【任务描述】

本任务是认知水泥混凝土中活性矿物掺合料的种类及各类的指标要求。

【学习目标】

①熟悉粉煤灰的分类及其技术指标要求。

②能叙述粒化高炉矿渣粉及硅灰的技术指标要求。

活性矿物掺合料是指在拌制水泥混凝土过程中掺入、具有一定细度和水硬活性、用以改善混凝土拌合物和硬化混凝土性能(特别是耐久性)的某些工业排放回收或经处理的矿物产品。

水泥混凝土中常用的活性矿物掺合料主要有粉煤灰、硅灰和矿渣。

1.粉煤灰

粉煤灰是指由发电的电厂煤粉炉烟道气体中收集的粉末。通过对粉煤灰的化学分析，其中除含有少量的未燃尽的煤粉外，主要化学成分为二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和少量的氧化铁(Fe2O3)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)与氧化硫(SO3)等氧化物。

粉煤灰为球形熔粉，颗粒呈玻璃状，在光学显微镜下观察，其颗粒主要由两类矿物组成：一类是玻璃体，占70%～80%；另一类是结晶体，占15%～20%。

1）粉煤灰的分类

①按煤种来分。粉煤灰按燃煤品种分为F类和C类。F类粉煤灰是由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰；C类粉煤灰是由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，其氧化钙含量一般大于或等于10%。

②根据用途来分。粉煤灰根据用途分为拌制砂浆和混凝土用粉煤灰、水泥活性混合材料用粉煤灰两类。

③按等级来分。拌制砂浆和混凝土用粉煤灰按各项技术指标分为3个等级：Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级。水泥活性混合材料用粉煤灰不分级。

2）粉煤灰在公路工程中的用途

道路与桥梁工程利用粉煤灰，既能变废为宝、减少污染，又能就地取材，解决路用材料缺乏的问题，还能提高公路工程的质量。粉煤灰在公路工程中主要用途有：

①作水泥混凝土的掺合料。在混凝土中掺入粉煤灰，可以在等强度等级的条件下，减少水泥用量10%～15%，因而可降低混凝土的成本；可以改善混凝土拌合物的流动性、黏聚性和保水性，使混凝土拌合料易于泵送、浇筑成型，并可减少坍落度的经时损失；掺加粉煤灰后可减少水泥用量，且粉煤灰水化放热量很少，从而减少了水化放热量，使施工时混凝土的温升降低，可明显减少温度裂缝，这对大体积混凝土工程特别有利；由于二次水化作用，混凝土的密实度提高，界面结构得到改善，同时由于二次反应使得易受腐蚀的氢氧化钙数量降低，因此掺加粉煤灰后可提高混凝土的抗渗性、抗硫酸盐腐蚀性和抗镁盐腐蚀性等，同时由于粉煤灰比表面积巨大，吸附能力强，因而粉煤灰颗粒可以吸附水泥中的碱，并与碱发生反应而消耗其数量，而游离碱数量的减少可以抑制或减少碱集料反应，使得混凝土的耐久性提高。但是，掺入粉煤灰后混凝土抗碳化性、抗冻性有所降低，强度发展较慢，早期强度较低，故为保证强度的正常发展，需将养护时间延长。

②粉煤灰与水泥或石灰稳定土、稳定集料作为路面基层材料。

③作为路基填料或与水泥、石灰一起处理湿软地基。

3）粉煤灰的物理化学性能指标

①细度。粉煤灰的细度对强度的形成有一定影响，颗粒越细，粉煤灰的表面积越大，活性越大，强度越高。粉煤灰的细度用45μm方孔筛筛余表示。

②烧失量。烧失量是指粉煤灰中未烧尽的炭粉含量。未烧尽的炭粉含量大，活性SiO2、Al2O3含量少，所形成的混合料的强度较低，故烧失量越小越好。(www.daowen.com)

③需水量比。按规定的方法测定试验胶砂和对比胶砂的流动度，二者达到规定流动度范围的加水量之比为粉煤灰的需水量比。

④含水率。粉煤灰放入温度不低于110℃的烘箱中烘至恒重，以烘干前和烘干后质量之差占烘干前的质量的百分数为粉煤灰的含水率。

⑤安定性。以雷氏夹法检验其膨胀值。

⑥强度活性指数。测定试验胶砂和对比胶砂28 d的抗压强度，二者之比为粉煤灰的强度活性指数。

4）粉煤灰的技术要求

①《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)要求拌制混凝土和砂浆所用粉煤灰应保证其产品品质稳定、来料均匀，应有生产单位专门加工，进行产品检验并出具产品合格证书，技术要求见表3.25。混凝土中需要掺用粉煤灰，其掺量应在使用前通过试验确定，在运输过程中，应有明显标识，严禁与水泥等其他粉状材料混淆。

表3.25　拌制砂浆和混凝土用粉煤灰的理化性能要求

②面层水泥混凝土可单独或复配掺用符合《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30—2014)规定的粉状低钙粉煤灰，不得掺用结块或潮湿的粉煤灰，其质量不应低于表3.26中的Ⅱ级要求，不得掺用高钙粉煤灰(游离氧化钙含量大于或等于10%)或Ⅲ级及Ⅲ级以下的低钙粉煤灰。

表3.26　低钙粉煤灰分级和质量指标

注：a.混合砂浆的活性指数为掺粉煤灰的砂浆与水泥砂浆的抗压强度比的百分数，不带括号的数值适用于所配制混凝土强度等级不小于C40时；当配制混凝土的强度等级小于C40时，混合砂浆的活性指数应满足28 d括号中的数值的要求。

2.粒化高炉矿渣粉

粒化高炉矿渣粉是以粒化高炉矿渣为主要原料，可掺加少量石膏磨制成一定细度的粉体，简称矿渣粉。其组分为矿渣(炼铁高炉排出的熔渣，经水淬处理而成的粒状矿渣)、石膏和助磨剂(加入量不超过矿渣质量的0.5%)。

从炼铁炉里生产的矿渣，称为铁矿渣；从炼钢炉里排出的矿渣，称为钢渣。钢渣和铁矿渣矿物成分和性能有差别。无论铁矿渣还是钢渣，都必须在水中急冷，使其矿物处于无定形的玻璃态时才具有水化活性。这里的粒化高炉矿渣粉特指磨细粒化高炉铁矿渣。

磨细矿渣的矿物成分与水泥较接近，在有足够碱度条件下自身与水能够产生水化反应而提供强度，属于具有自水化硬化性能的活性掺合料。但其矿物成分与水泥熟料相比，钙含量偏低，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙时，由于其缺钙，需要有水泥水化提供氢氧化钙，因此，掺矿渣或矿渣水泥的混凝土具有比硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥更高的抗海水、酸雨等化学腐蚀的耐久性，可用于提高抗海水、酸雨、氯离子、硫酸盐等化学侵蚀的混凝土结构。

《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)及《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30—2014)对水泥混凝土中使用的矿渣粉提出了相应的技术要求。

3.硅灰

硅灰是在冶炼硅铁合金或工业硅时，通过烟道排出的硅蒸气氧化后，经收尘器收集得到的以无定形二氧化硅为主要成分的灰白色超细粉末产品。

硅灰的平均粒径是水泥的百分之一，容重很小，单位质量的体积很大，且活性氧化硅含量很高，是目前已知掺合料中活性最高的掺合料。它可以迅速地与水泥水化释放出的氢氧化钙反应生成水化硅酸钙，因此是目前配制高强和高性能混凝土不可缺少的掺合料。

《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)及《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30—2014)对水泥混凝土中使用的硅灰提出了相应的技术要求。