混凝土礦物外加劑作用機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)

中國(guó)減水劑網(wǎng) · 2010-07-09 00:00 留言

  摘要:礦物外加劑為當(dāng)今世界公認(rèn)的生態(tài)環(huán)境膠凝材料。本文對(duì)幾種常見(jiàn)的礦物外加劑進(jìn)行了綜合研究與應(yīng)用進(jìn)展分析,闡述了礦物外加劑改善混凝土力學(xué)行為、流變性及耐久性的作用機(jī)理,并根據(jù)其作用機(jī)理對(duì)礦物外加劑生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了解析,并展望了礦物外加劑的發(fā)展趨勢(shì)。 礦物外加劑是廢渣資源化的生態(tài)環(huán)境膠凝材料,是國(guó)家重點(diǎn)引導(dǎo)推廣生產(chǎn)和使用的生態(tài)建筑材料,并且已制定了產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 礦物外加劑分為:礦渣微粉、粉煤灰微粉、沸石微粉、硅灰及其它天然礦物或人造礦物材料。 礦物外加劑作為生態(tài)環(huán)境輔助膠凝材料主要用途如下: (1)水泥特殊混合材;(2)建筑砂漿輔助膠凝材料;(3)混凝土輔助膠凝材料;(4)建筑功能外加劑。

  1 礦物外加劑研究與應(yīng)用

  1.1 我國(guó)礦物外加劑的發(fā)展

  我國(guó)礦物外加劑的發(fā)展經(jīng)歷了以下三個(gè)階段:

  (1)初級(jí)階段-- 摻合料

  20世紀(jì)70年代初~80年代中為礦物外加劑的初級(jí)階段,該階段礦物外加劑標(biāo)志性成就是粉煤灰作為摻合料用于預(yù)拌混凝土,粉煤灰超量替代水泥,比例為10%~25%,其主要作用效果是改善泵送混凝土的流變性,降低混凝土成本。 (

  2)成熟階段-- 礦物外加劑

  20 世紀(jì)80 年代中~90 年代末,礦物外加劑發(fā)展進(jìn)入了成熟階段,其標(biāo)志性成就有:a )硅灰作為礦物外加劑配制高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土,摻量為水泥的5%~15%;b)礦渣微粉作為礦物外加劑等量替代水泥20%~60%,配制高強(qiáng)、超高強(qiáng)大流動(dòng)度,高耐久性混凝土。 上述礦物外加劑的作用效果為:改善混凝土力學(xué)性能;改善混凝土流變性;改善混凝土耐久性。

  (3)創(chuàng)新階段-- 特殊功能礦物外加劑

  進(jìn)入21 世紀(jì),礦物外加劑進(jìn)入了創(chuàng)新發(fā)展階段,其標(biāo)志性成就是特殊功能礦物外加劑作為混凝土第六組分,賦予混凝土特殊功能,配制出多功能的混凝土;如建筑保溫功能混凝土、環(huán)境調(diào)濕功能混凝土、環(huán)境吸波混凝土、電磁波屏蔽混凝土等。其功能特征是環(huán)境生態(tài)型建筑材料,產(chǎn)品科技含量高。

  1.2 我國(guó)礦物外加劑生產(chǎn)與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展

  1998 年上海市頒布了國(guó)內(nèi)第一個(gè)礦渣微粉地方標(biāo)準(zhǔn)《砂漿、混凝土用?;V渣微粉》,1999年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《砂漿、混凝土用?;郀t礦渣微粉》頒布,2000年國(guó)內(nèi)第一個(gè)礦渣微粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)程《高爐礦渣微粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》( 上海市地方標(biāo)準(zhǔn)) 頒布;2002年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《高強(qiáng)、高性能混凝土用礦物外加劑》頒布,該標(biāo)準(zhǔn)正式將礦渣微粉命名為“礦物外加劑”納入混凝土第六組分。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定并實(shí)施標(biāo)志著礦物外加劑技術(shù)進(jìn)入了成熟的應(yīng)用階段,是國(guó)家引導(dǎo)的發(fā)展產(chǎn)業(yè)。2000年度由混凝土材料研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué))研究開(kāi)發(fā)的“高性能混凝土復(fù)合摻合料”獲得國(guó)家科技部、國(guó)家建設(shè)部等五部頒發(fā)的國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品證書(shū),列入國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品推廣計(jì)劃。近年來(lái),國(guó)內(nèi)許多大專(zhuān)院校、科研單位、大型鋼鐵和建材建工企業(yè)開(kāi)始并重視混凝土材料研究。近年根據(jù)建設(shè)工程的需求,開(kāi)發(fā)了許多高性能材料;如高性能海工混凝土用礦物外加劑和道路混凝土用礦物外加劑。

