高性能混凝土用礦物摻合料在公路及應急施工中的應用

劉 健 李海鵬

(武警第一機動總隊交通第一支隊，北京 102100)

0 引言

隨著建筑業的迅猛發展，“節能高效，綠色環保”已是建筑業健康發展的趨勢。混凝土的和易性、坍落度、可泵性、密實性與水泥的各種指示有很大關系，水泥中C3A含量過大、堿含量過高等因素，都會影響混凝土質量的穩定性；混凝土施工中摻入礦物摻合料可以減少水泥用量，提高混凝土的強度等級、改善混凝土施工和耐久性能、降低成本。高性能的摻合料在國內外大型工程及高速鐵路中得到了廣泛應用，陽翼高速公路建設過程中對高性能摻合料的應用進行了相關研究。

1 工程概述

山西陽(城)翼(城)段高速公路全長64.8 km，于2007年10月20日開工建設，2010年10月20日建成通車。陽翼高速公路位于山西省臨汾盆地東部，屬于構造剝蝕基巖山區，地形起伏大，溝壑縱橫，地下水埋深較大，存在大量的煤層及采空區，地質條件復雜。為了提高混凝土施工和易性、確保耐久性、經濟性，在大橋、隧道的混凝土施工中摻加了高性能礦物摻合料。

2 礦物摻合料的應用機理

水泥主要成分是熟料，其水化活性與水化程度在普通四組分混凝土(水泥、水、砂、石)中起決定性作用。過分提高粉料磨細度，某種程度上會惡化水泥性能(需水量、收縮增大、初期水化熱增高等)。摻加礦物微粉摻合料，作為膠凝材料取代部分水泥，可使混凝土性能得到改善。

礦物摻合料包括磨細礦渣、磨細粉煤灰、磨細天然沸石、硅灰等。在山西省高速公路施工中，磨細礦渣粉和磨細粉煤灰具有材料來源廣泛、品質有保障、環保、經濟效益好等多方面優勢。適當比例的雙摻疊加效應是高性能混凝土最佳的選擇。

2.1 磨細礦渣粉

磨細礦渣粉是冶煉過程中排出的一種固體硅鈣系廢棄物，經

超細粉磨，精細分級制造而成，具有一定的細度，摻入混凝土中，形成合理顆粒級配的微粉。磨細礦渣粉技術指標集化學成分見表1，表2。

表2 主要化學成分

2.2 磨細粉煤灰

磨細粉煤灰是煤粉燃燒后的廢棄物，系黏土類火山灰質硅鋁系材料，經過合理工藝磨細的一種活性摻合料，其技術指標見表3，主要化學成分見表4。

表3 磨細粉煤灰技術要求

表4 主要化學成分

2.3 礦物摻合料使用特點

2.3.1降低混凝土水化熱

混凝土在硬化過程中，水泥水化反應產生大量水化熱，減少水泥用量降低水化熱，減少混凝土裂縫。

2.3.2提高混凝土抗滲性能

摻合料可以產生火山灰效應和微集料效應，火山灰效應吸收水泥水化時形成的Ca(OH)2，使晶粒變小，改善了混凝土的微觀結構，使水泥漿體的孔隙明顯下降，強化集料界面粘結力。微集料效應可以填充水泥顆粒間隙的微集料，降低了孔隙率，使混凝土形成了密實充填結構，提高混凝土的抗滲性能。

2.3.3磨細礦渣與磨細粉煤灰摻入對混凝土工作性能及力學性能的影響

在水泥水化初期，磨細礦渣粉分布并包裹在水泥顆粒的表面，起到了延緩和減少水泥初期水化物相互搭接的隔離作用，改善混凝土坍落度損失。礦渣粉和磨細粉煤灰復合摻加，改善了新拌和易性和粘聚性，使混凝土后期強度持續得到提高。

