矿物掺合料及其对混凝土性能的影响

1、矿物掺合料及其对混凝土性能的影响,矿物掺合料的发展,矿物外加剂定义,矿物外加剂是在混凝土搅拌过程中加入的、具有一定细度和活性的用于改善新拌和硬化混凝土性能（特别是耐久性能）的某些矿物类产品。 GB/T18736“高强高性能混凝土用矿物外加剂”,常用矿物掺合料,粉煤灰 矿渣 硅灰 沸石粉 偏高岭土,粉煤灰,燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出、被收尘器收集到的物质。 粉煤灰呈灰褐色 通常呈酸性 比表面积在25007000cm2/g，尺寸从几百微米到几微米，通常为球状颗粒，主要成分为SiO2、Al2O3和Fe2O3，有些时候还含有比较高的CaO。 是一种典型的非均质物质，由铝硅颗粒、未燃尽的

2、碳、未发生变化的矿物（如石英等）和碎片等组成。 粉煤灰由于使用的煤的差别造成其成分含量波动较大。,矿渣,高炉矿渣是炼铁过程中所产生的工业副产品。在炼铁过程中，氧化铁在高温下还原成金属铁，并将矿石中SiO2、Al2O3的等杂质与石灰等溶剂化合成矿渣使之与铁水分离，这些熔融状态的矿渣经过急速冷却后形成了粒化高炉矿渣。,硅灰,硅灰又称凝聚硅灰或硅粉，是电弧冶炼硅金属或硅铁合金时的副产品。即硅铁厂在冶炼硅金属时，将高纯度的石英、焦碳投到电弧炉内，在温度高达2000下石英被还原成硅的同时，约有1015%的硅化为蒸气，在烟道内随气流上升遇氧结合成一氧化硅SiO气体，逸出炉外时，SiO遇冷空气后再氧化成Si

3、O2，最后冷凝成极微细的颗粒。这种SiO2颗粒称为硅粉。,沸石粉,天然沸石是一种经长期压力、温度、碱性水介质作用而沸石化了的凝灰岩。是一种含水的架状结构硅酸盐矿物，由火山玻璃体在碱性水介质作用下经水化、水解、结晶生成的多孔、有较大内表面的沸石结构。沸石的结构基础单元是由4个氧和一个硅（或铝）组成的硅氧四面体或氧铝四面体。沸石的种类很多，适用于混凝土超细掺合料的沸石，主要是丝光沸石与斜发沸石，磨细后可用于高性能混凝土做超细掺合料。,粉煤灰粉煤灰的分类,根据粉煤灰的物理性质分类； 根据粉煤灰的化学性质分类； 根据粉煤灰的应用要求分类。,根据粉煤灰的化学性质分类,ASTM根据粉煤灰中氧化物的含量将粉

4、煤灰分为两大类型： F类：无烟煤或烟煤的粉煤灰，SiO2Al2O3Fe2O370% 具有火山灰活性但无水硬性； C类：褐煤或亚烟煤的粉煤灰，SiO2Al2O3Fe2O350% 同时具有火山灰活性和水硬性。 我国GB/T15962005： 用于水泥和混凝土中的粉煤灰标准： F类：由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰； C类：由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，其氧化钙含量一般大于10%,粉煤灰的物理特性,密度：粉煤灰中各种颗粒密度差异非常大。我国粉煤灰的密度范围在1.772.43g/cm3，平均值为2.08g/cm3。 细度：粉煤灰的颗粒粒径主要分布在0.5300um的范围内，其中玻璃微珠的粒径范围在0.

5、5100um，但大部分在45um以下，平均粒径在1030um。 颗粒形貌,粉煤灰中颗粒的分类和特征,(a) 漂珠,（c） 沉珠,（d） 磁珠,粉 煤 灰 颗 粒 形 貌,（b）复珠,粉煤灰中微珠特性的分析,漂珠：密度水的密度，65%以上是中空，其中包有更小的玻璃微珠，又称子母珠或复珠，这种珠在粉煤灰中含量不高，约为原状灰的0.07%-0.50%。但活性高对砼性能影响大，其平均粒径为2.2-22um，壁厚为0.2-20um. 沉珠：是粉煤灰中占有较大比例的微珠(约占90%以上)，其比重大于水，故称沉珠，其强度为500-700MPa，是发挥微集料效应的重要部分，其外表面有不规则的突起点，壳壁上有气

6、孔，绝大多数为中空，内部也含 有细小的玻璃微珠 磁珠：是富铁微珠，在沉珠中有1.5%是富铁微珠，Fe2O3含量占55%，有一定磁性故称之为磁性微珠或磁珠，外形近球形，因磁性关系而相互粘连，其内部也是空的，并具有复珠特征。,粉 煤 灰 磨 细 后 的 颗 粒 形 貌,水泥,磨细矿渣,粉 煤 灰,水泥、粉煤灰、磨细矿渣三种颗粒形态的比较,粉煤灰的物理特性,体积安定性：粉煤灰的膨胀性能主要来源于粉煤灰中的游离氧化钙和氧化镁，高钙粉煤灰还会来源于硫酸盐所带来的膨胀。通常情况下粉煤灰的安定性是能满足要求的。 热学性能：相比于水泥和混凝土，粉煤灰的导热性和比热都比较低。,粉煤灰的化学组成,主要元素与微量元

7、素： 通常情况含70以上的SiO2、Al2O3和Fe2O3，有些时候还含有比较高的CaO。 残留碳份： 粉煤灰中的残留碳份通常用烧失量来表示。 一般情况可认为粉煤灰的烧失量高低反映残留碳份高低，因为粉煤灰烧失量的绝大部分来源于残留碳份，粉煤灰的烧失量越大，残留碳份必然高，而相比之下其他因素对粉煤灰烧失量的贡献比较小。烧失量与含碳量由比较好的线性关系。,粉煤灰在水泥混凝土中的作用,形态效应 火山灰效应 微集料效应,粉 煤 灰 的 形 态 效 应,主要是粉煤灰中的球状玻璃体可在水泥浆体中起滚珠轴承的作用，使颗粒间的摩擦减小，使浆体流动性增加。 减水效应：当粉煤灰掺量由050，因粉煤 灰的减水效应

