chap2高性能溷凝土的原材料课件

高性能混凝土第二章高性能混凝土的原材料高性能混凝土由于要满足多元组分优化配制、可泵性、高强度、良好的耐久性等多方面的技术要求，故在原材料选择上要比普通混凝土严格、复杂得多。

高性能混凝土是指采用常规材料和生产工艺，能保证混凝土结构所要求的各项力学性能，并具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。

(1)原材料组成较复杂

普通混凝土：水泥、水、砂、石——四元组分高性能混凝土：水泥、矿物掺合料、外加剂、水、砂、石

——多元组分磨细矿渣粉煤灰硅灰磨细钢渣等减水剂缓凝剂保塑剂膨胀剂等1.水泥Cement

水泥生产的主要原材料粘土质原料：提供Al质、Si质和部分Fe质组分，主要有如粘土、页岩、淤泥、污泥等。SiO2/(Al2O3+Fe2O3)约为2.5~3.5Al2O3/Fe2O3约为1.5~3.0石灰质原料：提供Ca质组分，主要有如石灰石、电石渣等校正原料：当上述两种原材料按任何配比均达不到所要求的组成时，用其他原材料如Fe粉等进行校正。调凝材料：主要是石膏1.水泥Cement

水泥的生产过程简单地说，水泥的生产过程可以概括为“两磨一烧”，即生料的粉磨、熟料的烧成、熟料的粉磨。1.水泥Cement

水泥品种水泥品种众多，常用的有硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥（矿渣掺量20%~70%）、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥（粉煤灰掺量20%~40%），其差别在于混合材料品种和掺量大小。另外，还有硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、铝酸盐水泥、磷酸盐水泥等等，与硅酸盐水泥的差别在于熟料矿物的不同。可用于配制具有特殊性能的混凝土。特种硅酸盐水泥还包括道路硅酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥、低热微膨胀硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥、油井水泥等，可用于配制具有特殊性能的混凝土。1.水泥cement

水泥的强度性能与混凝土的强度性能混凝土强度在很大程度上取决于水泥强度及其性能。在我国，配制高强混凝土宜选用42.5或更高强度等级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。（1）混凝土强度与水泥强度等级的关系水泥早期强度主要来源于C3S矿物的水化，C3A矿物对水泥早期强度也略有贡献，而C2S矿物对水泥的后期强度有贡献，C4AF矿物对水泥强度性能贡献较小。相应地，使用的水泥矿物组成对混凝土的强度大小及其发展趋势有影响。（2）混凝土强度与水泥矿物组成的关系1.水泥cement

水泥的强度性能与混凝土的强度性能通常而言，在总胶凝材料用量相同的情况下水泥用量越高强度越高，但这也并非绝对的事实，混凝土的强度影响因素众多，有时靠单纯增加水泥用量来提高混凝土强度甚至会适得其反。（4）混凝土强度与水泥用量的关系高细度水泥早期强度增长很快，但后期强度很少增加，而且水化热大，所以细度应合适。（3）混凝土强度与水泥细度的关系此外，水泥的强度性能与其煅烧制度等也有关系。1.水泥cement

水泥与高效减水剂的相容性问题的提出：在高性能混凝土当中，普通使用高效减水剂，而水泥与高效减水剂之间存在相容性的问题，即：在水胶比很低的情况下，并不是每一种符合国家标准的水泥在使用一定的高效减水剂时都有同样的流变性能；同样，也并不是每一种符合国家标准的超塑化剂对每一种水泥流变性能的影响都一样。

2.集料Aggregate

集料（又称骨料）是混凝土的主要组成材料之一，占混凝土体积比例70%~80%左右。集料在混凝土中既有技术上的作用，又有经济上的意义。在技术上，集料的存在使混凝土比单纯的水泥浆具有更高的体积稳定性和更好的耐久性；在经济上它比水泥便宜很多，作为廉价的填充材料，使得混凝土这种建筑材料成本低廉。2.集料Aggregate

按混凝土集料粒径，可以将其分为粗集料和细集料。通常把0.15~4.75mm粒径的集料称为细集料。把4.75mm以上粒径的集料称为细集料。根据集料的密度，可分为普通集料，重质集料和轻集料。不同的集料，应用于要求不同的混凝土，如重质集料一般用于防辐射混凝土的配制，而轻集料则有利于减轻混凝土的自重和隔声等作用。按集料的来源和加工方式不同可分为天然集料和人工集料两大类；而按集料的材质不同，又可分为石灰岩集料、花岗岩集料、砂岩集料、石英岩集料等。集料的分类2.集料Aggregate细集料分类

