提高混凝土性能的方法淺析

張文恩 吳川市建筑安裝工程公司，廣東吳川 524500

提高混凝土性能的方法淺析

張文恩 吳川市建筑安裝工程公司，廣東吳川 524500

混凝土的結構比較復雜，通常可視為由骨料相、水泥漿基體、界面相所組成。其中界面過渡區尤為復雜，各種說法不一，本文針對混凝土界面過渡區，論述改善和提高混凝土性能的一些方法。

界面過渡區；混凝土性能；水泥漿基體

從材料科學的觀點，任何一種材料特殊性能的獲得或改進，實際上都要通過其微觀結構的改變來實現，即材料的宏觀性能取決于微觀結構。從宏觀上看，混凝土是骨料顆粒分布在水泥漿基體中所形成的復合材料。從微觀上看，則顯示出混凝土內部結構的復雜性，對微觀結構的研究表明，在貼近大顆粒骨料表面的硬化水泥漿體結構，與系統中水泥漿或砂漿的結構非常不同。在應力作用下混凝土許多性能，與水泥漿－骨料界面結構的特性關系極大。因此，混凝土內部結構存在第三相，即界面過渡區相。

界面過渡區的形成是由于混凝土澆筑時產生泌水，沿粗骨料周圍形成水膜，骨料底面的水膜更厚。因此，在貼近大骨料處比遠離大骨料的基體中所形成的水灰比要高得多，水膜中即使有水泥顆粒也是極少量的。當基體中水泥顆粒溶解時，絕大部分遷移性離子，如鈣離子、氫氧根、硫酸根和鋁酸鹽離子等首先擴散于水膜中，并結合形成氫氧化鈣和鈣礬石。由于水膜中的高水灰比，在水膜中晶體生長不受限制，形成的晶體很大，板狀的氫氧化鈣晶體會導致形成取向層，結構疏松，孔隙很多，強度極差，極易產生微裂縫。這也是混凝土過渡區中強度差的主要原因。界面過渡區猶如一根鏈條中最弱的一環，成為混凝土中的強度極限相，是最容易開裂、水最易滲透和最易受侵蝕的區域。

改善混凝土界面區的組成、結構與性能是改善和提高混凝土性能的重要途徑。目前改善界面區微觀結構的方法主要有：（1）摻入具有火山灰活性的粉體摻和料進行改性，如硅粉、粉煤灰、沸石粉和礦渣微粉等；（2）加入纖維材料進行改性，如鋼纖維、碳纖維和聚合物纖維等；（3）加入聚合物溶液進行改性，特別是水溶性聚合物；（4）摻入粉末礦物與纖維或聚合物等多種材料進行復合改性。其中粉體摻和料是最常用的。

一、活性粉體摻和料

該摻和料具有火山灰活性，主要成分為二氧化硅及氧化鋁。它本身不具有或具有極低的膠凝特性，但在有水條件下，能與混凝土中的游離氫氧化鈣反應，生成膠凝性水化物，并能在空氣或水中硬化。

1、硅粉

硅粉亦稱硅灰，是硅鐵和硅金屬生產中的工業塵埃，它是在冶煉硅、鐵合金時由電弧爐中高純度石英與焦炭發生還原反應而生成的。它是一種非常細的粉末，呈球狀，主要成分是顆粒極細（0.1μm～0.2μm）的無定型的二氧化硅（占90%以上）。它的平均粒徑是水泥的1%，比表面積約15m2/g～20m2/g。因此，硅粉在混凝土中具有極為優良的微集料效應、火山灰活性效應和改善界面過渡區效應。使混凝土中的毛細孔和凝膠孔的孔結構更加密實、更加細化、大孔消失、孔隙率減少。硅粉能大量減少內部泌水，硅粉顆粒密實堆積在骨料表面，從而消除水膜“墻壁”隔斷的影響。防止了氫氧化鈣大晶體的取向生長，界面過渡區內的氫氧化鈣、鈣礬石和孔隙數量均大量減少，內部結構主要組成是密實的硅酸鈣水化物凝膠，界面過渡區內的結構與基體的密實度近于相同，保證了骨料與基體之間的有效黏結，對混凝土物理性能、力學性能和耐久性都可得到很大的改善和提高。

2、粉煤灰

粉煤灰是在現代化電廠的煤粉燃燒過程中，當煤通過爐膛高溫區時，揮發性物質和碳被燒盡，而絕大部分的礦物雜質如黏土、石英和長石等則會在高溫下熔融。這種熔融物質很快被送到溫度較低的地方，固化成球狀顆粒的玻璃體，最后用電收塵器收集起來。其化學成分因煤的品種及燃燒條件而異。一般來說，粉煤灰中二氧化硅含量約為45%～60%，氧化鋁含量為20%～30%，氧化鐵含量為5%～10%。