8、W/B可由0.45下降到0.37 增强效应：当流动度不变，W/B下降，强度则相应提高 增塑效应：当W/B不变，流动度增大，塑性提高，无泌水现象发生,粉 煤 灰 的 火 山 灰 效 应,火山灰反应的化学活性是粉煤灰作用于水泥和混凝土的基础。粉煤灰玻璃体中的SiO2和Al2O3能与水泥水化生成的Ca(OH)2发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，这些水化产物一部分沉积在粉煤灰颗粒表面，另一部分则填充于水泥水化产物的孔隙中，起到细化孔的作用，使水泥石更加密实。由于粉煤灰在水化过程中可吸收水泥水化产物中结晶程度较高的Ca(OH)2，因此可使混凝土内部的界面结构得到改善。,粉煤灰的微集料效应,粉煤灰是高

9、温煅烧的产物，其颗粒本身很坚固，有很高的强度。粉煤灰水泥浆体中有相当数量的未反应的粉煤灰颗粒，这些坚固的颗粒一旦共同参与承受外力，就能起到很好的“内核”作用，即产生“微集料效应”。 不同颗粒之间的紧密填充效应增进水化前后的致密性，细化了孔结构 粉煤灰颗粒，尤其占90%以上的沉珠，强度高(500-700MPa)，弹模大，提高了限制水泥基收缩与徐变变形的能力 粉煤灰颗粒与水泥基的界面区有很强的物理和化学双重效应，增进了粉煤灰颗粒自身的骨架作用，是提高砼抵抗变形能力的关键,粉煤灰的微集料效应,用于混凝土的粉煤灰品质要求,火山灰活性 细度 烧矢量 需水量,1、粉煤灰的火山灰活性,粉煤灰的火山灰活性是粉

10、煤灰最为重要的品质指标。 粉煤灰火山灰活性主要是对硬化混凝土有较大影响，对新拌混凝土的工作性能基本没影响 粉煤灰越细，烧失量越低，玻璃体含量越高，粉煤灰的火山灰活性也越高。,试验结果显示，当粉煤灰可溶性SiO2从30变化到50时，强度的变化幅度达到20。很显然，粉煤灰活性对混凝土强度影响是非常大的。,火山灰活性对粉煤灰作为混凝土掺合料品质的影响,测定粉煤灰活性常用方法,抗压强度比 火山灰活性指数 化学方法 电阻方法,抗压强度比,采用粉煤灰代替部分水泥用于配制混凝土或水泥砂浆，然后以其抗压强度与基准混凝土或水泥砂浆的抗压强度的比值来表示粉煤灰的火山灰活性高低，比值越高，即表明粉煤灰火山灰活性越高

11、。,抗压强度比,GB1596“用于水泥和混凝土中的粉煤灰”中粉煤灰活性以强度活性指数来表示的胶砂配比：,GB/T18736“高强高性能混凝土用矿物外加剂”中粉煤灰活性以强度活性指数来表示的胶砂配比：,化学方法,将粉煤灰与Ca(OH)2加水混合，然后测定混合物中未反应的Ca(OH)2量，当粉煤灰、 Ca(OH)2以及用水量有可比性的前提下，相同时间内未反应的Ca(OH)2量越低，表明粉煤灰火山灰活性越高；为了加快反应速度，可以提高混合物的温度。,2、细度,（1）细度对强度的影响： 粉煤灰越细，比表面积越大，粉煤灰的活性就越容易激发。因此，粉煤灰越细将越有利于混凝土性能。 试验结果表明，细度对混凝

12、土早期强度影响比较大，粉煤灰中粒径小于10m的颗粒对强度的贡献在28d时就可以超过水泥；而可溶性氧化硅含量（等同火山灰活性）对混凝土后期强度发展的影响比较大。,细度对粉煤灰作为混凝土掺合料品质的影响,（2）细度对需水量的影响： 在一定范围内，粉煤灰越细，越有利于粉煤灰的工作性能。 不同烧失量范围的粉煤灰细度与粉煤灰混凝土需水量之间的关系： 当烧失量为3%4时 Y=88.76+0.25X（相关系数为0.86) 当烧失量为5%11时为： Y=89.32+0.38X（相关系数为0.85),（3）粉煤灰细度与烧失量等的关系 粉煤灰的烧失量、表面状态都与粉煤灰的细度有很大关系，一般来说粉煤灰越细，烧失量

13、越低；粉煤灰越细，表面越光滑，低烧失量和粉煤灰光滑表面都有利于粉煤灰的工作性能。,GB1596“用于水泥和混凝土中的粉煤灰”中粉煤灰细度要求： 45um方孔筛筛余：级：12%； 级：25%； 级：45% GB/T18736“高强高性能混凝土用矿物外加剂”中对粉煤灰比表面积要求： 级：600m2/kg 级：400m2/kg,3、烧失量,粉煤灰的烧失量对混凝土的性能，无论是新拌混凝土性能，还是硬化混凝土性能，都有较大影响。 A、需水量 随粉煤灰烧失量增加，粉煤灰的需水量将增加，从而使得相对流动扩展度降低。,结果表明，随烧失量增加，粉煤灰水泥砂浆的相对流动扩展度迅速降低。当烧失量超过10%时，粉煤灰

14、对流动扩展度已无有利的作用。,烧失量对粉煤灰作为混凝土掺合料的流动度影响,B、对外加剂的吸附：粉煤灰高的烧失量将对混凝土中掺加引气剂的效果产生不利的影响，因为高烧失量的粉煤灰通常含有粗大、多孔的粉煤灰颗粒，这部分颗粒更容易吸附引气剂。因此，如果混凝土需要一定的引气量，粉煤灰混凝土特别是掺加高烧失量粉煤灰的情况下通常需要更大剂量的引气剂。 C、高烧失量的粉煤灰因为含碳量较高的颗粒比较轻，在混凝土搅拌、运送、成型过程中更容易上浮到表面而影响混凝土的质量。 粉煤灰的烧失量也与粉煤灰的细度、火山灰活性、需水量有很大关系。一般来说，粉煤灰越细，烧失量越小，相应需水量也越低，火山灰活性越高。,4、需水量,

