商品混凝土应用掺合料、外加剂配料的研究与注意事项

　　摘要：商品混凝土应用掺合料、外加剂配料是现实要求和科学发展的趋势。掺合料主要有粉煤灰、矿渣粉、硅粉等，外加剂主要有泵送剂、减水剂、膨胀剂、早强剂、防冻剂等。本文主要研究常用掺合料、外加剂的性能作用、配料掺量及注意事项。

 

　　关键词：商品混凝土；掺合料；外加剂；配料；研究

 

　　一、掺合料的种类与性能

 

　　常用的掺合料（将外加剂区别另述）有粉煤灰、矿渣粉，此外还有沸石粉、硅灰、钢纤维、化学纤维等。活性掺合料在混凝土中的作用是（1）提高混凝土的密实度，提高抗冻、抗渗性能；（2）增加混凝土的含灰量，提高流动性，可作泵送混凝土；（3）配制高强度、高性能混凝土。现将商品混凝土常用的两种掺合料介绍如下：

 

　　1、粉煤灰

 

　　煤粉在炉膛中呈悬浮状态燃烧，燃煤中的绝大部分可燃物都能在炉内烧尽，而煤粉中的不燃物（主要为灰分）大量混杂在高温烟气中。这些不燃物因受到高温作用而部分熔融，同时由于其表面张力的作用，形成了大量细小的球形颗粒，排出后则成为粉煤灰。它是一种火山灰质工业废料活性掺合料，是燃煤电厂的主要固体废物，其颗粒多数呈球形，表面比较光滑，紧密堆积密度为1590~2400kg/m^３,松散堆积密度为550~800kg/m^３.

 

　　根据国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-2005）中的规定，按产生粉煤灰的煤种不同，可以分为F类粉煤灰和C类粉煤灰两种：由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰称为F类粉煤灰，F类粉煤灰是低钙灰；由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰称为C类粉煤灰，C类粉煤灰是高钙灰，其氧化钙含量一般大于10%.用于拌制混凝土和砂浆用粉煤灰，可分I级、Ⅱ级、Ⅲ级三个等级，技术要求见表1.

 

 

　　大部分火电厂的粉煤灰能满足指标，能用于混凝土的配制，但进料要按规定检验，与所需等级相符。

 

　　混凝土中掺加粉煤灰的作用是节约了水泥和细骨料；减少了用水量；改善了混凝土拌和物的和易性；增强混凝土的可泵性；减少了混凝土的徐变；减少水化热、热能膨胀性；提高混凝土抗渗能力；增加混凝土的修饰性。粉煤灰混凝土是今后应当重点推广和研究的新型环保型建筑材料。

 

　　2、矿渣粉

 

　　粒化高炉矿渣粉（简称矿渣粉、矿粉）是将符合国家标准规定的粒化高炉矿渣（简称矿渣）经干燥、粉磨（或添加少量石膏一起粉磨）达到相当细度且符合活性指数要求的粉体。矿渣将钢铁企业使用高炉冶炼生铁时产生的熔融态炉渣经过急冷得到的、由于来不及结晶而大部分形成玻璃态的物质，主要组分为硅铝酸钙，具有较高的潜在活性。

 

　　矿渣以前一直作为一种工业副产品（废渣）使用，主要用于水泥生产中的活性混合材，与水泥熟料共同粉磨制备矿渣水泥、复合水泥等。由于矿渣的易磨性比水泥熟料差，两者共同粉磨时，矿渣比水泥熟料颗粒粗得多，比表面积约300m²/kg,矿渣活性并未得到充分发挥。为了使水泥中的矿渣活性得到充分发挥，可将矿渣、水泥熟料分别粉磨至一定细度后，再进行混合制成水泥。

 