  目前國(guó)內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)的礦物外加劑種類(lèi)有:礦渣微粉、粉煤灰微粉、沸石微粉、硅灰及上述種類(lèi)復(fù)合礦物外加劑,其中礦渣微粉和粉煤灰微粉的生產(chǎn)應(yīng)用比較廣泛,截止2004 年10 月底國(guó)內(nèi)正式投產(chǎn)或在建大型專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)有17家之多,大多為60 萬(wàn)噸礦渣微粉生產(chǎn)線,目前國(guó)內(nèi)排名前10 位的鋼鐵企業(yè)均建設(shè)了礦渣微粉生產(chǎn)線。礦物外加劑在商品混凝土比較發(fā)達(dá)的大、中型城市及其周邊地區(qū)已得到廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)家有關(guān)部門(mén)已發(fā)文在全國(guó)范圍推廣應(yīng)用商品混凝土,將使礦物外加劑具有廣泛市場(chǎng)前景??v觀國(guó)內(nèi)生產(chǎn)狀況,生產(chǎn)廠家由于技術(shù)或設(shè)備的局限性,所生產(chǎn)的礦物外加劑品種比較有限,且產(chǎn)品的品質(zhì)規(guī)格多為低檔品,尚不能滿足建設(shè)工程配制高性能混凝土的需求。目前,國(guó)內(nèi)建設(shè)工程對(duì)高品質(zhì)的礦物外加劑已有相當(dāng)數(shù)量的需求。

  1.3 功能型礦物外加劑

  功能礦物外加劑的研究目前是熱點(diǎn)。如生態(tài)混凝土、仿生自愈合混凝土、自診斷機(jī)敏混凝土、電磁生態(tài)環(huán)境混凝土、壓電混凝土。國(guó)內(nèi)許多科研院所、高校亦開(kāi)展了功能礦物外加劑的研究。功能礦物外加劑的研究具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn),產(chǎn)品科技含量比較高,主要立足于環(huán)境友好、環(huán)境協(xié)調(diào)、環(huán)境保護(hù),即圍繞生態(tài)環(huán)境材料主題展開(kāi)研究,具有品種多樣化、功能多元化的特點(diǎn),產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)附加值提高。但功能型礦物外加劑大多處在實(shí)驗(yàn)室研究或小范圍 應(yīng)用階段。

  2  礦物外加劑特性與作用機(jī)理

  2.1 礦物外加劑改善硬化混凝土力學(xué)行為機(jī)理

  2.2.1 復(fù)合膠凝效應(yīng)

  礦物外加劑是根據(jù)復(fù)合膠凝效應(yīng)原理,遴選不同種類(lèi)膠凝特性互補(bǔ)的礦物組成礦物外加劑復(fù)合體系。復(fù)合膠凝效應(yīng)包括三方面作用:誘導(dǎo)激活效應(yīng)、表面微晶化效應(yīng)和界面耦合效應(yīng)。

  (1 )誘導(dǎo)激活效應(yīng)