细骨料一般为天然岩石长期风化等自然条件下形成的天然砂。根据产源的不同，天然砂可分为河砂、海砂及山砂。也有天然岩石经人工加工得到的机制砂，其定义为由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。而混合砂指由机制砂和天然砂混合制成的砂。2.集料Aggregate细集料的级配

砂的级配通常用筛分法确定。根据国家标准，筛孔尺寸有0.075mm\0.15mm\0.3mm\0.6mm\1.18mm\2.36mm\4.75mm\9.50mm这几个级别。2.集料Aggregate细集料的级配规定筛孔尺寸级配区I区II区III区累计筛余（%）9.50mm0004.75mm10~010~010~02.36mm35~525~015~01.18mm65~3550~1025~0600μm85~7170~4140~16300μm95~8092~7085~55150μm100~90100~90100~902.集料Aggregate细集料粗细程度表示方法

2、细度模数法式中Ａi——累计筛余百分率，即该号筛与大于该号筛的各筛分计筛余百分率之和。2.集料Aggregate石子各粒级的公称上限粒径称为这种石子的最大粒径。石子的最大粒径增大，则相同质量石子的总表面积减小，混凝土中包裹石子所需水泥浆体积减少，即混凝土用水量和水泥用量都可减少。配制普通强度等级混凝土时，在一定的范围内，石子最大粒径增大，可因用水量的减少提高混凝土的强度。然而石子最大粒径过大时，则由于骨料与水泥砂浆粘结面积下降等原因造成混凝土的强度下降。

对于C50~C60混凝土，粗集料最大粒径宜不大于25mm，对C60以上的混凝土宜小于20mm。

2.集料Aggregate同时，最大粒径的选用，要受结构上诸因素和施工条件等方面的限制。另外：1、粗集料粒径不得大于结构截面最小尺寸的1/4，不得大于钢筋间最小净距的3/4。2、对混凝土实心板，集料的最大粒径不宜超过板厚的1/2，且不能超过50mm。粗集料5-25mm最佳级配图粗集料5-40mm最佳级配图2.集料Aggregate集料的强度及坚固性

集料在混凝土当中起到骨架的作用，通常情况下，集料的强度都应高于混凝土的设计强度。当混凝土设计强度等级较高时，集料强度在很大程度上决定了混凝土的强度，但当集料强度足够高时，混凝土强度几乎不受集料强度的影响。我国行业标准《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》（JGJ53-92）规定混凝土强度等级为C60及以上时应进行岩石抗压强度检验，其他情况下如有怀疑或认为有必要时也可进行岩石的抗压强度检验。岩石的抗压强度与混凝土强度等级之比不应小于1.5，且火成岩强度不宜低于80MPa，变质岩不宜低于60MPa，水成岩不宜低于30MPa。

2.集料Aggregate集料的强度及坚固性集料的强度难以直接进行测量，一般通过压碎值指标和母岩强度来间接地进行评价。

岩石立方强度试验，是用母岩制成5×5×5㎝立方体，或直径与高度均为5㎝的圆柱体试样，浸泡水中４８ｈ，待吸水饱和后进行抗压试验。石子抗压强度与设计要求的混凝土强度等级之比，不应低于1.5。

2.集料Aggregate集料的强度及坚固性（2）骨料的坚固性骨料的坚固性是指在气候、外力和其他物理力学因素作用（如冻融循环作用）下骨料抗碎裂的能力。坚固性试验是用硫酸钠溶液法检验，试样经五次干湿循环后，其质量损失应不超过规范的规定2.集料Aggregate集料的杂质含量为保证混凝土的质量，砂中有害杂质的含量，应符合国家技术规范的规定。如果是海砂，还要考虑氯离子的含量。混凝土强度等级≥C30≤C30含泥量（按质量计），％≤3.0≤5.0含泥块量（按质量计），％≤1.0≤2.0硫化物及硫酸盐含量（折算成SO3，按质量计），％）≤1.0云母含量（按质量计），％≤2.0轻物质含量（按质量计），％≤1.0

