高性能混凝土(UHPC)中多元膠凝材料復合效應的研究

近二十年來，高性能混凝土(HPC)已逐步取代高強混凝土(HSC)成為當前混凝土技術研究的最新趨勢�；钚缘V物摻合料的摻入，可大幅度地減少水泥用量并有效改善混凝土的性能進而獲得高性能混凝土。國外大量重大工程建設項目，如香港青馬大橋、丹麥—瑞典厄勒海峽工程、沙特阿拉伯—巴林的法赫德國王跨海堤橋等的成功典范，充分顯示了活性礦物摻合料在混凝土中應用的巨大前景。多元礦物摻合料的復合摻入，有可能會產生一定的復合交互效應，并可能成為提高混凝土綜合性能的一條有效途徑。本研究主要采用了常用的幾種礦物摻合料(�；�高爐礦渣、粉煤灰、硅灰)，在試驗的基礎上，探討多元礦物摻合料的復合效應及其作用。

一、試驗

1.1試驗用原材料

(1)水泥

試驗用水泥為海螺牌52.5RP.Ⅱ水泥，其主要物理性能指標見表1，主要化學成分見表2。

表1 水泥其主要物理性能指標

(2)�；�高爐礦渣

比表面積488m2/kg，密度ρ=2.86g/cm3。主要化學成分如表2所示。

(3)粉煤灰

Ⅱ級低鈣粉煤灰，細度(≤45μm篩余量)為10.9%，需水量比為98%。主要化學成分如表2所示。

(4)硅灰，主要化學成分如表2所示。

表2 H牌525#水泥、礦渣、粉煤灰、硅灰的主要化學成分(%)

(5)普通河砂，細度模數μf=2.8。普通碎石，粒徑5～25mm。

(6)高效減水劑，為LEX-9H 聚羧酸高效減水劑。

1.2試驗方法

混凝土的抗壓強度按《普通混凝土力學性能試驗方法》GBJ81-85測定;抗滲性能按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》GBJ82-85測定。

本文在研究混凝土抗氯離子腐蝕性能時，采用清華大學的NEL法，該法是通過測定混凝土在氯鹽飽和條件下的電導率，快速測定混凝土中的氯離子擴散系數，用以評定混凝土的滲透性及抗氯離子腐蝕性能。

粉料顆粒粒度分析主要采用激光粒度分析儀，通過測量顆粒群在激光束照射下的散射及衍射譜來分析其顆粒粒度分布。

二、試驗設計及結果分析

2.1試驗設計

本研究著重考察礦物摻合料—�；�高爐礦渣、粉煤灰、硅灰等的物理性態及其摻入后對混凝土力學性能及耐久性能的綜合影響，目的在于比較各種摻入方式下的復合效應對混凝土性能的影響，從而分析多元活性礦物摻合料的復合作用及其機理。

由于混凝土的耐久性涵蓋的范圍較廣，而抗滲透、耐氯離子腐蝕性能是影響混凝土密實及耐腐蝕的主要因素，故本研究取這兩種混凝土性能參數作為表征混凝土耐久性的指標。

試驗中，混凝土膠凝材料組成如表3所示，其試驗編號分別為L1、L2、L3、L4;其中純水泥組編號H1，水泥與礦粉復合組編號H2，水泥、礦粉、粉煤灰復合組編號為H3，水泥、礦粉、粉煤灰及硅粉復合組為H4，混凝土配合比如表4所示。

表3 混凝土膠凝材料(粉料)組成(%)

表4 試驗混凝土配合比(kg/m3)

三、多元礦物摻合料復合效應分析

對于多數礦物摻合料，其摻入混凝土中的效應一般都有微集料效應、形態效應、火山灰效應、界面效應等，但不同的礦物摻合料在不同的效應形式下表現可能是正效應也可能是負效應，而這主要取決于礦物摻合料的物理性態、化學組成等特征。如果摻合料物理性能、摻量比例控制得當，多元復合礦物摻合料摻入混凝土所表現出來的綜合正效應要大于單一礦物摻合料，這可歸結為多元復合礦物摻合料的復合效應。根據上述試驗結果，結合一些微細觀分析手段，并參照有關文獻研究結論，對其機理分析如下：