15、需水量与粉煤灰的形貌、细度、烧失量有一定关系。 （1）粉煤灰中表面光滑的球形颗粒越多，相应需水量越小，而粉煤灰中多孔的颗粒越多，则需水量必然增加。 （2）一定细度范围内，粉煤灰越细，需水量越小。 （3）粉煤灰的需水量还与粉煤灰烧失量有关，烧失量越大，粉煤灰的需水量也越大。,5、其它指标,安定性 SO3含量 含水率,安定性,粉煤灰中存在过烧或欠烧的CaO、MgO，由于这些物质水化速度比较慢，当粉煤灰掺入混凝土以后有可能会在混凝土硬化后再水化生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，并产生比较大的体积膨胀而使混凝土开裂，因此这种游离的CaO和MgO含量必须进行限制。 GB：规定了高钙粉煤灰的游离氧化钙的

16、限量（4.0%）及掺入30%高钙粉煤灰的水泥沸煮安定性必须合格。,SO3含量,用来反映粉煤灰中硫酸盐的量，很多国家标准或规范都规定，粉煤灰中硫酸盐含量必须加以限制，我国标准规定3.0%。,掺粉煤灰混凝土性能,掺粉煤灰混凝土的早期性能,工作性 与外加剂的适应性 凝结性能 水化 养护,1、工作性,1）减少混凝土需水量 2）改善混凝土泵送性能 3）提高混凝土密实性、流动性和塑性 4）减少泌水与离析 5）减少坍落度损失,需水量和坍落度,随着粉煤灰掺量增加，混合物的需水量呈线性降低。,粉煤灰一水泥混合物的需水量与粉煤灰一水泥比的关系,一般来说，混凝土中掺加粉煤灰后，如果采用同样用水量，混凝土拌和料的坍落

17、度明显提高；如果保持相同坍落度，则用水量明显降低。 粉煤灰品质越好，减水效果越好,泌水和离析,泌水的机理 混凝土产生不均匀的情况：一是骨料沉底、浆体上浮，二是浆体沉底、骨料上浮，这两种情况即经常遇到的混凝土离析，三是泌水即水分上浮逸出。,粉煤灰对泌水的影响：,掺加粉煤灰减少混凝土泌水的原因：一是粉煤灰的颗粒小于水泥颗粒，比表面积较水泥大很多，因此对水分的吸附作用加强，因而可泌自由水减少；二是粉煤灰颗粒细小，混凝土中固相堆积密实度提高，混凝土中的孔隙细化，泌水通道减小，通道距离增加，也阻碍了水分泌出；三是粉煤灰的密度较小，相对于水泥颗粒而言，不易产生浆体沉降离析，拌和物经时均匀性较好，有利于减少

18、泌水。 掺加粉煤灰使混凝土泌水增加的原因有：一是粉煤灰的反应活性远低于水泥，会使混凝土中的结合水量显著减少，导致可泌水分增加；二是粉煤灰颗粒的形貌一般是球形玻璃体，这种形貌不利于吸附混凝土的水分，也可能使混凝土中的可泌水分增加，当然这种形貌对于改善混凝土和易性非常有利。,坍落度损失,粉煤灰的掺入有利于减少混凝土拌合料的坍落度损失。,混凝土坍落度的经时保留值随粉煤灰掺量的变化,从图中的试验结果可以看出，随粉煤灰掺量的提高，混凝土坍落度具有比较大的经时保留值。,2、对外加剂的适应性,减水剂 引气剂,粉煤灰混凝土对减水剂的适应性,粉煤灰电位随木钙掺量的变化,2、引气剂,一般来说，在粉煤灰烧失量比较大

19、的情况下，由于碳的吸附作用，粉煤灰对混凝土引气剂的作用可能产生不利的影响。 粉煤灰的细度也可能影响引气剂效果，因为粉煤灰颗粒越粗，多孔、开口的颗粒的比例也越多，这将显著影响引气剂的使用效果。,3、凝结性能,通常在一定范围内，粉煤灰的加入要延长混凝土的凝结时间，其影响程度与粉煤灰的掺量、细度以及化学组成有很大关系。,掺量的影响,粉煤灰掺量对混凝土凝结时间的影响,采用的粉煤灰为高钙灰（CaO含量为26.88%)。从图中可以看出，随粉煤灰掺量的增加，混凝土凝结时间延长。,烧失量的影响,粉煤灰烧失量对凝结时间的影响,粉煤灰烧失量比较小时，对凝结时间影响不大，而烧失量增加时对凝结时间的影响非常明显。,养

20、护温度的影响,养护温度对掺加粉煤灰的水泥砂浆凝结 时间的影响（胶砂比 1 : 2 . 5 ),试验采用的是高钙灰，结果表明，当养护温度较高时，粉煤灰的掺入对凝结时间影响不大，但养护温度较低时则影响非常明显。而粉煤灰掺量达到100时，凝结时间反而缩短。,4、粉煤灰混凝土的水化,一般认为，在粉煤灰混凝土中，首先是水泥水化，然后是水泥水化产物Ca(OH)2与粉煤灰的铝硅玻璃体反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等，即粉煤灰是二次水化。很显然，水泥的特性将显著影响粉煤灰的水化，而粉煤灰也同样将影响水泥的水化。,掺粉煤灰混凝土的水化过程,诱导期：粉煤灰将延迟水泥颗粒的水化。 加速期：这一时期水泥水化产物CS

21、H、CH开始成核生长，水泥的水化也因为粉煤灰的存在而加速。,粉煤灰的水化速度与氧化钙含量关系很大，高钙灰通常加水后能有比较强烈的水化反应，而低钙灰这种水化反应则比较弱。,粉煤灰类型对水泥浆非蒸发水含量（%）的影响,其中A、B、C 三种粉煤灰为高钙灰，CaO含量均超过30%，D、E两种粉煤灰为低钙灰，CaO含量均低于4%，粉煤灰取代30水泥。试验结果表明，高钙粉煤灰明显有利于水泥水化。,水化产物,在通常养护条件下，粉煤灰混凝土中的粉煤灰水泥混合物的水化产物与普通混凝土中的硅酸盐水泥水化产物基本上类似。 相比于普通混凝土，粉煤灰混凝土中有更多的CSH和较少的Ca(OH)2，特别当用水量以及水泥中C

