矿物掺合料对自密实混凝土工作性能影响研究综述

自密实混凝土（self-compactingconcrete,SCC）是一种具有高流态新拌性能的新型建筑材料，它的特征在于不需振捣就能够将密集钢筋包裹起来，并在模板中进行填充。日本东京大学的冈村甫在20世纪80年代首次提出“免振捣的耐久性混凝土”这一概念，由此开始了SCC研究。与一般的混凝土比较，在施工性能上，SCC能够显著地提高施工速度，降低工作成本，而且还能够避免混凝土蜂窝化的风险及因振捣而导致的混凝土质量事故。此外，SCC利用低水胶比，低温升压，以及丰富的矿物微粉，使其具有良好的耐久性能和抗离析性，因此，其开始应用于工程实践中。美国ASTMC09分会于2000年以来，相继制订并发布了有关自密实高性能砼的设计与使用规范。数据表明，在美国、日本、英国、德国、加拿大等发达地区的所有混凝土用量统计中，有30%～40%的用量为SCC。近年来，国内也开始采用SCC，如左岸左厂坝的引水工程、福建万松关隧道工程、浙江省电力调度大楼等，都获得了良好的社会效益、经济效益及技术应用前景。本文综述了矿物掺合料对SCC性能的影响，之后将各种矿物掺合料对SCC性能的影响进行了比较，并对其作用机制进行了剖析，以此为基础，以矿物掺合料在SCC性能中的研究应用为依据，对未来进行了展望。1SCC概述与普通混凝土相比，SCC中会掺加一种或多种矿物来改善其工作性能，很多学者也对其进行了评述和归纳。Devi等就粉煤灰、矿渣粉、硅灰、石灰石粉等对SCC的流变性能、强度及耐久性的影响进行了评述。马庆华等采用全计算法对粉煤灰、磨细钢渣粉、矿渣微粉和硅灰进行了SCC的配比设计。研究发现，按最优配合比例制备的C45混凝土，其导流系数有所下降，而SCC的抗渗性能则随着含沙量及胶凝材料量的减少有所提高。高德辉等以北京石景山地区原材料运用体积法对C30SCC进行了配比设计，并对外加剂的用量进行了实验研究，最后得到了符合工作特性的C30SCC的最佳配合比，为以后研制出符合工作特性的SCC指明了方向。Poppe等对封闭和未封闭两种情况下的SCC的徐变和收缩特性进行了分析。研究结果显示，水灰比、水胶比是影响徐变及收缩的重要因子，而掺合料细度对其徐变及收缩的作用不大。Esfandiari等就石灰-水泥粘结剂、硅灰（SF）、珍珠岩粉（PP）以及硅灰-珍珠岩粉（SF-PP）的掺合料对SCC的影响进行了试验，并对其在不同条件下的早期和力学性能影响进行了分析，研究发现，以10%的石灰粉代替水泥时，可使硅灰用量降到20%以内。将掺合料添加到SCC中，既可以提高其各项性能，又可以降低其造价，同时还可以有效缓解因生产过程产生的大量废料对环境的影响，从而达到可持续发展的目的。在大量的掺合料中，粉煤灰、矿渣粉、硅灰和石灰石等是最常见的，它们在SCC中具有共性特征，一是能够与水泥的水化产物发生二次水化，增加混凝土的长期强度，进而增强混凝土耐久性。二是未发生水化反应的掺合料能够与水泥颗粒互相充填，增加了其密实程度和耐蚀性。但由于掺合料种类的差异，其对混凝土各项性能的影响程度也不尽相同。2矿物掺合料在SCC中的作用机理SCC由于其较低的水胶比、大量的水泥用量以及大量的减水剂用量，干缩变形更加明显，开裂更加严重，严重威胁到其耐久性和建筑结构的安全性。在此基础上，利用矿物掺合料来减小SCC的收缩和裂缝等问题，具有十分重要的意义。根据矿物掺合料活性一般将其分为三类，一是自身有潜在活性，但是需要被激发后才会产生水合反应，比如矿渣粉末等；二是其自身没有或只有很弱的凝胶性，但可在常温下与氢氧化钙、水进行水化反应，形成凝胶性的水合产品，例如低钙粉煤灰、硅灰；三是既有火山灰化性又有凝胶性的材料。一般而言，矿物掺合料对SCC的作用机理表现为“形态效应”“减水效应”“体积效应”等。形态效应的例子有，具有球形形状的矿物粉末能更好地提高SCC的流动性；然而，某些矿质粉末（如粉煤灰、矿渣等）比水泥的密度小，用它们代替水泥，产生化学反应，会使同样质量的浆体体积增大，产生“体积效应”。如果在同样的条件下，矿物掺合料和水进行水化反应，水泥浆的水分含量将会下降，从而产生“减水效应”。3不同矿物掺合料对SCC工作性能的影响为提高SCC的工作特性，采用不同类型的矿物掺合料对其影响效果有较大差别，因此很有必要进行深入的研究。当前，有关SCC掺合料工作特性的探讨主要集中于粉煤灰、矿渣、硅灰、石灰石、稻壳灰、偏高岭土以及其他矿物掺合料（如钢渣和锂渣）。以下对各种矿物掺合料对SCC工作特性的影响进行评述。