高性能混凝土用的粗细集料含泥量宜控制在1%以下，达不到时应采取冲洗或其他措施进行处理。2.集料Aggregate集料性质对混凝土性质的影响混凝土的性质相应集料的性质耐久性抗冻性抗干湿性抗冷热性耐磨性碱-集料反应稳定性，孔隙率，孔结构，渗透性，饱和度，抗拉强度，黏土矿物孔结构，弹性模量热膨胀系数硬度存在异常的硅质成分强度强度，表面状态，清洁度，颗粒形状，最大粒径收缩和徐变弹性模量，颗粒级配，颗粒形状，清洁度，最大粒径，黏土矿物耐磨性硬度热膨胀系数热膨胀系数，弹性模量热导率热导率比热容比热容容重相对密度，颗粒形状，级配，最大粒径弹性模量弹性模量，泊松比经济性颗粒形状，级配，最大粒径，需要的加工量，可获得量三、外加剂外加剂是指在拌和混凝土过程中掺入以改善混凝土性能为目的物质，其掺量一般不大于水泥质量的5％。在现代混凝土技术中，外加剂已成为继水泥、砂、石、水后混凝土的不可或缺的第五组分。按功能分：改变流变性的减水剂、引气剂、泵送剂调节凝结时间的缓凝剂、速凝剂、部分早强剂改善耐久性的防水剂、阻锈剂、防冻剂提供特殊性能的引气剂、膨胀剂、着色剂1、减水剂减水剂是指能保持混凝土的和易性不变，而显著减少其拌合用水量的外加剂。由于拌合屋中加入减水剂后，如不改变单位用水量，可明显地改善其和易性，因此减水剂又称为塑化剂。减水剂多属于表面活性剂，它的分子结构是由亲水基团和憎水基团组成，当两种物质接触时（如水—水泥，水—油，水—气），表面活性剂的亲水基团指向水，憎水基团朝向水泥颗粒（油或气）。减水剂能提高混凝土拌合物和易性及混凝土强度的原因，是由于其表面活性物质间的吸附一分散作用、润滑、湿润作用所致。（1）减水剂的作用机理水泥加水拌和后，由于水泥颗粒间分子引力的作用，产生许多絮状物而形成絮凝结构，使10％～30％的拌合水（游离水）被包裹在其中，从而降低了混凝土拌合物的流动性。当加入适量减水剂后，减水剂分子定向吸附于水泥颗粒表面，亲水基端指向水溶液。由于亲水基团的电离作用，使水泥颗粒表面带上电性相同的电荷，产生静电斥力，致使水泥颗粒相互分散，导致絮凝结构解体，释放出游离水，从而有效地增大了混凝土拌合物的流动性。另外，阴离子表面活性剂类减水剂，其亲水基团极性很强，易与水分子以氢键形式结合，在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜，这层水是很好的润滑剂，有利于水泥颗粒的滑动，从而使混凝土流动性进一步提高。减水剂还能使水泥更好地被水湿润，也有利于和易性的改善。在保持和易性不变，也不减少水泥用量时，可减少拌合水用量5～25%或更多。在保持原来配合比不变的情况下，可使拌合物的坍落度大幅度提高。若保持强度及和易性不变，可节约水泥10～20%。由于拌合水量减少，拌合物的泌水、离析现象得以改善，可提高混凝土的抗冻性、抗渗性。（2）使用减水剂的技术经济效果（3）目前常用的减水剂木质素系减水剂

主要有木质素磺酸钙（木钙）、木质素磺酸钠（木钠）和木质素磺酸镁（木镁），其中以木钙使用最多，简称Ｍ剂，它属于阴离子表面活性剂。Ｍ剂是以生产纸浆或纤维浆的亚硫酸木浆废液为原料，采用石灰乳中和，经生物发酵除糖、蒸发浓缩、喷雾干燥而制成，为棕黄色粉状物。Ｍ剂因原料丰富，价格低廉，并具有较好的塑化效果，故目前应用较多。Ｍ剂为普通减水剂，其适宜掺量为0.2～0.3％，减水率10％左右；有缓凝作用，一般缓凝1～3ｈ。萘系减水剂

萘系减水剂为高效减水剂，它是以工业萘或由煤焦油中分熘出的含萘及萘的同系物熘分为原料，经磺化、水解、缩合、中和、过滤、干燥而制成，为棕色粉末，主要成分为β一萘磺酸盐甲醛缩合物，属阴离子表面活性剂。这类减水剂品种很多，目前我国生产的主要有ＮＦ、ＦＤＮ、ＵＮＦ、MF、ＳＮ—２、ＡＦ等。萘系减水剂适宜掺量为0.5％～1.0％，其减水率较大，为10％～25%，增强效果显著，缓凝性很小，大多为非引气型。适用于日最低气温０℃以上的所有混凝土工程，尤其适用于配制高强、早强、流态等混凝土。树脂类减水剂

