礦物摻合料是指在混凝土攪拌過程中加入的，具有一定細(xì)度和活性的輔助膠凝材料。

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礦物摻合料摻入混凝土中不僅可以取代部分水泥，改善新拌混凝土的工作性，而且能夠提高硬化后混凝土的耐久性，是高強(qiáng)高性能和綠色混凝土必不可缺的組分。另一方面，混凝土中大量摻用礦物摻合料，可減少自然資源和能源的消耗，減少對(duì)環(huán)境的污染，有利于實(shí)現(xiàn)混凝土技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

混凝土中常用的礦物摻合料主要有粉煤灰、礦渣粉、天然沸石粉、硅灰及其復(fù)合物等。粉煤灰、天然沸石粉和硅灰屬于火山灰質(zhì)材料。通常情況下其本身無膠凝性，但它們能與石灰或水泥熟料水化時(shí)釋放出的Ca(OH)2 發(fā)生反應(yīng)，生成具有膠凝性的水化產(chǎn)物，這一反應(yīng)稱為火山灰反應(yīng)。而礦渣粉在活性方面不同于火山灰質(zhì)材料，它存在著相當(dāng)數(shù)量的水泥熟料礦物，可以直接與水反應(yīng)形成水化產(chǎn)物，凝結(jié)硬化而產(chǎn)生強(qiáng)度，不需要其他物質(zhì)的存在。其他物質(zhì)的存在僅對(duì)這一反應(yīng)起到一個(gè)促進(jìn)作用。它與水的反應(yīng)不屬于火山灰反應(yīng)，而是類似于水泥熟料的反應(yīng)。因此，礦渣粉具有膠凝性，但不及水泥熟料。

由于礦物摻合料在混凝土中的應(yīng)用一般取代部分水泥或細(xì)骨料，使其具有膠凝條件或自身就具有膠凝作用，因此，礦物摻合料與水泥一起被視為膠凝材料。

一、粉煤灰

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，粉煤灰的主要氧化物組成為：

SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。粉煤灰是我國當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加。大量的粉煤灰不加處理，就會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染大氣；若排入水系會(huì)造成河流淤塞，而其中的有毒化學(xué)物質(zhì)還會(huì)對(duì)人體和生物造成危害。

1. 粉煤灰的形成

第一階段。粉煤在開始燃燒時(shí)，其中氣化溫度低的揮發(fā)分，首先自礦物質(zhì)與固體碳連接的縫隙間不斷逸出，使粉煤灰變成多孔型炭粒。此時(shí)的煤灰，顆粒狀態(tài)基本保持原煤粉的不規(guī)則碎屑狀，但因多孔性，使其表面積更大。

第二階段。伴隨著多孔性炭粒中的有機(jī)質(zhì)完全燃燒和溫度的升高，其中的礦物質(zhì)也將脫水、分解、氧化變成無機(jī)氧化物，此時(shí)的煤灰顆粒變成多孔玻璃體，盡管其形態(tài)大體上仍維持與多孔炭粒相同，但比表面積明顯地小于多孔炭粒。

第三階段。隨著燃燒的進(jìn)行，多孔玻璃體逐漸收縮而形成顆粒，其孔隙率不斷降低，圓度不斷提高，粒徑不斷變小，最終由多孔玻璃轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏容^高、粒徑較小的密實(shí)球體，顆粒比表面積下降為最小。不同粒度和密度的灰粒具有顯著的化學(xué)和礦物學(xué)方面的特征差別，小顆粒一般比大顆粒更具玻璃性和化學(xué)活性。

最后形成的粉煤灰 (其中80% ～90%為飛灰，10%～20%為爐底灰) 是外觀相似，顆粒較細(xì)而不均勻的復(fù)雜多變的多相物質(zhì)。飛灰是進(jìn)入煙道氣灰塵中最細(xì)的部分，爐底灰是分離出來的比較粗的顆粒，或是爐渣。這些東西有足夠的重量，燃燒帶跑到爐子的底部。

