掺合料在混凝土中发挥着多重关键作用,主要通过物理填充、化学反应和性能优化来提升混凝土的综合性能,具体作用如下:
一、物理填充作用:改善密实度与微观结构
填充孔隙
原理:粉煤灰、矿渣粉等细颗粒掺合料可填充水泥颗粒间的孔隙,减少毛细孔数量,降低混凝土渗透性。
案例:掺入20%粉煤灰后,混凝土孔隙率从18%降至12%,抗渗等级提高至P8(原P6)。
数据:粉煤灰粒径(0.5-50μm)小于水泥颗粒(1-100μm),填充效率更高。
优化级配
二、化学反应作用:参与水化与强度发展
火山灰反应
原理:粉煤灰、硅灰等含活性SiO₂和Al₂O₃的掺合料,与水泥水化产物Ca(OH)₂反应生成C-S-H凝胶,提升后期强度。
反应式:SiO₂ + Ca(OH)₂ + H₂O → C-S-H凝胶
案例:掺入15%硅灰后,混凝土28天强度从45MPa提升至60MPa,90天强度增长30%。
数据:硅灰中SiO₂含量≥90%,反应活性是粉煤灰的3倍。
微晶核效应
三、性能优化作用:改善工作性与耐久性
减少水化热
原理:掺合料替代部分水泥,降低单位体积水泥用量,从而减少水化热。
案例:用20%粉煤灰替代水泥后,混凝土3天水化热从250kJ/kg降至180kJ/kg,降温阶段内外温差减少10℃。
数据:每替代10%水泥,水化热降低约15%-20%。
抑制收缩开裂
原理:膨胀剂(如钙矾石型)与水反应生成膨胀产物,补偿混凝土干燥收缩。
反应式:3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O(钙矾石)→ 体积膨胀
案例:掺入8%膨胀剂后,混凝土28天收缩率从0.03%降至0.015%,未出现贯穿裂缝。
数据:膨胀剂推荐掺量5%-8%,过量可能导致膨胀破坏。
提升抗渗性与抗腐蚀性
原理:掺合料反应生成的C-S-H凝胶填充孔隙,阻断水分和侵蚀性介质(如Cl⁻、SO₄²⁻)的渗透路径。
案例:掺入20%矿渣粉后,混凝土抗氯离子渗透性(电通量)从3000C降至1000C,耐久性提升3倍。
数据:矿渣粉中MgO含量≤5%,避免碱骨料反应风险。
四、经济性与环保性:降低成本与碳排放
节约水泥用量
减少CO₂排放
原理:每替代1吨水泥,可减少约0.8吨CO₂排放。
案例:某项目全年使用20万吨掺合料,相当于减少16万吨CO₂排放,助力碳中和目标。
数据:全球混凝土行业年碳排放约28亿吨,掺合料应用可降低10%-15%。
五、常用掺合料类型及适用场景
掺合料类型
主要成分
核心作用
适用场景
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粉煤灰 | SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃ | 火山灰反应、填充孔隙 | 大体积混凝土、结构工程 |
矿渣粉 | CaO、SiO₂、Al₂O₃ | 微晶核效应、早期强度提升 | 预制构件、道路工程 |
硅灰 | SiO₂(≥90%) | 高活性火山灰反应 | 高性能混凝土、海洋工程 |
膨胀剂 | 钙矾石、氧化钙 | 补偿收缩 | 补偿收缩混凝土、后张法预应力 |
石灰石粉 | CaCO₃ | 填充孔隙、微集料效应 | 普通混凝土、砂浆 |
六、应用注意事项
掺量控制:粉煤灰≤30%,矿渣粉≤50%,硅灰≤15%,膨胀剂5%-8%,过量可能影响工作性或强度。
质量检测:需检测掺合料细度(比表面积)、活性指数(28天强度比)、烧失量(粉煤灰≤8%)等指标。
复合使用:粉煤灰+矿渣粉复合掺入,可协同发挥填充与反应作用,提升综合性能。
配合比调整:掺入掺合料后需优化水胶比(通常降低0.02-0.05),以保持工作性与强度。
总结:掺合料的核心价值
掺合料通过物理填充、化学反应和性能优化,实现混凝土“低热、高强、耐久、经济、环保”的目标,是现代混凝土技术中不可或缺的组成部分。合理选用掺合料,可显著提升工程质量,降低全生命周期成本。