杜承峰 郭 瑞

在配制混凝土?xí)r加入較大量礦物細(xì)摻料,可以降低溫升,改善工作性,增進(jìn)后期強(qiáng)度,并可改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高耐久性和抗?jié)B性,尤其是礦物細(xì)摻料對(duì)堿-集料反應(yīng)具有很好的抑制作用,這些礦物細(xì)摻料稱為輔助膠凝材料。在配制高性能混凝土?xí)r,通常使用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥再摻加礦物細(xì)摻料。不同的礦物細(xì)摻料混合或礦物細(xì)摻料與水泥混合稱為復(fù)合膠凝材料。

1.礦物細(xì)摻料的主要種類

礦物細(xì)摻料基本可以分為四類:

(1)有膠凝性(或稱潛在活性)的。

(2)有火山灰活性的。

(3)同時(shí)具有膠凝性和火山灰活性的。

(4)其他未包括在上述三類中的本身具有一定化學(xué)反應(yīng)的材料。

本文主要介紹了礦渣、粉煤灰和硅灰對(duì)混凝土滲透性的影響。

2.礦物細(xì)摻料水化活性的激發(fā)

評(píng)定礦物細(xì)摻料的活性時(shí)一個(gè)很復(fù)雜的問題,因?yàn)榈V物細(xì)摻料在混凝土中的作用有化學(xué)的,也有物理的,很難用單一指標(biāo)來概括其品質(zhì)。

3.復(fù)合膠凝材料的水化機(jī)理

自波特蘭水泥誕生以來世界各國(guó)對(duì)通用硅酸鹽體系水泥的改性研究以及對(duì)新的水泥熟料礦物體系的探索從未間斷。隨著人們對(duì)于水泥工業(yè)高能耗環(huán)境負(fù)荷相對(duì)嚴(yán)重等問題認(rèn)識(shí)的不斷深化和對(duì)于改善水泥混凝土耐久性的日益重視,節(jié)能、降耗、環(huán)保以及進(jìn)一步提高水泥及混凝土的性能已成為世界各國(guó)水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)主要可采用兩方面的技術(shù),一是在通用硅酸鹽水泥體系及其礦物組成范圍內(nèi),通過調(diào)控原材料的易燒性和易磨性,改進(jìn)生產(chǎn)工藝及裝備水平,合理?yè)郊拥V渣粉煤灰等工業(yè)廢渣的途徑加以解決;二是突破現(xiàn)有通用硅酸鹽水泥熟料礦物體系及范圍的限制,研究開發(fā)節(jié)能新品種水泥體系。目前在第一方面已取得了很好的進(jìn)展,如在水泥中摻加礦渣粉煤灰等。還有采用現(xiàn)代新型干法生產(chǎn)技術(shù)及高效粉磨技術(shù),極大地改善了水泥及混凝土的性能,節(jié)約了能源。但這些措施并沒有從根本上解決存在的問題,而第二條技術(shù)途徑已成為當(dāng)今水泥工業(yè)和水泥材料學(xué)科領(lǐng)域研究開發(fā)的熱點(diǎn),其中以貝利特為主導(dǎo)礦物的高貝利特水泥體系是最活躍的研究方向之一。

硅粉是用電弧爐生產(chǎn)硅金屬或硅鐵合金的副產(chǎn)品。自從1982年挪威技術(shù)研究院對(duì)硅粉混凝土的性能首次進(jìn)行綜合研究以來,廣大科研工作者對(duì)硅粉進(jìn)行了不斷的研究。硅粉根據(jù)其含碳量的不同,顏色可由白到黑, 一般為灰色。硅粉顆粒極細(xì),用氮?dú)馕椒y(cè)定的硅粉比表面積達(dá)20m2/g,最細(xì)顆粒小于0. 01μm,平均粒徑為0. 1～0 .3μm,比水泥顆粒細(xì)2個(gè)數(shù)量級(jí)。硅粉的真密度約為21～25g/cm3,與粉煤灰相近,松散密度為200～300kg/m3,約為水泥的1/3。它的主要化學(xué)成分為SiO2,幾乎都呈非晶態(tài),硅粉中SiO2的的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨生產(chǎn)國(guó)和生產(chǎn)方法而異,其含量越高,硅粉在堿性溶液中的活性越大。一般來講,用作混凝土摻合料的硅粉,其SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)在90%以上,其中活性的SiO2 (在飽和石灰水中可溶)達(dá)40%以上。在常溫下硬化的水泥漿體(或稱水泥石),通常由未水化的水泥顆粒、水泥水化產(chǎn)物、水、少量空氣以及由水和空氣占有的孔隙網(wǎng)所組成,因此它是一個(gè)固-液-氣3相多孔體,其性能主要取決于這些組分的性質(zhì)、它們的相對(duì)含量以及它們之間的相互作用。

