连志臻
(沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁 沈阳 110168)
在我国经济高质量发展的带动下，我国的房屋建筑和市政基础设施规模不断壮大。尤其是采用钢筋混凝土作为材料的建筑结构越来越多，因此对混凝土的性能要求更严格。经研究发现，将某些固废资源(例如：粉煤灰、矿渣粉等)作为掺合料加入混凝土的制作中，可以很好的解决这些问题。而这些固废资源在工业废料中的含量非常高，因此可将工业废料作为矿物掺合料替代混凝土中其他的组分，可以变废为宝，减少对环境的污染。
矿物掺合料是大掺量矿物掺合料混凝土不可缺少的一部分，混凝土的质量取决于各组分的质量。由此可见，在进行试验之前，都要对相应的掺合料进行细度与成分的分析，为了改善混凝土的部分性能，一般选择双掺两种不同类型的矿物掺合料，最常见的矿物掺合料就是粉煤灰和矿渣粉。笔者对国内所使用的一部分矿物掺合料的一些参数进行了总结，列于表1和表2中[1,11]。
表1 部分试验所用矿物掺合料细度
表2 部分试验矿物掺合料的化学成分
2.1 普通混凝土
毕弘毅等[1]通过水泥、粉煤灰、矿渣三种胶凝材料的颗粒匹配优化对混凝土抗硫酸盐腐蚀的影响，利用净浆流动度试验来确定最优颗粒匹配。在矿物掺合料占胶凝材料总比例50%、60%、70%、80%中各取流动性最佳的4组进行制备混凝土。在双掺磨细粉煤灰和S95矿渣粉的情况下，如果磨细粉煤灰处于一个较低的掺量，混凝土将具备更好的经济效益，是制备大掺量矿物掺合料混凝土的良好选择。随着矿渣粉含量越高，抗硫酸盐腐蚀效果越好，最佳掺量在40%。超过这一数值，抗硫酸腐蚀效果会下降，而且抗硫酸盐腐蚀性会随着矿物掺合料总掺量的增大而提升但力学性能在70%和80%时会大幅度降低。而且在减水作用方面，相同掺量二级粉煤灰和S115矿渣粉对比磨细粉煤灰和S95矿渣粉，少量磨细粉煤灰具有很好的减水效果，但是磨细矿渣粉却不能实现良好的减水效果，因此磨细粉煤灰和S95矿渣粉双掺具有经济效益。刘文忠等[2]通过净浆流动度试验对混凝土各组分掺量进行测试，并得出最佳掺量的混凝土配合比进行混凝土试样的制备。研究表明水胶比越大，抗冻性能越差，但是相应提升含气量可以升高抗冻性能，且质量损失率可以更好的评价抗冻性。汪彬等[9]通过改变水胶比来配置混凝土。研究可得通过双掺矿物掺合料配置中等强度的混凝土，可以具备良好的抗冻性能，并且降低水胶比可以提升抗冻性能。在矿物掺合料总量为60%时，粉煤灰：矿渣粉的比例为1∶3时取代水泥，制备的混凝土仍具备较好的抗冻性。这是由于混凝土中有较少的自由水，所以参加冻融破坏的自由水也会减少。由于矿物掺合料的加入，使得胶凝材料的颗粒集配进一步得到了完善，这样就可以改善内部孔结构，使混凝土的致密性更好。从而参与冻融破坏的自由水含量降低，借此就可以提高抗冻性能。张苹等[3]通过矿物掺合料总量为胶凝材料总比例的50%基础上进行了单掺与复掺矿物掺合料进行平板开裂试验。研究得出：粉煤灰复掺超细矿渣粉均比单掺开裂面积大。早期胶凝材料用量与开裂面积成正比，即用量越大，开裂面积越大，混凝土的抗裂性能越低。