胶凝材料在高性能混凝土中作用和影响

胶凝材料在高性能混凝土中作用和影响

孙军

中铁十局集团城市轨道交通工程有限公司

摘要：高性能混凝土由于要满足多元组分（高性能混凝土：水泥、矿物掺合料、外加剂、水、砂、石；普通混凝土：水泥、水、砂、石）优化配制、工作性、可泵性、高强度、良好的耐久性等多方面的技术要求，故在胶凝材料选择上要比普通混凝土严格、复杂得多。

关键词：高性能混凝土；多元组分；优化配制

一、水泥

1.铁路混凝土宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，混合材料宜为矿渣或粉煤灰，不宜使用早强水泥.C30以下混凝土，可采用矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合水泥。水泥特性中影响聚羧酸高性能减水剂与水泥的适应性的主要因素包括：（1）水泥熟料的化学组成；（2）石膏的形态和掺量；（3）水泥的细度；（4）混合材的种类与掺量；（5）水泥的碱含量。

2.水泥化学组成对聚羧酸减水剂的影响

2.1C3A含量对聚羧酸减水剂的影响

水泥中随着C3A含量的增加，外加剂分散性变差，分散保持性也逐渐下降，这主要与C3A的水化速度和晶体缺陷有关，水泥的主要化学成分为C3S、C2S、C3A、C4AF，C3A的水化速度最快，水化放热量最大，随着C3A含量的增加，水泥浆体形成骨架结构的速度加快，更多的减水剂分子被C3A消耗，需水量也增大，而吸附在水泥颗粒水化物表面的减水剂分子及游离在水泥浆体中的减水剂分子逐渐减少，致使外加剂分散性和分散保持性变差。

研究表明，C3A含量在8%以下时，水泥和外加剂适应性较好，当C3A含量超过8.5%时，调整减水剂用量，调整减水剂用量也不能解决混凝土坍落度损失较快的问题。

2.2石膏对聚羧酸减水剂的影响

石膏作为水泥生产的调凝剂，目前水泥生产中主要有脱硫石膏、天然二水石膏、硬石膏，释放SO42-的速度依次为：脱硫石膏、天然二水石膏、硬石膏；试验证明，以脱硫石膏作为调凝剂的水泥和聚羧酸减水剂适应最好，天然二水石膏作为调凝剂的水泥适应性其次，以硬石膏作为调凝剂的水泥适应性最差。但脱硫石膏的掺量必须严格控制，掺量过多时，释放SO42-的速度比较快，将导致假凝现象。

2.3水泥细度对聚羧酸减水剂的影响

随着水泥比表面积加大（越细），混凝土坍落度损失加剧.主要原因包括：

水泥越细，C3A水化速度加快，就会在早期吸附更多的减水剂，从而减少吸附在水化产物表面即游离在浆体溶液中减水剂分子，降低了减水剂的分散性和分散保持性。

另外，水泥本身具有凝絮作用，水泥越细，凝絮作用越明显，破坏这种凝絮结构所需要的减水剂越多。所以在减水剂掺量相同的条件下，水泥越细，其分散性、分散保持性越差。现在很多厂家为追求早强，一味提高水泥磨细程度，对于这一类水泥，为了达到较好的分散、塑化效果，必须提高减水剂掺量。

2.4混合材对聚羧酸减水剂的影响

普通硅酸盐水泥都掺加一定量的混合材，如粉煤灰、粒化高炉矿渣、煤矸石、石灰石、沸石等，由于混合材的种类、性质、掺量，引起聚羧酸减水剂对水泥的分散、塑化效果也不同。

按照规范，普通硅酸盐42.5水泥粉煤灰最大掺量为15%，但目前助磨剂的广泛使用，普通硅酸盐42.5水泥中混合材实际掺量为25%～30%，混合材以粉煤灰和粒化高炉矿渣为主，石灰石、煤矸石等辅料掺量不会超过混合材总量的10%。

2.5碱含量对聚羧酸减水剂的影响

碱含量对聚羧酸减水剂与水泥的适应性也有重要影响，过量的碱会和集料中的SiO2发生反应，生成膨胀的碱硅酸盐胶凝，一方面导致混凝土开裂，另一方面降低了聚羧酸减水剂对水泥浆体的塑化作用，使水泥浆体的流动性损失加快，凝结时间急剧缩短，当可溶性碱含量过低时，减水剂掺量不足便会引起混凝土坍落度损失过快。当碱含量在0.4%～0.8%，碱含量对减水剂与水泥的适应性影响小。