　　2000年国家标准《用于水泥和混凝土的粒化高炉矿渣粉》（GB18046-2000）颁布实施，2008年改版为《用于水泥和混凝土的粒化高炉矿渣粉》（GBl8046-2008）。2002年国家标准《高强高性能混凝土用矿物外加剂》（GB/T18736-2002）颁布，在该标准中正式将矿渣微粉命名为“矿物外加剂”纳入混凝土第六组分，比表面积400㎡/kg以上。矿粉作为一个独立的产品出现在建筑市场，广泛应用于商品混凝土中。矿粉等量取代部分水泥掺入混凝土中，可改善混凝土的工作性、延缓凝结时间、提高强度、改善耐久性。矿粉是配制高性能混凝土的理想材料。大型粒磨矿渣技术在我国的迅速发展，矿粉的应用逐渐成熟，并被广泛接受和使用。矿粉分三级别：S105、S95、S75级，或I、Ⅱ、Ⅲ级。

 

　　技术要求：（略，两个标准中代号与参数略有不同，可分别采用，详见上述相关标准）

 

　　随着混凝土技术的发展，对混凝土的耐久性越来越重视，而配制耐久性混凝土的途径有：掺加矿物掺合料、掺加引气剂等等。矿粉的大量应用，改变了以往仅以粉煤灰为主要掺合料的局面。随着矿粉研究和应用的不断深入，混凝土的性能质量将逐步提高。同时，矿粉的应用，可以克服仅掺粉煤灰时取代水泥量有限的弱点，可以进一步降低水泥用量，不仅可以减少水化热、增加强度、改善耐久性，而且能够降低生产成本、节约能源、保护环境，实现商品混凝土可持续发展。

 

　　二、外加剂的种类与性能

 

　　常用的外加剂有泵送剂（减水剂、缓凝剂、早强剂、防冻剂、引气剂等复配水剂）、膨胀剂（粉）、早强剂（粉）、防冻剂（粉），此外还有速凝剂、阻锈剂、减缩剂、碱一集料膨胀抑制剂等。现将商品混凝土常用的四种介绍如下：

 

　　1、泵送剂（复配水剂）

 

　　一般泵送剂有下列组分：以减水剂为主的塑化组分，引气组分，缓凝组分，粘聚保水及其他功能组分，如早强、防冻组分等。减水剂以萘系较常用，聚羧酸系发展较快。减水剂大多是有机物且为表面活性物质，主要起分散、塑化和润湿作用。泵送剂的应用，明显提高了混凝土拌合物的和易性，对凝结时间、泌水率、含气量等性能的影响，均与泵送剂的种类与掺量有关。掺量可参考供货厂家的推荐值，再依据试验调整。选择泵送剂时要先检验泵送剂与水泥、粉煤灰、矿粉等胶凝材料的相容性、适应性，不适应的不能使用。可另选或调配后再试。具体按《水泥与减水剂相容性试验方法》（JC/T1083-2008）操作。

 

　　2、膨胀剂（粉剂）

 

　　水泥凝结硬化过程中能使混凝土产生可控膨胀、减少收缩的外加剂称为膨胀剂（除本身产生膨胀外，又与混凝土某些组分反应产生膨胀）。主要有硫铝酸钙类、氧化钙类和其他类复合类。膨胀剂在诸多外加剂中有着突出的地位，尤其对混凝土结构自防水和补偿收缩等方面，已成为较理想的材料。现行的行业标准《混凝土膨胀剂》JC476-2001即将升级为国家标准，并将于2009年内颁布实施。

 

　　3、早强剂（粉剂）

 

　　早强剂按其功能可分为早强剂、早强减水剂、早强剂高效减水剂。早强剂主要是提高混凝土早期强度，不具减水功能，对后期强度影响不大；早强减水剂，具有提高混凝土早期强度和减水功能，对后期强度和耐久性有所提高；早强剂高效减水剂，能显著提高混凝土早期强度与耐久性。掺量可依供货厂家的推荐值，再依据试验调整。

 

　　4、防冻剂（粉剂）

 

　　大部分防冻剂都是采用复合型的，单一组分的防冻剂极少。防冻剂能降低体系冰点、促凝早强、减少用水量起到增强和防冻效果、引气减少冻胀应力。防冻剂的掺量一般为3-5%。[Page]

 

　　三、应用掺合料、外加剂配合比要点研究与注意事项

 