此类减水剂为水溶性树脂，主要为磺化三聚氰胺甲醛树脂减水剂，简称密胺树脂减水剂。它是由三聚氰胺、甲醛、亚硫酸钠按适当比例、在一定条件下经磺化、缩聚而成，为阴离子表面活性剂。我国产品有ＳＭ树脂减水剂，为非引气型早强高效减水剂，其各项功能与效果均比萘系减水剂还好。ＳＭ适宜掺量为0．5％～２.０％，减水率达２０％～２７％。对混凝土早强与增强效果显著，能使混凝土1d强度提高一倍以上，７ｄ强度即可达空白混凝土２８d的强度，长期强度亦明显提高，并可提高混凝土的抗渗、抗冻性能及弹性模量。糖蜜类减水剂

糖蜜类减水剂为普通减水剂，它是以制糖工业的糖渣、废蜜为原料，采用石灰中和而成，为棕色粉状物或糊状物，其中含糖较多，属非离子表面活性剂。国内产品粉状有TF、ST、3FG等，糊状有糖蜜。糖蜜减水剂适宜掺量为0.2％～0.3％，减水率10％左右，属缓凝减水剂。4.外加剂chemicaladmixture（1）减水剂选择的一般原则a、选用的减水剂减水增强效果好，坍落度损失小，不应使混凝土拌合物产生泌水、离析现象，要具有良好的和易性及可泵性；b、要按工程特点来选:大体积混凝土、高强度等级砼c、要按施工时的环境温度来选：夏季、冬季d、要考虑到材料来源及价格。（2）强度要求如混凝土强度等级≤C50，则一般可选用普通减水剂或引气减水剂（引气性大的高效减水剂有MF，建1和AF等）；如混凝土强度等级≥C50，则一般应选用非引气性的高效减水剂，如国产的FDN，NF，UNF，SN-2及SM等型号的高效减水剂；如有早强要求，则宜掺入早强剂或早强减水剂．（3）其他要求a、普通减水剂，不宜单独用于蒸养混凝土；b、引气剂及引气减水剂，不宜用于预应力混凝土、蒸养混凝土；c、缓凝剂及缓凝减水剂，不宜用于日最低气温5C以下的混凝土，不宜单独用于水泥用量低、水灰比大的贫混凝土，且不宜单独用于早强混凝土、蒸养混凝土；d、氯盐、含氯盐外加剂不得用于易引起钢筋锈蚀的混凝土工程；e、氯盐、含氯盐外加剂宜与阻锈剂复合使用；f、若外掺硅灰，则必须用高效减水剂；SEM图像不掺减水剂，高w/c水化物距离宽低強20,000用萘系减水剂水化物距离窄高强20,000SEM图像用X404取得更低w/c水化物距离更短特高强20,000SEM图像3.外加剂Admixture

3.1.4减水剂的掺加方法先掺法后掺法分次掺加法3.外加剂Admixture

3.1.5使用减水剂的技术经济效果在保持和易性不变，也不减少水泥用量时，可减少拌合水用量5～25%或更多。在保持原来配合比不变的情况下，可使拌合物的坍落度大幅度提高。若保持强度及和易性不变，可节约水泥10～20%。由于拌合水量减少，拌合物的泌水、离析现象得以改善，可提高混凝土的抗冻性、抗渗性。在合适掺量及掺加方法下！！！！3.外加剂Admixture

全球外加剂销售额：约80亿欧元外加剂品牌众多，品质不一。3.1.6减水剂的品牌和市场3.外加剂Admixture

3.2调凝剂缓凝剂促凝剂速凝剂什么是凝结？为什么要调凝？调凝剂有哪些类别？3.外加剂Admixture

3.2.1缓凝剂缓凝剂类别类别品种掺量（占水泥量％）木质素磺酸盐木质素磺酸盐0.3～0.5羟基羧酸柠檬酸0.03～0.10酒石酸0.03～0.10葡萄糖酸0.03～0.10糖类及碳水化合物蜜糖0.10～0.30淀粉0.10～0.30无机盐锌盐、硼酸盐、磷酸盐0.10～0.23.外加剂Admixture

3.2.1缓凝剂缓凝剂作用机理

缓凝剂的作用机理解释主要有：吸附理论、生成络盐理论、沉淀理论和控制氢氧化钙结晶生长理论。3.外加剂Admixture

3.3速凝剂可溶性无机盐类可溶性有机化合物其他固体物质

3.3.1速凝剂的种类4.拌合水Water有可能用于搅拌混凝土的水：（1）自来水；（2）地表水（河水、湖水）；（3）地下水；（4）伏流水；（5）工业用水；（6）回收水；（7）海水。根据研究结果和经验，除含有酸类、糖类、洗涤剂以外，即使使用污水，混凝土的强度也未必有显著的影响。一般以强度比是否达到85%作为评判有害无害的界限。

