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【混凝土摻合料使用註意事項】

一、前言

混凝土摻合料的早期應用僅是為瞭改善拌和物的工作性並節省水泥,但隨著混凝土技術的不斷發展,人們逐漸意識到混凝土中摻入摻合料的必要性。如當前配制高性能混凝土采用的工藝通常為高品質水泥+高性能(高效)減水劑+混凝土摻合料,特別是混凝土摻合料已成為制備高性能混凝土不可或缺的組分,它在改善混凝土的力學性能和耐久性能方面起著至關重要的作用。

混凝土摻合料按其活性大小可劃分為活性材料或非活性材料兩種,所謂的活性材料即指在常溫常壓有水存在時可與激發劑水化形成水硬性膠凝產物的物質,而非活性材料僅能改善混凝土的和易性。但這兩者又不能截然分開,在一定條件下是可以相互轉化,例如,石灰石粉一般不作為活性材料使用,但若水泥熟料礦物鋁酸三鈣較多時,則可與鋁酸鈣的水化產物形成水化碳鋁酸鈣對混凝土的早強有利。石英粉一般也不作為活性材料使用,但混凝土構件養護溫度較高時活性則可大幅度增加,當然石英粉體顆粒足夠細時也會具有一定活性。活性材料按水化機理又可分火山灰活性和潛在水硬性活性兩類。如粉煤灰、凝灰巖、燒粘土等是火山灰質活性材料,需要有激發劑存在時才能發生水化反應;而鋼渣、水淬礦渣等是具有潛在水硬性活性材料即自身就具有一定的水化能力。

習慣上將水泥生產時加入的活性材料稱混合材,在混凝土拌制時加入的活性材料稱作混凝土摻合料。

二、混凝土摻合料的作用機理

混凝土摻合料是通過改善水泥膠凝材料的組成、數量、顆粒級配等,來提高混凝土強度、

耐久性、改善混凝土和易性和體積穩定性的,這主要是借助以下幾種理化效應取得。

1、活性效應,所謂活性是指摻合料顆粒表面在常溫常壓條件下石灰(通常還含有石膏)溶液裡溶解SiO2 、Al2O3 等組成的難易程度。活性效應的大小不僅與摻合料的化學組成有關,更與摻合料的相組成有關。在相同化學組成時玻璃相的活性高,同樣是玻璃相由熔體快速冷卻的比緩慢冷卻得到的玻璃體活性高,微小晶體比粗大晶體的活性高,熱力學上的亞穩型晶體比常溫穩定型晶體的活性高,如方石英、磷石英的活性一般比石英的高。

2、形態效應,形態效應是指摻合料顆粒的表觀特征,如球形、橢球形、不規則形、片、柱形等,還應包括顆粒表面的粗糙程度、孔隙情況等。若加入球度好的摻合料則混凝土拌合物的流動性好需水量小,有利於提高混凝土的和易性、強度、耐久性、體積穩定性等指標。

3、填充效應,填充效應是指摻合料顆粒填充在水泥膠凝材料的空隙中,可以置換出水泥顆粒間的自由水,具有一定的減水功效,空隙的減少還可以降低水化產物的析出數量,使各種顆粒之間盡早使搭接有利於增加早強,但特別需要強調的是摻入礦物摻合料後再摻入高效減水劑將會有更好的減水增塑效果,這既是拌制高性能混凝土的“雙摻”技術基礎。

4、吸附效應,要求摻合料顆粒一般都很細,這樣使其顆粒表面吸附水量增加,在表面張力的作用下有利於增加混凝土拌合料的稠度,對減少混凝土泌水有利,但卻會增加幹燥收縮的數量。

以上這幾個效應相互影響,同時又相互制約,應依據混凝土的不同性能要求摻合料的性能也應隨之變化,這是混凝土摻合料應用研究的重要技術課題之一。

三、混凝土摻合料的應用技術效果

建築工程技術人員都知道許多特殊性能的混凝土可以通過添加混凝土外加劑來獲得,如能正確運用摻合料技術有時也能達到相應的效果,不僅能降低混凝土生產成本還能避免外加劑對混凝土性能產生的不良影響。

如與混凝土外加劑做類比混凝土摻合料可以起到的作用有:

1、減水功能,優質粉煤灰因有球形的外貌,具有一定減水效果是容易理解的,加瞭高效減水劑的混凝土再摻入礦物摻合料會具有更好的減水效果,尤其是在化學減水劑無能為力的超低水膠比時礦物摻合料還能具有一定的減水功能。例如摻入矽灰,在一定條件下可以使減水率進一步增大。

