混凝土礦物外加劑作用機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)

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，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)許多大專院校、科研單位、大型鋼鐵和建材建工企業(yè)開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)的礦物外加劑種類有：礦渣微粉、粉煤灰微粉、沸石微粉、硅灰及上述種類復(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)。

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。