張士剛，胡曉波，梁卿達，張艷鋒

（中南大學土木學院，湖南 長沙410075）

0 引言

當今混凝土實用技術發(fā)展方面有兩個重要方向：一是發(fā)展高強高性能混凝土，也就是通常所說的HPC；二是使普通混凝土高性能化，使其使用壽命由40～45年延長至100年或更長。混凝土沿著這兩個方向發(fā)展的主要物質基礎是多功能的高效減水劑和活性礦物摻合料。這兩種材料已成為混凝土的第五組分和第六組分。多功能的高效減水劑和活性礦物摻合料的研究和應用技術的研究相對成熟，故筆者僅就活性礦物摻合料應用中存在的幾個熱點疑難問題開展討論。

1 硅灰混凝土的塑性開裂和早期收縮偏大問題

1.1 問題的提出

硅灰具有含無定形SiO2量高（通常在90%以上）和超大的比表面積（約18000m2/kg）特征,使其火山灰效應和微填充效應得以充分發(fā)揮。除了顯著提高混凝土的力學性能外，幾乎對混凝土耐久性的諸多方面都有不同程度的改善。但由于硅灰比表面積大，自身的吸水率大，需水量也大，致使硅灰混凝土早期開裂問題較突出。

1.2 原因分析

硅灰是超細活性摻合料，其比表面積比普通硅酸鹽水泥要高出2個數(shù)量級。將硅灰摻入水泥中明顯加速了水泥水化反應，摻硅灰的混凝土強度尤其增長高而快。有研究[1]對硅灰替代部分普通硅酸鹽水泥后的早期自收縮性能進行比較，試驗結果顯示，摻10%硅灰的水泥凈漿的自收縮率明顯增大（摻硅灰的試件7d自收縮比普通硅酸鹽水泥增加了83.5%），這主要是因為硅灰的摻入改變了凈漿內部的孔結構，使孔的分布更加均勻而細化，微孔數(shù)量的增加也增大了毛細管張力，從而也增大了自收縮。

硅灰混凝土的應用中，由于硅灰的單價較高，考慮到經濟效益，通常硅灰混凝土被設計為高強（C80以上）或超耐久混凝土，配合超塑化劑的應用其水膠比一般較低。正是由于低水膠比和硅灰的大需水量，使混凝土的泌水率顯著降低。而塑性收縮裂縫產生的關鍵原因在于混凝土表面干燥速度遠大于內部泌水速度，因而在相同環(huán)境條件下硅灰混凝土較普通混凝土更易產生塑性開裂。

1.3 應對措施

根據上述機理可以給出如下幾點建議以減小早期收縮，預防塑性開裂：（1）加強早期潮濕養(yǎng)護；（2）使用漿狀硅灰，將硅灰、超塑化劑和一定比例的水分配制成漿狀，使其預先充分吸水，可避免原狀硅灰拌入混凝土后爭奪自由水分；（3）復摻粉煤灰，降低水化熱；（4）加入適量的微膨脹劑以補償收縮。

2 高摻粉煤灰的早期活性激發(fā)問題

2.1 問題的提出

粉煤灰作為工業(yè)廢料，摻加到混凝土中對減小混凝土水化熱，減小收縮方面起著有益的作用，可謂真正是變廢為寶，符合“綠色混凝土”[2]的發(fā)展趨勢，對人與環(huán)境和諧共存有重要意義。高摻粉煤灰一度成為熱點研究問題，但工程應用與實驗研究中均暴露出了早期強度低的問題。有文獻[3,4]報道高摻粉煤灰混凝土 [FA/(C+FA)質量分數(shù)為55%左右]的1d抗壓強度極低（僅為0.6MPa，甚至為0），可見高摻粉煤灰的早期強度低制約了其工程應用，激發(fā)其早期活性有重要的現(xiàn)實意義。

2.2 原因分析

粉煤灰的活性一般包括物理活性和化學活性。粉煤灰的物理活性產生的效應包括減水效應、微集料效應和密實效應[5]。減水效應也稱顆粒形態(tài)效應，主要是指粉煤灰中珠狀玻璃體起滾珠作用，從而使摻粉煤灰的膠凝體系的流動性提高，起減水作用；微集料效應是指粉煤灰顆粒充當微小集料，均勻分布在體系之中，填充孔隙和毛細孔，改善體系的孔結構和增大密實度；密實效應是微集料效應和火山灰效應的共同作用的表現(xiàn)，火山灰效應使粉煤灰形成類似托勃莫來石次生晶相，填補水膜層和水泥水化物骨架空隙，提高密實度。物理活性主要在摻粉煤灰體系的早期發(fā)揮作用[6,7]。

粉煤灰的化學活性指粉煤灰的火山灰性質，它來源于煤粉在高溫燃燒后收縮成球狀液珠后迅速冷卻而形成的玻璃體中介穩(wěn)的SiO2、A12O3，活性SiO2、A12O3與石灰和水混合后能生成水化硅酸鈣( C-S-H)和水化鋁酸鈣(C-A-H)[8]；在同時含有石膏的條件下，還可生成水化硫鋁酸鈣（AFt）等。粉煤灰中的玻璃體越多，火山灰化學反應性能越強。但因粉煤灰中保持高溫液態(tài)結構排列方式的介穩(wěn)結構的玻璃體，在常溫常壓下仍然很穩(wěn)定，表現(xiàn)出較高的化學穩(wěn)定性，因此在自然環(huán)境下一般要經過1個月或更長時間的激發(fā)過程，化學活性才能較顯著地表現(xiàn)出來。

