混凝土矿物外加剂作用机理及关键技术

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摘要：矿物外加剂为当今世界公认的生态环境胶凝材料。本文对几种常见的矿物外加剂进行了综合研究与应用进展分析，阐述了矿物外加剂改善混凝土力学行为、流变性及耐久性的作用机理，并根据其作用机理对矿物外加剂生产关键技术及应用技术进行了解析，并展望了矿物外加剂的发展趋势。 矿物外加剂是废渣资源化的生态环境胶凝材料，是国家重点引导推广生产和使用的生态建筑材料，并且已制定了产品技术标准。 矿物外加剂分为：矿渣微粉、粉煤灰微粉、沸石微粉、硅灰及其它天然矿物或人造矿物材料。 矿物外加剂作为生态环境辅助胶凝材料主要用途如下： (1)水泥特殊混合材；(2)建筑砂浆辅助胶凝材料；(3)混凝土辅助胶凝材料；(4)建筑功能外加剂。

1 矿物外加剂研究与应用

1.1 我国矿物外加剂的发展

我国矿物外加剂的发展经历了以下三个阶段：

(1)初级阶段-- 掺合料

20世纪70年代初～80年代中为矿物外加剂的初级阶段，该阶段矿物外加剂标志性成就是粉煤灰作为掺合料用于预拌混凝土，粉煤灰超量替代水泥，比例为10%～25%，其主要作用效果是改善泵送混凝土的流变性，降低混凝土成本。 (

2)成熟阶段-- 矿物外加剂

20 世纪80 年代中～90 年代末，矿物外加剂发展进入了成熟阶段，其标志性成就有：a ）硅灰作为矿物外加剂配制高强、超高强混凝土，掺量为水泥的5%～15%；b)矿渣微粉作为矿物外加剂等量替代水泥20%～60%，配制高强、超高强大流动度，高耐久性混凝土。 上述矿物外加剂的作用效果为：改善混凝土力学性能；改善混凝土流变性；改善混凝土耐久性。

(3)创新阶段-- 特殊功能矿物外加剂

进入21 世纪,矿物外加剂进入了创新发展阶段，其标志性成就是特殊功能矿物外加剂作为混凝土第六组分，赋予混凝土特殊功能，配制出多功能的混凝土；如建筑保温功能混凝土、环境调湿功能混凝土、环境吸波混凝土、电磁波屏蔽混凝土等。其功能特征是环境生态型建筑材料，产品科技含量高。

1.2 我国矿物外加剂生产与应用技术发展

1998 年上海市颁布了国内第一个矿渣微粉地方标准《砂浆、混凝土用粒化矿渣微粉》，1999年国家标准《砂浆、混凝土用粒化高炉矿渣微粉》颁布，2000年国内第一个矿渣微粉应用技术规程《高炉矿渣微粉应用技术规程》( 上海市地方标准) 颁布；2002年国家标准《高强、高性能混凝土用矿物外加剂》颁布，该标准正式将矿渣微粉命名为“矿物外加剂”纳入混凝土第六组分。国家标准的制定并实施标志着矿物外加剂技术进入了成熟的应用阶段，是国家引导的发展产业。2000年度由混凝土材料研究国家重点实验室(同济大学)研究开发的“高性能混凝土复合掺合料”获得国家科技部、国家建设部等五部颁发的国家重点新产品证书，列入国家重点新产品推广计划。近年来，国内许多大专院校、科研单位、大型钢铁和建材建工企业开始并重视混凝土材料研究。近年根据建设工程的需求，开发了许多高性能材料；如高性能海工混凝土用矿物外加剂和道路混凝土用矿物外加剂。

目前国内工业化生产的矿物外加剂种类有：矿渣微粉、粉煤灰微粉、沸石微粉、硅灰及上述种类复合矿物外加剂，其中矿渣微粉和粉煤灰微粉的生产应用比较广泛，截止2004 年10 月底国内正式投产或在建大型专业生产企业有17家之多，大多为60 万吨矿渣微粉生产线，目前国内排名前10 位的钢铁企业均建设了矿渣微粉生产线。矿物外加剂在商品混凝土比较发达的大、中型城市及其周边地区已得到广泛的应用。目前国家有关部门已发文在全国范围推广应用商品混凝土，将使矿物外加剂具有广泛市场前景。纵观国内生产状况，生产厂家由于技术或设备的局限性，所生产的矿物外加剂品种比较有限，且产品的品质规格多为低档品，尚不能满足建设工程配制高性能混凝土的需求。目前，国内建设工程对高品质的矿物外加剂已有相当数量的需求。

1.3　功能型矿物外加剂

功能矿物外加剂的研究目前是热点。如生态混凝土、仿生自愈合混凝土、自诊断机敏混凝土、电磁生态环境混凝土、压电混凝土。国内许多科研院所、高校亦开展了功能矿物外加剂的研究。功能矿物外加剂的研究具有多学科交叉的特点，产品科技含量比较高，主要立足于环境友好、环境协调、环境保护，即围绕生态环境材料主题展开研究，具有品种多样化、功能多元化的特点，产品的经济附加值提高。但功能型矿物外加剂大多处在实验室研究或小范围 应用阶段。

2 　矿物外加剂特性与作用机理

2.1　矿物外加剂改善硬化混凝土力学行为机理

2.2.1　复合胶凝效应

矿物外加剂是根据复合胶凝效应原理，遴选不同种类胶凝特性互补的矿物组成矿物外加剂复合体系。复合胶凝效应包括三方面作用：诱导激活效应、表面微晶化效应和界面耦合效应。

诱导激活效应

诱导激活是介稳态复合相在水化过程中相互诱导对方能态跃过反应势垒，使介稳态体系活化，使水化动力学加速。诱导激活是介稳相离子基团和分子的化学复合作用。以介稳态非典型玻璃相复合体系为例。高钙类玻璃相( 如：矿渣)与高铝中硅玻璃相(如：粉煤灰)复合体系水化液相主要离子为Ca2+、A10+ 和Si044+，当存在S042+时，则形成AFt，AFt 是良好的胶凝产物，具有稳定性好，溶度积小等特点。它的形成将消耗液相中的Ca2+ 和A10+，溶液中Ca2+ 浓度降低，促使高钙玻璃相水解反应继续进行，A102+浓度降低则促进了高铝中硅玻璃相水解。两类玻璃相水化液相离子互补，使AFt 形成反应不断加速，同时也加速了高钙玻璃相网络配位离子Ca2+ 和高铝中硅玻璃相网络离子A13+ 被持续萃取。上述过程循环反复，使玻璃相失去稳定性，活性提高，使非典型玻璃相被相互诱导激活。

表面微晶化效应

介稳态复合体系在水化过程中若不存在外界干扰，系统中的水化产物只能借助热力学起伏在某局部区域出现，即新相只能通过成核才能形成，当有另一复合相存在时，其微晶核作用降低了成核势垒，产生非均匀成核使水化产物在另一复合相表面沉淀析出，加速了水化过程。