5.矿物掺合料MineralAdmixture

在高性能混凝土当中，矿物掺合料几乎已经成为不可或缺的组分，在混凝土中合理地使用掺合料不仅对于提高混凝土的工作性能、耐久性能、强度性能、体积变形性能、经济性等几乎都能取得令人满意的技术效果。5.矿物掺合料Mineraladmixture5.1粉煤灰Flyash

粉煤灰作为一种掺合料应用于混凝土已有五六十年的历史了。美国加州理工学院的R.E.Davis于1933年开始发表关于粉煤灰用于混凝土中的研究报告。但在工程结构中的应用只是在70年代以后才有了较大的发展。随着混凝土科学技术的发展，粉煤灰混凝土技术也越来越成熟。（1）粉煤灰品质由于不同热电厂的煤源、燃烧热历史、收尘方式等不同，粉煤灰的品质存在很大的差异，对混凝土的性能将会产生不同的影响。因此，在选用粉煤灰时必须考虑其品质好坏。在我国，根据粉煤灰的细度、烧失量、需水量、三氧化硫和含水率等几项指标，将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级。

HPC的FA应符合GBJ146《粉煤灰混凝土应用技术规范》，且宜选用Ⅰ级粉煤灰；若采用Ⅱ级粉煤灰应先通过试验，证明能达到所要求的性能指标后方可采用。

（3）粉煤灰的掺量

在混凝土生产中，应用粉煤灰可采用外掺法、等量取代法和超量取代法等三种方法。从实践来看，这三种方法中以超量取代法效果最佳。

我国JGJ28-86对粉煤灰的超量系数K作出如下规定：采用Ⅰ级灰时，Ｋ=1.0~1.4；采用Ⅱ级灰时，K=1.2~1.7；采用Ⅲ级灰时，K=1.5~2.0，并规定强度等级高的混凝土取上限，强度等级低的混凝土取下限。在高性能混凝土配比设计规程征求稿中规定粉煤灰取代水泥的最大用量宜≤30%。

（3）粉煤灰的活性及其激发

a.化学激发方法b.机械力激发方法5.矿物掺合料Mineraladmixture5.2矿渣粉Slag矿渣是冶炼生铁时由铁矿石中的硅铝组分与造渣矿物石灰和氧化镁等熔融、冷却后得到的副产品。（1）磨细矿渣粉的活性及其影响因素3d28d矿渣活性影响因素：化学组成细度热历史（2）磨细矿渣粉的活性评价方法碱度：b=(CaO+MgO+Al2O3)/SiO2：碱度越大，活性越大；XRD分析：

XRD测定矿渣的结晶比率并计算矿渣玻璃化率：玻璃化率=（1－结晶比率）×100%，玻璃化率越大，活性越大；比表面积：用勃氏法或激光粒度仪测定，比表面积越大，活性越大；活性指数：我国分为S105、S95、S75三个级别（3）磨细矿渣粉对混凝土性能的影响对新拌工作性能的影响对强度性能的影响对体积变形性能的影响对耐久性能的影响5.矿物掺合料Mineraladmixture5.3硅灰Silicafume

硅灰是指用高纯度石英冶炼金属硅和硅铁合金的工厂从烟尘中收集的超细粉末，是在电弧炉中用焦炭或木片将石英还原为单质硅，其SiO2蒸汽在低温区氧化成SiO2并凝聚成的无定形的球状玻璃颗粒。

（1）硅灰的活性硅灰的一个显著特点：细！比表面积通常在20000m2/kg

以上。硅灰的另一个显著特点：活性高！在混凝土中对强度的贡献率超过水泥。（2）硅灰对混凝土性能的影响对新拌工作性能的影响对强度性能的影响对体积变形性能的影响对耐久性能的影响

有关硅粉在混凝土中最优掺量的报导不尽一致。Tachibana认为，对于100MPa及以上的混凝土硅粉最优掺量为10%；上海建材研究所的经验是配制80MPa以下混凝土的硅粉用量不要超过10%；Yogendran的研究结果为C60~C80的硅粉混凝土，掺量15%时最好。在我国，由于硅灰产量较低，因而价格很高；出于经济的考虑，当配制低于C80强度等级的混凝土时，一般不考虑掺用硅粉。3.6膨胀剂①膨胀化学反应

