建筑材料礦物細摻料對混凝土滲透性的影響

杜承峰 郭 瑞

在配制混凝土時加入較大量礦物細摻料,可以降低溫升,改善工作性,增進后期強度,并可改善混凝土內部結構,提高耐久性和抗滲性,尤其是礦物細摻料對堿-集料反應具有很好的抑制作用,這些礦物細摻料稱為輔助膠凝材料。在配制高性能混凝土時,通常使用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥再摻加礦物細摻料。不同的礦物細摻料混合或礦物細摻料與水泥混合稱為復合膠凝材料。

1.礦物細摻料的主要種類

礦物細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反應的材料。

本文主要介紹了礦渣、粉煤灰和硅灰對混凝土滲透性的影響。

2.礦物細摻料水化活性的激發

評定礦物細摻料的活性時一個很復雜的問題,因為礦物細摻料在混凝土中的作用有化學的,也有物理的,很難用單一指標來概括其品質。

3.復合膠凝材料的水化機理

自波特蘭水泥誕生以來世界各國對通用硅酸鹽體系水泥的改性研究以及對新的水泥熟料礦物體系的探索從未間斷。隨著人們對于水泥工業高能耗環境負荷相對嚴重等問題認識的不斷深化和對于改善水泥混凝土耐久性的日益重視,節能、降耗、環保以及進一步提高水泥及混凝土的性能已成為世界各國水泥工業可持續發展的方向。實現這一目標主要可采用兩方面的技術,一是在通用硅酸鹽水泥體系及其礦物組成范圍內,通過調控原材料的易燒性和易磨性,改進生產工藝及裝備水平,合理摻加礦渣粉煤灰等工業廢渣的途徑加以解決;二是突破現有通用硅酸鹽水泥熟料礦物體系及范圍的限制,研究開發節能新品種水泥體系。目前在第一方面已取得了很好的進展,如在水泥中摻加礦渣粉煤灰等。還有采用現代新型干法生產技術及高效粉磨技術,極大地改善了水泥及混凝土的性能,節約了能源。但這些措施并沒有從根本上解決存在的問題,而第二條技術途徑已成為當今水泥工業和水泥材料學科領域研究開發的熱點,其中以貝利特為主導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硅金屬或硅鐵合金的副產品。自從1982年挪威技術研究院對硅粉混凝土的性能首次進行綜合研究以來,廣大科研工作者對硅粉進行了不斷的研究。硅粉根據其含碳量的不同,顏色可由白到黑, 一般為灰色。硅粉顆粒極細,用氮氣吸附法測定的硅粉比表面積達20m2/g,最細顆粒小于0. 01μm,平均粒徑為0. 1～0 .3μm,比水泥顆粒細2個數量級。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。它的主要化學成分為SiO2,幾乎都呈非晶態,硅粉中SiO2的的質量分數隨生產國和生產方法而異,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的質量分數應在90%以上,其中活性的SiO2 (在飽和石灰水中可溶)達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、水泥水化產物、水、少量空氣以及由水和空氣占有的孔隙網所組成,因此它是一個固-液-氣3相多孔體,其性能主要取決于這些組分的性質、它們的相對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構,首先是因為硅粉具有很高的火山灰活性。其次是因為硅粉的微集料特性,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構。

粒化高爐礦渣簡稱礦渣,是具有膠凝性(或稱潛在活性)和火山灰活性的礦物細摻料,除了在水淬時形成的大量玻璃體外,礦渣中還含有鈣鎂鋁黃長石和很少量的硅酸一鈣或硅酸二鈣等結晶態組分,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,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,以較充分的發揮其活性,減少泌水性。礦渣磨的越細,其活性越高,摻入混凝土中以后,早期產生的水化熱越大,越不利于降低混凝土的溫升,當礦渣的比表面積超過4 000cm2/g以后,用于很低水膠比的混凝土中時,混凝土早期的收縮降低。

4.礦物細摻料對混凝土滲透性的影響

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

混凝土的耐久性包括抗滲性、抗凍融性、抗沖刷性、抗空蝕性、抗化學侵蝕性、堿骨料反應膨脹、鋼筋銹蝕破壞等多個方面。其中混凝土抗滲性能是非常關鍵的因素。

5.結論

隨著建筑工業的發展,建筑材料的需求量日趨增大,而傳統建材在生產上一直存在著嚴重的弊端,即原材料需大量消耗土壤和礦產資源,結果造成能源浪費和自然環境的破壞。粉煤灰和礦渣應用于建筑材料,不僅有利于解決環保和節能問題,形成以“環境材料”為主體的格局,而且對提高建筑材料的性能尤其是材料的耐久性、擴大建筑材料的種類和使用范圍具有積極的作用。傳統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, 減少對環境的破壞。但這種膠凝材料在水化時必須借助一定的活性激發形式或激發劑激發活性材料的活性,才能順利水化,否則基本上沒有膠凝性或膠凝性很小。目前,國內外所研究的激發劑主要有以堿金屬或堿土金屬化合物為主的激發劑和硫酸鹽激發劑等,首先通過熱力或機械形式使廢渣達到一定的細度,形成具有一定活性的表面性質,其次通過摻加一定配比的固態化學激發劑如NaOH、Ca(OH)2、Na2SiO3等,在水化過程的不同齡期進一步激發廢渣的活性,使膠凝材料達到預期的強度。□(編輯/穆楊)