胶凝材料用量一定时，单掺粉煤灰要比单掺矿渣粉抗裂性能好，且单掺矿物掺合料均能减轻混凝土早期开裂。养护时减少水分蒸发可以增强抗裂性能。在加入大量的矿物掺合料之后，由于其本身为细微颗粒，可以更好的优化胶凝材料之间的的颗粒集配，提高混凝土致密性，因而可以减轻混凝土早期开裂。尹航等[4]分别研究了水胶比为0.45、 0.55、 0.65，粉煤灰以三个不同的掺量替代胶凝材料。两组为粉煤灰与矿渣粉双掺，一组为单掺粉煤灰，最后一组为不掺矿物掺合料的混凝土，对以上制备的混凝土进行碳化试验。通过试验发现水胶比的变化对早期的混凝土的抗碳化性影响不大。但在28d的时候截然相反，水胶比在0.45～0.65之间时，碳化深度随水胶比的增加而增加。在矿物掺合料总量一定时，抗碳化性能会随着磨细矿渣粉的加入而得到改善，7d与28d的改善效果尤为显著。且在水胶比也一定时，抗碳化性随着抗碳化剂的加入而得到提高。混凝土的碳化深度随着龄期的增长而变大，但养护龄期经历14d以后，碳化速率会随着时间的流逝而变缓。汪彬等[9]通过改变水胶比配置混凝土，研究可得碳化深度取决于水胶比的大小，当水胶比增大时，抗碳化能力将下降。这是由于水胶比增大的同时，自由水也随之增多，所以内部孔隙连接起来，为二氧化碳的流动提供了通道，加快了碳化反应，降低了抗碳化的能力但是由于加入粒径更细的磨细矿渣粉，而且火山灰活性更高，从而发生水化反应，可以使混凝土的结构更加密实减少碳化深度。水胶比一定时，氯离子扩散系数与养护时间成反比，当养护时间一定时，随着水胶比降低氯离子扩散系数也会降低。黄辰玉等[6]通过1∶1双掺粉煤灰和矿渣，以大比例替代水泥，以30%与50%的比例利用再生骨料代替粗骨料。在矿物掺合料含量一定时，随着再生骨料取代比例的提升，混凝土强度方面体现出先增大后降低的趋势。在总掺量不变时，两种矿物掺合料等比例掺加到混凝土中，用再生骨料以30%的比例取代粗骨料来配置的混凝土强度要高于仅矿物掺合料取代水泥所制备的普通混凝土。再生粗骨料取代率为50%的混凝土强度虽然有所下降，但强度仍然可以达到55.1MPa。在两种不同的取代率下，混凝土的碳化能力相近，均可以忽略不计。等比例复掺矿物掺合料而且含量不超过50%时，以30%的比例用再生骨料替代粗骨料时，混凝土既兼顾了较好的抗压强度同时又具有很好的碳化性能。祝烨然等[5]利用粉煤灰与磨细矿渣粉单掺和复掺两种方式按比例取代水泥，并用活性骨料制作砂浆，研究矿物掺合料对抑制碱-硅反应的影响，结果表明：无论是上述哪种掺入方式，均可以有效地抑制碱-硅反应，且试验结果有规律可循。三种掺入方式对抑制碱-硅反应均随着掺量的增加而提高。当单掺粉煤灰含量超过20%和单掺矿渣粉含量达到40%时，相较于未掺入组早期的膨胀均有大幅度降低，膨胀率降低75%以上。混凝土28d的膨胀都非常小，膨胀率小于0.100%。对于双掺两种矿物掺合料的,当共掺量达到40%时,其抑制效果显而易见。在早期膨胀率同单掺40%矿渣粉一样，均降低了75%以上,28d膨胀率更是小于0.027%。应该是因为随着矿物掺合料的加入，利用其有火山灰活性组分中和一些来自于水泥水化过程中生成的碱，从而减少了碱-硅反应。张小龙等[10]通过复掺单掺粉煤灰与矿渣粉两种不同的方式配制混凝土。研究表明在早期时，未掺矿物掺合料的混凝土强度要高于掺矿物掺合料的，但由于矿物掺合料的加入以及混凝土的二次水化，后期强度表现出先增大后减小的趋势。而且由于两种不同粒径的矿物掺合料可以更好的改善胶凝材料的颗粒级配，会相应的减少可以损害混凝土自身的孔隙，以此来提高混凝土的耐久性。
