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原材料质量控制——矿物掺合料

来源：网络 | 作者：固废研究中心 | 发布时间：2022-11-07 | 6121 次浏览 | 分享到:

矿物掺合料是指在混凝土搅拌过程中加入的，具有一定细度和活性的辅助胶凝材料。

矿物掺合料掺入混凝土中不仅可以取代部分水泥，改善新拌混凝土的工作性，而且能够提高硬化后混凝土的耐久性，是高强高性能和绿色混凝土必不可缺的组分。另一方面，混凝土中大量掺用矿物掺合料，可减少自然资源和能源的消耗，减少对环境的污染，有利于实现混凝土技术的可持续发展。

混凝土中常用的矿物掺合料主要有粉煤灰、矿渣粉、天然沸石粉、硅灰及其复合物等。粉煤灰、天然沸石粉和硅灰属于火山灰质材料。通常情况下其本身无胶凝性，但它们能与石灰或水泥熟料水化时释放出的Ca(OH)2 发生反应，生成具有胶凝性的水化产物，这一反应称为火山灰反应。而矿渣粉在活性方面不同于火山灰质材料，它存在着相当数量的水泥熟料矿物，可以直接与水反应形成水化产物，凝结硬化而产生强度，不需要其他物质的存在。其他物质的存在仅对这一反应起到一个促进作用。它与水的反应不属于火山灰反应，而是类似于水泥熟料的反应。因此，矿渣粉具有胶凝性，但不及水泥熟料。

由于矿物掺合料在混凝土中的应用一般取代部分水泥或细骨料，使其具有胶凝条件或自身就具有胶凝作用，因此，矿物掺合料与水泥一起被视为胶凝材料。

一、粉煤灰

粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰的主要氧化物组成为：

SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。

1. 粉煤灰的形成

第一阶段。粉煤在开始燃烧时，其中气化温度低的挥发分，首先自矿物质与固体碳连接的缝隙间不断逸出，使粉煤灰变成多孔型炭粒。此时的煤灰，颗粒状态基本保持原煤粉的不规则碎屑状，但因多孔性，使其表面积更大。

第二阶段。伴随着多孔性炭粒中的有机质完全燃烧和温度的升高，其中的矿物质也将脱水、分解、氧化变成无机氧化物，此时的煤灰颗粒变成多孔玻璃体，尽管其形态大体上仍维持与多孔炭粒相同，但比表面积明显地小于多孔炭粒。

第三阶段。随着燃烧的进行，多孔玻璃体逐渐收缩而形成颗粒，其孔隙率不断降低，圆度不断提高，粒径不断变小，最终由多孔玻璃转变为密度较高、粒径较小的密实球体，颗粒比表面积下降为最小。不同粒度和密度的灰粒具有显著的化学和矿物学方面的特征差别，小颗粒一般比大颗粒更具玻璃性和化学活性。

最后形成的粉煤灰 (其中80% ～90%为飞灰，10%～20%为炉底灰) 是外观相似，颗粒较细而不均匀的复杂多变的多相物质。飞灰是进入烟道气灰尘中最细的部分，炉底灰是分离出来的比较粗的颗粒，或是炉渣。这些东西有足够的重量，燃烧带跑到炉子的底部。

2. 粉煤灰的活性分析

粉煤灰的活性主要来自活性SiO2(玻璃体SiO2) 和活性Al2O3(玻璃体Al2O3) 在一定碱性条件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性SiO2、活性Al2O3和f-CaO(游离氧化钙）都是活性的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏（CaSO4）的形式存在，它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用，因此粉煤灰中的硫对粉煤灰活性也是有利组成。粉煤灰中的钙含量在3%左右，它对胶凝体的形成是有利的。国内外把CaO 含量超过10%的粉煤灰称为C 类灰，而低于10%的粉煤灰称为F 类灰。C类灰其本身具有一定的水硬性，可作水泥混合材，F类灰常作混凝土掺合料，它比C类灰使用时的水化热要低。

