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1、第三章混凝土礦物外加劑孔凡營山東科技大學(xué)土建學(xué)院土木系同學(xué)們好，祝心情愉快！心情好是創(chuàng)新的重要心理條件3.1概述 定義： 是以氧化硅、氧化鋁和其他有效礦物為主要成分，在混凝土中可以代替部分水泥、改善混凝土綜合性能，且摻量一般5的具有火山灰活性或者潛在水硬性的粉體材料。也叫摻和料、摻合料、細摻料。它是一種在配合比設(shè)計時，需要考慮體積或質(zhì)量變化的外加材料。 分 類 1.按照有無活性來劃分：活性礦物外加劑和非活性礦物外加劑。 2.按照按照組成成分多少來劃分：單一摻合料和復(fù)合礦物外加劑。復(fù)合摻合料更有利于改善混凝土綜合性能，因為可以達到優(yōu)勢互補。 常用品種 粉煤灰磨細水淬礦渣微粉（簡稱礦粉）硅灰磨細沸

2、石粉偏高嶺土硅藻土燒頁巖沸騰爐渣等 都屬于活性礦物外加劑。 作 用 主要是改善混凝土綜合性能，其次是節(jié)約水泥，是現(xiàn)代混凝土特別是高性能混凝土不可缺少的重要組分，同混凝土化學(xué)外加劑一樣重要，屬于現(xiàn)代混凝土高技術(shù)。 礦物外加劑在混凝土中的主要功能 1.改善混凝土的和易性； 2.降低混凝土水化溫升； 3.提高混凝土早期強度或增進后期強度； 4.改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高混凝土抗腐蝕能力； 5.提高混凝土的抗裂性能； 6.提高混凝土的耐久性。 混凝土摻加摻合料帶來的問題 降低混凝土的堿性，混凝土抗碳化性能以及護筋性會有所降低，可以通過提高混凝土密實度和細化孔結(jié)構(gòu)加以解決。 3.2 粉煤灰（fly-ash

3、）3.2.1定義：3.2.2分類： （1）高鈣粉煤灰（C級灰，CaO含量高于10）：是褐煤或者次煙煤的粉煤灰，黃色或淺黃色，有火山灰活性，還有點膠凝性或潛在水硬性。它一般不用于混凝土，因為常出現(xiàn)質(zhì)量事故如混凝土膨脹開裂等。 （2）低鈣粉煤灰（F級灰）：煙煤或無煙煤的粉煤灰， CaO含量較低，灰色或暗灰色，只有火山灰性質(zhì)，無膠凝性或潛在水硬性。是我國的主要粉煤灰品種，常用于混凝土。 （3）增鈣粉煤灰（改性粉煤灰）：電廠鍋爐燃煤過程中添加石灰石以便脫硫，形成的粉煤灰， CaO含量高，但不是高鈣粉煤灰。 （4）磨細粉煤灰（pulverizedash）：將干燥的粉煤灰磨細到規(guī)定細度的粉末，其活性利用率

4、明顯高于原狀粉煤灰。3.2.3化學(xué)成分、礦物組成及細度1.粉煤灰的化學(xué)成分： SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等，占粉煤灰總量的85左右，其中SiO2 3560， Al2O3 1340， CaO 25， Fe2O3 310。 粉煤灰一般呈球形鋁硅玻璃珠狀，比表面積達300600m2/kg，比水泥要細，具有較大的吸附作用，能與水泥熟料礦物反應(yīng)，形成水硬性化合物。2.礦物組成 1）玻璃體： 5070，這是潛在活性成分，含量越高，則粉煤灰質(zhì)量越好，主要是活性SiO2和活性Al2O3 ； 2）晶體： 主要是莫來石和石英，是惰性成分，對活性沒有貢獻； 3）未燃碳（燒失量）： 124，是有害成分，

5、它對混凝土強度影響不是很大，主要影響混凝土抗凍性等耐久性和建筑物的整體性。3.粉煤灰的細度 越細，則活性越高，對混凝土強度貢獻越大。 細度用80um方孔篩篩余量表示：一級粉煤灰篩余5；二級粉煤灰8；三級粉煤灰25 。3.2.4粉煤灰的形態(tài)原狀粉煤灰顯微圖片磨細粉煤灰的顯微圖片3.2.3 粉煤灰的技術(shù)性能和作用機理1.粉煤灰的質(zhì)量指標：P14-16（1） 需水量比 摻加30粉煤灰的水泥膠砂需水量/硅酸鹽水泥膠砂需水量 需水量比91107，其值越小，則混凝土用水量越少，混凝土強度及其他性能越明顯。（2）粉煤灰抗壓強度值越高，則粉煤灰活性越大。 粉煤灰抗壓強度 摻30粉煤灰的水泥抗壓強度/摻30磨細