2、早強功能,超細摻合料因其顆粒非常小,填充在大一點的顆粒之間使其相互盡早搭接,水化速度快早強效果好。石灰石細粉也具有早強效果,尤其是鋁酸三鈣含量高的水泥更是如此,石灰石細粉與水化鋁酸鈣反應可以形成具有一定膠凝能力的碳鋁酸鹽復合物,當然如果礦渣、粉煤灰磨得足夠細,也能具有早強功能。

3、緩凝功能,當混凝土摻入較多摻合料如粉煤灰、礦渣粉、煤矸石細粉等,使得混凝土拌合物單位空間內水泥熟料相應減少,早期形成的水化產物少,水化產物數量不足以將顆粒彼此進行有效連結使混凝土拌合物產生瞭緩凝,所以通過合理選擇礦物摻合料的品種和數量可以取得一定的緩凝效果。

4、微膨脹功能,鋁礬土+石膏+硫酸鋁是混凝土膨脹劑,為降低膨脹型礦物摻合料的成本,充分利用工業廢棄物,可以用含鋁成分較多的自燃煤矸石或粉煤灰代替鋁礬土制備具有微膨脹功能的混凝土摻合料,或者在粉磨礦物摻合料時加入有一定活性的輕燒鎂或生產鎂時的廢棄物—鎂渣等材料。

5、防水功能,摻有高效減水劑和微膨脹摻合料的膠凝材料能形成密實度良好的水泥石,完全可以做到不加如何有機防水劑等即能制備出抗滲性能良好的混凝土。

6、抗腐蝕功能,混凝土摻合料還具有改善混凝土抗腐蝕的功能,混凝土摻合料水化時消耗瞭水泥熟料與摻合料界面處的部分氫氧化鈣和水化鋁酸鈣等,形成耐腐蝕的低堿型水化矽酸鈣(托貝莫來石)和鈣礬石等。水泥中的Na+、K+離子與鋁氧八面體絡陰離子團結合成四面體絡陰離子團構成架狀結構,使遊離堿含量降低,降低瞭堿-集料反應發生的可能。

7、增強功能,礦物摻合料水化結果形成的低堿性針狀晶體具有良好的膠結能力,增加瞭水泥石與摻合料顆粒之間的界面粘結強度,因此可以解釋即使低強度等級的矽酸鹽水泥可以制備高強度的混凝土。

混凝土摻合料具有改善混凝土和易性、增加混凝土強度、改善混凝土耐久性等功能,所以說混凝土摻合料技術是一項涉及到全面提高混凝土性能的基礎性技術。

四、混凝土復合摻合料生產技術

混凝土礦物摻合料的生產和使用已經逐漸成為一門成熟的技術,許多工業廢棄物經加工均可以作為混凝土摻合料使用。混凝土摻合料的生產和使用涉及瞭許多工藝方法和技術手段,現介紹如下:

1、超疊加效應,充分利用各種礦物摻合料不同的顯微形態、不同細度、不同的表面活性、不同數量進行有效搭配取長補短,合理優化的使混凝土具有更好的性能,形成瞭所謂的超疊加效應,即采用不同種類或不同細度的礦物摻合料復合使用,會取得瞭比單獨使用其中如何一種都好的效果,可以較大幅度的提高礦物摻合料的用量,經試驗驗證可以提高混凝土強度4%~13%[3]。

2、復合激發劑技術,復合激發劑一般由三種主要成分構成。

1)硫酸鹽激發劑—石膏,可以激發混凝土摻合料的活性,特別對Al2O3含量高的煤矸石、粉煤灰等更為有效。

2)石灰激發劑—水泥、石灰,激發活性以SiO2為主的礦物摻合料,如矽灰、礦渣、鋼渣等。

3)鉀、鈉等堿金屬鹽,如Na2SiO3、Na2SO4、Na2CO3、 NaHCO3等,可以提高混凝土的早期強度,促進混凝土摻合料矽氧四面體網絡結構松解進入溶液,在水泥水化產物Ca(OH)2的激發下最終形成具有膠結能力的水化鋁矽酸鈣及結構類似與長石的鋁矽酸鹽。

3、預加外加劑技術,混凝土摻合料制備時提前加入各類成核劑、引氣劑等,因這類外加劑摻入的數量很少,像引氣劑摻量僅萬分之幾,混凝土制備現場加入很難拌均勻,在制備摻合料時加入則十分方便,如水工混凝土專用摻合料的制備。

