超细掺合料研究进展

在可持续发展已深入人心的今天，耐久性的提高和工矿废渣的利用己成为混凝土科学研宄的两大主题。经过几十年的努力，矿物掺合料的研究已取得巨大进展，显著推动了混凝土技术的发展。但普通掺合料往往存在早期强度低、耐久性差等问题。随着对高强、高性能混凝土要求的日益提高，掺合料超细粉应用技术逐渐受到重视，掺合料超细粉具有良好的填充效应、活性效应和微集料效应，可降低水化热和水化热释放速率，改善工作性，提高早期强度和抗腐蚀能力。

2.掺合料超细粉研宄进展

混凝土掺合料超细粉是指粒径小于10μm的矿粉、粉煤灰、磷渣粉等超细粉体。物质达到超细状态后，其物理性能发生改变，比表面积加大，表面能提高，表面活性增加，可更充分的发挥混凝土掺合料的形态效应、活性效应和微集料效应。

2.1  超细粉对混凝土工作性和力学性能的影响

掺入40％的粉煤灰超细粉（D50＝3.09μm）时，混凝土拌合物坍落度比基准混凝土和掺普通粉煤灰（D50＝18.28μm）的混凝土拌合物分别提高14.6％和23.7％；掺入粉煤灰超细粉的混凝土较之掺入普通粉煤灰的混凝土试样，7ｄ、28ｄ和90ｄ强度分别增加13.69MPa、10.2 MPa和13.2 MPa。研究表明，超细粉煤灰（D50＝2.213μm）可显著提高水泥基材料早龄期抗压强度。研究结果表明，低钙粉煤灰的粒度分布是影响其活性最重要的因素之一，其活性正比于小于10μm颗粒含量，反比于大于45μm颗粒含量。根据粉煤灰颗粒分布对水泥强度的影响，要提高粉煤灰水泥的强度，应增加粉煤灰中小于30μm颗粒含量，限制30~45μm颗粒含量，减少大于45μm颗粒含量。XRD衍射结果表明掺入超细矿粉的试件1d龄期时Ca(OH)2的衍射峰明显低于纯水泥浆体和掺普通矿粉的水泥浆体。这是因为矿物掺合料中SiO2、Al2O3等活性成分在熟料水化产物氢氧化钙的作用下，发生二次水化反应生成水化硅酸钙凝胶，增强了水泥石体系的粘接，减少了混凝土内不利于耐久性的晶相含量。随着掺合料粉体粒径的降低，表面能迅速提高，与氢氧化钙晶体接触面积增大，促进了二次水化反应的快速进行。

复合材料的理论认为，水泥混凝土的强度主要与其亚微观结构相关，孔隙率是控制强度的决定因素，因此减小孔隙率可大幅提高强度。颗粒相对粒径大小显著影响体系的堆积密实度，矿物掺合料颗粒粒径越小，其物理填充作用越好。掺加掺合料超细粉的水泥基材料早龄期时最可几孔径和累积孔隙率均小于掺普通矿粉的水泥浆体和纯水泥浆体，水泥基材料孔结构变细且不连通，在早龄期时就起到了改善浆体孔结构、提高密实度的作用。

2.2  超细粉对混凝土耐久性的影响

根据研究超细矿渣粉对水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响，掺入15％、25％的超细矿渣粉不仅可以增加水泥砂浆的强度，而且可以提高其抗硫酸盐侵蚀性能。利用细度分别为305m2/kg、425 m2/kg和550m2/kg的粉煤灰制备了粉煤灰高强轻骨料混凝土，研究结果表明，粉煤灰掺量相同时，随着粉煤灰细度的增大，混凝土抗氯离子渗透性及护筋性均随之增加。粉煤灰细度越髙，减缩效果越明显，早期抗裂性能增强越显著。掺合料超细粉能显著提高改善水泥基材料的孔结构，提高结构的密实性。改善混凝土的孔结构和界面过渡区，提高混凝土的综合耐久性。

3.掺合料超细粉的制备

3.1  掺合料粉磨制备常用工艺

矿渣、磷渣、钢渣等掺合料工业化生产主要使用球磨机、振动磨、辊压机和立磨等作为粉磨设备，上述设备一般可将掺合料粉磨至400~600 m2/kg。球磨机通过重力场或离心场的转动使内部研磨介质粉磨。振动磨通过筒体的振动使内部研磨介质粉磨粉体和振动磨生产粉体。立磨是集烘干、粉磨和选粉于一体的粉磨设备，物料被送入磨盘中心，由于旋转的磨盘产生离心力，物料往磨辊的研磨区域运动，经过研磨之后细小的粉尘物料由来自热风管的热风经过喷口环将其带入选粉机，选粉机将粗粉与细粉进行有效的分离。气流磨是一种高效的超细粉碎设备，它是在高速气流作用下，物料通过本身颗粒之间的撞击，气流对物料的冲击剪切作用以及物料与其它部件的冲击、摩擦、剪切而使物料粉碎。介质搅拌磨主要由一个静置的内填小直径研磨介质的研磨筒和一个旋转搅拌器构成。其工作原理是搅拌磨内的搅拌器高速回转使研磨介质和物料在整个筒体内不规则地翻滚，产生不规则运动，使研磨介质之间产生相互撞击和研磨的双重作用，从而使物料磨得很细且均匀分散。

随着对高性能混凝土工作性、早期强度和耐久性要求的提高，掺合料超细粉需求量逐渐增大。现阶段掺合料超细粉制备工艺基本上是在常规粉磨方法的基础上，通过工艺流程的改进实现的，存在设备投资大、能耗高、粉磨效率低等问题。以粉磨矿渣为例，加有选粉机的球磨机圈流粉磨系统的综合电耗达80kw·h/t，立磨粉磨系统虽可节能50％左右，其综合电耗约33~37 kw·h/t，但一台立磨及相关配套设备投资达亿元左右。另外，工矿废猹排放过程一般以水冷或湿排方式，水淬矿渣含水率达10％~20％，湿排粉煤灰含水率更高，采用现有粉磨方式需对其进行烘干或燃烧处理，增加了处理工艺的能耗。