　　（一）、普通混凝土配合比设计执行国家行业标准《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）以及相关的地方标准。若工地需要砂浆，执行国家行业标准《砌筑砂浆配合比设计规程》（JGJ98-2000）。基于商品混凝土泵送方式居多，各工地路途远近不同，出站坍落度比实际浇筑要大，站内取样留置试块强度偏低；施工人员偏好坍落度≥160mm的大流动度混凝土，水灰比波动较大等特点，建议采用以下配制强度，生产、施工质量水平较高的按实际标准差配制。

 

 

　　（二）、高强混凝土的配制

 

　　高强混凝土的概念并没有一个确切的定义，在不同时期高强混凝土的含义是不同的，呈增加的趋势。从我国目前平均的设计和施工技术实际出发，将强度在30Mpa以下的混凝土称为低强混凝土，强度在30-45Mpa之间的混凝土称为中强混凝土，强度在50Mpa以上的混凝土称为高强混凝土，也有将强度在62-83Mpa的混凝土称为高强混凝土，强度在83-103Mpa的混凝土称为超高强混凝土，最高可达130Mpa.根据《普通混凝土配合比设计规程》定义：强度等级为C60及其以上的混凝土，称为高强混凝土。其中规定：“配制高强混凝土时应掺用高效减水剂或缓凝高效减水剂”,“配制高强混凝土时应掺用活性较好的矿物掺合料，且宜复合使用矿物掺合料”,“配制高强混凝土所用砂率，所采用的外加剂和矿物掺合料的品种、掺量应通过试验确定”,“高强混凝土的水泥用量不应大于550kg/m^?;水泥和矿物掺合料的总量不应大于600kg/m^?”（其他注意事项参见本规程）。

 

　　根据国内外大量试验表明：如果混凝土中掺加水泥过多，对混凝土强度增长的作用并不显著，还使其产生大量的水化热和较大的温度应力，使混凝土产生较大的收缩，导致开裂。配制高强混凝土的水泥用量因适宜，不能将增加水泥用量作为提高混凝土强度的唯一途径，可通过掺加硅粉、粉煤灰、矿粉等矿物料来实现。

 

　　（三）、可掺粉煤灰的情形

 

　　总体而言，配制泵送混凝土、大体积混凝土、抗渗结构混凝土、抗硫酸盐和抗软水侵蚀混凝土、蒸养混凝土、轻集料混凝土、地下工程混凝土、水下工程混凝土、压浆混凝土及碾压混凝土等宜掺用粉煤灰。各等级粉煤灰的适用范围如下：

 

　　I级粉煤灰适用于钢筋混凝土和跨度小于6m的预应力混凝土。

 

　　Ⅱ级粉煤灰适用于钢筋混凝土和无筋混凝土。

 

　　Ⅲ级粉煤灰主要用于无筋混凝土。对设计强度等级为C30及以上的无筋粉煤灰混凝土，宜采用I、Ⅱ级粉煤灰。

 

　　用于预应力混凝土、钢筋混凝土及对设计强度等级为C30及以上的无筋混凝土的粉煤灰，如经试验论证，可采用比上述规定低一级的级粉煤灰。

 

　　根据各类工程和各种施工条件的不同，粉煤灰可与各类外加剂同时使用。外加剂的适应性和合理性须由试验确定。

 

　　粉煤灰用于下列混凝土时，应注意：

 

　　A、粉煤灰用于要求高抗冻性的混凝土时，必须掺用引气剂。

 

　　B、粉煤灰混凝土在低温条件下施工时，宜掺入对粉煤灰混凝土无害的早强剂或防冻剂，并采取适当的保温措施，如覆盖麻袋。

 

　　C、用于早期脱模、提前负荷的粉煤灰混凝土，宜掺用高效减水剂、早强剂等外加剂。

 

　　D、掺有粉煤灰的钢筋混凝土，对含有氯盐外加剂的限制，应符合现行国家标准《混凝土外加剂应用技术规范》的有关规定。

 

　　粉煤灰内掺等量取代水泥最大掺量见表3,内掺超量系数见表4.

