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当前混凝土的原材料(水泥、骨料、矿物)存在的问题

来源:微硅粉厂家-微硅粉价格     点击数:3319    日期:2018-09-12

(一)水泥

现在的水泥有以下四点特征:(1)早期强度高;(2)为保证水泥的高强与早强,水泥熟料被磨得更细,且其中的C3A、C3S含量偏高,水化热大;(3)由于上述两个原因,导致混凝土抗裂性能差,水泥的长期性能潜力变小、自愈合能力遭到削弱;(4)碱含量偏高,与外加剂的相容性问题突出。

越来越多的研究和工程实践表明,水泥具有良好的颗粒级配并且保留一定比例的粗颗粒水泥熟料是保证一般结构混凝土(某些特种混凝土除外)质量的重要条件,因此《高性能混凝土应用技术指南》指出:“硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的比表面积不宜大于350m2/kg。”

除了水泥熟料粉磨过细以外,水泥生产中混合材超掺、混合材成分不明的问题十分突出,这些因素都增加了混凝土质量控制难度和技术风险。因此,《高性能混凝土应用技术指南》鼓励使用较粗的P·I或P·II硅酸盐水泥,外掺优质矿物掺合料的胶凝材料配制高性能混凝土。

 

(二)细骨料

近年来,优质河砂资源逐渐枯竭,海砂、山砂、特细砂、再生骨料等地方资源被逐渐开发利用,机制砂将逐渐成为未来的主流。其中,海砂与机制砂的应用存在着一些不容忽视的问题。

(1)海砂的应用

在我国东部沿海地区,人口稠密,经济发达,工程建设量大,当河砂资源出现供给不足时,远距离运输河砂又会大大提高工程造价。与国外许多国家走过的路一样,在陆砂资源短缺的情况下,人们开始将注意力转向了当地砂源--海砂。因此,沿海地区开采利用海砂是经济发展的客观需要和历史发展的必然。然而,海砂应用既有成功的经验,也有惨痛的教训。误用或偷用海砂建成的“海砂屋”,短短几年就会出现混凝土开裂、钢筋锈蚀,甚至导致房屋倒塌,触目惊心。

海砂的合理与安全利用必须考虑到开采与应用两个方面。

1)开采方面——规划有序

海砂开采对海洋生态环境和地质环境存在影响。开采海砂,可能会破坏海洋生物群集中的各生物种类的栖息环境,破坏海底的生态环境,影响海水的盐度、pH值、O2含量、营养盐等;可能造成海域输砂量失衡、附近海域流场、波场改变,使得海岸受到侵蚀,国土流失;在近海大规模开采海砂,可能会引起近海地质环境的改变,甚至引起局部陆架的地质灾害。有的海砂矿产中含有大量的稀有金属元素,如可能含有锰、铜、镍、钴等多种元素,还可能是铁矿、钛铁石与锆石等珍贵矿产的赋存地。如果此类极具冶金价值的海砂用于建筑用砂,是极大的资源浪费。因此,海砂的开采应由国家国土资源部门详细勘探规划,有计划、有步骤地开采使用。盲目开采使用,后果十分严重。

2)应用方面——从严控制

海砂的应用应遵循从严控制原则。《海砂混凝土应用技术规范》JGJ206-2010中,“海砂混凝土”被定义为采用海砂全部或部分代替细骨料的混凝土,体现了从严控制的思想。

《海砂混凝土应用技术规范》JGJ206-2010中明确规定:用于配制混凝土的海砂应作净化处理,且海砂不得用于预应力混凝土。其中净化处理技术即为淡水冲洗。另外,还规定了配合比设计和生产过程中应检测海砂混凝土拌合物的水溶性氯离子含量。由于氯离子检测方法的不完善,中国建筑科学研究院组织编制了《混凝土中氯离子含量检测技术规程》JGJ/T322-2013。

有效的净化处理是安全使用海砂的关键前提。《高性能混凝土应用技术指南》中规定进一步规定海砂的水溶性氯离子含量不得大于0.025%,比现行行业标准《海砂混凝土应用技术规范》JGJ206-2010规定的0.03%更严。

(2)机制砂的应用

机制砂应用中一个突出的问题是“石粉”问题。机制砂的“石粉”含量并非越多越好,也并非越少越好。“石粉”含量的控制要求与MB值相关——MB值小,石粉含量可适当放宽。《高性能混凝土应用技术指南》规定:石粉含量不大于10%,MB值不大于1.2;石粉含量较高时,可将部分石粉计入胶凝材料用量设计配合比。

(三)粗骨料

《高性能混凝土应用技术指南》规定,对配制高性能混凝土的粗骨料各项指标要求如下:(1)针片状颗粒含量不大于10%,有利于改善粗骨料粒型和级配,增进高性能混凝土性能;(2)坚固性指标不大于8%,有利于骨料的耐久性能,进而保证高性能混凝土的耐久性能;(3)吸水率不大于2%,有利于控制混凝土拌合物性能,也有利于硬化混凝土性能;(4)松散堆积空隙率不大于45%,有利于粗骨料紧密堆积,对混凝土性能和节约胶凝材料和外加剂具有重要意义。