6、標準砂的水泥抗壓強度（3）含硫量：SO33.5，適當?shù)腟O3有利于增進混凝土強度，但過高，則將導(dǎo)致混凝土體積不安定而開裂。（4）含水率：一二級粉煤灰的含水率1，含水率過大，則導(dǎo)致粉煤灰活性下降，容易凝聚結(jié)塊，不利于運輸和儲存。（5）細度：見前述。2.粉煤灰的作用機理：（1）火山灰活性效應(yīng)； （2）比重效應(yīng)；（3）填充效應(yīng)； （4）微骨料效應(yīng)； （5）形貌效應(yīng)（滾珠效應(yīng)）； （6）環(huán)保效應(yīng)； （7）經(jīng)濟效應(yīng)； （8）降低砼水化熱 。3.2.4 粉煤灰對混凝土性能的影響1、對混凝土拌和物性能的影響： 使用一二級粉煤灰，可以提高混凝土的流動性、可泵性，提高混凝土的易搗實性。2、對混凝土強度的影響：

7、降低混凝土早期強度，混凝土后期強度有所提高。當養(yǎng)護溫度較高時或者大體積混凝土施工，混凝土強度會顯著提高。3、對混凝土耐久性影響： （1）現(xiàn)代混凝土摻有粉煤灰后，對抗凍性無不良影響； （2）摻加粉煤灰后，現(xiàn)代混凝土的抗?jié)B性有所提高； （3）抗硫酸鹽腐蝕性能明顯提高； （4）抗碳化性能有所降低，但護筋性顯著提高。4、對水化熱影響： 能降低混凝土水化熱和混凝土水化溫升，極大地推遲溫峰出現(xiàn)時間。 在大體積混凝土中摻加粉煤灰，是降低水化熱、防止混凝土溫度裂縫的最為有效的措施。5、對混凝土收縮和抗裂性的影響： （1）抑制混凝土的自收縮。 （2）降低混凝土早期收縮和長期干燥收縮，這對減少混凝土裂縫極為有利。

8、 （3）改善混凝土抗裂性能。3.2.5 摻加低鈣粉煤灰的效果1.節(jié)約水泥1015，經(jīng)濟效益顯著；2.改善混凝土綜合性能： 1）改善混凝土和易性、可泵性、易搗實性和抹面性； 2）降低混凝土水化熱，是大體積混凝土的主要摻合料； 3）提高混凝土抗硫酸鹽性能； 4）提高混凝土抗?jié)B性； 5）抑制混凝土的堿骨料反應(yīng)。3.2.6 粉煤灰主要用途 主要用于泵送混凝土、大體積混凝土、抗?jié)B混凝土、蒸養(yǎng)混凝土、輕骨料混凝土、地下工程混凝土、水下工程混凝土、碾壓混凝土、抗軟水侵蝕混凝土和抗硫酸鹽腐蝕混凝土工程，一般不用于早期強度要求高的混凝土工程。 混凝土摻用粉煤灰的注意事項按照粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范規(guī)定， （1）

9、一級粉煤灰適用于鋼筋混凝土和跨度小于6m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土； （2）二級粉煤灰適用于鋼筋混凝土和無筋混凝土； （3）三級粉煤灰主要用于無筋混凝土。對于強度等級要求等于或大于C30的無筋粉煤灰混凝土，宜采用一、二級粉煤灰； （4）用于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、鋼筋混凝土的粉煤灰，經(jīng)過試驗論證，可采用比上述規(guī)定低一級的粉煤灰。 總之，粉煤灰已經(jīng)由過去的工業(yè)廢渣變?yōu)楝F(xiàn)在的寶貴資源，是現(xiàn)代混凝土不可缺少的重要原料。 研發(fā)和推廣粉煤灰混凝土技術(shù)，大有前途！3.2.7粉煤灰混凝土的配合比設(shè)計 （JGJ28-86)一、設(shè)計方法:1.按 JGJ55-2000進行普通混凝土基準配合比設(shè)計；2.按表4.2.1選擇粉煤灰取

10、代水泥率（c）表4.2.1 粉煤灰取代水泥率（c）注：1. 采用42.5水泥取上限， 32.5水泥取下限2. C20 以上混凝土宜用I、 II級粉煤灰，C15以下混凝土可用III級粉煤灰。混凝土等級普通硅酸鹽水泥礦渣硅酸鹽水泥C1515251020C20101510C25C30152010153.按所選用的粉煤灰取代水泥率（c），求出每立方米粉煤灰混凝土的水泥用量(mc)： mc=mc0(1 c) mc0為每立方米基準混凝土的水泥用量4.按表4.3.2選擇粉煤灰超量系數(shù)（c）表4.3.2 粉煤灰超量系數(shù)（c）粉煤灰級別超量系數(shù)（c）I1.01.4II1.21.7III1.52.05.按超量系數(shù)