在以钙矾石为主要膨胀源的组成中，含铝相物质主要有以下几种：铝酸盐水泥熟料、硫铝酸钙熟料、煅烧明矾石和天然明矾石。其反应式为：

3CA+3CaSO4+38H2O→C3A·3CaSO4·32H2O+2(Al2O3·3H2O)（1）3CA2+3CaSO4+47H2O→C3A·3CaSO4·32H2O+5(Al2O3·3H2O)（2）

C4A3+2(3CaSO4·2H2O)+35H2O→C3A·3CaSO4·32H2O+2Al(OH)3（3）

K2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3+13Ca(OH)2+5CaSO4+78H2O→3AFt+2KOH（4）按照反应方程式可以计算出各种含铝相原材料中活性Al2O3与石膏完全反应生成钙矾石（AFt）的理论摩尔比：

当某二种含铝相原料复合后再加石膏配制成膨胀剂时，其理论[Al2O3]/[SO3]可以根据各种组分的百分含量计算而得出。硫铝酸盐水泥[Al2O3]:[SO3]=1:0.7高铝水泥[Al2O3]:[SO3]=1:1生（熟）明矾石[Al2O3]:[SO3]=1:1.7

膨胀反应[Al2O3]/[SO3]理论摩尔比[Al2O3]/[SO3]影响膨胀率的规律

1、当[Al2O3]/[SO3]高于理论值时（即石膏量不足），膨胀量低，膨胀稳定期短；

2、随[Al2O3]/[SO3]降低（即二水石膏的增加），膨胀量增大，早期膨胀量明显增加，在一定的比例范围内可以获得最佳的膨胀值和膨胀稳定期；

3、当掺入的石膏量继续增加时，相应的活性Al2O3量减少，大量的SO3剩余下来，在后期AFt还能不断生成，结果可能导致水泥石后期体积的不稳定性。②组成设计

A：对于要求具有较高膨胀能、膨胀稳定期短、早期强度发展快的高强混凝土，可以选用高活性含铝原材料（CAS水泥或高铝水泥）和二水石膏在适宜的[Al2O3]/[SO3]比条件下配制成膨胀剂。

B：对于要求膨胀稳定期较长，并且后期要有一定膨胀量的混凝土，应该选用一般活性的含铝相原料（天然明矾石，煅烧明矾石等）和二水石膏，并且适当降低[Al2O3]/[SO3]，增加石膏的含量，以保证混凝土强度和膨胀协调发展。

基准1#（含无水硫铝酸钙）2#BEA3#（含熟明矾）（UEA）20±3℃水中养护20±3℃、RH=（60±5）%恒温恒湿养护复合膨胀剂BEA的研制1）未掺膨胀剂的基准样，21d已出现较大的收缩；2）1#早期膨胀能大，但膨胀落差大，在90d龄期已出现收缩；3）3#及掺UEA样，早期膨胀能较小，且在90d龄期已出现收缩；4）2#掺BEA样，早期膨胀能大，且膨胀落差小，在90d龄期仍有较大的膨胀率，持续稳定膨胀。通过BEA组分的设计，可进行膨胀量的精确控制。

明天的混凝土将含有较少的熟料，因此水泥业将成为水硬性胶凝材料业，一种向市场提供与水拌和时能硬化的微细粉末的工业。这种使矿物组分，而不是细磨熟料用量增大的做法，将有助于水泥业向更加符合各国政府提出的可持续发展的目标迈进。今天的水泥业沿着这个方向努力已经是非常必要了。

Cementsofyesterdayandtoday；ConcreteoftomorrowP.-C.Aïtcin

矿物细掺和料的作用以活性氧化硅、氧化铝和其它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，且掺量一般不小于5%的具有火山灰活性或潜在水硬性的粉体材料。

什么是混凝土矿物细粉掺和料？

矿物掺和料是指在混凝土拌合物中，为了节约水泥，改善混凝土性能加入的具有一定细度的天然或者人造的矿物粉体材料，也称为矿物外加剂，是混凝土的第六组分。常用的矿物掺合料有：粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、沸石粉、燃烧煤矸石等。粉煤灰应用最普遍。⑴粉煤灰又称飞灰，是由燃烧煤粉的锅炉烟气中收集到的细粉末，其颗粒多呈球形，表面光滑，大部分由直径以µｍ计的实心和(或)中空玻璃微珠以及少量的莫来石、石英等结晶物质所组成。化学成分及矿物组成

