低水泥掺量泵送商品混凝土的性能研究

刘文正 李 鑫 关 鑫 孙 健 丁 锐

（吉林建筑大学， 吉林 长春 130000）

0 前言

在过去的五年中，我国商品混凝土产量达 11.8亿立方米，较 2018年增长27.7%。在过去的 10年间，中国商品混凝土产量的年均增长率为 32.6%。而近几年，我国商品混凝土产量的增加主要集中在一些经济欠发达、发展增速较快、社会投资巨大、对水泥需求猛增的省份，譬如湖北、河北、吉林等。2017年，吉林省全年商品混凝土生产量为305.8万立方米，处于全国的中游水平。影响商品混凝土的价格的因素较多，它的价格主要由原材料的成本，加工运输成本，人工成本，还有利润组成的。不同标号以及不同性能要求不同的混凝土的配比不一样，也就是原材料组成不一样。具体价格，吉林省内以C40混凝土为例，一立方米的价格为 320元左右。如果对混凝土性能有特殊要求的，如早强、膨胀、防冻等，因要在配合比里加入相应的外加剂，每一方价格要提高10到30元不等。

混凝土的各种原料中，水泥的价格最贵。因此，为了降低成本并提高混凝土的工作性及耐久性，商混企业普遍采用水泥+矿物掺合料作为复合胶凝材料体系，这样一来既可以有效的降低混凝土的成本，又可以降低混凝土的早期水化热，减小温度收缩裂缝出现的几率，并提高后期强度。但我省今年水泥价格较贵，PO42.5水泥已由去年的320元上涨到510元/吨，在施工旺季的时候，原料价格的上涨势必会增加企业的成本，造成商混市场的波动。有一些私企就会对混凝土的质量控制不好，所以，如何在保证混凝土质量的前提下调节混凝土的配合比，增加矿物掺合料的用量是未来商混发展的一个主要趋势。

1 矿物掺合料

矿物掺合料主要使用的是矿渣和粉煤灰，其中矿渣的水硬性质比较好，粉煤灰的水硬性相对较差一点，但是成本也相对的便宜。使用粉煤灰的一个重要原因是因为粉煤灰是球状颗粒，具有滚珠的作用，起到填充骨料空隙和润滑骨料的作用，很好的增加商品混凝土的流动性能，也是使其可以作为泵送混凝土的掺合料来使用的原因。未来建筑的楼层越来越高，泵送混凝土已经成为了当今世界的主流，所以粉煤灰和矿渣的用量以及使用将越来越被重视。那么，如何最大限度的激发矿物掺合料的用量来达到高掺量混凝土性能的保证和经济也是我们需要解决的问题。

2 碱激发技术

综上所述，为降低混凝土的早期水化热，延缓水泥的初凝时间，方便施工，并为了使混凝土具有优良工作性能及经济及性能，矿物掺合料的使用是目前工程中主要做法。混凝土中掺合料的作用除了提高工作性及降低成本以外，掺入的掺合料可以起到增加后期强度的作用，掺合料中的活性SiO2和Al2O3会与水泥水化形成的 Ca(OH)2发生反应，生成CSH凝胶及水化铝酸钙晶体。但当激发剂掺量较大时，混凝土中的碱度较低，并不能有效激发矿物掺合料的活性，导致混凝土的强度发展较慢，后期强度变差。因此，矿物掺合料掺量较大时，就必须采用新的方法对其进行激发。

强碱（氢氧化钠、水玻璃、碳酸钠、硫酸钠等）是活性混合材的良好激发剂。混凝土中矿物掺合料的激发过程，实际上与碱激发胶凝材料制备过程一样，是采用强碱来激发活性矿物掺合料中的活性二氧化硅与活性三氧化二铝，在氢氧根的作用下，硅氧键和铝氧键断裂，在后期通过桥氧连接起来，使其水化产物中形成大量与一些构成地壳物质相似的化合物--含硅铝链的“无机聚合物”。这种水化产物结构是以硅氧四面体与铝氧四面体聚合而成的具有非晶态和准晶态特征的三维网络聚合体。

3 有关泵送混凝土的研究

混凝土能够泵送到指定的高度，是因为混凝土中促进流动的水泥浆的数量是足够的，但是为了确保水泥浆数量的足够我们不能单纯的去增加用水量、单纯的增加水泥用量或者单纯的在保持水灰比不变的情况下增加水泥浆体的用量。因为那就意味着成本的增加。所以为了确保水泥具有可泵性，我们通常加入高效的减水剂。但是高效减水剂的掺量也不能过多，会降低黏聚性和保水性。

所以，在加入外加剂合适的情况下，想增加可泵性并不是通过多加入粒化高炉矿渣，而是通过加入粉煤灰，因为粉煤灰这个球状颗粒可以润滑骨料的表面，使它的流动性增加。但是粉煤灰的活性要比矿渣的活性低很多，从成本角度来看，矿渣一吨大约在二百多元钱，粉煤灰一吨一百多元。所以单纯增加粉煤灰去增加混凝土的可泵性会导致后期强度达不到需要的强度。

我们通过选用适当的碱来激发粉煤灰的活性，选用的碱不是氢氧化钠，而是选用的水玻璃（水化硅酸钙）。水玻璃能够激发粉煤灰等矿物掺合料的原因是因为：水玻璃作为一种碱性激发剂，作用在粉煤灰、矿渣等矿物掺合料中可以激发一定的活性。当水玻璃掺量为小于 5% 时，其水解生成的硅酸胶体有限，氢氧根离子的量不多，虽然部分氢氧根离子能进入浆体内部但扩散到矿物掺合料表面会很有限。从而导致氢氧根离子的浓度不大，不能使矿物掺合料玻璃体中的Si-O、Al-O键断裂，进而玻璃体也不会充分解体，那么就不会有充分的钙离子、镁离子和硅氧阴离子团溶出，生成网络状的凝胶体。因此，分散的矿物掺合料颗粒不能被有效地连接起来，浆体的力学性能得不到有效地改善[1]，砌块的抗压强度提高程度也不会明显。上述水玻璃掺量为 3% 和 4% 的试验显示： 砌块的 7d抗压强度仅有8.61%、19.14%的提高，没有达到预期的效果。当水玻璃掺量大于5%时，水玻璃水解生成了大量Si(OH)4硅酸胶体，并产生大量的氢氧根离子。

随着水解反应的深入，氢氧根离子浓度液增大导致玻璃体的解体，水化生成凝胶体将矿物掺合料颗粒有效地连接起来，同时硅酸胶与液相中的离子和基团相互吸附又增强了各组分之间的连接能力，因此胶体的强度也得以改善[1]，对应掺量为5% 至7% 水玻璃，7d抗压强度分别有35.25% 、33.47% 、34.21% 的提高，提升效果显著。