从以上可以看出，水泥特性对聚羧酸减水剂与水泥的适应性影响很大，要获得与聚羧酸减水剂适应性好的水泥，须控制C3A含量、水泥细度与颗粒级配以及碱含量，须考虑石膏的形态和释放SO42-速度的影响，对石膏掺量的控制也应通过与减水剂适应性试验进行确认，优先考虑与减水剂适应性好的磨细高炉矿渣与石灰石作为普硅42.5水泥的混合材。

二、矿物掺合料

常用矿物掺合料有：粉煤灰、磨细矿渣粉，在混凝土中主要作用如下：填充骨料的间隙及形成润滑膜；吸收氢氧化钙，改善过渡区（火山灰活性效应），同时生成胶凝性产物；对水泥的分散作用，降低水胶比，改善水泥在低水胶比下的水化环境；延缓初期水化速率，形成较低水胶比、较大水灰比的有利环境；降低温升，改善徐变能力，减小早期形成热裂缝的危险。

（一）粉煤灰

1.粉煤灰对新拌混凝土性能的影响

粉煤灰的密度只有水泥的2/3（水泥密度在3.1g/cm3左右，粉煤灰的密度2.2g/cm3左右），掺加在混凝土中的粉煤灰将上浮，产生“对流”作用；另外粉煤灰等量取代水泥，由于其密度小，故混凝土的浆体体积增加。这两种因素导致混凝土的流动性变好。

优质的粉煤灰需水量比小于100%，意味着其需水量较水泥小，因此掺加一定量的优质粉煤灰，同时添加高性能减水剂时，可以大幅度降低水胶比，获得普通混凝土条件下无法达到的使用效果。粉煤灰对新拌混凝土的性能的影响归纳为：

⑴增加浆体含量、增大粘聚性、不易离析，改善可泵性，易振实。

⑵延缓拌合物凝结时间，减小坍落度损失，降低水化热。

⑶减小泌水速率，但凝结时间延长（尤其低温季节），需及早覆盖。

但采用烧失量大的粉煤灰配制的混凝土工作性差，坍落度损失大，不易捣实，强度效应差（火山灰效应差），以及耐久性差（封孔固化和致密效应降低）。因此对粉煤灰烧失量应严格控制。粉煤灰中未燃烧的碳颗粒对减水剂和引气剂有很强的吸附作用，尤其是对引气剂，故冻融环境下应严格控制粉煤灰烧失量，严重冻融环境破坏环境下粉煤灰烧失量不应大于3%。

2.现场粉煤灰存在的问题

（1）粉煤灰中有油，碳颗粒吸附油污浮在混凝土表面。

粉煤灰中有油污的原因：发电厂开机或负荷不够的时候，要喷0#柴油或重油，煤燃烧更充分，使电力更足，因而粉煤灰中就有残留的油。这个问题没有办法处置，只有将粉煤灰倒掉，或将粉煤灰用于临建或桩基水下混凝土，须少掺粉煤灰，但混凝土必须粘性好，能吸附、包裹一部分碳颗粒和油污。

（2）脱硝粉煤灰导致混凝土中有氨气的味道

至于这个问题，很多人认为是外加剂造成的，其实不是，是粉煤灰造成的，由于电厂采取脱硝的环保措施，导致粉煤灰中有NO3-，NO3-遇到水泥中的碱产生氨气，在拌制混凝土时就能闻到一股刺鼻的味道，对环境有影响，但对混凝土工作性、力学、耐久性能没有影响。

（3）假粉煤灰，用煤矸石磨细而成，没有活性。对于这类粉煤灰，先用40×40的显微镜观察，有无玻璃体；然后取少量溶于烧杯，看沉淀物；或做活性指数。

（4）粉煤灰供应厂家一般都是经销商，来自多个电厂。进场取样进行细度、需水量比检测，并观测外观颜色。

（5）前期配合比设计的粉煤灰质量较好，供应过程中质量变差，波动较大。设计配合比时候不要理想化，宜少掺粉煤灰。

（6）粉煤灰进场时，供应商有意在罐车表面装一层好灰，现场进场验收不严，取样不具有代表性，导致质量较差的粉煤灰进入施工现场。购买水泥取样器从上至下深层取样。

（7）部分粉煤灰是经过二次粉磨的，玻璃体结构在粉磨过程中遭到破坏，导致粉煤灰活性降低，混凝土和易性变差。宜少掺粉煤灰。

（8）粉煤灰中掺干粉减水剂，导致需水量指标能达Ⅰ级。取样后按配合比试拌桩基混凝土，并和留样粉煤灰试拌效果做比对，发现异常及时清场。

3.关于粉煤灰的最佳掺量

根据《铁路混凝土施工工程施工质量验收标准》（TB10424-2010）表6.4.5和表6.4.5的规定，结合设计图纸中地下水、地表水、空气对混凝土的环境作用类别、等级以及原材料质量和施工控制水平确定单掺粉煤灰的量。