化学成分

粉煤灰的化学成分因煤的品种及燃烧条件而异。一般来说，粉煤灰化学成分的变动范围为：SiO2含量约为40％～60％；Al2O3含量为20％～30％，Fe203含量为5％～10％，CaO含量2%～8%，烧失量3％～8％，SiO2和Al2O3是粉煤灰中的主要活性成分，粉煤灰的烧失量主要是未燃尽碳，其混凝土吸水量大，强度低，易风化，抗冻性差，为粉煤灰中的有害成分粉煤灰在混凝土中的作用①活性行为和胶凝作用。粉煤灰的活性来源于它所含的玻璃体，他与水泥水化生成的Ca(OH)2发生二次水化反应，生成C-S-H和C-A-H、水化硫铝酸钙，强化了混凝土界面过渡区，同时提高混凝土的后期强度。②充填行为和致密作用。粉煤灰是高温煅烧的产物，其颗粒本身很小，且强度很高。粉煤灰颗粒分布于水泥浆体中水泥颗粒之间时，提高混凝土胶凝体系的密实性。③需水行为和减水作用。由于粉煤灰的的颗粒大多是球形的玻璃珠，优质粉煤灰由于其“滚珠轴承”的作用，可以改善混凝土拌和物的和易性,减少混凝土单位体积用水量，硬化后水泥浆体干缩小，提高混凝土的抗裂性。④降低混凝土早期温升，抑制开裂。大掺量粉煤灰混凝土特别适合大体积混凝土。⑤二次水化和较低的水泥熟料量使最终混凝土中的Ca(OH)2大为减少，可以有效提高混凝土抵抗化学侵蚀的能力。⑥当掺加量足够大时，可以明显抑制混凝土碱骨料病害。⑦降低氯离子渗透能力，提高混凝土的护筋性。以上作用在水胶比低于0.42时，较突出。粉煤灰质量等级

低钙粉煤灰的密度一般为1.8～2.6g/cm3，松散容重为600～1000kg/m3，GB1596－91《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》规定了粉煤灰成品根据细度、需水量比、烧失量、含水量和三氧化硫含量划分为I、II、III个级别，各项物理性能指标应满足下表的要求。作为活性掺合料的粉煤灰还有火山灰活性指数要求，有关粉煤灰的需水量比和活性指数的定义和测定方法可详见《高强高性能混凝土用矿物外加剂》（GB/T18736－2002）中附录C的规定。指标级别IIIIII细度（0.045mm方孔筛筛余），％不大于122045需水量比，％不大于95105115烧失量，％不大于5815含水量，％不大于11－三氧化硫，％不大于333粉煤灰物理性质指标和要求

粉煤灰特性及利弊提高抗裂性和抗化学侵蚀性，降低混凝土温升，有利于混凝土耐久性，混凝土强度后期持续增长率高抗收缩开裂性较好改善拌和物施工性，但坍落度太大时，(I级)粉煤灰颗粒易上浮发生泌浆(要控制坍落度尽可能小)早期强度较低；大掺量时在较低气温下凝结缓慢；对养护要求较高(要降低水胶比),化学活性低，可促进硅酸盐水泥水化，但早期孔隙率大，碳化问题较突出(需采取对策)对水敏感，在无保湿的条件下，因内部黏度增加，阻碍持续泌水而会加剧塑性开裂(需加强保水养护).(2)硅灰硅灰又称硅粉或硅烟灰，是从生产硅铁合金或硅钢等所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘，色呈浅灰到深灰。硅灰的颗粒是微细的玻璃球体，部分粒子凝聚成片或球状的粒子。其平均粒径为0.1µｍ～0.2µｍ，是水泥颗粒粒径的1/50～1/100,比表面积高达2.0×104m2/kg。其主要成分是SiO2（占90％以上），它的活性要比水泥高1～3倍。以10％硅灰等量取代水泥，混凝土强度可提高25％以上。硅粉的化学成分

硅粉的火山灰活性指标高达110%，这与其化学成分有关。硅粉的SiO2含量很高，在80%以上，这种SiO2是非晶态、无定形的，易溶于碱溶液中，在早期即可与CH反应，可以提高混凝土的早期强度。生成的水化硅酸钙凝胶钙硅比小，组织结构致密。