粉煤灰中少量的Mg0、Na2O、K2O等生成较多玻璃体，在水化反应中会促进碱硅反应。但MgO含量过高时，对安定性带来不利影响。

粉煤灰中的未燃炭粒疏松多孔，是一种惰性物质，不仅对粉煤灰的活性有害，而且对粉煤灰的压实也不利。过量的Fe203对粉煤灰的活性也不利。

由于煤粉各颗粒间的化学成分并不完全一致，因此燃烧过程中形成的粉煤灰在排出的冷却过程中，形成了不同的物相。比如氧化硅及氧化铝含量较高的玻璃珠，另外，粉煤灰中晶体矿物的含量与粉煤灰冷却速度有关。一般来说，冷却速度较快时，玻璃体含量较多。反之，玻璃体容易析晶。可见，从物相上讲，粉煤灰是晶体矿物和非晶体矿物的混合物。其矿物组成的波动范围较大。一般晶体矿物为石英、莫来石、磁铁矿、氧化镁、生石灰及无水石膏等，非晶体矿物为玻璃体、无定形碳和次生褐铁矿，其中玻璃体含量占50%以上。

3. 粉煤灰的性质

（1) 粉煤灰的物理性质

粉煤灰的物理性质包括密度、堆积密度、细度、比表面积、需水量等，这些性质是化学成分及矿物组成的宏观反映。由于粉煤灰的组成波动范围很大，这就决定了其物理性质的差异也很大。

粉煤灰的物理性质中，细度和粒度是比较重要的项目。它直接影响着粉煤灰的其他性质，粉煤灰越细，细粉占的比重越大，其活性也越大。粉煤灰的细度影响早期水化反应，而化学成分影响后期的反应。

（2）化学性质

粉煤灰是一种人工火山灰质混合材料，它本身略有或没有水硬胶凝性能，但当以粉状及水存在时，能在常温，特别是在水热处理(蒸汽养护) 条件下，与氢氧化钙或其他碱性金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料。

4.粉煤灰的用途

目前，粉煤灰主要用来生产粉煤灰水泥、粉煤灰砖、粉煤灰硅酸盐砌块、粉煤灰加气混凝土及其他建筑材料，还可用作农业肥料和土壤改良剂。

粉煤灰在混凝土工程中的应用：粉煤灰作砂浆或混凝土的掺合料，在混凝土中掺加粉煤灰代替部分水泥或细骨料，不仅能降低成本，而且改善了混凝土拌合物的和易性；增强混凝土的可泵性；提高混凝土抗渗能力；减少了混凝土的徐变；提高抗硫酸盐性能和耐化学侵蚀性能；降低水化热；改善混凝土的耐高温性能；减轻颗粒分离和泌水现象；减少混凝土的收缩和开裂以及抑制杂散电流对混凝土中钢筋的腐蚀等优点。采用优质粉煤灰和高效减水剂生产高强度混凝土的现代混凝土新技术正在全国迅速发展，优质粉煤灰特别适用于配制泵送混凝土、大体积混凝土、抗渗结构混凝土、抗硫酸盐混凝土和抗软水侵蚀混凝土及地下、水下工程混凝土、压浆混凝土和碾压混凝土等。

粉煤灰在水泥工业的应用：粉煤灰代替黏土原料生产水泥，由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰加入适量石膏磨细制成的水硬胶凝材料，水泥工业采用粉煤灰配料可利用其中的未燃尽碳；粉煤灰作水泥混合材；粉煤灰生产低温合成水泥，生产原理是将配合料先蒸汽养护生成水化物，然后经脱水和低温固相反应形成水泥矿物；粉煤灰制作无熟料水泥，包括石灰粉煤灰水泥和纯粉煤灰水泥，石灰粉煤灰水泥是将干燥的粉煤灰掺入10%～30%的生石灰或消石灰和少量石膏混合粉磨，或分别磨细后再混合均匀制成的水硬性胶凝材料。

