提高混凝土性能的方法淺析

張文恩 吳川市建筑安裝工程公司，廣東吳川 524500

提高混凝土性能的方法淺析

張文恩 吳川市建筑安裝工程公司，廣東吳川 524500

混凝土的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通?？梢暈橛晒橇舷?、水泥漿基體、界面相所組成。其中界面過(guò)渡區(qū)尤為復(fù)雜，各種說(shuō)法不一，本文針對(duì)混凝土界面過(guò)渡區(qū)，論述改善和提高混凝土性能的一些方法。

界面過(guò)渡區(qū)；混凝土性能；水泥漿基體

從材料科學(xué)的觀點(diǎn)，任何一種材料特殊性能的獲得或改進(jìn)，實(shí)際上都要通過(guò)其微觀結(jié)構(gòu)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)，即材料的宏觀性能取決于微觀結(jié)構(gòu)。從宏觀上看，混凝土是骨料顆粒分布在水泥漿基體中所形成的復(fù)合材料。從微觀上看，則顯示出混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的研究表明，在貼近大顆粒骨料表面的硬化水泥漿體結(jié)構(gòu)，與系統(tǒng)中水泥漿或砂漿的結(jié)構(gòu)非常不同。在應(yīng)力作用下混凝土許多性能，與水泥漿－骨料界面結(jié)構(gòu)的特性關(guān)系極大。因此，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在第三相，即界面過(guò)渡區(qū)相。

界面過(guò)渡區(qū)的形成是由于混凝土澆筑時(shí)產(chǎn)生泌水，沿粗骨料周圍形成水膜，骨料底面的水膜更厚。因此，在貼近大骨料處比遠(yuǎn)離大骨料的基體中所形成的水灰比要高得多，水膜中即使有水泥顆粒也是極少量的。當(dāng)基體中水泥顆粒溶解時(shí)，絕大部分遷移性離子，如鈣離子、氫氧根、硫酸根和鋁酸鹽離子等首先擴(kuò)散于水膜中，并結(jié)合形成氫氧化鈣和鈣礬石。由于水膜中的高水灰比，在水膜中晶體生長(zhǎng)不受限制，形成的晶體很大，板狀的氫氧化鈣晶體會(huì)導(dǎo)致形成取向?qū)?，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙很多，強(qiáng)度極差，極易產(chǎn)生微裂縫。這也是混凝土過(guò)渡區(qū)中強(qiáng)度差的主要原因。界面過(guò)渡區(qū)猶如一根鏈條中最弱的一環(huán)，成為混凝土中的強(qiáng)度極限相，是最容易開(kāi)裂、水最易滲透和最易受侵蝕的區(qū)域。

改善混凝土界面區(qū)的組成、結(jié)構(gòu)與性能是改善和提高混凝土性能的重要途徑。目前改善界面區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的方法主要有：（1）摻入具有火山灰活性的粉體摻和料進(jìn)行改性，如硅粉、粉煤灰、沸石粉和礦渣微粉等；（2）加入纖維材料進(jìn)行改性，如鋼纖維、碳纖維和聚合物纖維等；（3）加入聚合物溶液進(jìn)行改性，特別是水溶性聚合物；（4）摻入粉末礦物與纖維或聚合物等多種材料進(jìn)行復(fù)合改性。其中粉體摻和料是最常用的。

一、活性粉體摻和料

該摻和料具有火山灰活性，主要成分為二氧化硅及氧化鋁。它本身不具有或具有極低的膠凝特性，但在有水條件下，能與混凝土中的游離氫氧化鈣反應(yīng)，生成膠凝性水化物，并能在空氣或水中硬化。

1、硅粉

硅粉亦稱硅灰，是硅鐵和硅金屬生產(chǎn)中的工業(yè)塵埃，它是在冶煉硅、鐵合金時(shí)由電弧爐中高純度石英與焦炭發(fā)生還原反應(yīng)而生成的。它是一種非常細(xì)的粉末，呈球狀，主要成分是顆粒極細(xì)（0.1μm～0.2μm）的無(wú)定型的二氧化硅（占90%以上）。它的平均粒徑是水泥的1%，比表面積約15m2/g～20m2/g。因此，硅粉在混凝土中具有極為優(yōu)良的微集料效應(yīng)、火山灰活性效應(yīng)和改善界面過(guò)渡區(qū)效應(yīng)。使混凝土中的毛細(xì)孔和凝膠孔的孔結(jié)構(gòu)更加密實(shí)、更加細(xì)化、大孔消失、孔隙率減少。硅粉能大量減少內(nèi)部泌水，硅粉顆粒密實(shí)堆積在骨料表面，從而消除水膜“墻壁”隔斷的影響。防止了氫氧化鈣大晶體的取向生長(zhǎng)，界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)的氫氧化鈣、鈣礬石和孔隙數(shù)量均大量減少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要組成是密實(shí)的硅酸鈣水化物凝膠，界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)與基體的密實(shí)度近于相同，保證了骨料與基體之間的有效黏結(jié)，對(duì)混凝土物理性能、力學(xué)性能和耐久性都可得到很大的改善和提高。

2、粉煤灰

粉煤灰是在現(xiàn)代化電廠的煤粉燃燒過(guò)程中，當(dāng)煤通過(guò)爐膛高溫區(qū)時(shí)，揮發(fā)性物質(zhì)和碳被燒盡，而絕大部分的礦物雜質(zhì)如黏土、石英和長(zhǎng)石等則會(huì)在高溫下熔融。這種熔融物質(zhì)很快被送到溫度較低的地方，固化成球狀顆粒的玻璃體，最后用電收塵器收集起來(lái)。其化學(xué)成分因煤的品種及燃燒條件而異。一般來(lái)說(shuō)，粉煤灰中二氧化硅含量約為45%～60%，氧化鋁含量為20%～30%，氧化鐵含量為5%～10%。