22、3S/C2S摩尔比降低时，CSH会明显增加。相比于普通混凝土，粉煤灰混凝土中CSH的钙硅比将随龄期和粉煤灰掺量的增加而降低。,水化热与绝热温升,粉煤灰对混凝土水化热及水化热释放的影响,掺入粉煤灰：降低水化热，推迟最高温峰出现时间。,不同类型粉煤灰对混凝土温度升高的影响差异是比较大的，高钙粉煤灰不适合用于大体积混凝土或者对温度升高要求比较严格的混凝土工程。实际工程应用应根据工程需要有所选择。,粉煤灰化学组成对混凝土水化热的影响,粉煤灰掺量的影响,5、粉煤灰混凝土的养护,养护温度的影响 一般认为，相对于普通混凝土，养护温度的提高更有利于粉煤灰很凝土的性能。但是养护温度也不宜过高，过度加速粉煤灰、水

23、泥的水化，可能会引起晶体结构的破坏或生成多孔结构，这不利于粉煤灰混凝土的耐久性。,养护湿度的影响,相对普通混凝土，同等工作性的粉煤灰混凝土的用水量较低，因此粉煤灰混凝土对养护湿度更为敏感，保持比较高的湿度将有利于粉煤灰混凝土的强度等性能的发展。,压蒸养护,在一定掺量范围内，高压蒸气养护通常可以加速像粉煤灰这样高硅质低活性材料的水化。,硬化混凝土性能,1、粉煤灰混凝土的微观结构,孔结构 水化产物 界面结构,1、孔结构,粉煤灰等掺合料对硬化水泥浆孔结构的影响,2、水化产物,粉煤灰水泥与其它水泥水化产物CSH组成的对比,3、界面结构,FA=0%,FA=30%,FA=50%,3d时界面区和基体微观形貌

24、,28d时界面区和基体微观形貌,FA=0%,FA=30%,FA=50%,90d时界面区和基体微观形貌,FA=0%,FA=30%,FA=50%,界面区和基体的微观形貌分析,龄期为3d时，粉煤灰的火山灰效应尚未有效发挥，未水化的水泥颗粒和粉煤灰颗粒分布于基体和界面区，孔隙率大，结构疏松 328d时，FA=0的水化程度最高，FA=3050时，火山灰效应在逐渐增强，界面和基体微结构有所改善 90d时，粉煤灰火山灰效应程度已显著增加，随粉煤灰掺量增大对界面微结构的改善明显。当粉煤灰掺量达50时，集料与基体通过界面已基本连成一体，多数粉煤灰颗粒为水化产物包裹，界面区进入到密实阶段,粉煤灰的加入通常： 显著

25、降低界面区域Ca(OH)2的取向程度，这有利于提高混凝土的抗开裂性能； 粉煤灰的加入，还可以明显降低界面区域的Ca(OH)2和钙矾石生成量。,粉煤灰对水泥浆-集料界面Ca(OH)2取向和生成量的影响,硬化粉煤灰混凝土性能,力学性能 耐久性能 其它性能,1、力学性能强度,通常随粉煤灰掺量增加，粉煤灰混凝土强度特别是早期强度降低比较明显。在混凝土胶凝材料总量比较高且粉煤灰掺量比较小的情况下，混凝土早期强度降低的幅度要小一些。 粉煤灰的水化黄金期是2890天，所以后期强度高。,图2. 粉煤灰混凝土强度随掺量、龄期变化情况,如果粉煤灰用于取代混凝土中集料，那么各龄期粉煤灰混凝土强度则随粉煤灰掺量增加而

26、提高。,粉煤灰取代集料对混凝土强度的影响,与普通混凝土一样，粉煤灰混凝土的抗弯强度正比于抗压强度。在不少情况下，一些研究者发现，粉煤灰混凝土抗弯强度与抗压强度比要高于普通混凝土 。,弹性模量,粉煤灰混凝土弹性模量与抗压强度也成正比关系。 相比于普通混凝土，在一定掺量范围内，粉煤灰混凝土的弹性模量28天后不低于甚至高于相同抗压强度的普通混凝土。粉煤灰混凝土弹性模量与抗压强度一样，也随龄期增长而增长；如果由于粉煤灰的减水作用而减少了新拌混凝土的用水量，则这种增长速度比较明显。,2、变形性能,徐变 粉煤灰混凝土的徐变特性与普通混凝土没有多大差异。粉煤灰混凝土由于有比较好的工作性能，混凝土更为密实，某

27、种程度上会有比较低的徐变。相对而言，由于粉煤灰混凝土早期强度比较低，在加荷初期各种因素影响粉煤灰混凝土徐变的程度可能高于普通促凝土。,砼的徐变度与持荷时间的关系,砼的徐变系数与持荷时间的关系,粉 煤 灰 砼 徐 变 规 律,在一定范围内，各龄期粉煤灰砼收缩与徐变值均随粉煤灰掺量增加 而下降 粉煤灰掺量为24%的砼，90d干缩率比不掺的减小10%，360d的徐变值比不掺的下降26.7%。 在合适掺量的粉煤灰砼不仅不会引起预应力损失，而且对抵抗砼长期变形的能力会有明显提高。,配合比及基本性能,收缩,由于粉煤灰的掺加非常有效改善混凝土的工作性能，在同样的工作性能的情况下，粉煤灰混凝土的收缩比普通混凝

28、土为低；由于粉煤灰的未燃碳份会吸附水分，因此同样工作性的情况下，粉煤灰烧失量越高，粉煤灰混凝土的收缩也越大。,图2. 粉煤灰混凝土的收缩随龄期和粉煤灰掺量的变化,粉煤灰混凝土的收缩随龄期和粉煤灰掺量的变化,粉煤灰掺量对混凝土干缩的影响,粉煤灰掺量对混凝土自收缩的影响,粉煤灰替代水泥后，对混凝土的干燥收缩有较好的抑制作用，随掺量的增大，干缩减小。 对于自收缩而言，在0-30%范围内随掺量的增大自收缩增大，当超过30%范围后自收缩开始减小。,耐久性,抗渗透性 抗化学侵蚀 抗碳化性能 钢筋锈蚀 抗冻性,1、抗渗性,矿物掺合料对混凝土抗渗性有有利的一面，也有不利的一面。有利的一面是矿物掺合料的加入，可