2. 粉煤灰的活性分析

粉煤灰的活性主要來自活性SiO2(玻璃體SiO2) 和活性Al2O3(玻璃體Al2O3) 在一定堿性條件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性SiO2、活性Al2O3和f-CaO(游離氧化鈣）都是活性的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏（CaSO4）的形式存在，它對(duì)粉煤灰早期強(qiáng)度的發(fā)揮有一定作用，因此粉煤灰中的硫?qū)Ψ勖夯一钚砸彩怯欣M成。粉煤灰中的鈣含量在3%左右，它對(duì)膠凝體的形成是有利的。國內(nèi)外把CaO 含量超過10%的粉煤灰稱為C 類灰，而低于10%的粉煤灰稱為F 類灰。C類灰其本身具有一定的水硬性，可作水泥混合材，F(xiàn)類灰常作混凝土摻合料，它比C類灰使用時(shí)的水化熱要低。

粉煤灰中少量的Mg0、Na2O、K2O等生成較多玻璃體，在水化反應(yīng)中會(huì)促進(jìn)堿硅反應(yīng)。但MgO含量過高時(shí)，對(duì)安定性帶來不利影響。

粉煤灰中的未燃炭粒疏松多孔，是一種惰性物質(zhì)，不僅對(duì)粉煤灰的活性有害，而且對(duì)粉煤灰的壓實(shí)也不利。過量的Fe203對(duì)粉煤灰的活性也不利。

由于煤粉各顆粒間的化學(xué)成分并不完全一致，因此燃燒過程中形成的粉煤灰在排出的冷卻過程中，形成了不同的物相。比如氧化硅及氧化鋁含量較高的玻璃珠，另外，粉煤灰中晶體礦物的含量與粉煤灰冷卻速度有關(guān)。一般來說，冷卻速度較快時(shí)，玻璃體含量較多。反之，玻璃體容易析晶?？梢?，從物相上講，粉煤灰是晶體礦物和非晶體礦物的混合物。其礦物組成的波動(dòng)范圍較大。一般晶體礦物為石英、莫來石、磁鐵礦、氧化鎂、生石灰及無水石膏等，非晶體礦物為玻璃體、無定形碳和次生褐鐵礦，其中玻璃體含量占50%以上。

3. 粉煤灰的性質(zhì)

（1) 粉煤灰的物理性質(zhì)

粉煤灰的物理性質(zhì)包括密度、堆積密度、細(xì)度、比表面積、需水量等，這些性質(zhì)是化學(xué)成分及礦物組成的宏觀反映。由于粉煤灰的組成波動(dòng)范圍很大，這就決定了其物理性質(zhì)的差異也很大。

粉煤灰的物理性質(zhì)中，細(xì)度和粒度是比較重要的項(xiàng)目。它直接影響著粉煤灰的其他性質(zhì)，粉煤灰越細(xì)，細(xì)粉占的比重越大，其活性也越大。粉煤灰的細(xì)度影響早期水化反應(yīng)，而化學(xué)成分影響后期的反應(yīng)。

（2）化學(xué)性質(zhì)

粉煤灰是一種人工火山灰質(zhì)混合材料，它本身略有或沒有水硬膠凝性能，但當(dāng)以粉狀及水存在時(shí)，能在常溫，特別是在水熱處理(蒸汽養(yǎng)護(hù)) 條件下，與氫氧化鈣或其他堿性金屬氫氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有水硬膠凝性能的化合物，成為一種增加強(qiáng)度和耐久性的材料。

4.粉煤灰的用途

目前，粉煤灰主要用來生產(chǎn)粉煤灰水泥、粉煤灰磚、粉煤灰硅酸鹽砌塊、粉煤灰加氣混凝土及其他建筑材料，還可用作農(nóng)業(yè)肥料和土壤改良劑。

粉煤灰在混凝土工程中的應(yīng)用：粉煤灰作砂漿或混凝土的摻合料，在混凝土中摻加粉煤灰代替部分水泥或細(xì)骨料，不僅能降低成本，而且改善了混凝土拌合物的和易性；增強(qiáng)混凝土的可泵性；提高混凝土抗?jié)B能力；減少了混凝土的徐變；提高抗硫酸鹽性能和耐化學(xué)侵蝕性能；降低水化熱；改善混凝土的耐高溫性能；減輕顆粒分離和泌水現(xiàn)象；減少混凝土的收縮和開裂以及抑制雜散電流對(duì)混凝土中鋼筋的腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。采用優(yōu)質(zhì)粉煤灰和高效減水劑生產(chǎn)高強(qiáng)度混凝土的現(xiàn)代混凝土新技術(shù)正在全國迅速發(fā)展，優(yōu)質(zhì)粉煤灰特別適用于配制泵送混凝土、大體積混凝土、抗?jié)B結(jié)構(gòu)混凝土、抗硫酸鹽混凝土和抗軟水侵蝕混凝土及地下、水下工程混凝土、壓漿混凝土和碾壓混凝土等。

