粉煤灰和礦渣粉雙摻在高性能混凝土中的應(yīng)用

趙 英

1 實施背景

目前，對混凝土的質(zhì)量和服務(wù)要求日益提高，高工作性、高強度、高耐久性是高性能混凝土的顯著特性，是當(dāng)前國際范圍內(nèi)混凝土技術(shù)的發(fā)展方向，它適應(yīng)于現(xiàn)代化工程結(jié)構(gòu)高性能混凝土的應(yīng)用。高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土，是以耐久性作為設(shè)計的主要指標(biāo)，針對不同用途要求，對下列性能重點予以保證:耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

大量研究表明，在混凝土中摻加粉煤灰或礦渣，不僅有較好的經(jīng)濟效益和社會效益，而且可解決火電廠廢物利用問題，減少了貯灰場的占地，還節(jié)省了耕地，對電廠既降低了成本，還節(jié)約了運灰費用，更重要的是帶動了一批建材企業(yè)。另外，優(yōu)質(zhì)粉煤灰對混凝土的密實度、抗?jié)B性、耐化學(xué)腐蝕及其后期強度均有提高和改善作用，而在混凝土中摻入磨細礦渣則對混凝土的多項力學(xué)性質(zhì)和耐久性能有利。到目前為止，人們對粉煤灰混凝土和礦渣混凝土已有比較清楚的認識，但是，對于在混凝土中同時摻加粉煤灰和磨細礦渣粉后復(fù)合材料的特性變化尚無較系統(tǒng)和深入的探索，雙摻后對新拌混凝土性能和硬化混凝土的強度有何影響，效果如何，兩種摻合料之間有無匹配關(guān)系，是否存在最佳配比，對于這些問題的研究已顯得很有必要。

山西路橋第二工程有限公司在聞合高速公路LA6合同段項目施工中大膽創(chuàng)新，積極研究并將粉煤灰和礦渣粉雙摻成功應(yīng)用于C55高性能混凝土中。

2 基本原理

1)提高混凝土工作性能。

使混凝土拌合物的和易性，流動性提高，坍落度保持性較好。摻入礦渣粉和粉煤灰后，由于它們的粒徑與水泥顆粒粒徑形成粒徑梯度，顆粒之間相互填充，因此可以進一步減少細集料顆粒間的空隙，使其更加密實，并且可以使得水泥顆粒間的水分得以釋放，形成自由水，提高混凝土的流動性，這是礦渣粉和粉煤灰的微集料效應(yīng)。另外粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)也使得混凝土的流動性很好，粉煤灰的礦物組成是海綿玻璃體和鋁硅玻璃體微珠，這些球形玻璃體表面光滑，顆粒尺寸小，質(zhì)地致密，在新拌合物中起到一定的潤滑作用;礦渣粉與水泥顆粒之間及礦渣粉與礦渣粉之間接觸點面積小，且礦渣粉的斥水作用使得對減水劑吸附作用也較弱，因此礦渣粉及粉煤灰的雙摻可提高混凝土的流動性，和易性，減少坍落度損失。

2)提高混凝土抗?jié)B性能。

加入礦渣粉和粉煤灰后，其微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)使得混凝土的結(jié)構(gòu)更為致密，降低了孔隙率。由于礦渣粉的細度高于粉煤灰，復(fù)合摻加后使得材料顆粒間相互填充孔隙，使各組成材料緊密堆積，進一步降低孔隙率，從而增加混凝土結(jié)構(gòu)的密實度，改善混凝土的抗?jié)B性能。

3)降低水化熱和提高混凝土強度。

摻入礦渣粉的混凝土的水化反應(yīng)依賴于水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的堿性物質(zhì)的激發(fā)，生成凝膠體的速度遠低于純水泥混凝土，礦渣粉在水泥顆粒間起到分散劑的作用。而且粉煤灰在水泥水化初期不參與水化反應(yīng)，而是與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2進行二次水化，滯后于水泥水化的過程，延緩了由于水化而產(chǎn)生的溫升。同時由于礦渣粉及粉煤灰的摻加替代了少量的水泥，進一步降低了水化熱。在混凝土中加入礦渣粉和粉煤灰后，在混凝土內(nèi)部的堿性環(huán)境中，礦渣粉和粉煤灰吸收水泥水化時形成的Ca(OH)2，進一步水化形成C-S-H凝膠，使界面區(qū)的Ca(OH)2晶粒變小，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，使水泥漿體的空隙率明顯下降，強化了集料界面的粘結(jié)力，使得混凝土的物理力學(xué)性能大大提高。另外礦渣粉和粉煤灰的微集料效應(yīng)，使混凝土形成了微觀的自緊密結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的強度。

