磨细矿渣掺合料对高强混凝土流变及力学性能的影响

　　（同济大学混凝土材料研究国家重点实验室，上海200092）凝土。研究了磨细矿渣掺合料对高强混凝土流变性能和力学性能的影响，探讨了掺合料在新拌混凝土内部的作用机理。研究结果表明：优化掺合料细度和选择适当的掺量不但可以节约水泥、改善新拌混凝土的流动性、减少坍落度损失，而且还可以显著提高混凝土强度。

　　随着土木与结构工程对混凝土材料强度的要求不断提高，高强混凝土OC60）在国内推广方兴未艾。高强混凝土的经典配制模式一般为：硅酸盐水泥十掺合料十高效减水剂，其中掺合料主要有硅灰、超细粉煤灰和磨细矿渣等。硅灰在国外使用较普遍，而国内由于硅灰的资源短缺、相对成本高，以其作为掺合料大量使用实难推广；粉煤灰在常温下本身反应活性低，因而将其掺入混凝土中，早期强度低，工程应用的缺陷明显；使用普通磨细矿渣配制混凝土时，其活性指数虽然较粉煤灰高，但早期强度仍偏低于空白对比混凝土。为克服上述缺陷，我们优选有效成分含量高、质量好的水淬高炉矿渣与某种激发剂复合，经特殊粉磨工艺加工成不同细度等级的磨细矿渣，使矿渣的潜在活性得以充分发挥，满足不同工程需要。本文利用本实验室研制开发的高性能磨细矿渣为掺合料等量替代20~60的水泥，配制出C60以上高强混凝土，并从微观机理和宏观性能等方面研宄了掺合料细度及掺量对高强混凝土的流变性能和力学性能的影响机理。

　　1实验11原材料水泥：上海联合水泥厂生产的P.O（普硅）525比表面积为3000cm/g高性能掺合料：以上海宝钢粒化高炉矿渣为原料，复合一定比例的激发剂，用超细粉磨工艺制成的粉体材料，比表面积分别为SCM从、中可以看出，加入0.5GWR后，二水石膏的晶体发育较好，柱板状晶体结构完整；而未加GWR的石膏晶体发育程度不够，部分晶体形貌继承了原卩一半水石膏的鳞片状结构，似是部分水化反应没有通过溶解过程，而由水直接进入半水石膏晶体内部，进而引起晶格重排，并形成新的水化产物即二水石膏。

　　4结论GWR是一种新型的石膏添加剂，它对建筑石膏具有较明显的减水、增强作用；当GWR在石膏粉中的掺量约为建筑石膏粉用量的0.5时，可降低建筑石膏标准稠度用水量20~30，提高建筑石膏制品强度50~110.（2）在建筑石膏中加入GWR后，二水石膏的晶体发育较好，柱板状晶体结构完整。

　　11一20联系地址杭州市中山北路540号联系电话：057卜碎石：~15mm连续级配，相对密度为2.7，含泥量小于0.1压碎指数为8.6. =2.80，级配良好，相对密度为2.65，含泥量小于0.1.―1高效减水剂。

　　1.2配合比为便于比较，我们以0.3水灰比，单方水泥用量560kg砂率为40，SZ―1高效减水剂掺量为1.5（粉剂）配制基准高强混凝土（试验编号C一1）保持其它参数不变，分别以SCM1和SCM2等量替代20~60的水泥，配制2个系列的受检混凝土（分别标以F系列和S系列）所有试样均采用立轴强制式搅拌机搅拌。

　　1.3试验结果表1分别列出了掺入SCM1和SCM2对高强混凝土性能的影响。

　　表1SCM1、SCM2对高强混凝土性能的影响项目单方水泥用量（kg）掺合料掺量（）坍落度（mm）坍落度经时保留值（mm）抗压强度（MPa）劈拉强度（MPa）掺2讨论与分析2.流动性和坍落度损失从表1可以看出，掺入高性能掺合料的混凝土，流动性较基准混凝土明显改善。其中掺入SCM1，新拌混凝土坍落度由基准混凝土的65mm提高到100 ~170mm，提高幅度达54~160掺入SCM2，坍落度增大到200~235mm，提高率更高达200~260且当掺量为40~60时为显著。

　　掺入掺合料后高强混凝土流变性能的改善主要是因为：掺合料与水泥所形成的复合胶凝系统的微粒分布和微观结构都发生了变化，使得整个系统的需水性也有所改变。表2列出了以SCM2等量置换20~ 60水泥所引起的胶凝材料系统标准稠度用水量的变化。

　　表2SCM2置换率与标准稠度用水量的关系标准稠度用水量，表2数据显示，掺入掺合料后标准稠度用水量普遍高于未掺前的基准值，且随掺合料掺量的增加而增大，这说明磨细掺合料并不具备直接的矿物减水功能。然而，当掺合料与适量高效减水剂共同使用于混凝土中时（见表1）流动性却显著优于单掺减水剂的基准混凝土，由此可认为高性能掺合料具有的辅助减水功效。