粉煤灰由于顆粒粒徑微小，絕大多數(shù)為球形玻璃體，表面光滑微孔較小，可使混凝土用水量減少5%～15%，并具有優(yōu)良的形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)，使混凝土中毛細(xì)孔明顯“細(xì)化”，尤其使界面過(guò)渡區(qū)得到顯著改善，粉煤灰細(xì)粒與界面過(guò)渡區(qū)中疏松、易溶于水的氫氧化鈣晶體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)密實(shí)穩(wěn)定的水化物，增加了界面過(guò)渡區(qū)的密實(shí)度，從而使混凝土抗裂性、抗?jié)B性及抗侵蝕耐久性得到改善。

3、沸石粉

沸石粉簡(jiǎn)稱F礦粉，是一種由天然沸石磨細(xì)而成的火山灰質(zhì)礦物摻和料。其主要化學(xué)成分為二氧化硅及氧化鋁，其中活性硅及活性鋁的含量應(yīng)不低于10%及8%。

摻入沸石粉減少混凝土拌和物的泌水性，其含有的活性硅及活性鋁能參與膠凝材料的水化凝結(jié)過(guò)程，且能與氫氧化鈣晶體反應(yīng)生成水化硅酸鈣及水化鋁酸鈣凝膠，進(jìn)一步促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，增加其水化產(chǎn)物，改善界面過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的密實(shí)度，使混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性也得到提高。

4、礦渣微粉

礦渣微粉是將煉鐵高爐排出的水淬礦渣外加少量助磨劑，經(jīng)超細(xì)粉磨后而得到的一種粉末狀產(chǎn)品。其主要化學(xué)成分為二氧化硅、氧化鋁和氧化鈣（總含量約達(dá)90%），具有超高活性，將其作為摻和料加入水泥混凝土中，這些活性的二氧化硅、氧化鋁既可與水泥中水化產(chǎn)生的氫氧化鈣反應(yīng)，進(jìn)一步形成水化硅酸鈣產(chǎn)物，填充于水泥混凝土的孔隙中，大幅度提高水泥混凝土的致密度，同時(shí)將強(qiáng)度較低的氫氧化鈣晶體轉(zhuǎn)化成了強(qiáng)度較高的水化硅酸鈣凝膠，從而使混凝土的一系列性能得到顯著改善。

二、纖維材料

混凝土是一種脆性比較大的材料，通過(guò)摻入能吸收斷裂能量的材料取得防裂效果，是對(duì)混凝土材料進(jìn)行改性的一個(gè)重要方法。應(yīng)力在多組分的混凝土中分布是不均勻的，尤其在界面過(guò)渡區(qū)處更為嚴(yán)重?；炷林泻性S多微裂縫，在應(yīng)力作用下這些微裂縫會(huì)迅速擴(kuò)展，將大大降低抗拉性能?；炷林袚饺肜w維材料是在裂縫形成之后立即保持一個(gè)橫跨縫口的拉力，起到限制裂縫的微鋼筋的作用，可提高混凝土的抗裂性，減少較寬裂縫的發(fā)生。

混凝土的塑性開(kāi)裂主要發(fā)生在混凝土硬化前，特別是在混凝土澆筑后4～5小時(shí)內(nèi)，此階段由于水分的蒸發(fā)和轉(zhuǎn)移，混凝土內(nèi)部的抗拉應(yīng)變能力低于塑性收縮產(chǎn)生的應(yīng)變，因而引起混凝土內(nèi)部塑性裂縫。摻入纖維材料后，由于其分布均勻，起到類似篩網(wǎng)的作用，減緩了由于粗骨料的快速失水所產(chǎn)生的裂縫，延緩了第一條塑性收縮裂縫出現(xiàn)的時(shí)間。同時(shí)，在混凝土開(kāi)裂后，纖維的抗拉作用阻止了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，從而能較大幅度提高混凝土的抗?jié)B性和抗裂性。

三、聚合物溶液

一般為有機(jī)乳液，顆粒較小，粒徑小于1μm，不到水泥顆粒的1/10，有利于集料表面的緊密堆積。此外，乳液均勻分布于水相中，隨著水分減少而漸漸靠近，最后相互擴(kuò)散而成為薄膜，因此，水分多的地方，聚合物顆粒也多，所以聚合物會(huì)在集料表面富集，聚合物本身具有良好的變形能力，使其能夠在界面過(guò)渡區(qū)形成良好的、具有高度抗?jié)B性的薄膜，從而提高了混凝土的抗?jié)B性和耐久性。

四、摻入多種材料進(jìn)行復(fù)合改性

主要是根據(jù)前面所講的三種摻和材料的特性，針對(duì)不同的施工工藝和建筑物環(huán)境使用的要求，對(duì)混凝土進(jìn)行復(fù)合改性，改善混凝土界面區(qū)的組成、結(jié)構(gòu)與性能，擬提高混凝土物理性能、力學(xué)性能和耐久性。

眾所周知混凝土是一種多相復(fù)合材料，也是世界上最廣泛采用的建筑材料，其性能取決于水泥漿基體、骨料及其兩者界面結(jié)合的性能。大量的試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明：在混凝土中摻入以上一種或幾種摻和料，可以有效地改善混凝土的物理力學(xué)性能，滿足某些特殊工程的要求，也是當(dāng)今混凝土應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.053

張文恩(1977-),男, 大學(xué)本科，建筑工程專業(yè),建筑施工工程師。