3 主要做法

配合比設(shè)計是高性能混凝土制備技術(shù)的關(guān)鍵。高性能混凝土配合比設(shè)計不同于普通混凝土的設(shè)計，不是簡單以抗壓強度作為設(shè)計指標(biāo)的混凝土，而是包括原材料的選擇和控制、拌和物的生產(chǎn)制備和整個施工過程的良好質(zhì)量控制來實現(xiàn)的，其配合比的設(shè)計應(yīng)以安全、經(jīng)濟、合理為原則，以耐久性、工作性、抗壓強度為設(shè)計指標(biāo)，并綜合考慮和分析影響高性能混凝土與配合比各種參數(shù)的因素來確定其配合比。

試驗結(jié)果表明:第2組試配數(shù)量既能滿足C55號強度要求，又能節(jié)約成本。最終確定配置C55高性能混凝土的最優(yōu)配合比為:

水泥∶砂∶碎石∶礦渣粉∶粉煤灰∶水∶減水劑=383∶666∶1087∶106∶43∶165∶6.92。

同時說明:適量的優(yōu)質(zhì)活性礦物摻合料如優(yōu)質(zhì)粉煤灰、礦渣微粉等可改善混凝土的工作性。粉煤灰的微集料效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)不但可以提高混凝土的保水性、流動性，并可減少水泥用量，提高高性能混凝土的耐久性，且隨著混凝土齡期的延長，雙摻后混凝土的強度比普通混凝土強度要高得多。

4 質(zhì)量控制及保障措施

1)為了保持砂石潔凈，對砂石堆放環(huán)境必須有專門要求。2)細骨料在投料前不宜過干，其含水量宜采用自動檢測并通過自動稱量裝置，進行用水量修正。3)攪拌必須均勻，高性能混凝土的攪拌要比普通強度混凝土困難，必須采用強制式攪拌機，并延長攪拌時間，約比普遍強度混凝土攪拌時間長一半。4)及時養(yǎng)護，低水灰比的混凝土表面不泌水，容易在凝結(jié)過程或澆筑后不久就出現(xiàn)表面干縮裂縫，早期養(yǎng)護對高性能混凝土最為重要。5)對原材料的選擇。配置C55級高強混凝土，不需要用特殊的材料，但必須對本地區(qū)所能得到的所有原材料進行優(yōu)選，它們除了要有比較好的性能指標(biāo)外，還必須質(zhì)量穩(wěn)定，即在施工期內(nèi)主要性能不能有太大的變化。6)工序的質(zhì)量控制和管理。一般來說，在試驗室配置符合要求的高強混凝土相對比較容易，但是要在整個施工過程中，混凝土都要穩(wěn)定在要求的質(zhì)量水平功能上就比較困難了。一些在普通情況下不太敏感的因素，在低水灰比的情況下會變得相當(dāng)敏感，而對高強混凝土，設(shè)計時所留的強度富余度又不可能太大，可供調(diào)節(jié)的余量較小，這就要求在整個施工過程中必須注意各種條件、因素的變化，并且要根據(jù)這些變化隨時調(diào)整配合比和各種工藝參數(shù)。

5 項目成效及效果分析

5.1 經(jīng)濟效益

C55高性能混凝土配合比為:水泥∶砂∶碎石∶礦渣粉∶粉煤灰∶水∶減水劑 =383∶666∶1087∶106∶43∶165∶6.92;

普通C55混凝土配合比為:水泥∶砂∶碎石∶水∶減水劑=498∶679∶1109∶154∶6.47;

以本項目實際進場材料單價粉煤灰165元/t、525水泥460元/t、礦粉230 元/t、減水劑6300 元/t、砂110 元/m3、碎石75元/m3、水3元/t為例，對兩者進行成本比較:

C55雙摻混凝土每立方米成本計算:

0.383×460+666/1550×110+1087/1500 ×75+0.106×230+0.043 ×165+0.165 ×3+6.92 ×6.3=353.36 元。

C55普通混凝土每立方米成本計算:

0.498×460+679/1550×110+1109/1500×75+0.154×3+6.47 ×6.3=373.94 元。

全橋C55混凝土用量約20000 m3，每立方米節(jié)約成本373.94 －353.36=20.58 元，總成本節(jié)約20000 ×20.58=411600 元。

5.2 社會效益

采用粉煤灰和礦粉代替部分水泥，能改善新拌混凝土的流動性、提高混凝土強度，與傳統(tǒng)的混凝土相比，高性能混凝土在配合比上的特點是低用水量、較低的水泥用量，并以化學(xué)外加劑與粉煤灰作為水泥、砂石之外的基本組成成分。這些使硬化混凝土內(nèi)部的孔隙少，具有致密的微觀和細觀結(jié)構(gòu)，抗?jié)B性能優(yōu)良，因此高性能混凝土的耐久性很好。

高性能混凝土在硬化過程中體積穩(wěn)定、水化熱低、溫升小，冷卻時的溫度收縮小，干燥收縮也小，所以硬化后不易產(chǎn)生宏觀和微觀裂縫。

雙摻工藝的運用，既改進了傳統(tǒng)的混凝土配比，又在很大程度上節(jié)余了成本，同時可降低混凝土水泥用量，獲得較好的技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)保效果，在工程實踐中具有廣闊的應(yīng)用前景。