　　对于水泥十高效减水剂模式，在搅拌混凝土时，高效减水剂的加入，在水泥微粒表面形成双电层，产生所谓双电层电位（即Zeta电位）因水泥微粒表面的静电斥力及范德华力的作用，在两微粒之间形成位垒（又名能峰）使水泥浆的絮凝结构遭到破坏，释放出自由水，混凝土的流动性提高。尽管如此，水泥微粒间仍存有大量不可缺少的填充水和表面吸附水，其中表面吸附水对混凝土流动性起关键性作用，而大量填充水的存在却阻碍水灰比的进一步降低；而且随着混凝土中矿物成分（尤其是C3A）对减水剂的大量吸附和消耗，使水泥颗粒间的位垒降低以及不断生成的水化产物之间相互搭接，导致新拌混凝土的坍落度损失较快，从表1中可看出，基准混凝土30min坍落度损失率高达38 90min的坍落度保留值为0.然而，以平均粒径小于水泥颗粒的高性能掺合料等量替换部分水泥后，大量超细微粒填充于水泥颗粒间，置换了其间的填充水，因而使拌合物的表面水相应大量增加，促进了混凝土流动性的改善。同时，由于磨细矿渣的需水性低于硅酸盐水泥，因而替代部分水泥后所形成的胶凝体系的总需水量下降，富余的水分有利于提高混凝土的流动性。另外，由于掺合料大量替换水泥，使得拌合物中C3A的相对含量大幅减少，溶液中的减水剂的浓度消耗速率趋缓，而且更由于较小的掺合料颗粒包围于较大的水泥颗粒周围，有效地阻碍了水泥水化产物的相互搭接，因而显著地改善了坍落度损失。从表1中我们可清晰地看到，由于掺合料的加入，使得混凝土坍落度经时保留值明显增加，30min损失率小于20（掺SCM1）或15（掺SCM2），尤其是掺入SCM2，至90min坍落度保留值仍有130~185mm，显示高性能掺合料具有显著改善坍落度损失的优良特性。

　　2.2力学性能表1显示，掺入高性能掺合料的受检混凝土，无论是抗压还是劈拉强度都较基准混凝土有所提高。掺合料的细度对掺合料在混凝土中所起的作用有很大的影响，其中掺入SCM1，混凝土各龄期的抗压强度提高率小于10，劈拉强度提高率小于13，说明掺入SCM1后，对基准混凝土有增强作用，但效果不太显著。而掺入SCM2，无论是7d还是28d强度提高幅度都较大。其中抗压强度比基准混凝土提高约6~ 21；劈拉强度提高约10~18，而且劈拉破坏的断面较平直，断裂均发生在砂浆体和粗集料内部，未见粘结界面破坏或粗集料从界面剥落。从表1中我们不难发现：除了细度的影响外，掺合料掺量也是重要因素，当掺量为40~ 50时，增强效果显著。

　　高性能掺合料的掺入对高强混凝土的增强效应主要有以下几方面因素：2.2.形成致密的掺合料一水泥二元复合体系由于高性能掺合料的平均粒径小于水泥的平均粒径，因而可均匀地分布于水泥颗粒间，改善二元复合胶凝材料系统的颗粒分布，形成较为紧密结构。本文选用的3种粉体相应的=）。124由Hoisfield填充理论知，比表面积为5000cm与水泥颗粒形成四角孔堆积，而表面积为8000 cm2/g的SCM2可与水泥颗粒形成三角孔堆积。所以SCM2与水泥可形成密实填充，理论上胶凝系统密实性可提高20，从而使强度也大幅提高，相对而言，SCM1与水泥颗粒难以形成三角孔堆积，暴露的内部缺陷也较多，故表现出宏观力学性能也偏低。

　　222改善了硬化混凝土的微观结构高性能掺合料由于微细颗粒剧增，而具有较高的活性，在掺合料内掺激发剂和水泥水化生成的Ca2+诱导激发下，较早龄期即参与水泥水化过程和显示火山灰效应。XRD分析显示，水泥中掺入掺合料后，各龄期水化产物中CH晶体的数量显著减少，说明掺合料的介入能促进水泥水化反应，并大量消耗了水化产物CH晶体，生成C一S―H凝胶。28d龄期的混凝土经XRD分析结果可知，含8000cm2/g细度掺合料的混凝土所消耗的CH程度远比含5000cm2/g细度掺合料的混凝土明显，表明越细，火山灰活性也越强。对混凝土界面微观结构的SEM观察显示（见a）在砂浆一粗骨料界面看不到大尺寸、片状、定向生长的CH晶体，大量可见的是水化C一S―H凝胶及其形成的十分密实的微结构，导致界面粘结性能产生极高的增强效应。b则可见大量致密的C一S―H凝胶生长或覆盖于磨细矿渣颗粒表面，使得孔隙率下降，从而提高了混凝土的力学性能。

　　3结论高性能掺合料具有的辅助减水功能和优良的改善新拌混凝土坍落度经时损失的特性，当掺量达40~60时，可显著提高混凝土的流变性能。

　　高性能掺合料的细度是影响混凝土力学性能的主要因素。掺入SCM2可形成致密的掺合料一水泥二元复合胶凝体系，改善硬化混凝土的微观结构并提高混凝土的界面粘结性能，大幅提高混凝土各龄期的强度。

　　由于高性能掺合料取材于工业废料，制备成本低廉。

　　配制高强流态混凝土时可大量置换水泥用量，因而具有显著的经济效益和社会效益。

　　基金项目：上海市建设技术发展基金会青年基金资助项目（Q9606103）联系地址上海市四平路1239号