29、以起到细化孔的作用，提高混凝土的密实性，从而提高混凝土的抗渗性；不利的一面是矿物掺合料水化活性低，特别是在早龄期的时候，相同龄期掺矿物掺合料混凝土的水化程度较普通硅酸盐水泥低。 一般说来，掺合料的质量得到保证、掺量在一定范围内时，有利的一面大于不利的一面。,粉煤灰混凝土抗渗性与粉煤灰掺量的关系,绝大部分研究结果都表明，随粉煤灰掺量增加，粉煤灰混凝土的抗渗性也将提高。上表试验结果显示随粉煤灰掺星增加，混凝土的渗透性迅速降低。,养护湿度对粉煤灰混凝土抗渗性的影响,潮湿条件下养护时间越长，越利于抗渗性的提高,粉煤灰混凝土抗渗性一般规律,随粉煤灰掺量增加，粉煤灰混凝土的抗渗性将提高； 养护温度和养护湿

30、度的提高有利于粉煤灰的水化，因此也将提高粉煤灰混凝土的抗渗性。 高钙粉煤灰对粉煤灰混凝土抗渗性的影响有待更深入研究，因为高钙粉煤灰可能有较高的游离氧化钙，这将不利于混凝土的抗渗性。 粉煤灰的掺加不会改变混凝土、砂浆和净浆抗渗性差异的规律，但相对于未掺加粉煤灰的情况相应抗渗性都有很大程度提高。,2、抗化学侵蚀性能,抗硫酸盐侵蚀 抗海水侵蚀 抗酸侵蚀 抗氯化物侵蚀 对碱集料反应的抑制作用,抗硫酸盐侵蚀侵蚀机理,1、形成钙矾石 2、形成石膏 3、氢氧化镁作用 4、形成碱金属硫酸盐晶体 5、形成碳硫硅钙石,影响因素,内因：混凝土本身性能，最主要的是胶凝材料组成和混凝土密实性 外因：侵蚀溶液、环境及工作

31、条件等,粉煤灰的火山灰效应使混凝土密实性大大提高。 硫酸盐侵蚀是水泥水化产物中的水化铝酸钙及Ca(OH)2和SO42-反应，如用一定的粉煤灰活性材料代替水泥，则相当于降低了C3A的含量，使钙矾石生成的量减少。 因粉煤灰的二次水化反应吸收部分Ca(OH)2，水泥中的Ca(OH)2浓度降低，因此降低了高硫型水化硫铝酸钙(钙矾石)形成的可能性。 由于二次反应吸收了大量的Ca(OH)2，水泥石中Ca(OH)2减少和毛细孔中液相石灰浓度降低，使石膏型侵蚀受阻，即使在SO42-浓度很高的情况下，石膏结晶的数量也非常有限。,粉煤灰混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能与粉煤灰的掺量、品种、组成有很大关系。 研究表明：掺入

32、25%30%粉煤灰取代水泥，可提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能；硅灰和粉煤灰双掺是提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的一个有效途径；掺加优质高铝粉煤灰的混凝土抗硫酸盐侵蚀性能与抗硫酸盐水泥配制的混凝土相当；低钙灰一般总是能提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。,抗海水侵蚀,典型海水的组成及通常模拟海水的组成,抗海水侵蚀,海水对混凝土的侵蚀过程可简单描述为：首先是混凝土表层的Ca(OH)2和CaO因为海水中溶解的CO2而析出，也会因为海水中镁置换作用而析出，Mg2+离子还可能侵蚀水化硅酸钙，然后生成非水硬性的水化硅酸镁；硫酸盐的侵蚀作用虽然比较慢，比Mg2+离子作用的程度要小，但与混凝土反应生成石膏和钙矾石将降低混

33、凝土的强度；除此之外，海水中的盐还会在泥凝土的孔隙中结晶而影响混凝土的性能。,粉煤灰混凝土可以很大程度降低海水侵蚀的作用，这主要因为混凝土中掺加粉煤灰后提高了混凝土的抗渗性，减少了混凝土中Ca(0H)2的含量，且水化硅酸钙具有比较低的钙硅比。,抗酸侵蚀,环境水的pH值小于6.5即可能产生侵蚀。,酸性水的侵蚀程度,在相同强度条件下,掺活性矿物掺合料的混凝土对混凝土的抗酸性是有利的,因为： （1）Ca(OH)2含量减少； （2）混凝土密实度大,抗氯化物侵蚀,混凝土氯离子浓度与混凝土中氯离子的扩散速度、氯离子的结合能力以及混凝土的渗透性有关。 氯离子的扩散速度：受温度、氯化物类型、水灰比以及水泥类型

34、和混凝土中的孔结构等因素的影响。温度越高、水灰比越大，氯离子的扩散速度越快。氯离子扩散速度按下列氯化物类型顺序降低： MgClCaClLiClKClNaCl 氯离子的结合能力：混凝土中的氯离子可能以两种方式存在，一是物理吸附，二是化学结合。很显然，在氯离子浓度比较低的情况下，自由状态的氯离子越少，溶解在混凝土孔隙中的氯离子也就越少，对混凝土钢筋的侵蚀影响也比较小。 从材料自身角度：混凝土越致密，抗渗性越好，混凝土中氯离子的浓度越小。氯离子通常不与水化铝酸钙或钙矾石等反应，但可以与未水化的铝酸三钙C3A反应，也会通过吸附与CSH凝胶结合，使得CSH凝胶从纤维状转化为网状形态。,抗氯化物侵蚀,矿物

35、掺合料的加入可显著降低氯离子的渗透性,不同硬化水泥浆氯离子渗透系数（25）,对混凝土碱集料反应的抑制作用,碱集料反应：水泥水化析出的碱与集料中的活性二氧化硅相互作用，形成硅酸盐凝胶，致使混凝土开裂。 碱集料反应引起混凝土结构破坏和开裂必须存在的三个必要条件（1）混凝土中含碱量超标；（2）集料是活性的；（3）混凝土暴露在水中和潮湿环境。 碱集料类型（1）碱硅反应；（2）碱碳酸盐反应；（3）碱硅酸盐反应,目前报道的研究结果都显示，混凝土中掺加粉煤灰可以非常有效地抑制碱集料反应。 粉煤灰抑制碱集料反应的能力与粉煤灰掺量、组分有很大关系： （1）一般认为，粉煤灰掺量为30时，可以有效抑制混凝土碱集料反