粉煤灰在水泥工業(yè)的應(yīng)用： 粉煤灰代替黏土原料生產(chǎn)水泥，由硅酸鹽水泥熟料和粉煤灰加入適量石膏磨細(xì)制成的水硬膠凝材料，水泥工業(yè)采用粉煤灰配料可利用其中的未燃盡碳；粉煤灰作水泥混合材；粉煤灰生產(chǎn)低溫合成水泥，生產(chǎn)原理是將配合料先蒸汽養(yǎng)護(hù)生成水化物，然后經(jīng)脫水和低溫固相反應(yīng)形成水泥礦物；粉煤灰制作無熟料水泥，包括石灰粉煤灰水泥和純粉煤灰水泥，石灰粉煤灰水泥是將干燥的粉煤灰摻入10%～30%的生石灰或消石灰和少量石膏混合粉磨，或分別磨細(xì)后再混合均勻制成的水硬性膠凝材料。

粉煤灰在建筑制品中的應(yīng)用：蒸制粉煤灰磚，以電廠粉煤灰和生石灰或其他堿性激發(fā)劑為主要原料，也可摻入適量的石膏，并加入一定量的煤渣或水淬礦渣等骨料，經(jīng)過加工、攪拌、消化、輪碾、壓制成型、常壓或高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)后而形成的一種墻體材料；燒結(jié)粉煤灰磚，以粉煤灰、黏土及其他工業(yè)廢料為原料，經(jīng)原料加工、攪拌、成型、干燥、焙燒制成磚；蒸壓生產(chǎn)泡沫粉煤灰保溫磚，以粉煤灰為主要原料，加入一定量的石灰和泡沫劑，經(jīng)過配料、攪拌、燒注成型和蒸壓而成的一種新型保溫磚；粉煤灰硅酸鹽砌塊，以粉煤灰、石灰、石膏為膠凝材料，煤渣、高爐礦渣等為骨料，加水?dāng)嚢?、振?dòng)成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)而成的墻體材料；粉煤灰加氣混凝土，以粉煤灰為原料，適量加入生石灰、水泥、石膏及鋁粉，加水?dāng)嚢璩蕽{，注入模具蒸養(yǎng)而成的一種多孔輕質(zhì)建筑材料；粉煤灰陶粒，以粉煤灰為主要原料，摻入少量粘結(jié)劑和固體燃料，經(jīng)混合、成球、高溫焙燒而制的一種人造輕質(zhì)骨料；粉煤灰輕質(zhì)耐熱保溫磚，是用粉煤灰、燒石、軟質(zhì)土及木屑進(jìn)行配料而成，具有保溫效率高，耐火度高，熱導(dǎo)率小，能減輕爐墻厚度、縮短燒成時(shí)間、降低燃料消耗、提高熱效率、降低成本。

5. 粉煤灰在混凝土中的適宜摻量

關(guān)于粉煤灰的摻量，應(yīng)根據(jù)混凝土所處的環(huán)境條件而定。處于比較干燥或不宜接觸水的環(huán)境中的混凝土，粉煤灰的摻量不應(yīng)過大，用量宜為膠凝材料總量的20%～30%；而在潮濕環(huán)境中的混凝土，可適當(dāng)提高粉煤灰的用量，因?yàn)樵诔睗癍h(huán)境條件下有利干粉煤灰活性的發(fā)揮，更易獲得良好的應(yīng)用效果。如在地下大體積混凝土中，粉煤灰的摻量可達(dá)30%～50%，在日本甚至己高達(dá)70%。正由于此項(xiàng)技術(shù)措施，使新拌混凝土可降溫5～10℃，特別別是延緩“峰溫”的出現(xiàn)，從而使混凝土的抗裂性大為改善。