3.1粉煤灰粉煤灰是SCC中必不可少的组成成分，其对SCC具有良好的充填效果，可以有效地减少混凝土内部空隙，增强混凝土的抗渗性，减少混凝土的泌水离析风险。另外，加入粉煤灰和其他一些工业废弃物，可以实现环保的目的。林明新等的研究表明粉煤灰作为掺合料加入水泥中，对改善其流动性能有一定的作用。在20%的粉煤灰用量下，SCC具有最佳的流动性能。随着粉煤灰用量的增大，SCC的流动性能变化不大。粉煤灰掺合量大于40%时，由于粉煤灰的密度比水泥低，用其取代水泥，将会增大SCC的浆体用量，改善其粘结力，从而使得SCC更加致密、均匀。研究结果与赵奇才等通过研究发现当SCC粉煤灰掺量为20%～40%时，SCC的流变性能有所增强相一致。掺入粉煤灰可以改善SCC的流动性并延长凝结时间。其根本原因是粉煤灰是圆形的，所以在新拌的混凝土中起到滚珠效应，提高了流动性，并且由于其集合形状使其对自由水的表面面积变小，从而使其所能吸收的自由水更少。另外，由于水泥的密度比粉煤灰要大，在用粉煤灰等代替水泥来配制混凝土时，混凝土的浆体体积和浆体塑性会增加，还会降低混凝土的浆体粘度，从而增强SCC的抗离析性。3.2矿渣灰矿渣灰作用原理是发挥其体积效应，使得混合料中的不规则形态增多，让混合料中的颗粒间产生更多的摩擦，拌合料变得粗糙。但因其对SCC的增强作用不如粉煤灰，故单独掺加时需特别关注浆体泌水、离析及养护等方面的问题，而与粉煤灰一起掺加则更为有效。杨义等、刘清等研究了S75矿渣粉对SCC流动性能及抗压强度的影响，结果表明，在S75矿渣粉的含量为30%时，SCC的工作性能及强度均良好，但是，如果S75矿渣粉的含量高于某一比例，则会导致SCC产生泌水。3.3硅灰通常情况下，硅灰是一种需要大量水的物质，而硅灰的掺入会使混凝土的水用量增加。事实上，只要条件合适，加入减水剂，就能充分发挥其“滚珠”式的润滑效应，并发挥其潜在的物理减水效应。姚燕等研究了硅灰等矿物掺合料对混凝土流变性的影响，同时也证明，当水泥与硅灰构成复合胶凝材料时，不仅可以确保其和易性，而且还可以赋予其较好的强度。与粉煤灰相比，硅灰更大程度上减小了水泥石中的孔隙，对水泥具有更强的细化作用，可显著改善水泥石的抗冻性。通过大量的实验研究，能够将水泥中硅灰的用量控制在10%以下，以减小空隙率，进而提高其抗冻性能。3.4石灰石粉目前石灰石粉作为一种惰性物质，其在混凝土中的应用主要是基于微集料效应。最近的一些研究结果表明，石灰石粉有某种程度的水化作用。刘数华等研究表明，石灰石粉可与其他矿物外加剂（粉煤灰、矿粉、硅灰等）共同构成多元胶凝材料，可有效改善SCC的工作性能。胡红梅等的研究表明，采用低活性石灰石粉和高活性硅灰复合掺合料，二者具有良好的互补性，即石灰石粉提高自密实，硅灰强化，对高强SCC具有显著的促进作用。通过研究发现，采用25%～30%石粉和5%硅灰复掺，是一种行之有效的配制高强度SCC的方法。3.5偏高岭土偏高岭土是高岭土经高温煅烧脱水而成，其主要成分三氧化二铝和二氧化硅与水泥水化生成的氢氧化钙反应生成C-S-H等水化产物，在水泥水化的前期，它可以将活性发挥出来，这样在早期水化过程中，就会形成足够多的钙矾石针状晶体，从而导致凝聚结构形成。因此，它可将水泥的凝结时间相对缩短，从而提高水泥、混凝土的强度，既意味着它可用作混凝土的强度促进剂。杨大伟、何小芳等的研究也表明，偏高岭土取代一定比例的水泥后，可明显改善混凝土的强度，但使用偏高岭土会导致需水量增加来保持SCC的流动性，故在掺加偏高岭土的时候需要配合减水剂或其他掺合料使用。3.6稻壳灰稻壳灰是一种由农用副产品稻壳经高温燃烧后获得的粉末，由于其具有较大的比表面积，且其中还存在着大量的气孔，所以其具有较高的吸水率，能够在一定程度上提高SCC的粘性，降低泌水和离析；与此相对应的是，SCC的流动性将会降低，要想增加其流动性则还需要加入更多的高效减水剂。研究结果表明，稻壳灰对改善SCC的性能并不明显，但因其与硅灰的性能相类似，所以可以作为其替代品，通过复合掺合料来提高SCC的工作性能。3.7其他矿物掺合料除了上述几种常见矿物掺合料，铜渣和锂渣等也逐步被当做矿物掺合料添加到SCC中。Afshoon等使用铜渣代替5%～25%的水泥来制备SCC，结果表明SCC的工作性能得到了提高，并且没有堵塞的风险，与无铜渣对照组比较，其初、终凝时间都有所增加。陈剑雄等[24]在实验中发现，在锂渣含量低于15%时SCC流动性显著变高，但高于15%后，其流动性有所降低。4结语20世纪以来，