粉煤灰在建筑制品中的应用：蒸制粉煤灰砖，以电厂粉煤灰和生石灰或其他碱性激发剂为主要原料，也可掺入适量的石膏，并加入一定量的煤渣或水淬矿渣等骨料，经过加工、搅拌、消化、轮碾、压制成型、常压或高压蒸汽养护后而形成的一种墙体材料；烧结粉煤灰砖，以粉煤灰、黏土及其他工业废料为原料，经原料加工、搅拌、成型、干燥、焙烧制成砖；蒸压生产泡沫粉煤灰保温砖，以粉煤灰为主要原料，加入一定量的石灰和泡沫剂，经过配料、搅拌、烧注成型和蒸压而成的一种新型保温砖；粉煤灰硅酸盐砌块，以粉煤灰、石灰、石膏为胶凝材料，煤渣、高炉矿渣等为骨料，加水搅拌、振动成型、蒸汽养护而成的墙体材料；粉煤灰加气混凝土，以粉煤灰为原料，适量加入生石灰、水泥、石膏及铝粉，加水搅拌呈浆，注入模具蒸养而成的一种多孔轻质建筑材料；粉煤灰陶粒，以粉煤灰为主要原料，掺入少量粘结剂和固体燃料，经混合、成球、高温焙烧而制的一种人造轻质骨料；粉煤灰轻质耐热保温砖，是用粉煤灰、烧石、软质土及木屑进行配料而成，具有保温效率高，耐火度高，热导率小，能减轻炉墙厚度、缩短烧成时间、降低燃料消耗、提高热效率、降低成本。

5. 粉煤灰在混凝土中的适宜掺量

关于粉煤灰的掺量，应根据混凝土所处的环境条件而定。处于比较干燥或不宜接触水的环境中的混凝土，粉煤灰的掺量不应过大，用量宜为胶凝材料总量的20%～30%；而在潮湿环境中的混凝土，可适当提高粉煤灰的用量，因为在潮湿环境条件下有利干粉煤灰活性的发挥，更易获得良好的应用效果。如在地下大体积混凝土中，粉煤灰的掺量可达30%～50%，在日本甚至己高达70%。正由于此项技术措施，使新拌混凝土可降温5～10℃，特别别是延缓“峰温”的出现，从而使混凝土的抗裂性大为改善。

6.粉煤灰掺合料对混凝土性能的影响

（1）对混凝土拌合物性能的影响

以粉煤灰取代部分水泥或骨料，一般都能在保持混凝土原有和易性的条件下减少用水量。粉煤灰愈细，球形颗粒含量愈高，其减水效果愈好。如果掺粉煤灰而不减少用水量，则可改善混凝土的和易性并能减少混凝土的泌水率，防止离析。因而粉煤灰掺合料更适合于压浆混凝土及泵送混凝土。

（2）对混凝土强度、耐久性的影响

以粉煤灰取代部分水泥时，混凝土的早期强度可能稍有降低，但后期强度则与基准混凝土相等或略高。粉煤灰的活性效果，即使龄期长达180d，活性效应可能仍未达到充分反应的程度。

使用优质粉煤灰取代部分水泥能减少混凝土的用水量，相应降低水胶比，因此能提高混凝土的密实性及抗渗性，并改善混凝土的抗化学侵蚀性。粉煤灰对混凝土的抗冻性略有不利影响，因此当对混凝土有特殊抗冻性要求时，应在掺粉煤灰的同时，适当加入引气剂。

使用优质粉煤灰的混凝土干缩不比基准混凝土 (不掺粉煤灰的混凝土) 大，而且对混凝土的弹性模量有所提高。但使用需水量大于基准的粉煤灰，则会增加混凝土的收缩，特别是混凝土的早期收缩。因此，对于需水量大的粉煤灰，应适当降低其掺量。