 

 

　　单掺粉煤灰（Ⅱ级）时，内掺时采用超量取代法，掺量经验值不超过80kg/m³,高标号混凝土要单掺粉煤灰时，以I级为主，采用超量取代法或等量取代法，但均要通过试验调整确定。

 

　　粉煤灰混凝土配合比设计中因粉煤灰比水泥密度小又超量取代，计算时应采用体积法调整1m³混凝土的砂石用量，试配或取样时装模实测换算出单方重量，应在2350~2450kg/m³范围（轻、重骨料混凝土除外）。

 

　　（四）、可掺矿粉的情形

 

　　我国矿粉的生产和应用起始于1996年，从起初的大体积混凝土、大流动度混凝土以及海工工程、水利工程，发展到目前应用于高性能混凝土乃至于普通混凝土。各种混凝土结构几乎都使用矿粉。

 

　　有适用的粉煤灰时，优先掺粉煤灰。在缺少适用的粉煤灰时，可单掺矿粉或与粉煤灰、硅粉复掺。掺粉煤灰、矿粉会降低早期强度，掺粉煤灰28d强度增长慢，可按60d、90d龄期计，掺矿粉28d可达到或超过要求的强度。粉煤灰在降低水化热方面效果比矿粉好，且粉煤灰更经济，超量取代还可增加胶凝材料总量，改善混凝土的工作性。[Page]

 

　　单掺矿粉配合比计算可采用重量法或体积法。

 

　　单掺矿粉时的掺量范围：

 

 

　　矿粉用于商品混凝土时，应注意：

 

　　（1）控制矿粉的细度

 

　　（2）保证养护到位

 

　　（3）调整凝结时间

 

　　（4）调整用水量

 

　　（五）粉煤灰与矿粉复掺的情形

 

　　（1）矿粉与I级粉煤灰复合掺加：

 

　　两种材料的火山灰效应、形态效应和微集料效应相互叠加，形成“工作性能互补效应”和“强度互补效应”,使混凝土具有良好的抗渗性和可泵性。

 

　　1）混凝土“工作性能互补效应”

 

　　对新拌混凝土，发挥粉煤灰的“形态效应”.粉煤灰中富含的球状玻璃体对浆体起到“润滑作用”,增加拌合物的流动性，减小泵送阻力，改善由于矿粉的掺入所导致的混凝土拌合物粘聚性，使新拌混凝土得到最佳的流动性和粘聚性。

 

　　2）粉煤灰等量取代水泥时，28d强度基本都比不掺混凝土强度低，而矿粉在合适的掺量下会使混凝土的28d强度稍有提高，因此，二者有较好的“强度互补效应”.二者复合使用还可兼顾混凝土早期强度与后期强度，早期发挥矿粉的火山灰效应，改善浆体和集料的界面结构，弥补由于粉煤灰的火山灰效应滞后于水泥熟料水化，而使得火山灰反应生成物和水泥水化生成的胶凝数量不足，导致与未反应的粉煤灰之间界面粘结不牢引起的早期强度损失；后期发挥I级粉煤灰的火山灰效应所带来的孔径细化作用以及未反应的粉煤灰颗粒的“内核作用”,使混凝土后期强度持续得到提高。

 

　　矿粉与I级粉煤灰复合使用应是最佳组合。粉煤灰可掺20%以内，矿粉可掺加40%以内，它们之间的比例可以根据不同强度等级，不同技术要求进行调整。由于细度达到400㎡/kg以上的矿粉会增加预拌混凝土粘度，因此它有利于低强度等级混凝土而不利于高强度等级混凝土的配制。配制高强度等级混凝土时需要矿粉与可以降低预拌混凝土粘度的优质I级粉煤灰复合使用。[Page]

 

　　（2）矿粉与Ⅱ级粉煤灰复合掺加：

 