36、应。 （2）粉煤灰虽然能抑制混凝土碱集料反应，但粉煤灰的品质对这种抑制作用的影响是比较大的。,粉煤灰矿物组成的影响,粉煤灰物质性质的影响,粉煤灰化学组成的影响,3、抗碳化性能,碳化：空气中的CO2在潮湿状态下会与混凝土中的Ca(OH)2反应生成CaCO3 ，使混凝土孔溶液中的pH值降低。 影响碳化程度和速度的因素有混凝土材料自身的因素和外部环境因素。 材料自身因素：密实性、孔结构、CH含量 环境因素：相对湿度、大气中CO2浓度,粉煤灰混凝土中因为粉煤灰的火山灰反应消耗大量Ca(OH)2，相对普通混凝土其Ca(OH)2含量比较低，虽然这在对粉煤灰抗硫酸盐、海水等侵蚀方面是有利的。但对粉煤灰的抗碳

37、化性能是不利的。目前绝大多数的试验结果都显示，粉煤灰混凝土的碳化深度都要高于普通混凝土，随粉煤灰掺量增加，粉煤灰混凝土的碳化速度将增加，因此粉煤灰混凝土抗碳化性能相对普通混凝土是比较差的，这应该是粉煤灰混凝土的主要缺点。,粉煤灰混凝土抗碳化性能的改善： （1）提高碱储备量 （2）提高渗透性 （3）优化孔结构,4、粉煤灰混凝土的钢筋耐锈蚀性能,钝化膜 钝化膜失钝,钢筋锈蚀主要电化学反应： 在有水和氧存在的条件下，钢筋的某一局部为阳极，被钝化膜包裹的钢筋为阴极，在阳极产生如下反应： 阳极：Fe Fe2+2e- 电子通过钢筋流向阴极。 在阴极水和氧反应： 阴极反应：O22H2O4e- 4(OH)-

38、锈蚀的全反应就是这两个反应的不断进行，并在钢材表面析出氢氧化亚铁： 2FeO22H2O 2Fe2+4(OH)- 2Fe(OH)2 生成的氢氧化亚铁在水和氧的存在下继续氧化，生成氢氧化铁： 2 Fe(OH)2O22H2O 4Fe(OH)3,诱导钝化膜破坏原因：保护层的碳化和氯离子通过混凝土保护层扩散到钢筋表面。,碳化：当发生碳化反应使混凝土孔溶液中的pH值降低到11.5时，钢筋表面的钝化膜开始破坏，当孔隙水溶液的pH降低到10时，钝化膜完全失钝。 氯离子引起的钢筋锈蚀：即使混凝土孔溶液的pH值大于11.5，如钢筋表面的孔溶液中氯离子浓度超过某一定值，也能破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋局部形成阳极区

39、。钢筋一旦失钝，氯离子的存在使锈蚀速率加快，因它蚀钢筋局部酸化，且氯化亚铁的水解性强，氯离子能长期反复地起作用，从而增大孔液的电导率和电腐蚀电流。,粉煤灰混凝土因为粉煤灰的火山灰反应要消耗大量Ca(OH)2，将使混凝土碱度有所下降，因此从这方面来说粉煤灰混凝土的抗钢筋锈蚀性能相对普通混凝土有下降的趋势。但是粉煤灰的火山灰反应虽然消耗了混凝土中的Ca(OH)2，降低了孔隙水的碱度，但也有效提高混凝土的抗渗性，降低了水、空气、氯离子等侵蚀性介质进入混凝土内部速度，因而提高了混凝土抗钢筋锈蚀性能。从目前有限的研究结果来看还未发现粉煤灰混凝土的抗钢筋锈蚀性能明显低于普通混凝土。,氯离子引起的锈蚀,混凝

40、土中掺入矿物掺合料后，混凝土中氯离子扩散系数降低，亦即抗氯离子侵蚀能力增强，有利于混凝土的抗钢筋锈蚀。,5、抗冻性,一般认为，如果在同等强度、引气量的情况下，粉煤灰混凝土和普通混凝土的抗冻融循环能力是没有明显差异的，不过要保证与普通混凝土有同等强度和引气量。,影响因素,粉煤灰品质 配合比 养护,粉煤灰品质的影响,未燃碳份：因为粉煤灰中未燃碳份对引气剂的不利影响，因此粉煤灰烧失量不宜过高，以免影响引气效果。 当在比较高湿度条件下养护时，高钙粉煤灰比低钙粉煤灰有利于混凝土的抗冻性，而养护条件较差时粉煤灰混凝土抗冻性比普通混凝土差。,粉煤灰类型对粉煤灰混凝土抗冻性影响（胶凝材料用量为424kg/m3

41、）,其它性能,耐热性 粉煤灰混凝土与普通混凝土以及矿渣混凝土相比，耐热性没有明显差异。 耐磨蚀性能 当混凝土中掺加粉煤灰时，因为粉煤灰的火山灰反应速度比较慢，粉煤灰混凝土早期耐磨蚀性能因抗压强度的降低可能有一定的影响，但是对于等强度的粉煤灰混凝土，其耐磨蚀性能与普通混凝上相比至少没有明显差异。,小结,粉煤灰用于混凝土的优点主要为：1）改善新拌混凝土的工作性；2）改善混凝土的长期性能或极限强度；3）改善混凝土抗硫酸盐侵蚀、碱集料反应等耐久性能；4）与外加剂的叠加效应，使减水剂效果更为明显；5）降低混凝土的放热高峰； 6）节省费用； 粉煤灰用于混凝土存在的不足：1）由于混凝土碱度降低可能引起钢筋锈

42、蚀的保护性能降低；2）粉煤灰含碳量的较高时将影响混凝土外加剂的适应性，如降低引气剂引气效果；3）由于用水量的降低，要求更为严格的养护制度；（4）掺量高时影响早期强度。,矿渣,高炉矿渣是冶炼生铁时的副产品，其主要化学成分为SiO2、Al2O3和CaO。经水淬急冷的粒化高炉矿渣含有大量的玻璃体，具有较大的潜在活性。,矿渣主要化学成分及活性,美国、日本和我国高炉矿渣的化学成分范围,高炉矿渣主要含有CaO、SiO2、Al2O3、MgO和Fe2O3等氧化物。,1、矿渣质量评定方法,化学分析法： 粒化高炉矿渣的质量可用质量系数K的大小来表示： K=（CaO + Al2O3 + MgO）/（ SiO2 +

