技术 | 混凝土生产中掺合料的应用分析

引言

随着混凝土技术的发展，混凝土掺合料的研究和使用技术也呈现良好的发展势头。就混凝土掺合料的运用历史而言，不同时期掺入掺合料的目的不同。在20世纪50年代和60年代，人们在混合混凝土时常常运用一定量的掺合料替代部分水泥。到了70年代和80年代，由于对混合料的了解程度提升，它被用于水利工程和大型修建。将一些大体积混凝土（如地基）与混凝土掺合料混合，以增加混凝土的水化热并减少温度裂痕。及至90年代后，人们对掺合料的看法发生了很大变化，一些工业废渣被视为混凝土的掺合料，成为混凝土中不可或缺的改性材料。因此，掺合料的质量和掺合料的技术也得到了极大提高。高性能混凝土掺合料的制备是必不可少的组分，在改善混凝土的机械性能和耐久性方面起着至关重要的作用。混凝土掺合料依据其活性大小可分为活性材料和非活性材料。活性材料是指在室温和标准大气压下存在水时，能与活化剂水合构成水硬性凝胶产品的材料。而非活性材料只能提升混凝土的可加工性。但两者不能完全分开。它们可以在某些条件下彼此转换。例如：（1）石灰石粉通常不用作活性材料，但如果水泥熟料混凝土铝酸三钙过多，则可以与铝酸三钙水合。铝酸三钙水合物的构成有利于混凝土的早期强度。（2）石英粉通常不作为活性材料，但是当混凝土组分的固化温度较高时，可大大提高其活性；石英粉微粒也可研磨得充足细腻，具备一定的活性。根据水化成因，活性物料可分为火山灰活性物料和潜在水力发电活性物料。如粉煤灰、安山岩和烧成黏土都是火山灰活性物料，需活化剂才能形成水合物。钢渣和水淬渣是具备一定水化效能的水工物料，在混凝土制造步骤中退出的活性物料称作混合料，而在钢筋加热步骤之中退出的活性物料称作混凝土掺合料。

混凝土掺合料通过改善水泥胶凝材料的组成、数量、颗粒级配等提升混凝土的强度、耐久性、可加工性和体积稳定性，主要通过以下物理和化学作用完成。

1.1 活性作用

粉煤灰的酶是指其活性溶质的化学作用。粉煤灰的活性如同岩浆的活性，即粉煤灰中SiO₂和Al₂O₃与Mg(OH)₂反应生成水化硅酸钙和铝酸盐，相似于水泥水化钙等化学反应中间体。这些水合物可当作材料的一部分，起到加固作用。当混凝土水化溶解的Ca(OH)₂附着在粉煤灰微粒表面时，与火山灰反应后，可以在28d甚至更长的时间保持不变。为了充分利用混凝土掺合料的各种技术，从生产掺合料开始就充分运用上述技术，以完成一致的设计和优化的解决方案。在混凝土施工现场难以实施这种技术，必须在专业工厂内完成。例如，当研磨混凝土混合物时，可以预先加入一些减水剂、早强剂等作为助磨剂。合理生产和使用掺合料，应根据混凝土性能要求制备混凝土掺合料（包括建筑砂浆掺合料），并建立相关标准或规范，为促进混凝土掺合料的生产和使用提供基础，如液压混凝土掺合料、普通混凝土掺合料、高性能混凝土掺合料和抹灰砂浆掺合料等。在工厂专门生产混合物的另一优点是可以扩大混合物的原料来源，还可以综合利用许多低活性工业废料，这有利于发展循环经济。

1.2 形态效应

粉煤灰的形状效应是指从粉尘的外观、内部结构、外表性质和颗粒的颗粒级对粉煤灰物理性能的影响。在高温生产进程中构成的飞灰颗粒大多数是玻璃珠，玻璃珠是具有相对润滑外观的球形颗粒，由二氧化硅-氧化铝组成。由于球形颗粒的外表润滑，因此，在掺入混凝土后可以起到球光滑的作用，可以减少混凝土水的耗费。但是粉煤灰在外观上的另一特点是不平均性，假如是较粗糙、多孔和不规则外形的颗粒，它会毁坏混凝土的原始构造和功能，结果将造成巨大的负面影响。