　　矿粉与Ⅱ级粉煤灰复合使用时，粉煤灰的取代量宜在15%以内，矿粉掺加量宜在30%以内。由于Ⅱ级粉煤灰比I级粉煤灰供应量充足，因此在商品混凝土搅拌站使用较多。但Ⅱ级粉煤灰的质量稳定性较差，给配制混凝土带来很多不便。矿粉的质量稳定性远大于Ⅱ级粉煤灰，给配制混凝土带来很好的条件，只要通过试验找出合适的比例及掺量，就可以配制出和易性好而成本又无明显增加混凝土。在条件允许的情况下，应多掺矿粉少掺Ⅱ级粉煤灰，以降低Ⅱ级粉煤灰质量波动给混凝土带来的不利影响，复掺时总取代量不宜超过50%.试验资料表明，当矿粉与Ⅱ级粉煤灰复合总取代水泥40%,二者比例为1:2时，水泥基料最致密，表现为强度最高。另外，由于Ⅱ级粉煤灰和矿粉同样具有增加混凝土粘度的趋势，因此不宜配制高强混凝土。

 

　　（六）粉煤灰或矿粉与硅粉复掺的情形

 

　　C60一C100掺硅粉高强混凝土的配制。由于超细矿渣粉和硅粉的复合使用，其强度来源从内部组成看，第一部分由水泥水化形成的C－S－H凝胶产生，第二部分是超细矿渣粉产生的微粉填充叠加效应，使硬化砂浆结构更加致密，提高了混凝土强度，第三部分是由于硅粉填充到水泥水化后的孔隙和矿粉没有填充到的部位，产生硅微粉微集料填充效应，使混凝土的强度大大提高。其强度计算公式即现代混凝土强度理论计算公式（城建XS公式）如下：f_cu.p=f=δ_f×u×m,式中，δ_f-混凝土中硬化砂浆理论强度，u-胶凝材料强度贡献率，m-混凝土中硬化砂浆的密实度。这里给出一个配比例子：水泥用量450㎏，矿粉用量100㎏，硅粉用量50㎏。

 

　　四、此外，列举下列情况进行研究分析：

 

　　1、按施工部位不同

 

　　1）、道路路面：要求耐磨时要少掺粉煤灰和矿粉，尤其是早期养护不足时。按抗折强度配制时一般抗压强度较高，多用胶凝材料，有适量掺加粉煤灰或矿粉的先例。

 

　　2）、柱子：高温天气保湿养护不好时少掺矿粉。

 

　　3）、大体积承台、底板：为减少水化热温度和预防温差裂缝，要多掺粉煤灰和矿粉，可单掺或双掺。粉煤灰降低水化热的效力大于矿粉，双掺时介于二者之间。单掺矿粉时必须达到足够的用量（>40%）才能有效降低水化热和混凝土温升。

 

　　4）、抗渗、抗裂砼（补偿收缩砼）屋面、底板、剪力墙：抗裂砼（补偿收缩砼）掺加膨胀剂的量一定要保证设定的膨胀率和干缩率，仅保证抗渗是不够的，还要有14天以上的保温保湿养护。有膨胀剂掺加的情况下，粉煤灰取代/掺量不超过20%为宜。行业标准《补偿收缩混凝土应用技术规程》（JGJ/T178-2009）已颁布，将于2009、12、1实施。

 

　　5）、水下灌注桩：要求大流动度和粘聚性，配制强度要高些，多一些胶凝材料，至少高一个等级，要早强的话，少掺或不掺矿粉，骨料为5－20mm.

 

　　6）、混凝土枕板：抗震性、密实度、耐久性等要求高，使用聚羧酸系减水剂效果好。

 

　　7）、桥梁、墩柱：要求较高的强度保证系数，耐久性，尤其海水环境，要充分发挥掺合料的作用，大体积构件还要减少水泥用量。

 

　　8）、钢管高强混凝土：超高层建筑使用钢管高强混凝土（或型钢高强混凝土），要求高性能，如大流动性自密实微膨胀，可单掺或复掺粉煤灰、矿粉、硅灰、膨胀剂等材料。

 

　　9）、细石混凝土（找平层、转换层）：使用细石骨料比常用的5－31.5mm骨料抗压强度会降低，甚至降一两个等级，要增加胶凝材料用量，可适量掺加粉煤灰和（或）矿粉。

 