11、（c） ，求出每立方米粉煤灰混凝土的摻量(mf)mf= c(mc0 mc)6. 計算每立方米粉煤灰混凝土中的水泥、粉煤灰和細骨料的絕對體積， 或采用重量法計算砂石重量。7.按粉煤灰超出水泥的體積，扣除同體積的細骨料用量。8.粉煤灰混凝土的用水量，按基準配合比的用水量取用。9. 試配調(diào)整，滿足和易性及強度的要求。例題粉煤灰混凝土設(shè)計強度等級為 30，施工要求混凝土坍落度為180，根據(jù)施工單位歷史資料統(tǒng)計，混凝土強度標準差3MPa。所用原材料情況如下： 水泥：32.5級普通硅酸鹽水泥，水泥密度為=3.10/cm，水泥強度等級標準值的富余系數(shù)為1.35； 砂：中砂，級配合格，砂子表觀密度os=2.6

12、0/cm531.5mm卵石，級配合格，石子表觀密度og=2.65/cm3；HSP高效減水劑：1%摻量，減水率：20%, I級粉煤灰試求：粉煤灰混凝土計算配合比解：(1)確定混凝土配制強度（fcu,0）fcu,0= fcu,k + 1.645= 30 + 1.6453 =34.9 MPa(2)確定水灰比（W/C）fce = c fce,k = 1.35 32.5=34.9MPa查用水量表，選用mw0=210kg高效減水劑減水率為20%用水量 ： mw0=210(1-20%)=168kg水泥用量： mc0 =168/0.50=336kg查表4.2.1選用粉煤灰取代水泥率（c=20%），求出每立方米

13、粉煤灰混凝土的水泥用量(mc); mc=mc0(1 c)=336(120%)=269kg由表4.3.2 對于I級粉煤灰，選用粉煤灰超量系數(shù)c=1.2，求出每立方米粉煤灰混凝土的粉煤灰摻量(mf)mf=1.2(336269)=1.267=80kg; mc+ mf=269+80=349300kg, 由表4.0.4， 合格采用重量法計算砂石重量：設(shè)粉煤灰混凝土的=2450kg/m3假定表觀密度法計算，將mc=269； mf=80kg mw=168代入方程組ms=716kg, mg=1217kg,每立方米粉煤灰混凝土的材料用量為：mc=269； mf=80kg；mw=168， ms=716kg； mg

14、=1217kg因試配得粉煤灰混凝土的實測表觀密度為2410kg/m3, 故得校正系數(shù)：由此得每立方米粉煤灰混凝土的材料用量為：mc=265； mf=79kg；mw=165， ms=704kg； mg=1197kg高效減水劑：3.44kg3.3 粒化高爐礦渣粉（blast fumace slag powder ）3.3.1定義： 也叫磨細礦渣（ pulverized slag ），簡稱礦粉，是指礦渣經(jīng)過干燥、粉磨（有時可以添加少量石膏或助磨劑一起粉磨）達到規(guī)定細度并符合規(guī)定活性指數(shù)的粉體材料。 礦渣是一種潛在活性很大的材料，但需要磨細，其活性才能充分發(fā)揮出來，磨細是激活礦渣活性最為有效的簡便方法

15、。3.3.2礦渣的技術(shù)性能與質(zhì)量指標1、主要化學(xué)成分： CaO 、 SiO2、 Al2O3、 MgO、 Fe2O3等。 其中前三項約占礦粉總量的90左右， CaO 3046，是有用成分，越多越好； SiO2 2640，以偏低為好； Al2O3 624； MgO 110，不以結(jié)晶方鎂石形式而存在，不會引起混凝土安定性不良，其含量適當高些，則活性好； MnO 1%左右，是有害成分； TiO2 一般2，是非活性成分，越少越好。 另外，還含有少量Na2O、K2O等。2、礦物組成： 主要是玻璃體，其次是鈣鎂黃長石晶體，很少量的硅酸一鈣、硅酸二鈣等晶體，所以礦渣具有微弱的自身水硬性。3、礦粉的活性指數(shù)M：