1.3 微骨料效应

粉煤灰的微骨料效应是指粉煤灰中的细颗粒平均散布在水泥浆、填充孔隙和毛细孔中，改善混凝土的孔隙构造并增加混凝土的孔隙率和密度特性。粉煤灰微骨料的优越性能表现在以下几点：（1）玻璃珠的强度十分高。（2）微聚集效应明显增强了硬化浆料的构造强度。在粉煤灰与水泥浆之间的界面处构成的粉煤灰水合凝胶的显微硬度大于水泥凝胶，表明粉煤灰对水泥浆与骨料之间的最薄弱环节具有加强作用。（3）粉煤灰颗粒很好地分散在水泥浆中，有助于填充和“细化”混凝土中的孔隙。粉煤灰的这三种效应共存并相互影响。不应只强调一种效果，而疏忽其他效果。关于混凝土的某种功能，在一定条件下，某种效果能够起主导作用。在其他条件下，另一种影响能够对混凝土的其他功能起主导作用，应对此进行详细分析。

通过增加混凝土掺合料可以失去许多具有特殊功能的混凝土。正确运用掺合料技术，有时可以起到较好的效果。它不仅可以降低混凝土的生产成本，而且可以防止掺合料对混凝土功能的影响。例如：（1）减水功用。优质粉煤灰具有球形外观，具有一定的减水效果。掺有减水剂的混凝土具有更好的减水效果，由于其极小的颗粒，超细混合物中填充了较大的颗粒，使其尽快互相堆叠，水化速度快，早期强度好。（2）缓凝功用。当混凝土中掺入更多的粉煤灰、矿渣粉、煤石细粉等掺合料时，混凝土混合物单位空间内的水泥熟料相应增加，早期水合产物增加。水合产物的量不足以有效地将颗粒彼此衔接，阻碍混凝土混合物。因此，合理选择混凝土掺合料的品种和数量可以达到一定的阻滞作用。（3）微膨胀功用。铝土矿石膏硫酸铝是一种混凝土膨胀剂。为了降低收缩混凝土掺合料的成本并充分利用工业废渣，可以运用铝含量更高的自然煤石或粉煤灰替代铝土矿。土壤用于制备具有微收缩功用的混凝土掺合料，或许在研磨混凝土掺合料时，会增加诸如具有一定活性的轻烧氧化镁或镁生产后产生的废渣-镁渣之类的材料。（4）防水功用。将胶凝材料与高效减水剂和微膨胀剂混合即可构成密实度好的水泥石，完全可以在不增加任何有机防水剂的状况下制备抗渗性好的混凝土。（5）防腐功用。混凝土掺合料还具有改善混凝土防腐的功用。当混凝土掺合料水合时，它消耗的水泥熟料与掺合料之间的界面氢氧化钙和铝酸钙水合物的一部分。耐腐蚀的低碱水合硅酸钙（钙镁铝石）和钙矾石等。水泥中的Na+和K+与氧化铝八面体络合物阴离子结合构成四面体络合物阴离子基团，从而构成骨架构造，降低了游离态碱含量和碱-骨料反应的可能性。（6）加强功用。混凝土掺合料水合构成的低碱性针状晶体具有良好的胶结能力，并增加了水泥石与掺合料颗粒之间的界面结合强度，因此，可以解释低强度等级的硅酸盐水泥可以制备高强度混凝土。

混凝土分解材料在现代工业技术上较为成熟，生产废料等日常废料可用作混凝土掺合料，混凝土掺合料的生产和运用涉及许多技术方法和技术手段。例如：（1）超叠加效应。充分利用各种混凝土掺合料的不同微观形状、细度和表面活性，有效地选配不同数量和类型的材料以互相补充，合理优化使混凝土具有更好的功能，从而构成超级叠加效果。实验证明，混凝土强度可以提升4％~13％。（2）复合活化剂技术。复合活化剂通常由三个主要成分组成。硫酸盐活化剂石膏可以保持混凝土掺合料的活性，特别是对高Al₂O₃含量的粉煤灰而言。（3）钾、钠和其他碱金属盐可以提升混凝土的早期强度，促进混凝土掺合料的二氧化硅四面体网络结构向溶液中扩散，生成Ca(OH)₂。（4）预处理技术。对某些混凝土掺合料进行预处理来提升掺合料的质量。如粉煤灰的高碳含量将影响混合物的运用效果。粉煤灰的预处理可除去活性炭的反应活性或经过细磨预处理来稳定掺合料的活性，有利于混凝土的早期强度。（5）研磨助剂技术。混凝土掺合料颗粒需在足够细的情况下才能起作用。因此，为了提升研磨混凝土混合物时的研磨效率，需增加研磨助剂。助磨剂优选是复合助磨剂，即除助磨剂功用外，还具有减水、增水等功用。为了使混凝土掺合料技术得到最充分的应用，需从掺合料生产开始就充分利用上述各种技术，并一致设计和优化处置。例如，当研磨混凝土混合物时，可以事后增加引气剂、微膨胀剂等，甚至可以辨别以不同的粒径增加一种混合物。