43、MnO + Ti O 2） 强度试验法： 按照标准规定，测定试样同龄期的抗压强度之比。,GB/T18736“高强高性能混凝土用矿物外加剂”中矿渣活性以强度活性指数来表示的胶砂配比：,GB18046“用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉”中矿渣活性以强度活性指数来表示的胶砂配比：,评判指标,GB/T180462000 “用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉”： 活性指数：S105： 7天：95%；28天：105% S95： 7天：75%；28天：95% S75： 7天：55%；28天：75% GB/T18736“高强高性能混凝土用矿物外加剂”： 活性指数：级：3天：85%；7天：100%；28天：1

44、15% 级：3天：70%；7天：85%；28天：105% 级：3天：55%；7天：75%；28天：90%,2、矿渣活性影响因素,化学组成 玻璃体 矿渣细度,化学组成的影响,氧化钙：它在冷却过程中能与氧化硅和氧化铝结合形成具有水硬活性的硅酸钙和铝酸钙，对活性有利。矿渣中氧化钙的含量波动在30%50%。通常，其含量越高，矿渣的活性越大。但如果CaO含量过高（如超过51%），矿渣活性反而变小。 氧化铝：也是决定矿渣活性的主要成份，它在矿渣中一般形成铝酸钙或硅铝酸钙玻璃体。其含量波动在720%。氧化铝和氧化钙含量都高时，这种矿渣的活性最大。 氧化硅：就生成胶凝组分而言，矿渣中的SiO2含量相对于CaO

45、、Al2O3含量已经过多了，SiO2含量较高时，易生成低碱性硅酸钙和高硅玻璃体，使矿渣活性下降。,氧化镁：一般都以稳定化合态或玻璃态化合物存在，对水泥体积安定性不会产生不良影响。一般将矿渣中的氧化镁看成对矿渣活性有利的组成。 氧化钛：含量较高时，矿渣活性会降低。 氧化亚锰：含量一般不超过13%，含量超过45%时，矿渣活性会较小。 矿渣中其他组分对矿渣活性无显著影响。,玻璃体含量与活性,矿渣中玻璃体量与所配水泥3d抗压强度关系,矿渣的活性，除受化学成分影响外，主要取决于玻璃体的数量和性能。试验表明，在化学成分大致相同的情况下，矿渣中玻璃体含量越多，其活性也越高。,矿渣细度的影响,由图（a）可见，

46、当矿渣细度在600m2/kg以下时，胶砂 3d、7d强度均低于基准水泥，而且随着掺量的增加，其强度逐渐下降。到28d龄期时，B1、B2的强度均高于基准水泥，并呈现出掺量增加强度亦增加的趋势。 由图（c）可见，当掺入的矿渣细度800m2/kg时，胶砂各龄期强度均高于基准水泥。当掺量25%时，胶砂强度随着掺量的增加而增加；在掺量相同时，细度越大，强度增长幅度越大，这种规律在水化后期更加明显。 图（b）中，当矿渣细度在600800m2/kg时，试验结果介于上述600m2/kg和800m2/kg两者之间。当细度增加到600m2/kg时，矿渣的掺入能够提高各龄期强度，但强度并不随着掺量的增加而增加，这与

47、图（c）不同。矿渣掺量在10%左右时，强度增长率达到最高值；掺量超过10%以后，强度增长率随着掺量增加而呈现下降趋势，这说明当矿渣细度未达到一定程度时，掺量过多仍会影响增强效果。,最佳细度的选择,矿渣微粉参与水化反应的能力。 混凝土的温升。 混凝土早期产生的自收缩。 能耗,掺矿渣微粉混凝土的早期性能,工作性 凝结性能 水化 养护,1、工作性,需水量和坍落度,磨细矿渣用水量的影响,用不同细度的磨细矿渣代替水泥，达到相同的胶砂流动度时，其用水量减少，而且减水率随着矿渣细度和掺量的增加而增加。,矿渣微粉与减水剂复合作用下表现出的辅助减水作用主要机理为： （1）矿渣微粉可显著降低水泥浆屈服应力，因此可

48、改善混凝土的和易性； （2）矿渣微粉是经超细粉磨工艺制成的，矿渣微粉颗粒群的定量体视学分析结果表明：矿渣微粉的颗粒最可几直径在6m8m，圆度在0.20.7 范围，颗粒直径愈小，圆度愈大，即颗粒形状愈接近球体。矿渣微粉颗粒直径显著小于水泥且圆度较大，它在新拌水泥浆中具有轴承效果，可增大水泥浆的流动性。,泌水与离析,掺矿渣微粉混凝土的泌水量与凝结时间,掺磨细矿渣混凝土的泌水性与矿渣细度、掺量有很大的关系,坍落度损失,大量研究表明，矿渣微粉的掺入有利于减少混凝土拌合物的坍落度损失。,矿渣微粉掺量对混凝土坍落度的影响,矿渣微粉对坍落度损失改善机理：,矿渣微粉可显著降低水泥浆的屈服应力0，由于初始0相对

49、亦较小，使0值在较长的时间内维持在较低的水平上，使水泥浆处于良好的流动状态，从而有效地控制了混凝土的坍落度损失。 混凝土坍落度损失原因之一是由于水分蒸发。矿渣微粉的比表面积为400600m2/kg，其大比表面积对水分的吸附作用，起到了保水作用，减缓了水分的蒸发速率，因此有效地抑制了混凝土坍落度损失。,混凝土坍落度损失与水泥水化动力学有关。大掺量的矿渣微粉存在于新拌混凝土中，有稀释整个体系中水化产物的体积比例的效果，减缓了胶凝体系的凝聚速率，从而可使新拌混凝土的坍落度损失获得抑制。,2、凝结性能,通常矿渣微粉的掺入要延长混凝土的凝结时间，其影响程度与矿渣微粉的掺量、细度、养护温度等有很大关系。,