(四)矿物掺合料

传统掺合料如粉煤灰、矿渣粉日益紧俏,供需矛盾逐渐突出。因此,掺合料种类范围逐渐扩大,磷渣、钢渣、炉渣、钢铁渣粉逐渐走上历史舞台。天然火山灰、沸石、浮石、凝灰岩、石灰石粉、其他岩石粉等天然矿物材料以及超细矿渣粉、超细粉煤灰、微珠等矿物掺合料逐渐向深加工方向发展。矿物掺合料的复合化也逐渐成为掺合料技术发展的一个必然趋势。

(1)近年来粉煤灰应用中的突出问题

1)“真假粉煤灰”

按照现行的标准难以判定粉煤灰的纯度。表1为某地煅烧煤矸石粉按照现行粉煤灰标准的指标测试结果。由表可以看出,该煅烧煤矸石粉完全符合粉煤灰鉴定的指标要求。因此,根据现有标准,难以判断粉煤灰的纯度,甚至无法区分真假粉煤灰。

2)“脱硫灰”

采用循环流化床锅炉工艺可以高效燃烧高硫煤,为了减少SO2的排放,往往需要采取脱硫措施,产生的粉煤灰即CFB脱硫粉煤灰。它含有大量的硫化物或硫酸盐(如石膏等),不同于传统的粉煤灰。未经测试贸然用于混凝土,会造成严重的混凝土开裂和崩解现象。现行的粉煤灰标准虽有SO3含量限制,但对“脱硫灰”的检验判定缺乏针对性。

3)“脱硝灰”

为了减少燃煤过程中NOx的排放,需要在燃煤过程中进行“脱硝”处理,脱硝工艺不当可能会造成粉煤灰中残留一部分的NH4+,当粉煤灰与水泥搅拌时,遇到碱性环境就会释放出NH3(氨气),在混凝土塑性阶段产生大量气体。

4)“浮黑灰”

现代燃煤工艺中,为了提高燃煤效率或电厂的某些特殊操作要求,会在燃煤过程中添加柴油或者其他油性物质作为助燃剂,这些助燃剂不能完全燃烧,会在粉煤灰中存留油分。特别是粉煤灰经过分选后,收集的粉煤灰会含有更多的未燃尽油分,用于拌制混凝土,这些油分上浮,在混凝土中容易漂浮的黑色油状物。这种粉煤灰被称为“浮黑灰”,见图1。

 

5)矿物掺合料的深加工

粉煤灰的深加工一种方法就是通过粉磨达到超细化。粉磨后的超细粉煤灰的2000倍、10000倍SEM图见图2、图3。

由图4可以看出,超细粉煤灰的粒度分布主要集中在10μm左右,比表面积在700m2/kg左右。表2为超细粉煤灰(UFA)与I级粉煤灰标准要求的各项指标对比。发现需水量比并不提高,而活性指数大大提高,28d活性指数达到104%。

获得超细粉煤灰的另一种途径就是通过“选”:将某些燃煤锅炉工艺产生的很细的粉煤灰,通过物理手段进行分选,获得极细的那一部分,被称之为“微珠”。其微观形态和粒度分布见图5。陈乐雄等研究了微珠在混凝土中的应用。

微珠的球状形态及微粒径尺度,使其具有良好的减水、填充增强作用。明显改善混凝土或砂浆的流动度,并降低拌合物粘度,因此,在高强混凝土的超高层泵送总,微珠往往是一个重要的可选择技术手段。中建商品混凝土公司利用微珠配制高强混凝土,不同微珠掺量的新拌混凝土如图7、图8所示。

除超细粉煤灰以外,超细矿渣粉也是一种常用的矿物掺合料。其各项指标见表4。超细矿渣粉主要特点是能够提供较高的强度、特别是早期强度。

(2)矿物掺合料的复合化

优质矿物掺合料日益稀缺、低品质掺合料难以应用,复合掺合料性能优于单一掺合料且价格便宜,功能型(早强型、改善流动型)复合掺合料存在很大市场需求。矿物掺合料的复合化可以实现资源综合利用,解决掺合料供给问题;可以取长补短,发挥几种掺合料的协同作用(矿物掺合料具有超叠加效应);可以解决预应力构件对早期张拉强度的要求,解决大流态及自密实混凝土的技术需求。因此,复合化是掺合料技术发展的一个趋势。

《高性能混凝土应用技术指南》中规定,复合掺合料是指采用两种或两种以上的矿物原料,单独粉磨至规定的细度后再按一定的比例复合、或者两种及两种以上的矿物原料按一定的比例混合后粉磨达到规定细度,并符合规定活性指数的粉体材料。掺合料的复合并不是简单地两种或几种掺合料混合,还需要考虑以下几点问题:

1)考虑活性成分与惰性成分的搭配;

2)考虑微颗粒的级配分布;

3)考虑水化反应速度与产物(如凝胶类和结晶类)的匹配;

4)考虑化学激发作用;

5)考虑低品质与高品质资源的搭配利用。

《高性能混凝土应用技术指南》中规定的高性能混凝土用复合掺合料技术要求见表5。


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