虽然混凝土掺合料具有许多优点，但使用不当也会对混凝土的功能产生负面影响。因此，生产和运用混凝土掺合料时应留意以下事项：（1）运用时应基于特定的水泥。结合各种减水剂的功能和混凝土功能确定合理用量。仅仅是混合物颗粒表面层上的水合反应，经过加强界面层的粘结强度便可以节省水泥。在技术条件允许的情况下，合理增加混凝土掺合料的量，这就是掺合料过度替代技术。（2）掺有掺合料的混凝土通常是高流动性迟缓的水化作用，在施工进程中过度振动，导致一些轻质掺合料浮起并分层，引起铺装混凝土的扬尘。路面混凝土应适当增加掺合料。混凝土坍落度不应太大，以避免由于过度振动导致混凝土偏析。

当混凝土振动时，内部的颗粒将在脉冲的影响下，在某个不稳定平衡的两端向四周延续振动，相邻颗粒的振动将发生位移，两者之间的相对运动频率使材料颗粒增加，致使颗粒之间的摩擦和粘附力急剧降低。振动混合是应用混凝土的特性，在搅拌时使水泥颗粒处于振动形态，毁坏水泥并平均散布水泥颗粒，从而在微观程度上完成混凝土的平均性。另外，它可以纯化集料的外表并增加水泥和集料之间的结合力。在20世纪30年代，前苏联首先运用了一种将振动鼓励器衔接到普通搅拌机壳体上的方法来搅拌水泥砂浆和预拌水泥浆。我公司依据最新方案设计了双卧轴强迫振动混合器，主要由搅拌驱动机构、振动驱动机构、搅拌叶片、激振器和搅拌鼓组成，最大特点是搅拌轴和搅拌叶片也是振动鼓励器的一部分。搅拌时搅拌叶片振动，有效振动范围较大，可以掩盖整个搅拌桶空间，搅拌效果更好。其任务原理是：搅拌机构的动力由搅拌电动机输入，经减速器加速后传递到一对同步齿轮上，使两个搅拌轴反向同步转动。此外，振荡机关的涡轮由振动电机输出，绳子液压，推动搅拌轴上加热设备的振动轴高速旋转，使搅拌轴和加热叶子设备在上方振荡。加热叶子的布局与现代双轴搅拌机相近，具备湍流结合的特征。因此，在搅拌轴和叶子的振荡及叶子的强迫加热下，混合料能快速、均匀地结合。与此同时，搅拌轴上加热设备的振动轴已经完成了平衡处理，所以，在振荡加热步骤中，只要搅拌轴和加热叶子振荡，其他组件（包含搅拌筒）不振荡，振荡的有利冲击就去除了，确保了搅拌轴的性能，节约了能源消耗。

综上所述，混凝土掺合料技术需要在专业的生产厂内完成掺合料的生产。只有专业化和大批量生产混凝土掺合料，才能有效、合理地应用各种工业副产品。按照混凝土功能要求配制混凝土掺合料，以确保科学、合理、有效地运用混凝土掺合料。目前，人们缺乏对复合混凝土掺合料技术重要性的认识，缺少混凝土掺合料生产和运用的规范、标准。因此，需要进一步强化混凝土掺合料的应用，不断提升产业效率。

作者：段元忠

来源：《山东鲁碧建材有限公司》

微信公众号：备件网（关注查询更多资讯）

（本文来源网络，若涉及版权问题，请作者来电或来函联系！）