2.2 自密实混凝土
周聪聪等[7]通过研究单掺粉煤灰、单掺矿粉、复掺矿粉和粉煤灰对自密实混凝土工作性能的影响。两种矿物掺合料的加入均能改善混凝土胶凝材料的流动性能，二者可以进一步优化颗粒级配。通过净浆和砂浆流动性试验，可以看出当单掺粉煤灰时，将其以30%比例替代水泥时，两者的流动度最大，流动性能为最佳的状态；
当单掺矿渣粉时，将其以10%的比例替代水泥时，净浆和砂浆的流动度最大，流动性能最好，单掺比例为30%的粉煤灰以及单掺比例为10%的矿渣粉，均能使混凝土的流动度达到理想状态；
当粉煤灰与矿渣粉为3∶1的比例复掺时，混凝土的流动度即可达到理想状态。郑建岚等[8]通过单掺粉煤灰和复掺粉煤灰与矿渣粉制备自密实混凝土。研究其碳化性能，结果表明以20%的比例加入粉煤灰时，两种混凝土在相同的龄期碳化深度均为0。掺入比例达到30%～40%时，碳化深度仍然较小，但掺量比例大于40%之后抗碳化能力迅速下降。在复掺粉煤灰与矿渣粉含量在30%时，碳化深度与单掺粉煤灰含量20%时一样，各龄期碳化深度均为0。复掺总含量为60%(粉煤灰与矿渣粉比例为1∶1)时，效果最好，碳化深度小于单掺粉煤灰含量30%的自密实混凝土。
(1)在普通混凝土中，结果如下。
(a)抗硫酸盐腐蚀方面，当矿物掺合料总掺量小于70%且矿渣粉掺量大于40%时，混凝土既有较好的强度，同时磨细粉煤灰和S95矿渣粉双掺具有经济效益也具有社会效益。
(b)抗冻性能方面，在大量加入矿物掺合料时，当水胶比或冻融循环次数增大时，混凝土的抗冻性能会下降，但随着含气量的上升抗冻性能会变好。
(c)抗裂性能方面，单掺粉煤灰或矿粉混凝土的开裂面积与胶凝材料的用量成正比，且在胶凝材料用量超过430kg/m3时，开裂面积的增长速度会突然变大。单掺条件下，掺入粉煤灰的混凝土抗裂性能优于矿粉的。
(d)抗碳化性能方面，水胶比对早期的碳化深度影响不大，后期时水胶比每增加0.1碳化深度加深35.4%。相较于粉煤灰，矿渣粉的加入可以很好地改善碳化性能。早期碳化速率增长较快，14d之后速率会变缓。
(e)抑制碱-硅反应方面，抑制效果与掺量呈正比，单掺20%的粉煤灰或单掺40%的矿渣粉相较于未掺组早期膨胀都大幅度降低，28d的膨胀率只有0.100%。
在双掺矿物掺合料含量在40%时，早期与单掺40%矿渣粉相同，28d膨胀率小于0.027%。
(2)在自密实混凝土中，结果如下。
(a)流动度方面,当单掺比例为30%的粉煤灰以及单掺比例为10%的矿渣粉或当粉煤灰与矿渣粉为3∶1的比例复掺时， 混凝土的流动度即可达到理想状态。
(b)抗碳化性能方面，复掺总含量为60%(粉煤灰与矿渣粉比例为1∶1)时，效果最好，碳化深度小于单掺粉煤灰含量30%的自密实混凝土。
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