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石粉矿物掺合料在混凝土中的应用研究

发表时间：2020/11/25 来源：《基层建设》2020年第22期作者：李云龙

[导读] 摘要：随着社会科技的不断进步与发展，为满足人们日渐增长的需求，相关建筑从业者对于混凝土的材料研发工作越发重视。

        深圳市市政工程总公司广东深圳 518000
        摘要：随着社会科技的不断进步与发展，为满足人们日渐增长的需求，相关建筑从业者对于混凝土的材料研发工作越发重视。研究发现，在混凝土中加入适量的石粉矿物掺合料，能够全方位提升其性能，基于此，本文详细探究石粉矿物掺合料在混凝土中的应用，旨在为今后的工作以及同行从业者提供一定的参考。
        关键词：石粉；矿物掺合料；混凝土
        在建筑工程的相关研究中，有许多研究均是针对水泥的，且分析不难发现，其核心方向是对矿物掺合料的制作与应用。在这一方面，我国的相关研究虽然开始较晚，但是发展并不缓慢，像是在岩滩、普定等许多的水电工程中，都不乏有石粉的出现，其主要作用是制作具有高流动性的混凝土，结果显示效果显著。基于此，本文重点探究了石粉矿物掺合料的掺量及细度对混凝土性能的影响。
        一、什么是矿物掺合料
        （一）定义及分类
        所谓矿物掺合料，指的就是在混凝土、砂浆的搅拌前或搅拌中，加入具有一定活性与细度的矿物类产品，以起到改善新拌混凝土性能、增加耐久度的效果。矿物掺合料不同于生产水泥的过程中与熟料进行起磨的混合材料，按照其性质不同，我们将其分为非活性掺合料与活性掺合料，大多数情况下不同性质的掺合料会分开使用，在个别时候也会混合进行使用。现如今在市面上，大多用的都是具有活性的矿物掺合料，像是天然沸石粉、磨细矿渣粉、粉煤灰、硅灰等。
        （二）作用机理
        首先，将掺合料用于混凝土的制作中，能够取代一部分的水泥，从而减少水泥的用料及成本，其次，合理的掺量及细度能够有效改善混凝土的各种性能。有研究表明，矿物掺合料在混凝土中具有填充效应、火山灰效应、形态效应。
        填充效应：混凝土中有粗集料、细集料，一般会用水泥来填充粗集料的间隙，而用更细的矿物掺合料来填充细集料，以起到改善混凝土密度的效果，增加其密实性与粘聚性，并有效预防泌水离析。
        火山灰效应：一般情况下，水泥在加水进行充分搅拌后，会通过与水的反应产生水化产物，像是水化硅酸钙、氢氧化钙、水化硫铝酸钙等，而将矿物掺合料加入混凝土中，会吸收氢氧化钙，从而促进更多的水化硅酸钙凝胶形成，这样不仅有利于在集料接口区形成的氢氧化钙颗粒变小，微结构发生变化，还能因为产生了二次水化反应，使得水泥浆体孔隙率大大降低，提高了混凝土的密实度，加强了抗渗性，起到了全面提升其物理力学性能的效果。
        形态效应：将矿物掺合料加入到混凝土中，能够有效减少颗粒间的摩阻力，并降低用水量，有很好的减水作用。
        二、石粉矿物掺合料对混凝土性能的影响因素分析
        （一）工作性能
        首先，将石粉矿物掺合料加入到混凝土中，会使得水泥间的颗粒分布更为分散，流动性增强；其次，在水泥水化的过程中会产生絮凝，掺合料的加入有着较强的解絮作用，能够降低混凝土塌落度所造成的损失；再次，用相同质量的石粉来代替水泥，可以使得胶凝材料浆体的体积增大，从而提高混凝土拌合物流动，减少水泥及水的用量，从而有效改善混凝土的工作性能。石粉矿物掺合料掺量对其工作性能的影响详见表1。
        表1 石粉掺量与混凝土工作性能间的关系