  誘導(dǎo)激活是介穩(wěn)態(tài)復(fù)合相在水化過(guò)程中相互誘導(dǎo)對(duì)方能態(tài)躍過(guò)反應(yīng)勢(shì)壘,使介穩(wěn)態(tài)體系活化,使水化動(dòng)力學(xué)加速。誘導(dǎo)激活是介穩(wěn)相離子基團(tuán)和分子的化學(xué)復(fù)合作用。以介穩(wěn)態(tài)非典型玻璃相復(fù)合體系為例。高鈣類(lèi)玻璃相( 如:礦渣)與高鋁中硅玻璃相(如:粉煤灰)復(fù)合體系水化液相主要離子為Ca2+、A10+ 和Si044+,當(dāng)存在S042+時(shí),則形成AFt,AFt 是良好的膠凝產(chǎn)物,具有穩(wěn)定性好,溶度積小等特點(diǎn)。它的形成將消耗液相中的Ca2+ 和A10+,溶液中Ca2+ 濃度降低,促使高鈣玻璃相水解反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,A102+濃度降低則促進(jìn)了高鋁中硅玻璃相水解。兩類(lèi)玻璃相水化液相離子互補(bǔ),使AFt 形成反應(yīng)不斷加速,同時(shí)也加速了高鈣玻璃相網(wǎng)絡(luò)配位離子Ca2+ 和高鋁中硅玻璃相網(wǎng)絡(luò)離子A13+ 被持續(xù)萃取。上述過(guò)程循環(huán)反復(fù),使玻璃相失去穩(wěn)定性,活性提高,使非典型玻璃相被相互誘導(dǎo)激活。

 ?。? )表面微晶化效應(yīng)

  介穩(wěn)態(tài)復(fù)合體系在水化過(guò)程中若不存在外界干擾,系統(tǒng)中的水化產(chǎn)物只能借助熱力學(xué)起伏在某局部區(qū)域出現(xiàn),即新相只能通過(guò)成核才能形成,當(dāng)有另一復(fù)合相存在時(shí),其微晶核作用降低了成核勢(shì)壘,產(chǎn)生非均勻成核使水化產(chǎn)物在另一復(fù)合相表面沉淀析出,加速了水化過(guò)程。[Page]

  (3 )界面耦合效應(yīng)

  礦物外加劑復(fù)合體系通過(guò)誘導(dǎo)激活、水化硬化形成穩(wěn)定的凝聚體系,其顯微界面的粘結(jié)強(qiáng)度與其宏觀物理力學(xué)性能密切相關(guān)。普通混凝土的漿體與集料的界面是力學(xué)的薄弱環(huán)節(jié),界面區(qū)顯微結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明:礦物外加劑摻入混凝土中,可改善水泥漿—集料界面區(qū)Ca(OH)2 的取向度。DSC 定量分析結(jié)果還表明:“礦物外加劑+ 水泥”體系的Ca(0H)2 含量明顯低于純水泥體系。SEM 觀察水化產(chǎn)物形貌,發(fā)現(xiàn)摻礦物外加劑的水泥石Ca(0H)2 的晶體尺寸比較小。礦物外加劑對(duì)水化產(chǎn)物Ca(0H)2 數(shù)量、尺寸及空間分布排列的影響,均有利于界面粘結(jié)強(qiáng)度的改善。因此摻礦物外加劑的混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度有顯著改善,觀察礦物外加劑混凝土試件的破壞斷口,可以看到斷裂界面大部分是石子,漿體—集料界面不是主要破壞界面。因此選用高 強(qiáng)度的骨料,有望配出超高強(qiáng)混凝土。

  2.2.2 微集料效應(yīng)

  (1)自緊密堆積效應(yīng)

  混凝土體系可理解為連續(xù)級(jí)配的顆粒堆積體系,粗集料間隙由細(xì)集料填充,細(xì)集料間隙由水泥顆粒填充,水泥顆粒之間的間隙,則需更細(xì)的顆粒來(lái)填充。礦物外加劑的最可幾粒徑在10 μ m左右,可起到填充水泥顆粒間隙的微集料作用,使混凝土形成細(xì)觀層次的自緊密體系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:摻礦物外加劑混凝土容重較未摻礦物外加劑的基準(zhǔn)混凝土大。

  (2)形狀因子效應(yīng)

  礦物外加劑顆粒的形狀和表面粗糙度對(duì)緊密堆積及界面粘結(jié)強(qiáng)度有密切的關(guān)系。

  上述二方面物理和化學(xué)的綜合作用,使摻礦物外加劑的混凝土具有致密的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的界面粘結(jié)性能,表現(xiàn)出良好的物理力學(xué)性能。