　　10）、楼面：多为泵送，要求流动性好，可在标准、规范允许范围内适量掺加粉煤灰、矿粉。避免高温、风大时施工，至初凝时进行第二、三次压实抹面，并立即进行塑料薄膜或湿麻袋覆盖保湿，防止开裂。据专家研究测试，风速大于4.5m/s时，混凝土早期极易开裂。

 

　　2、按气候、地理不同

 

　　1）、夏秋季：气温较高时，水化反应较快，粉煤灰、矿粉可多掺，缓凝组分可增加。

 

　　2）、冬春季：气温较低时，水化反应较慢，粉煤灰-、矿粉可少掺，早强组分可增加。

 

　　3）、北方：北方冬季寒冷，常使用防冻剂和采取防冻保温措施。

 

　　4）、南方：南方冬季冰冻期短或者没有5摄氏度以下的天气，但也应有一定的防冻措施。

 

　　3、按施工方式不同

 

　　1）、直卸

 

　　直卸混凝土浇筑时坍落度可小些，只要能从搅拌车顺利放出，除满足路途坍落度损失之外，减水剂可适当少掺。此外，直卸混凝土可采用较小的砂率和具有较大粒径的粗骨料。

 

　　2）、泵送（汽车泵、拖泵）

 

　　泵送混凝土坍落度要大些，一般认为160±20mm较好，试配时要求的坍落度（出站坍落度）要考虑路途坍落度损失。泵送混凝土应掺用泵送剂或减水剂，并宜掺用粉煤灰或其他活性矿物掺合料。水泥和矿物掺合料的总量不宜小于300kg/ｍ³.所用碎石的最大粒径不大于输送管径的1/3）卵石的最大粒径不大于输送管径的1/2.5,并随泵送高度增加，石子最大粒径要相应减小，砂率可稍大，35%一45%（详见《普通混凝土配合比设计规程》）。

 

　　汽车泵进料斗格栅间距比很多拖泵的要宽，汽车泵75mm、拖泵50mm,所以汽车泵进料快，5－10分钟泵完一车料，而拖泵进料斗上易起堆，31.5mm石子不容易下去，需人工扒动，较适合20mm以下的骨料；若加大浇筑时坍落度，浆比石子流得快，易产生离析，后面石子多。建议拖泵进料斗格栅间距改成与汽车泵的一致。

 

　　3）、（塔吊）吊斗

 

　　吊斗浇筑一车预拌混凝土往往耗时1小时左右，慢的工地达到3－4小时，不仅因为一次只能吊约0.5－1立方，还因为采用吊斗浇筑的工程部位大多为柱子、薄壁墙、边角复杂结构、垫层等，费时费力，要求预拌混凝土坍落度经时损失小，流动性好，此时缓凝减水剂要适当多掺，出站坍落度稍大。

 

　　4）、皮带机、溜槽、串筒

 

　　坍落度、流动性介于直卸与泵送混凝土之间。

 

　　五、结语

 

　　现代混凝土技术的迅速发展使得掺合料、外加剂广泛应用，以满足现代施工技术和建筑要求，达到技术先进、经济合理、节能环保、高强性、防腐耐久等目的，促进了商品混凝土的发展。

 

　　由于各地原材料品质不同，套用混凝土配合比有很大危害，一定要经试验调整验证才能使用，并根据原材料变化情况试验调整。混凝土的配合比设计不同于结构设计，不是单纯的理论计算，属于试验型而非经验型学科的范畴。因为混凝土配合比牵涉到各个方面，既要满足施工和易性要求，又要保证混凝土硬化后的强度和耐久性。通过经验表格和经验公式算出初步计算配合比后，还需要进行试配调整，以满足施工和易性要求，并应进行强度试验。在满足上述性能的前提下，尽可能节约水泥，降低成本，节能环保。

 

　　商品混凝土企业高层要重视技术质量工作，配备充足试验人员、质检人员和服务人员，提高质量和服务，持续改进，客户满意。

 

　　施工企业要组织人员参加相关技术培训，防止商品混凝土因施工或（和）养护原因出现缺陷。如无特殊要求，需方不要指定商品混凝土原材料的厂家、品种，供需双方要加强沟通，做好技术交底，友好合作，共赢发展。