关于粉煤灰掺量的问题，由于水泥中掺有大量的粉煤灰，有的多达50%，加之现场粉煤灰质量差。粉煤灰质量和煤有很大关系，最好的粉煤灰发白，其次发黄，发黑最差。根据多年的经验，合格的Ⅱ级粉煤灰掺量宜为20～25%，不宜大于25%。

（二）矿粉

矿粉是炼钢过程中排出的工业废料，主要成分是SiO2、Al2O3、CaO、MgO等.经过水淬急冷后的矿渣，其中的玻璃体含量高，体积不稳定，潜在活性大，但必须经磨细才能使潜在活性发挥出来，故铁路验标规定矿粉的表面积为350～500㎡/㎏。

1.矿粉对混凝土流动性影响

由于矿粉需水量较水泥低，在合理的掺量范围内，随着矿粉掺量的增加，混凝土流动性增加，尤其是对强度等级高（C50以上）的箱梁混凝土，有效的解决了低水胶比和大流动度这对矛盾。但随着矿粉掺量的增加，水胶比降低，坍落度增大，虽然混凝土流动性较好，但混凝土粘性增大，且伴随有泌水、泌浆现象，混凝土存在粘盘现象，现场施工不便。故单掺矿粉的混凝土取代水泥量宜为20～30%，

2.矿粉对混凝土强度的影响

混凝土中掺加适量矿粉，矿粉参与二次水化，在反应过程中吸收大量游离Ca（OH）2晶体，使混凝土中尤其界面过渡区的Ca（OH）2晶体变小，由于Ca（OH）2晶体被大量吸收反应，C3S、C2S的水化反应速度加快，水泥浆与骨料界面粘结强度及水泥浆体孔隙结构得到改善，提高混凝土密实性，从而提高混凝土的强度，使得混凝土早期强度基本不受影响，后期强度因矿粉不断参与二次水化反应使混凝土强度得到快速、较大增长。

矿渣粉越细，活性越高，收缩也随之加强，从减少混凝土收缩开裂的角度考虑，矿粉比表面积不宜超过500㎡/㎏，最好不要超过450㎡/㎏。

（三）粉煤灰和矿粉“双掺”的效应

单掺粉煤灰会降低混凝土早期强度，为弥补这一缺陷，可以复合掺入活性较高的矿粉，通过火山灰效应，提高早期强度。粉煤灰和矿粉的复掺，不仅是简单的混合，而且是有意识地使两种混合材料取长补短，在强度上产生一定的互补作用，体现单掺所不具备的优势，弥补单掺粉煤灰混凝土早期强度低的缺陷。

双掺后可以有效提高混凝土各项性能，如和易性、粘结性、可泵性，降低混凝土坍落度损失，减小混凝土内部早期干缩，使硬化后的混凝土结构更密实，混凝土早期强度和后期强度都有较大提高，抗渗性、抗冻性、耐化学侵蚀的能力也显著改善，产生的叠加作用更明显。

1.混凝土“工作性互补优势”

对于新拌混凝土，发挥粉煤灰的“形态效应”。粉煤灰中富含球状玻璃体对砂浆起“润滑”作用，增大了混凝土得来流动性，减小泵送阻力，改善由于矿粉的掺入所导致的混凝土粘性提高，泌水性增大的趋势，新拌的混凝土得到最佳的流动性和粘聚性。

2.混凝土“强度互补效应”

粉煤灰等量取代水泥时，28d强度基本都比不掺粉煤灰混凝土强度低，而矿粉在合适的掺量下会使混凝土28d强度稍有提高，因此，二者有较好的“强度互补优势”。二者复合使用还可兼顾混凝土早期和后期强度，早期发挥矿粉的火山灰效应，改善浆体和界面结构，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胶凝数量不足导致与未反应的粉煤灰之间界面粘接不牢固引起的早期强度损失；发挥Ⅰ级粉煤灰的火山灰效应所带来的孔径细化作用以及未水化的粉煤灰颗粒的“内核作用”。使混凝土后期强度持续提高。

（四）双掺粉煤灰和矿粉的比例

前面提到：单掺粉煤灰不宜超过25%，单掺矿粉的量宜为20～30%。但针对水泥-粉煤灰-矿粉胶凝材料体系，掺量不能简单叠加，粉煤灰的掺量以不超过25%为宜，粉煤灰和矿粉掺量以不超过40%为宜（粉煤灰和矿粉比例宜为2：1、3：2、1：1），但根据经验，最佳比例宜为2：1，可充分发挥矿粉的早期强度，也能发挥粉煤灰的后期强度优势，配合比也更经济。

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