2.3.4磨細礦渣粉有效抗腐蝕

磨細礦渣中氧化鋁含量高于水泥，其氧化鋁組分，最終以C3A方式結合氯離子生成F鹽(C3A·Cl(NaK)·10H2O)；水泥中硫酸根含量明顯高于礦渣粉，所以普通混凝土結合氯離子受硫酸根的影響，就比摻礦渣粉混凝土大得多；礦渣粉水泥產物堿度低，能增強礦渣粉和氯離子的結合。礦渣粉具有優越的氯離子結合能力，其抗腐蝕的能力比普通混凝土要強。

3 使用磨細礦渣粉、磨細粉煤灰的現實意義

磨細礦渣粉、磨細粉煤灰價格低于水泥，減少減水劑用量，降低成本。混凝土表面致密光潔，觀感好。改善因水泥品質波動而對混凝土產生的影響。摻合料可以改善混凝土的耐久性。

摻合料在大體積混凝土施工中減少了溫度應力。對低強度等級混凝土，可大幅度降低成本。抗腐蝕、抗滲性能提高，適用于隧道、樁基等工程。高性能混凝土礦物摻合料還可大量使用于水泥基灌漿材料中，改善砂漿的工作性能，使噴錨支護、壓力注漿、噴射施工效率更高。

4 使用方法

作為一種膠凝材料組分，礦渣粉等量取代，粉煤灰超量取代部分水泥后，超量部分適當減少原配合比砂率即可。

磨細礦渣粉執行相關國家標準。所生產礦渣粉最高級別28 d強度比可達110，需水量比95，可供C100級以下混凝土使用，

其工藝控制的關鍵是礦粉的粒度形貌和顆粒級配。

磨細粉煤灰的比表面積可達800 m2/kg，甚至更高，選擇性使用粉煤灰與復合少量礦物激發劑， P.Ⅰ，P.Ⅱ型硅酸鹽水泥中，最高摻量可達60%，而強度等級不變。

混凝土配合比設計參數見表5。

表5 混凝土配合比設計參數表

5 摻礦物摻合料混凝土的工程應用注意事項

5.1 混凝土的制備與運送

制備混凝土時，宜采用強制式攪拌機，并適當延長攪拌時間。各種礦物摻合料的計量應按重量計，每盤計量允許偏差不應超過±2%。混凝土運送到澆筑點時，不離析，保證施工要求的工作性和均勻性。

5.2 混凝土的澆筑與成型

凝土澆筑時，實測坍落度與要求坍落度之間的允許偏差應符合要求。混凝土澆筑應分層連續進行，其運輸、澆筑及間歇的全部時間不應超過混凝土的初凝時間。混凝土初凝后，不得受到二次振動。混凝土澆筑后應立即進行振搗，并應避免漏振或過振。振搗后混凝土表面不應出現明顯的摻合料浮漿層。

5.3 混凝土的養護

混凝土澆筑后，應及時覆蓋混凝土表面；在高溫季節、大風、日照較強等環境中或采用水膠比小于0.40的混凝土施工時應立即覆蓋混凝土表面，并進行保濕養護。養護時間不宜少于7 d；當有補償收縮或緩凝要求的混凝土保濕養護時間不宜少于14 d；當氣溫較低或在干燥環境下應適當延長養護時間。蒸養時升、降溫速度宜小于20 ℃/h，恒溫溫度不宜超過60 ℃。當室外日平均氣溫連續5 d低于5 ℃時，混凝土結構工程應采取防凍措施。

6 應用效果及在道路搶險搶通中的探討

陽翼高速公路橫穿崇山峻嶺，橋梁、隧道等控制性工程占到整個道路長度的40%，混凝土用量多，在實踐中廣泛應用高性能混凝土用礦物摻合料，改善了混凝土的性能、節約了造價，還起到節能降耗、美化環境的效果。在進行道路大體積永久結構混凝土搶險搶通施工中，大體積的混凝土快速施工可能會產生大量水化熱，造成施工質量隱患。這種情況下可以考慮摻加部分高性能的礦物摻合料，降低大體積混凝土施工的水化熱，在保證增強結構耐久性的同時，明顯改善施工的工作性能。