由于硅灰具有高比表面积，因而其需水量很大，将其作为混凝土掺合料，须配以减水剂，方可保证混凝土的和易性。硅粉混凝土的特点是特别早强和耐磨，很容易获得早强，而且耐磨性优良。硅粉使用时掺量较少，一般为胶凝材料总重的5％～10％，且不高于15％，通常与其它矿物掺合料复合使用。在我国，因其产量低，目前价格很高，处于价格考虑，一般混凝土强度低于80MPa时，都不考虑掺加硅粉。(3)粒化高炉矿渣粉粒化高炉矿渣粉是指将粒化高炉矿渣经干燥、磨细达到相当细度且符合相应活性指数的粉状材料，细度大于350m2/kg，一般为400-600m2/kg。其活性比粉煤灰高。1862年，德国的E．Langen发现通过碱性激发，能发挥水淬矿渣的潜在水硬性。此后，在欧洲，矿渣作为一种水硬性材料进行了研究与开发，使矿渣与普通水泥一样，成为不可缺少的工程材料。

粒化高炉矿渣在水淬时形成的大量玻璃体,具有微弱的自身水硬性。用于高性能混凝土的矿渣粉磨至比表面积超过400m2/kg，以较充分地发挥其活性，减少泌水性。研究表明矿渣磨得越细，其活性越高，掺入混凝土中后，早期产生的水化热越多，越不利于控制混凝土的温升，而且成本较高；当矿渣的比表面积超过400m2/kg后，用于很低水胶比的混凝土中时，混凝土早期的自收缩随掺量的增加而增大；矿渣粉磨得越细，掺量越大，则低水胶比的高性能混凝土拌和物越黏稠。因此，磨细矿渣的比表面积不宜过细。用于大体积混凝土时，矿渣的比表面积宜不超过420m2/kg

磨细矿渣的特性及利弊具有潜在的水硬性，单独加水可以缓慢水化硬化，化学活性高，在盐类激发下，可提高活性能提高抗化学侵蚀性，后期强度增长率高化学收缩和自收缩较大比粉煤灰抗抗碳化性能较好比表面积超过4000cm2∕g时不降低混凝土温升，且自收缩随掺量(＜75%)而增大，对开裂敏感使用路线：控制细度，加大掺量在使用中不可一概而论

混凝土里掺入磨细矿渣，如果矿渣磨得偏细，或掺得不多，且环境及混凝土体温度不低，早期也不注意及时的湿养护（给水），这时由于其水化潜热高于水泥，混凝土就会因硬化快、自身收缩较大，而开裂敏感性增大；但是，如果它粉磨细度较小，或掺量很大，或环境及混凝土体温度偏低，或早期注意及时的湿养护，由于它起始水化时间明显延迟（水泥用量少，pH值上升缓慢），自身收缩被湿养护所补偿，混凝土开裂敏感性就可以减小。掺合料在混凝土中的作用1)掺合料可代替部分水泥，成本低廉，经济效益显著。2)增大混凝土的后期强度。矿物细掺料中含有活性的SiO2和Al2O3，与水泥中的石膏及水泥水化生成的Ca(OH)2反应，生成生成C－S－H和C－A－H、水化硫铝酸钙。提高了混凝土的后期强度。但是值得提出的是除硅灰外的矿物细掺料，混凝土的早期强度随着掺量的增加而降低。3)改善新拌混凝土的工作性。混凝土提高流动性后，很容易使混凝土产生离析和泌水，掺入矿物细掺料后，混凝土具有很好的粘聚性。像粉煤灰等需水量小的掺合料还可以降低混凝土的水胶比，提高混凝土的耐久性。4)降低混凝土温升。水泥水化产生热量，而混凝土又是热的不良导体，在大体积混凝土施工中，混凝土内部温度可达到50—70℃，比外部温度高，产生温度应力，混凝土内部体积膨胀，而外部混凝土随着气温降低而收缩。内部膨胀和外部收缩使得混凝土中产生很大的拉应力，导致混凝土产生裂缝。掺合料的加入，减少了水泥的用量，就进一步降低了水泥的水化热，降低混凝土温升。5)提高混凝土的耐久性。混凝土的耐久性与水泥水化产生的Ca(OH)2密切相关，矿物细掺料和Ca(OH)2发生化学反应，降低了混凝土中的Ca(OH)2含量；同时减少混凝土中大的毛细孔，优化混凝土孔结构，降低混凝土最可几孔径，使混凝土结构更加致密，提高了混凝土的抗冻性、抗渗性、抗硫酸盐侵蚀等耐久性能。6)抑制碱—骨料反应。试验证明，矿物掺合料掺量较大时，可以有效地抑制碱—骨料反应。内掺30％的低钙粉煤灰能有效地抑制碱硅反应的有害膨胀，利用矿渣抑制碱骨料反应，其掺量宜超过40