硅粉之所以可以作為一種輔助性膠凝材料改善硬化水泥漿體的微結(jié)構(gòu),首先是因?yàn)楣璺劬哂泻芨叩幕鹕交一钚?。其次是因?yàn)楣璺鄣奈⒓咸匦?它不僅自身可以填充硬化水泥漿體中的有害孔,其二次水化產(chǎn)物也可以填充硬化水泥漿體中的有害孔,從而改善硬化水泥漿體孔隙結(jié)構(gòu)。

?；郀t礦渣簡(jiǎn)稱礦渣,是具有膠凝性(或稱潛在活性)和火山灰活性的礦物細(xì)摻料,除了在水淬時(shí)形成的大量玻璃體外,礦渣中還含有鈣鎂鋁黃長(zhǎng)石和很少量的硅酸一鈣或硅酸二鈣等結(jié)晶態(tài)組分,因此它具有很微弱的自身水硬性。粒徑大于45μm的礦渣顆粒很難參與水化反應(yīng),因此要求用于高性能混凝土的礦渣微粉磨至比表面積超過4000cm2/g,以較充分的發(fā)揮其活性,減少泌水性。礦渣磨的越細(xì),其活性越高,摻入混凝土中以后,早期產(chǎn)生的水化熱越大,越不利于降低混凝土的溫升,當(dāng)?shù)V渣的比表面積超過4 000cm2/g以后,用于很低水膠比的混凝土中時(shí),混凝土早期的收縮降低。

4.礦物細(xì)摻料對(duì)混凝土滲透性的影響

礦物細(xì)摻料對(duì)混凝土滲透性的影響主要體現(xiàn)在礦物摻和料對(duì)混凝土界面的改善,孔隙填充效果,水化熱和溫升的降低以及復(fù)合膠凝材料活性對(duì)混凝土耐久性的明顯改善。

混凝土的耐久性包括抗?jié)B性、抗凍融性、抗沖刷性、抗空蝕性、抗化學(xué)侵蝕性、堿骨料反應(yīng)膨脹、鋼筋銹蝕破壞等多個(gè)方面。其中混凝土抗?jié)B性能是非常關(guān)鍵的因素。

5.結(jié)論

隨著建筑工業(yè)的發(fā)展,建筑材料的需求量日趨增大,而傳統(tǒng)建材在生產(chǎn)上一直存在著嚴(yán)重的弊端,即原材料需大量消耗土壤和礦產(chǎn)資源,結(jié)果造成能源浪費(fèi)和自然環(huán)境的破壞。粉煤灰和礦渣應(yīng)用于建筑材料,不僅有利于解決環(huán)保和節(jié)能問題,形成以“環(huán)境材料”為主體的格局,而且對(duì)提高建筑材料的性能尤其是材料的耐久性、擴(kuò)大建筑材料的種類和使用范圍具有積極的作用。傳統(tǒng)的水泥膠凝材料主要以硅酸鹽熟料為主要成分,配以適量的石膏或少量的混合材料。其中最主要和應(yīng)用最廣的為活性材料水淬礦渣和粉煤灰。少熟料和無熟料水泥可以大大降低能耗, 減少對(duì)環(huán)境的破壞。但這種膠凝材料在水化時(shí)必須借助一定的活性激發(fā)形式或激發(fā)劑激發(fā)活性材料的活性,才能順利水化,否則基本上沒有膠凝性或膠凝性很小。目前,國(guó)內(nèi)外所研究的激發(fā)劑主要有以堿金屬或堿土金屬化合物為主的激發(fā)劑和硫酸鹽激發(fā)劑等,首先通過熱力或機(jī)械形式使廢渣達(dá)到一定的細(xì)度,形成具有一定活性的表面性質(zhì),其次通過摻加一定配比的固態(tài)化學(xué)激發(fā)劑如NaOH、Ca(OH)2、Na2SiO3等,在水化過程的不同齡期進(jìn)一步激發(fā)廢渣的活性,使膠凝材料達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度?！?編輯/穆楊)