16、 M=(CaO +MgO+Al2O3) /SiO2。 M1，堿性礦渣，膠凝性好，M越大，礦渣活性越高； M1，酸性礦渣，膠凝性差，不用做摻合料； M=1, 中性礦渣。4、質(zhì)量系數(shù)K： K =（ CaO MgOAl2O3 ）/（ SiO2 +MnO） 式中，分子屬于活性成分，分母是非活性成分。K用來評價礦渣質(zhì)量，K越大，礦粉質(zhì)量越好，即活性越高，一般規(guī)定K1.25、礦粉質(zhì)量等級： 按照礦粉的比表面積、活性指數(shù)和流動性來分，分為S105、S95和S75三個等級，S105最好。 見P24-25表246、高強高性能混凝土所用的礦粉質(zhì)量指標： 見P25表2.53.3.3 礦粉的作用機理 礦粉改善硬化混凝

17、土力學(xué)性能機理（簡單了解）共有兩大效應(yīng)，即（1）復(fù)合膠凝效應(yīng)，包括 a.誘導(dǎo)激活效應(yīng)： b.表面微晶化效應(yīng) c.界面藕合效應(yīng)（2）微骨料效應(yīng)，包括 a.自緊密堆積效應(yīng) b.形狀因子效應(yīng)3.3.4 礦粉對混凝土性能的影響 1、對混凝土拌和物和易性的影響： （1）當在混凝土中同時摻用礦粉和減水劑時，混凝土拌和物的流動性明顯好于不摻礦粉； （2）在混凝土摻加減水劑時，礦粉能減小混凝土的坍落度損失，這對商品混凝土極為有利； （3）礦粉可以改善泵送混凝土的可泵性。2、對混凝土強度的影響： 少摻則混凝土早期強度不變或者略降； 多摻則混凝土早期強度降低，可以通過提高養(yǎng)護溫度，加快混凝土強度發(fā)展，使早期強度提

18、高。 對于大體積混凝土、高溫高濕環(huán)境中施工或使用的混凝土，摻加礦粉后，不僅可以保證混凝土早期強度，而且可以增進混凝土后期強度發(fā)展，比摻加粉煤灰的作用效果更佳。 礦粉與粉煤灰和減水劑一起摻加到混凝土中，應(yīng)用效果更好。3、對混凝土耐久性的影響 （1）摻加礦粉后，混凝土的抗?jié)B性提高，從而提高混凝土的抗碳化性能、抗凍性和抗腐蝕性能。 （2）摻加礦粉后，混凝土抗硫酸鹽和海水腐蝕的能力大大提高，所以，大摻量礦粉混凝土廣泛用于海洋工程和地下工程。 （3）礦粉能有效抑制混凝土的堿骨料反應(yīng)，這對提高耐久性也十分有利。 （4）混凝土摻加礦粉后，抗碳化性能和護筋性優(yōu)于摻加粉煤灰。 所以，礦粉廣泛適用于高性能混凝土，

19、目前跨海大橋混凝土橋墩必須使用礦粉。4、對混凝土收縮和抗裂性的影響（1）對混凝土自收縮的影響： 當比表面積400m2/kg時，礦粉能減少混凝土的自收縮； 當比表面積 400m2/kg時，摻加礦粉，混凝土的自收縮有增大趨勢。（2）礦粉對混凝土早期收縮和總干燥收縮的影響： 早期收縮明顯下降，效果略好于粉煤灰； 總干燥收縮也就是長期干燥收縮也明顯下降。（3）礦粉對混凝土抗裂性的影響： S105和S95級礦粉能有效提高混凝土的抗裂性； S75級礦粉會增大混凝土泌水，混凝土早期強度低，對抗裂性不利。3.3.4 礦粉的工程應(yīng)用 礦粉既是配制高強高性能混凝土的重要組分，又是重點基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要材料，應(yīng)用廣

20、泛。 跨海大橋、港灣工程等大量使用礦粉。 耐熱混凝土也大量使用礦粉。 大型水池、污水處理廠等也大量使用礦粉。3.4 硅灰（silica fume）3.4.1定義及成分： 1、定義： 是指冶煉硅鐵合金或工業(yè)硅時，從煙道中用收塵器收集到的粉末。 2、化學(xué)成分： 主要成分是無定形二氧化硅，含量達90以上，還含有少量氧化鐵、氧化鈣等。3.4.2物理性質(zhì)及化學(xué)活性 一般呈青灰色或銀白色，球形顆粒，表面光滑，堆積密度很小，比表面積很大，所以它的活性很高，高達110。 硅灰是一種極佳的混凝土摻和料，是高強超高強混凝土的優(yōu)良摻合料，但價格昂貴，資源有限。硅灰顯微圖片硅灰圖片3.4.3 硅灰質(zhì)量指標 根據(jù)GB187362000高強高性能混凝土用礦物摻合料，硅灰質(zhì)量指標見P33表2.6 硅灰中二氧化硅含量高為好，需水量小為好，活性指數(shù)大