混凝土中掺用粉煤灰，不但能减少混凝土的水化热，而且对降低混凝土开裂具有良好的效果，易于施工振捣，特别在大体积混凝土工程中尤为明显。

在混凝土的表面层及薄型构件的收缩值中，还包括由于大气中CO2 的作用所引起的碳化收缩，它可达混凝土总收缩量的1/3。粉煤灰混凝土的碳化收缩往往大于普通水泥混凝土的碳化收缩。碳化收缩只是混凝土表面碳化层局部收缩，可是采用低质量的粉煤灰时，碳化收缩会较大地影响表面混凝土的质量。掺粉煤灰的混凝土碳化收缩比不掺粉煤灰的混凝土快，是造成按《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》标准检测混凝土结构实体强度低、误差大的主要原因之一，但如果浇筑后采取有效的养护措施，可减小碳化收缩。

二、粒化高炉矿渣粉

以粒化高炉矿渣为主要原料，可掺加少量石膏磨制成一定细度的粉体，称作粒化高炉矿渣粉，简称矿渣粉。

用干水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉，是铁矿石在冶炼过程中与石灰石等溶剂化合所得以硅铝酸钙为主要成分的熔融物，经急速遇水淬冷后形成的玻璃状颗粒物质，经粉磨工艺达到规定细度的产品。

粒化高炉矿渣粉具有潜在水硬性和良好的活性，但需磨细才能使潜在活性发挥出来，颗粒愈细，活性愈好。我国的磨细矿渣粉玻璃体含量一般在85%以上，因此活性比粉煤灰高，是优质的混凝土掺合料和水泥混合材。但是，在混凝土中应用矿渣粉时应注意，由于矿渣粉的保水性能远不及一些优质的粉煤灰和硅灰，一些级配不良的矿渣粉易出现泌水现象，因此，在配制低强度等级混凝土时不宜掺入太多的矿渣粉，而在配制高强度等级混凝土时可适当掺入矿渣粉。另外，据一些专家研究发现，随着矿渣粉掺量的增加，硬化水泥石的收缩也在增大，所以提出磨细矿渣粉的掺量不宜大于水泥用量的30%。

粒化高炉矿渣粉的活性与其化学成分有很大的关系。矿渣有碱性、酸性和中性之分。酸性矿渣的胶凝性差，而碱性矿渣的胶凝性好，其活性比中性和酸性高。

三、沸石粉

沸石粉是指以天然沸石岩为原料，经破碎、粉磨加工制成的粉状物料。密度为2100～2400kg/m3；松散堆积密度为700～800 kg/m3。

沸石粉颜色为白色。沸石是火山熔岩形成的一种架状结构的铝硅酸盐矿物。沸石粉含有一定量的活性二氧化硅和三氧化二硅，能与水泥的水化产物氢氧化钙作用，生成胶凝物质。沸石粉掺入混凝土中，能改善混凝土拌合物的和易性，宜用于泵送混凝土。能提高混凝土强度和抗渗性。

沸石粉一般有较好的填充性，能使硬化水泥石结构致密，这是它常常用于高强混凝土中的一个重要原因。但是，沸石粉的需水量较大，掺入混凝土中可能导致收缩的增加。因此，沸石粉的适宜掺量一般为水泥用量的10%～20%。

四、硅灰

硅灰，又叫硅微粉，也叫微硅粉或二氧化硅超细粉，一般情况下统称硅灰。

硅灰是在冶炼硅铁合金或工业硅时，通过烟道排出的硅蒸汽氧化后，经收尘器收集得到的以无定形二氧化硅为主要成分的产品。外观为灰色或灰白色粉末，其颗粒极其细微，根据氮吸附法测试的比表面积，在15000m2/kg 以上，平均粒径为0.1um，其细度和比表面积约为水泥的80～100倍；密度为2.2～2.5g/cms，松散密度为160～320kg/m3。

硅灰在形成过程中，因相变的过程中受表面张力的作用，形成了非结晶相无定形圆球状颗粒，且表面较为光滑，有些则是多个圆球颗粒粘在一起的团聚体。掺有硅灰的物料，微小的球状体可以起到润滑的作用。硅灰由于其超细特性和二氧化硅含量高(85%以上)，因此表现出显著的填充作用和火山灰活性材料特征，是高强高性能混凝土理想的掺合料。