50、掺矿渣微粉的水泥标准稠度、凝结时间,矿渣微粉掺量越大，凝结时间越长，但初、终凝时间间隔基本不变。,3、水化,在矿渣硅酸盐水泥水化过程中，首先是水泥熟料矿物与水作用，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙和氢氧化钙等，然后是生成的氢氧化钙解离矿渣玻璃体的结构，使玻璃体中的Ca2+、AlO5-4、Al3+、SiO4-4离子进入溶液，生成水化硅酸盐、水化铝酸钙等，如有石膏存在，还会生成水化硫铝（铁）酸钙等。,矿渣微粉的水化程度与矿渣微粉比表面积有很大关系。有研究表明，随矿渣比表面积的提高，水化程度也相应提高。以28天为例，比表面积为400m2/kg时，水化程度较300m2/kg增加18.7%，比表面积为500m

51、2/kg时，又比400m2/kg的矿渣提高36.9。比表面积大于600m2/kg时水化程度的提高开始减慢，而达到800m2/kg时仅比700m2/kg的矿渣增长5.3。,水化热,绝热温升曲线,4、养护,一般认为，相对于普通混凝土，养护温度、养护湿度的提高更有利于矿渣微粉混凝土强度等性能的发展。,矿渣微粉混凝土微观结构,孔结构,湿筛砂浆的孔结构及孔径分布结果,从上面对混凝土的湿筛砂浆在龄期为 28d 和60d 的孔结构分析可得出，磨细矿渣高性能混凝土的孔结构大为改善，不仅总孔隙率降低，而且有害孔大量减少，孔径分布明显改善。尤其是龄期为60d 的孔结构，其有害孔的数量远低于普通混凝土，并且在中间孔

52、径范围的孔隙率很小，降低了毛细孔隙的连通性。,CH含量,矿渣微粉的掺入，可明显降低水泥石中CH的含量。,硬化矿渣微粉混凝土性能,力学性能 耐久性能 其它性能,1、力学性能,强度,3 天强度随比表面积的变化 28天强度随比表面积的变化,由上图可见，随矿渣比表面积的增加，水泥石的强度不断上升，但上升的幅度不同。对应同一掺量，当比表面积小于600m2/kg时， 3 天强度基本是凹函数，即呈加速增加的趋势；随着水化的进行，到 28 天时分为两部分，即掺量为 20 、30 、40 时强度仍然加速上升，而掺量大于 50 时则减速递增。同时可以发现，当比表面积大于600m2/kg后，强度上升的趋势大大减缓。

53、 一般认为，在相同的混凝土配合比、强度等级与自然养护的条件下，普通细度矿渣微粉（比表面积400m2/kg左右）混凝土的早期强度比普通混凝土略低，但 28d 以及90d 与 180d 的强度增长十分显著地高于普通混凝土。,矿渣微粉掺入混凝土中改善力学性能的作用机理：,微集料效应：矿渣微粉的最可几粒径在10m左右，可起到填充水泥颗粒间隙的微集料作用，使混凝土形成细观层次的自紧密体系。 微晶核效应：能为水泥水化体系起到微晶核效应的作用，能加速水泥水化反应的进程并为水化产物提供了充裕的空间，改善了水泥水化产物分布的均匀性，使水泥石结构比较致密，从而使混凝土具有较好的力学性能。 界面改善：改善了界面区C

54、a ( OH )2的取向度，降低了Ca ( OH )2的含量，还减小了Ca ( OH )2晶体的尺寸，不仅有利于混凝土力学性能的提高，对某些耐久性也能得到改善。,弹性模量,矿渣微粉混凝土弹性模量与抗压强度的关系与普通混凝土大致相同。,2、收缩,矿渣微粉混凝土的收缩与矿渣微粉的掺量、细度有很大关系。,矿渣微粉掺量与收缩关系,耐久性,抗渗透性 抗化学侵蚀 抗碳化性能 钢筋锈蚀 抗冻性,1、抗渗性,一般认为，矿渣微粉混凝土的抗渗性要高于普通混凝土。,2、抗化学侵蚀,抗硫酸盐侵蚀 抗海水侵蚀 抗酸侵蚀 抗氯化物侵蚀 对碱集料反应的抑制作用,抗硫酸盐侵蚀,同一种矿渣微粉，尤其是氧化铝含量高的矿渣微粉，达

55、到一定掺量时能改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，而掺量较低时对该性能影响甚微，甚至会产生不利影响。一般而言，矿渣微粉掺量达65以上时混凝土是抗硫酸盐侵蚀的，低于这一数值混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力则在很大程度上取决于矿渣微粉本身的氧化铝含量。在矿渣微粉掺量不超过50的情况下，如果矿渣微粉中氧化铝含量(以质量分数计)很高(大于18)，则对混凝土的抗硫酸盐侵蚀性不利，如果氧化铝含量较低(小于11)，则对抗硫酸盐侵蚀性有改善作用。,矿渣之所以改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性，很重要的原因是因为矿渣取代了部分水泥而使混凝土中C3A的含量得到稀释，这种稀释作用只有当矿渣达到一定的掺量时才能取得明显的效果，尤其是当矿渣

56、中氧化铝含量本身也比较高时，更需要增大矿渣的掺量才能提高混凝土对硫酸盐侵蚀的抵抗能力。,抗海水侵蚀,矿渣微粉混凝土的耐海水侵蚀性能高于普通混凝土。,抗酸侵蚀,矿渣微粉混凝土因为改善了混凝土的孔结构，提高了混凝土的致密程度，同时具有比较低的CH含量，因此其耐酸性优于普通混凝土。,耐酸性能,抗氯化物侵蚀,矿渣微粉混凝土具有较高的抗渗性，而且矿渣微粉还具有较强的Cl-吸附能力，因此能有效地阻止Cl-渗透或扩散进入混凝土，提高混凝土抗Cl-渗透能力，使矿渣微粉混凝土比普通混凝土在有Cl-环境中十分显著地提高了护筋性。,氯离子扩散系数测定结果,3、抗碳化性能,与粉煤灰混凝土一样，矿渣微粉的掺入，有利于混凝土密实性的提高，使混凝土具有较强的抵抗外界侵蚀性气体侵入的能力，但由于矿渣微粉的二次水化反应要消耗大量的Ca ( OH )2，使混凝土液相碱度降低，对抗碳化不利。,4、钢筋锈蚀,矿渣微粉掺入混凝土后，将使混凝土液相碱度降低，对抗碳化不利。但如果混凝土密实性较好、矿渣掺量合适，矿渣微粉混凝土的抗碳化性能不会下降。,砂浆和净浆单