  2.2 礦物外加劑改善混凝土和易性機(jī)理

  2.2.1 礦物外加劑輔助減水機(jī)理

  流變學(xué)實(shí)驗(yàn)研究表明:水泥漿的流動(dòng)性與其屈服應(yīng)力τo 密切相關(guān),屈服應(yīng)力τo 愈小,流動(dòng)性愈好,表現(xiàn)為新拌混凝土塌落度大。礦物外加劑可顯著降低水泥漿屈服應(yīng)力,因此可改善混凝土的和易性;礦物外加劑是經(jīng)超細(xì)粉磨工藝制成的,顆粒形貌比較接近鵝卵石。它在新拌水泥漿中具有軸承效果,可增大水泥漿的流動(dòng)性。

  2.2.2 礦物外加劑改善塌落度損失機(jī)理

  礦物外加劑對(duì)塌落度損失改善機(jī)理可歸結(jié)為:①由于其中水泥漿的屈服應(yīng)力隨時(shí)間推移迅速增大,τo值與塌落度損失之間具有很好的相關(guān)性。礦物外加劑可顯著降低水泥漿的屈服應(yīng)力τo,由于初始τo亦較小,使τo值在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持在較低的水平上,使水泥漿處于良好的流動(dòng)狀態(tài),從而有效地控制了混凝土的塌落度損失。②混凝土塌落度損失原因之一是由于水分蒸發(fā)?;炷猎谶\(yùn)輸和施工過(guò)程中氣泡不斷外溢,伴隨著水分蒸發(fā),混凝土塌落度值經(jīng)時(shí)下降。摻礦物外加劑的新拌混凝土具有良好的黏聚性,且泌水性很弱,其原因是礦物外加劑的比表面積為400~6O0m2/kg,大比表面積對(duì)水的吸附,起到了保水作用,減緩了水分的蒸發(fā)速率,因此有效地抑制了混凝土塌落度損失。③混凝土塌落度損失與水泥水化動(dòng)力學(xué)有關(guān);礦物外加劑在改善混凝土性能的前提下,可等量替代水泥 30%-50%配制混凝土,大幅度降低了水泥用量。礦物外加劑屬于活性摻合料,但與水泥熟料相比則為低水化活性膠凝材料。大摻量的礦物外加劑存在于新拌混凝土中,有稀釋整個(gè)體系中水化產(chǎn)物的體積比例的效果,減緩了膠凝體系的凝聚速率,從而可使新拌混凝土的塌落度損失獲得抑制。

  2.3 礦物外加劑改善混凝土耐久性機(jī)理

  由上述分析可知摻礦物外加劑的混凝土可形成比較致密的結(jié)構(gòu),而且顯著改善了新拌混凝土的泌水性,避免形成連通的毛細(xì)孔,因此礦物外加劑可改善混凝土的抗?jié)B性。同理,由于水泥石結(jié)構(gòu)致密,二氧化碳難以侵入混凝土內(nèi)部,所以,礦物外加劑混凝土具有優(yōu)良的抗碳化性能。

  3  礦物外加劑關(guān)鍵技術(shù)

  3.1.1 優(yōu)化配伍礦物外加劑復(fù)合體系

  根據(jù)復(fù)合膠凝效應(yīng)原理,遴選礦物外加劑組成優(yōu)化配伍。一般地說(shuō),礦渣與火山灰質(zhì)材料具有膠凝特性互補(bǔ)效果,在水化過(guò)程中可相互誘導(dǎo)激發(fā),提高復(fù)合體系的膠凝活性。