粉煤灰由于顆粒粒徑微小，絕大多數為球形玻璃體，表面光滑微孔較小，可使混凝土用水量減少5%～15%，并具有優良的形態效應、活性效應和微集料效應，使混凝土中毛細孔明顯“細化”，尤其使界面過渡區得到顯著改善，粉煤灰細粒與界面過渡區中疏松、易溶于水的氫氧化鈣晶體發生化學反應生成結構密實穩定的水化物，增加了界面過渡區的密實度，從而使混凝土抗裂性、抗滲性及抗侵蝕耐久性得到改善。

3、沸石粉

沸石粉簡稱F礦粉，是一種由天然沸石磨細而成的火山灰質礦物摻和料。其主要化學成分為二氧化硅及氧化鋁，其中活性硅及活性鋁的含量應不低于10%及8%。

摻入沸石粉減少混凝土拌和物的泌水性，其含有的活性硅及活性鋁能參與膠凝材料的水化凝結過程，且能與氫氧化鈣晶體反應生成水化硅酸鈣及水化鋁酸鈣凝膠，進一步促進水泥的水化反應，增加其水化產物，改善界面過渡區的結構，提高了混凝土的密實度，使混凝土的強度和抗滲性也得到提高。

4、礦渣微粉

礦渣微粉是將煉鐵高爐排出的水淬礦渣外加少量助磨劑，經超細粉磨后而得到的一種粉末狀產品。其主要化學成分為二氧化硅、氧化鋁和氧化鈣（總含量約達90%），具有超高活性，將其作為摻和料加入水泥混凝土中，這些活性的二氧化硅、氧化鋁既可與水泥中水化產生的氫氧化鈣反應，進一步形成水化硅酸鈣產物，填充于水泥混凝土的孔隙中，大幅度提高水泥混凝土的致密度，同時將強度較低的氫氧化鈣晶體轉化成了強度較高的水化硅酸鈣凝膠，從而使混凝土的一系列性能得到顯著改善。

二、纖維材料

混凝土是一種脆性比較大的材料，通過摻入能吸收斷裂能量的材料取得防裂效果，是對混凝土材料進行改性的一個重要方法。應力在多組分的混凝土中分布是不均勻的，尤其在界面過渡區處更為嚴重?；炷林泻性S多微裂縫，在應力作用下這些微裂縫會迅速擴展，將大大降低抗拉性能。混凝土中摻入纖維材料是在裂縫形成之后立即保持一個橫跨縫口的拉力，起到限制裂縫的微鋼筋的作用，可提高混凝土的抗裂性，減少較寬裂縫的發生。

混凝土的塑性開裂主要發生在混凝土硬化前，特別是在混凝土澆筑后4～5小時內，此階段由于水分的蒸發和轉移，混凝土內部的抗拉應變能力低于塑性收縮產生的應變，因而引起混凝土內部塑性裂縫。摻入纖維材料后，由于其分布均勻，起到類似篩網的作用，減緩了由于粗骨料的快速失水所產生的裂縫，延緩了第一條塑性收縮裂縫出現的時間。同時，在混凝土開裂后，纖維的抗拉作用阻止了裂縫的進一步發展，從而能較大幅度提高混凝土的抗滲性和抗裂性。

三、聚合物溶液

一般為有機乳液，顆粒較小，粒徑小于1μm，不到水泥顆粒的1/10，有利于集料表面的緊密堆積。此外，乳液均勻分布于水相中，隨著水分減少而漸漸靠近，最后相互擴散而成為薄膜，因此，水分多的地方，聚合物顆粒也多，所以聚合物會在集料表面富集，聚合物本身具有良好的變形能力，使其能夠在界面過渡區形成良好的、具有高度抗滲性的薄膜，從而提高了混凝土的抗滲性和耐久性。

四、摻入多種材料進行復合改性

主要是根據前面所講的三種摻和材料的特性，針對不同的施工工藝和建筑物環境使用的要求，對混凝土進行復合改性，改善混凝土界面區的組成、結構與性能，擬提高混凝土物理性能、力學性能和耐久性。

眾所周知混凝土是一種多相復合材料，也是世界上最廣泛采用的建筑材料，其性能取決于水泥漿基體、骨料及其兩者界面結合的性能。大量的試驗研究和工程實踐表明：在混凝土中摻入以上一種或幾種摻和料，可以有效地改善混凝土的物理力學性能，滿足某些特殊工程的要求，也是當今混凝土應用技術發展的趨勢。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.053

張文恩(1977-),男, 大學本科，建筑工程專業,建筑施工工程師。