化效应 c.界面藕合效应（2）微骨料效应，包括 a.自紧密堆积效应 b.形状因子效应3.3.4 矿粉对混凝土性能的影响 1、对混凝土拌和物和易性的影响： （1）当在混凝土中同时掺用矿粉和减水剂时，混凝土拌和物的流动性明显好于不掺矿粉； （2）在混凝土掺加减水剂时，矿粉能减小混凝土的坍落度损失，这对商品混凝土极为有利； （3）矿粉可以改善泵送混凝土的可泵性。2、对混凝土强度的影响： 少掺则混凝土早期强度不变或者略降； 多掺则混凝土早期强度降低，可以通过提高养护温度，加快混凝土强度发展，使早期强度提

18、高。 对于大体积混凝土、高温高湿环境中施工或使用的混凝土，掺加矿粉后，不仅可以保证混凝土早期强度，而且可以增进混凝土后期强度发展，比掺加粉煤灰的作用效果更佳。 矿粉与粉煤灰和减水剂一起掺加到混凝土中，应用效果更好。3、对混凝土耐久性的影响 （1）掺加矿粉后，混凝土的抗渗性提高，从而提高混凝土的抗碳化性能、抗冻性和抗腐蚀性能。 （2）掺加矿粉后，混凝土抗硫酸盐和海水腐蚀的能力大大提高，所以，大掺量矿粉混凝土广泛用于海洋工程和地下工程。 （3）矿粉能有效抑制混凝土的碱骨料反应，这对提高耐久性也十分有利。 （4）混凝土掺加矿粉后，抗碳化性能和护筋性优于掺加粉煤灰。 所以，矿粉广泛适用于高性能混凝土，

19、目前跨海大桥混凝土桥墩必须使用矿粉。4、对混凝土收缩和抗裂性的影响（1）对混凝土自收缩的影响： 当比表面积400m2/kg时，矿粉能减少混凝土的自收缩； 当比表面积 400m2/kg时，掺加矿粉，混凝土的自收缩有增大趋势。（2）矿粉对混凝土早期收缩和总干燥收缩的影响： 早期收缩明显下降，效果略好于粉煤灰； 总干燥收缩也就是长期干燥收缩也明显下降。（3）矿粉对混凝土抗裂性的影响： S105和S95级矿粉能有效提高混凝土的抗裂性； S75级矿粉会增大混凝土泌水，混凝土早期强度低，对抗裂性不利。3.3.4 矿粉的工程应用 矿粉既是配制高强高性能混凝土的重要组分，又是重点基础设施建设的重要材料，应用广

20、泛。 跨海大桥、港湾工程等大量使用矿粉。 耐热混凝土也大量使用矿粉。 大型水池、污水处理厂等也大量使用矿粉。3.4 硅灰（silica fume）3.4.1定义及成分： 1、定义： 是指冶炼硅铁合金或工业硅时，从烟道中用收尘器收集到的粉末。 2、化学成分： 主要成分是无定形二氧化硅，含量达90以上，还含有少量氧化铁、氧化钙等。3.4.2物理性质及化学活性 一般呈青灰色或银白色，球形颗粒，表面光滑，堆积密度很小，比表面积很大，所以它的活性很高，高达110。 硅灰是一种极佳的混凝土掺和料，是高强超高强混凝土的优良掺合料，但价格昂贵，资源有限。硅灰显微图片硅灰图片3.4.3 硅灰质量指标 根据GB187362000高强高性能混凝土用矿物掺合料，硅灰质量指标见P33表2.6 硅灰中二氧化硅含量高为好，需水量小为好，活性指数大