  3.1.2 優(yōu)化組合不同工藝性能的粉磨設(shè)備

  礦物外加劑一般需要超細(xì)粉磨工藝,首先必須選擇合適的粉磨機(jī)械和粉磨工藝。 目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)礦物外加劑大型的粉磨設(shè)備是進(jìn)口的立式磨。立式磨產(chǎn)量高,產(chǎn)品比表面積在400~430m2/kg 范圍時(shí),粉磨能耗比較經(jīng)濟(jì)。 近期,國(guó)內(nèi)開(kāi)始用振動(dòng)磨生產(chǎn)礦物外加劑,但其產(chǎn)量比較低,不能滿足礦物外加劑生產(chǎn)規(guī)模。雖然振動(dòng)磨產(chǎn)量不能與礦物外加劑生產(chǎn)規(guī)模匹配,但可以作為礦物外加劑工藝生產(chǎn)線中的輔助生產(chǎn)設(shè)備。 目前國(guó)內(nèi)比較多的礦物外加劑生產(chǎn)企業(yè)是中小水泥廠轉(zhuǎn)產(chǎn)或兼產(chǎn),其生產(chǎn)設(shè)備是利用原有水泥磨和生料磨進(jìn)行內(nèi)部襯板和磨球級(jí)配調(diào)整,產(chǎn)品單位能耗比較高,只能生產(chǎn)低品質(zhì)的礦物外加劑產(chǎn)品。 由于礦物外加劑尚無(wú)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較合適的粉磨生產(chǎn)設(shè)備,產(chǎn)品能耗居高不下,多數(shù)廠家只能生產(chǎn)低品質(zhì)的產(chǎn)品,客觀上困擾了礦物外加劑的發(fā)展。解決這一瓶頸的技術(shù)途徑在于:根據(jù)顆粒級(jí)配原理,將不同工藝性能的粉磨設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化組合,以滿足礦物外加劑技術(shù)性能與經(jīng)濟(jì)成本兩方面要求。

  3.1.3 降低能耗

  解決產(chǎn)品能耗較高的一個(gè)技術(shù)途徑和手段是控制礦物外加劑顆粒群特征參數(shù)而不是單純控制比表面積。通過(guò)不同類(lèi)型粉磨機(jī)械組合和助磨劑技術(shù),控制礦物外加劑顆粒群級(jí)配與形貌,使之與水泥組合的顆粒群級(jí)配曲線盡可能地接近理想最緊密堆積級(jí)配曲線,同時(shí)降低礦物外加劑顆粒表面粗糙度,提高其圓度系數(shù)。另一個(gè)有效途徑是在粉磨過(guò)程中摻入性能調(diào)節(jié)助劑,使礦物外加劑滿足所需的特性。通過(guò)選擇合適的調(diào)節(jié)助劑,提高和改善礦物外加劑性能,是比較經(jīng)濟(jì)而有效技術(shù)途徑,這是礦物外加劑技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

  3.2 礦物外加劑應(yīng)用技術(shù)

  但是礦物外加劑是新型的膠凝材料,用戶亦缺乏使用經(jīng)驗(yàn),雖然有關(guān)專(zhuān)業(yè)雜志時(shí)有報(bào)導(dǎo),但由于原材料等方面的差異,難以借鑒。根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)資料及我公司近幾年球磨機(jī)改產(chǎn)、使用振動(dòng)磨規(guī)模生產(chǎn)和建設(shè)年產(chǎn)60 萬(wàn)噸礦渣粉生產(chǎn)線的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)以及對(duì)國(guó)內(nèi)外同類(lèi)型企業(yè)的大量考察和對(duì)用戶的了解,以下應(yīng)用技術(shù)思路可供參考。為了確保礦物外加劑混凝土具有良好的物理力學(xué)性能,宜根據(jù)礦物外加劑特性選用化學(xué)外加劑,以達(dá)到以下效果。

  3.2.1 降低礦物外加劑混凝土黏度,改善泵送性能

  礦物外加劑具有較高的比表面積,往往會(huì)使混凝土黏度增大,因此應(yīng)選擇合適的化學(xué)外加劑以調(diào)整混凝土的黏度,確保混凝土具有良好的泵送性。

  3.2.2 提高礦物外加劑混凝土早期強(qiáng)度

  大摻量礦物外加劑混凝土早期強(qiáng)度較低,生產(chǎn)時(shí)可通過(guò)調(diào)整礦物外加劑的組成,改善其早期強(qiáng)度,應(yīng)用時(shí)宜選用早強(qiáng)型化學(xué)外加劑。

  4 結(jié)語(yǔ)

  礦物外加劑屬于新型生態(tài)環(huán)境材料,具有廣闊的發(fā)展前景,礦物外加劑有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能,是建材建工和冶金業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的經(jīng)濟(jì)生長(zhǎng)點(diǎn);改性型向功能型發(fā)展的礦物外加劑作為新型生態(tài)環(huán)境膠凝材料的生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)將會(huì)有大幅提高。


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