因此，如果能通過活性激發(fā)措施來提高粉煤灰的早期活性，調整粉煤灰的潛在化學能在水化期的時段分布，將會大大促進高摻量粉煤灰混凝土的工程應用。

2.3 解決措施及機理分析

基于粉煤灰參與水泥水化的物理化學特征，其早期活性激發(fā)措施主要分物理激發(fā)與化學激發(fā)兩類：

物理激發(fā)主要是通過超細粉磨，使粉煤灰的表層玻璃體結構遭受破壞，增大比表面積，從而使其活性組分更易參與水泥水化，同時也進一步改善了其微集料填充效應。Mehta[9]的研究結果表明，低鈣粉煤灰的粒度分布是影響其活性最重要的因素之一，其活性正比于小于10μm顆粒含量，反比于大于45μm顆粒含量。蔣水惠等[10]利用灰色系統(tǒng)方法研究了粉煤灰顆粒分布對水泥強度的影響，結果表明，粉煤灰中10～20μm顆粒含量與水泥強度的關聯(lián)度最大，30μm以下顆粒與水泥強度有較大的關聯(lián)度(＞0.9)，而大于30μm的顆粒與水泥強度負相關。要提高粉煤灰水泥的強度，應增加粉煤灰中小于30μm顆粒含量，限制30～45μm顆粒含量，減少大于45μm顆粒含量。Dhir P.K等[11]也指出，粉煤灰化學成分變異較小，對混凝土質量的影響也較小，但粉煤灰的物理性能變異很大，顯著影響混凝土的質量。

化學激發(fā)主要是通過加入能促進[SiO4]4-四面體解聚, Si-O, Al-O鍵斷裂的化合物，或提高膠凝體系液相的堿度，使其能在常溫下促進粉煤灰參與水泥的水化進程。這類物質一般是堿及其堿性有機物，堿性氧化物和堿金屬鹽等如CaO、Ca(OH)2、NaOH、N(CH2CH4OH)3、Na2SO4、Ca(NO2)2、CaSO4、CH3COONa等，也有人使用水玻璃、氯鹽等。但氯鹽無益于混凝土的耐久性。

3 摻合料最大摻量問題

3.1 問題的提出

礦物摻合料在水泥中的火山灰效應，主要是它們的活性SiO2和活性Al2O3在堿-硫酸鹽激發(fā)下，形成水化硅酸鈣C-S-H和水化鋁酸鈣C2AH8，及水化硫鋁酸鈣（AFt）,而堿激發(fā)主要來自水泥熟料中C3S, C2S水化析出的Ca(OH)2，所以，礦物摻合料要吃“鈣”，才能形成水化產物，對混凝土強度做出貢獻。摻加大量摻合料，會帶來混凝土中“貧鈣”的問題，亦即大量活性摻合料的二次水化會消耗膠凝材料中的游離氫氧化鈣，使混凝土中堿性降低,增大混凝土發(fā)生碳化的潛在危害，降低鋼筋混凝土中混凝土對鋼筋保護作用，影響結構耐久性。所以摻合料的最大摻量問題值得探討。

3.2 現(xiàn)行標準對摻合料摻量的規(guī)定

GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》標準中規(guī)定：普通硅酸鹽水泥礦物摻合料摻量范圍為5%～20%，礦渣水泥中礦渣摻量范圍為20%～70%，火山灰質水泥中火山灰質混合材料（含粉煤灰）的摻量范圍為20%～40%。GBJ 146-90《粉煤灰混凝土應用技術規(guī)范》的第4.2.1條規(guī)定，在鋼筋混凝土中粉煤灰取代水泥的最大限量為:硅酸鹽水泥30%,普通硅酸鹽水泥25%,礦渣硅酸鹽水泥20%，火山灰硅酸鹽水泥15%;當鋼筋保護層厚度小于5cm時，粉煤灰取代水泥的最大限量，應比規(guī)定值相應減少5%。依此計算，混凝土中摻合料（活性混合材）實際最大摻量可達：普通硅酸鹽水泥40%，礦渣硅酸鹽水泥76%，火山灰硅酸鹽水泥49%。

3.3 對摻合料最大摻量的分析

微觀結構研究表明，對于常態(tài)混凝土，當粉煤灰含量占總膠材用量70%以上時，混凝土的孔隙率將急劇增大，水化產物結構開始變得疏松[12]。碳化研究指出，當粉煤灰摻量不超過55%時，混凝土的碳化速度僅隨粉煤灰摻量的增加而極為平緩的增長；超過55%時，碳化速度明顯加快；超過70%時，碳化速度急劇加快，且碳化進程表現(xiàn)出與水泥用量有關，當水泥用量不超過100kg/m3時，粉煤灰用量則不宜超過55%[13]。

游寶坤[14]從水泥化學的角度分析，假定（1）B=400kg/m3，W/B=0.45，用水量W=180L/m3。(2)水泥中原有的摻合料忽略不計，即把水泥視為純熟料。(3)水泥中只有50%水化。(4)摻合料中只有30%水化。并在保證Ca(OH)2濃度飽和的前提下，進行理論計算得出摻合料（粉煤灰+礦渣粉）最大理論摻量為60%。

據了解，目前一些小水泥廠為降低成本，采用分別粉磨混合材和熟料技術，在P·O42.5水泥中，混合材的摻量一般可達40%～50%。在這種水泥中再摻入40%～50%的摻合料，每立方混凝土中水泥熟料僅剩22%～27%，其水化產物的pH值≤12，所引起的耐久性問題值得關注。

所以對于鋼筋混凝土結構，應根據不同結構，不同使用環(huán)境，嚴格規(guī)定摻合料的最高摻量，才能保證混凝土結構的耐久性。而對無筋的大壩混凝土不存在鋼筋銹蝕問題，故不必拘泥于摻合料的最大摻量問題。

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