(1)微集料效應的復合

在混凝土粉料中，水泥顆粒粒徑最大，磨細礦渣、粉煤灰次之，硅灰最小。如果膠凝材料中的粉料經過適當比例的混合，就有可能形成混凝土中粉體材料良好的連續微級配。復合膠凝材料在水化過程中不同粒徑的膠凝材料顆�；ハ嗵畛�，減少了顆粒間的空隙，從而進一步減少了復合膠凝材料體系凝結硬化后的總孔隙率，這就有可能降低混凝土的滲透性。

(2)形態效應的復合

分析電鏡照片，如圖7～10所示，發現水泥、礦粉多為不規則且表面粗糙的顆粒，硅灰為直徑很小的球形顆粒，粉煤灰為表面光滑的球狀玻璃體顆粒。

有研究證實，摻合料的顆粒形貌、細度、分布對其水化程度、水化深度及其硬化后的性能有不同程度的影響。由于礦粉顆粒不規則且表面粗糙，其摻入混凝土中可能會降低新拌混凝土的流動性，硅灰的粒徑很小，比表面積大，其需水量很大，但礦粉與粉煤灰的復合、礦粉、硅粉與粉煤灰的復合卻可補償這一損失，起到一定增塑減水作用，有益于混凝土密實結構的形成。因此，多元膠凝材料的復合，可以起到形態互補的的效果，從微觀結構起到改善混凝土宏觀性能的效果。

(3) 界面效應的復合

混凝土澆搗過程中，骨料周圍會形成一層水膜，從而貼近骨料處比遠離骨料處所形成的水灰比更高。于是造成了界面過度區毛細孔體積大，氫氧化鈣晶體富集并擇優取向，存在大量微裂縫等特點。因此，混凝土界面過度區通常是混凝土性質鏈條中最薄弱的一環。摻入礦粉、粉煤灰、硅灰等其中的一種或幾種均可減少混凝土中的Ca(OH)2的形成，并抑制Ca(OH)2晶體在界面區的生長。同時礦粉、粉煤灰、硅灰等顆粒尺寸較小保水性好，可抑制骨料周圍水膜的形成，從而改善界面過渡區的結構，使膠體—集料界面的粘結力增強。因此，礦粉、粉煤灰、硅灰等摻合料無論二元、多元，界面效應均為正效應。

(4)火山灰效應的復合

礦粉、粉煤灰、硅灰等摻入混凝土中都會存在火山灰活性反應。而這些礦物摻合料復合摻入混凝土，水化過程中互相激發產生復合的膠凝效應。在復合膠體系中，水泥熟料總是首先水化，生成CSH和CH，CH和水泥中的石膏可對礦渣、粉煤灰及硅灰的水化起激發作用。對硅灰而言，由于其水化活性、表面能較礦渣和粉煤灰大，在水泥膠體中水化反應快，有助于CSH凝膠的增加;對礦粉而言，其析出的CaO可促進粉煤灰顆粒周圍的CSH凝膠、AFt(有石膏存在時)的形成，從而促進粉煤灰顆粒中的鋁、硅相的溶解，使水化液相中的鋁、硅濃度增加，這又可加速礦渣和硅灰的水化過程。

四、結論

(1)�；�高爐礦渣、粉煤灰、硅灰等礦物摻合料的引入對混凝土的性能有一定的影響，但其作用并不一定為正。多元礦物摻合料復摻技術是實現高性能混凝土的有效途徑之一。

(2)復摻�；�高爐礦渣、粉煤灰、硅灰等礦物摻合料的四元膠凝材料的混凝土，其綜合性能要優于復摻礦粉、粉煤灰的三元膠凝材料的混凝土，亦優于單摻礦粉的二元膠凝材料的混凝土，更優于一元膠凝材料的水泥混凝土。

(3)多元復合膠凝材料對混凝土性能的改善與其在混凝土中形成良好微級配，微集料效應、形態效應、界面效應、火山灰效應等復合交互迭加有關。合理控制各種礦物摻合料的物理性能和摻量比例等參數，可最大化發揮多元膠凝材料的復合效應，改善混凝土的綜合性能。

(4)多元膠凝材料復合效應對于混凝土宏觀性能的改善突出體現在其對于混凝土抗滲性能的提高方面。