4、預處理技術,是指有的礦物摻合料經過預處理提高摻合料的品質,如粉煤灰含碳量高會影響外加劑的使用效果,對粉煤灰進行預處理除去活性碳的活性,或者經細磨預處理激發摻合料的活性,有利於混凝土的早期強度。

5、助磨劑技術,礦物摻合料顆粒隻有足夠細才能充分發揮作用,所以在粉磨礦物摻合料時為提高研磨效率經常需要加入助磨劑,助磨劑最好為復合型助磨劑,即除具有助磨功效外,還擁有減水、增強等功能。

為瞭能使混凝土摻合料技術綜合運用到極致,要求從生產摻合料開始時就充分運用上述各種技術,統一設計優化處理,當然在混凝土施工現場落實這些技術是很難辦到的,所以需要在專業生產廠內才能完成。例如可以在粉磨礦物摻合料時就提前加入引氣劑、微膨脹劑等,即便一種摻合料也可以分不同粒徑分別加入。

為合理生產使用摻合料,還應當按混凝土性能要求制備混凝土摻合料(包括建築砂漿摻合料),並建立相關的標準或規范,為推廣生產和使用混凝土摻合料提供依據。例如可以分為水工混凝土摻合料,普通混凝土摻合料,高性能混凝土摻合料,抹面砂漿摻合料等。

在工廠專業化生產摻合料的另一個好處是可以擴大制備摻合料的原料來源,使許多按目前國傢規范不能采用的工業廢棄物經預處理後可以利用,使許多低活性工業廢渣也能被綜合利用,擴大瞭混凝土摻合料的資源范圍,這對發展循環經濟,建設資源節約型、環境友好型社會將具有特別重要的意義。

五、混凝土摻合料使用應的註意事項

盡管混凝土摻合料可以擁有許多優點,但對其性能瞭解的不夠,使用不當也會對混凝土性能產生不良的影響,所以混凝土摻合料生產使用時還應註意以下事項。

1、註意混凝土摻合料不是最終產品,使用時還要依據具體的水泥品種、減水劑性能、混凝土性質綜合確定合理摻量。

2、混凝土摻合料不同於水泥熟料,它僅是摻合料顆粒表面層發生水化反應,通過強化界面層粘結強度達到節省水泥的目的,其本質相當於增大水泥熟料膠凝材料的體積,所以在技術條件許可的情況下,適當增加混凝土摻合料用量是合理的,也即所謂的摻合料超量取代技術。

3、雖然混凝土摻合料的活性較低,但其活性也會因存放時間的延長而下降,所以要盡可能使用新制備的摻合料,存放時也要防潮防雨。

4、加入混凝土摻合料的混凝土經常因水化慢早強低,使混凝土表面發生泌水、碳化出現 “起砂”,這一點在低強度等級混凝土表現特別明顯,對已經發生“起砂”混凝土有必要噴灑石灰水養護改善性能。

5、加入混凝土摻合料的混凝土經常因流動度大,水化慢,施工時容易發生過振導致部分輕質摻合料上浮分層。要及時調整混凝土的和易性,應適當增加混凝土的稠度,如多摻入超細摻合料防止混凝土因過振造成離析。

6、摻入混凝土摻合料的混凝土經常因水化慢緩凝,特別是當構件表面系數大、環境風速大脫水快,混凝土容易發生早期塑性開裂,防止方法可以采用二次復振,及時澆水養護覆蓋塑料薄膜提高養護溫度或增填早強劑等,因為這是早期幹燥引起的塑性裂縫,不能采取摻加膨脹劑的方法解決。

六、總結與建議

(1)為瞭能綜合運用好混凝土摻合料技術,摻合料生產需在專業生產廠內完成,隻有混凝土摻合料生產專業化、規模化才能最大效率地合理利用好各種工業副產物。

(2)應按混凝土性能要求制備混凝土摻合料,這樣才能保證科學、合理、有效的使用礦物摻合料。

(3)目前人們對復合礦物摻合料技術的重要性認識得還不夠,缺乏生產和使用相配套的標準及規范。

(4)混凝土摻合料生產加工設備及工藝不夠先進還有待於進一步研究。

(50對混凝土摻合料在工程中經常出現的缺陷,采取的防治方法還有待於進一步規范。

來源:阮炯正

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