        （二）力学性能
        有研究表明，石粉矿物掺合料的掺量与混凝土劈裂抗拉强度、抗压强度呈反比例关系，但也有研究发现，当石粉矿物掺合料的掺量不超过20%的时候，混凝土的强度与掺量呈成比例关系，在10%掺量时达到最高点。究其原因，石粉中所含有的钙质与硅质颗粒均小于0.045mm，而水泥的力度分布有着不均匀的特点，且凝胶结构中有着大量的空隙，均大于100μm，将这些较小的颗粒物质混入混凝土中，能够充分填充孔隙，相互补充起到最终改善整体结构的作用，在得到硬化后的混凝土，有着更加紧密的堆积体系，大大提升了其耐久性。当石粉矿物掺合料的掺量高于20%后，混凝土的强度会逐渐下降，这时需要相关工作人员找到一个最佳的掺量值，对于不同的建筑物，不同的混凝土体系，有进行具体问题具体分析，关于这一点，目前仍在不断的研究与探寻当中。
        在对过往研究资料的分析与总结中，发现对于中低强度等级的混凝土来说，石粉矿物掺合料对其工作性能与力学性能有着几乎一致的作用影响规律，均实现逐渐上升然后逐渐下降【1】。通过实际应用得知，最佳的石粉含量，水粉比为0.4时一致性较好，其含量表达式为mw/（mc+ms*x）= 0.40，式中：mw表示用水量，mc表示水泥用量，ms表示砂用量，x表示石粉含量最佳理论估算值。
        （三）耐久性能
        有研究表明，石粉矿物掺合料应用于混凝土中，在一定程度上有降低氯离子扩散的作用，但是关于其作用影响不同研究有不同的结果，有说石粉矿物掺合料的加入，并没有影响到混凝土抗氯离子渗透性，也有说虽然石粉能够降低其渗透性，但是对于不同体系，不同强度等级存在不小的偏差，其结果也有较大的不稳定性。
        将石灰石粉、粉煤灰、矿渣进行混合掺合料制作，再加入混凝土中，对于抗氯离子渗透性能有较强的帮助，主要是因为该混合料的填充，完美地补充了混凝土内部各种材料间的孔隙，从而有效改善内部结构，最大程度阻断有可能会形成的渗透通路，提升力抗渗性。但除此之外，石粉矿物掺合料对混凝土耐久性能的影响还会受到原材料选择、工作人员实际操作、外界环境等因素影响，需要进一步进行更为完整的探究。
        当石粉矿物掺合料在混凝土中代替水泥的比例超过五分之一时，能够帮助混凝土有效抵抗硫酸盐侵蚀，以防止由于硫酸盐所造成的体积膨胀与开裂，降低其强度与耐久性。当混凝土长期处在硫酸盐的环境中，会与碳酸钙等出现化学反应，形成碳硫硅钙石，破坏内部结构。而在《混凝土结构耐久性设计规范》中提到，当混凝土需要应用于硫酸盐环境中时，需避免使用石灰石粉，现阶段，对于已经掺入石灰石粉的混凝土，在其耐久性能的研究上还有不小的问题【2】，虽然理论上具有较好的可行性，但是实际应用中仍有许多需要注意的问题，也还会受到外界诸多因素的影响，需要具体问题进行具体分析。因此在今后的工作中，根据不同的工程建筑结构及其所处环境，将石粉矿物掺合料的掺量进行调整，以适应环境并充分发挥其最佳功效。
        三、掺合料中石粉细度不同对混凝土所产生的影响
        如表2所示，将石粉掺合料加入混凝土中，其28天氯离子扩散系数高于其他没有掺入石粉的混凝土，但是掺入不同细度的石粉，其28天氯离子扩散系数基本没有差异性，且在相同石粉掺量的前提下，混凝土不同时期的碳化深度与细度呈负相关性，即细度增加，深度减小。由此可见，石粉矿物掺合料能够有效降低混凝土中抗氯离子的渗透性能与抗碳化性能，细度的增加会对混凝土内部的孔隙结构有十分明显的改善，有效降低孔隙率。通过对之前大量研究的分析并结合本次研究发现，石粉的细度增加，能够缩小水灰比例，且加入减水剂，加大水泥用量后，其抗碳化性能有着显著的提高。除此之外，影响混凝土碳化深度的因素，还包括石粉的渗入量，混凝土的养护龄期与养护条件等，且掺量增加，抗碳化能力会呈现出下降趋势【3】，这时就需要更细的石粉才能弥补掺量所造成的负面影响。目前，石粉掺合料研磨技术已经得到加强，基本可以实现规格1-4μm的石粉，这也为混凝土的掺合料研究提供了现实基础，仅需要面对的问题就是成本，而这也是未来相关工作者的主要研究方向。
        表2 掺合料中石粉细度不同对混凝土所产生的影响

        四、小结
        总的来说，将石粉矿物掺合料应用于混凝土中，能够全面提升混凝土的性能，包括工作性能、力学性能、耐久性能。首先，在改善混凝土内部结构，降低孔隙率，改变拌合物流动性上效果显著；其次，通过石料矿物掺合料的加入，减小了坍落度，降低了成本，且操作更为便利，可以直接在施工现场进行浇注，搅拌后有着更好的均匀性，更高的成型质量【4】；再次，对混凝土的强度提升提供了良好的助力，通过不同掺量及细度的调整，有效改善了混凝土的密实性，使得混凝土在使用后期的支撑力度较强，同时在混凝土的长期使用上，石粉掺合料的应用对磨损、开裂、腐蚀的外界不良因素有强效的预防作用；最后，石粉矿物掺合料在建筑工程中，对其技术经济的指标显著，主要体现在石粉矿物比水泥的价格要低上很多，用合理数量的石粉来代替能够减少水泥量，有效降低建筑成本，同时因为石粉较水泥而言，需要的水分大大减少，其外部添加剂需求量也较少，经济效益较高。
        参考文献：
        [1] 杨如仙，唐凯，施一春，徐勍.磨细石粉作为矿物掺合料在混凝土中的应用研究[J].工业安全与环保，2020，46（05）：103-106.
        [2] 宋小兵，董化瑞，黄直久，夏京亮，周永祥，王晶.岩石粉作为矿物掺合料在混凝土中的应用研究进展[J].中国铁路，2019（08）：31-35.
        [3] 张志建，李永荃，熊保恒，张杰，陈刚.超细粉体复合矿物掺合料在混凝土中的应用研究[J].建设科技，2017（11）：107.
        [4] 熊洪俊.矿物掺合料在混凝土中的应用[J].民营科技，2017（04）：183.