硅灰在混凝土中的商业应用，已有近30年时间。世界许多国家和地区都在应用硅灰，如挪威、丹麦、加拿大、法国、美国、日本、澳大利亚等。由于掺硅灰可显著提高混凝土的强度和耐久性，因此在高强高性能混凝土中被普遍应用。掺硅灰的混凝土具有良好的抗氯离子渗透性能，适用于暴露在氯污染环境的混凝土。掺用硅灰能改善混凝土拌合物的粘附性能和硬化性能，提高混凝土的密实性、稳定性和早期性能等，是喷射混凝土和自密实混凝土的优质掺合料。硅灰已成为多种混凝土的必要组成成分

1.硅灰的作用

硅灰能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体。在水泥基的混凝土、砂浆与耐火材料浇注料中，掺入适量的硅灰，可起到如下作用：

（1）显著提高抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能。

（2）具有保水、防止离析、泌水、大幅降低混凝土泵送阻力的作用。

（3）显著延长混凝土的使用寿命。特别是在氯盐污染侵蚀、硫酸盐侵蚀、高湿度等恶劣环境下，可使混凝土的耐久性提高一倍甚至数倍。

（4）大幅度降低喷射混凝土和浇注料的落地灰，提高单次喷层厚度。

（5）是高强混凝土的必要要成分，已有C150 混凝土的工程应用。

（6）具有约5倍水泥的功效，在混凝土中应用可降低成本，提高耐久性。

（7）有效防止发生混凝土碱骨料反应。

2.使用方法及注意事项

硅灰的使用受到一定条件的限制，并不适用所有的场合，如果应用不当将得不到特有的效果。

（1）混凝土掺入硅灰时有一定坍落度损失。这点需在进行配合比设计、生产和施工时加以注意。

（2）混凝土掺硅灰宜同时与高效减水剂使用，并复掺粉煤灰和磨细矿渣粉，混凝土性能可以得到更好的改善。且水胶比不宜过大，一般情况下，水胶比小于0.4 掺用硅灰才具有技术经济意义。

（3）掺用硅灰的混凝土应适当延长搅拌时间，使硅灰能均匀分散在混凝土中，从而达到预期的效果。切忌将硅灰加入已拌和的混凝土中。

（4）硅灰混凝土与普通混凝土的施工方法并无重大区别，但硅灰混凝土早强的性能会使终凝时间提前，在抹面时应加注意；同时掺加硅灰会提高混凝土的黏滞性和大幅度减少泌水，使抹面稍显困难。

（5）硅灰混凝土施工安全应严格按照混凝土工程的有关国家施工规范进行操作，但因硅灰较轻，严禁高空抛洒材料，防止硅灰飞扬。

（6）由于硅灰的颗粒极其细微，具有非常大的比表面积，需水量较大，且掺用硅灰的混凝土随着硅灰掺量的增加坍落度损失和黏性越大，可泵性越差，因此不宜在混凝土中大量掺用硅灰。一般合适的掺量为取代水泥质量的5%～10%。

（7）掺用硅灰的混凝土对塑性收缩裂缝很敏感，因此，应加强对混凝土结构的保湿养护，养护时间应不少于14天。如果掺硅灰的混凝土得不到适当保湿养护，很难得到硅灰带给混凝土的优点。

（8）由于硅灰密度较轻，施工时混凝土不宜过度振捣，也不宜过多收面。否则，将引起其颗粒上浮于混凝土表面，不仅影响硅灰的效果，而且将增加混凝土表面的塑性收缩裂缝。

五、矿物掺合料技术要求

用于混凝土中的矿物掺合料可包括粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、沸石粉、钢渣粉、磷渣粉等。可采用两种或两种以上的矿物掺合料按一定比例混合使用。粉煤灰应符合现行国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596的有关规定，粒化高炉矿渣粉应符合现行国家标准《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》GB/T18046的有关规走，钢渣粉应符合现行国家标准《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》GB/T 20491的有关规定，其他矿物掺合料应符合相关现行国家标准的规定并满足混凝土性能要求。矿物掺合料的放射性应符合现行国家标准《建筑材料放射性核素限量》GB 6566的有关规定。