6.粉煤灰摻合料對(duì)混凝土性能的影響

（1） 對(duì)混凝土拌合物性能的影響

以粉煤灰取代部分水泥或骨料，一般都能在保持混凝土原有和易性的條件下減少用水量。粉煤灰愈細(xì)，球形顆粒含量愈高，其減水效果愈好。如果摻粉煤灰而不減少用水量，則可改善混凝土的和易性并能減少混凝土的泌水率，防止離析。因而粉煤灰摻合料更適合于壓漿混凝土及泵送混凝土。

（2） 對(duì)混凝土強(qiáng)度、耐久性的影響

以粉煤灰取代部分水泥時(shí)，混凝土的早期強(qiáng)度可能稍有降低，但后期強(qiáng)度則與基準(zhǔn)混凝土相等或略高。粉煤灰的活性效果，即使齡期長達(dá)180d，活性效應(yīng)可能仍未達(dá)到充分反應(yīng)的程度。

使用優(yōu)質(zhì)粉煤灰取代部分水泥能減少混凝土的用水量，相應(yīng)降低水膠比，因此能提高混凝土的密實(shí)性及抗?jié)B性，并改善混凝土的抗化學(xué)侵蝕性。粉煤灰對(duì)混凝土的抗凍性略有不利影響，因此當(dāng)對(duì)混凝土有特殊抗凍性要求時(shí)，應(yīng)在摻粉煤灰的同時(shí)，適當(dāng)加入引氣劑。

使用優(yōu)質(zhì)粉煤灰的混凝土干縮不比基準(zhǔn)混凝土 (不摻粉煤灰的混凝土) 大，而且對(duì)混凝土的彈性模量有所提高。但使用需水量大于基準(zhǔn)的粉煤灰，則會(huì)增加混凝土的收縮，特別是混凝土的早期收縮。因此，對(duì)于需水量大的粉煤灰，應(yīng)適當(dāng)降低其摻量。

混凝土中摻用粉煤灰，不但能減少混凝土的水化熱，而且對(duì)降低混凝土開裂具有良好的效果，易于施工振搗，特別在大體積混凝土工程中尤為明顯。

在混凝土的表面層及薄型構(gòu)件的收縮值中，還包括由于大氣中CO2 的作用所引起的碳化收縮，它可達(dá)混凝土總收縮量的1/3。粉煤灰混凝土的碳化收縮往往大于普通水泥混凝土的碳化收縮。碳化收縮只是混凝土表面碳化層局部收縮，可是采用低質(zhì)量的粉煤灰時(shí)，碳化收縮會(huì)較大地影響表面混凝土的質(zhì)量。摻粉煤灰的混凝土碳化收縮比不摻粉煤灰的混凝土快，是造成按《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)檢測混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體強(qiáng)度低、誤差大的主要原因之一，但如果澆筑后采取有效的養(yǎng)護(hù)措施，可減小碳化收縮。

二、?；郀t礦渣粉

以?；郀t礦渣為主要原料，可摻加少量石膏磨制成一定細(xì)度的粉體，稱作粒化高爐礦渣粉，簡稱礦渣粉。

用干水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉，是鐵礦石在冶煉過程中與石灰石等溶劑化合所得以硅鋁酸鈣為主要成分的熔融物，經(jīng)急速遇水淬冷后形成的玻璃狀顆粒物質(zhì)，經(jīng)粉磨工藝達(dá)到規(guī)定細(xì)度的產(chǎn)品。

?；郀t礦渣粉具有潛在水硬性和良好的活性，但需磨細(xì)才能使?jié)撛诨钚园l(fā)揮出來，顆粒愈細(xì)，活性愈好。我國的磨細(xì)礦渣粉玻璃體含量一般在85%以上，因此活性比粉煤灰高，是優(yōu)質(zhì)的混凝土摻合料和水泥混合材。但是，在混凝土中應(yīng)用礦渣粉時(shí)應(yīng)注意，由于礦渣粉的保水性能遠(yuǎn)不及一些優(yōu)質(zhì)的粉煤灰和硅灰，一些級(jí)配不良的礦渣粉易出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，因此，在配制低強(qiáng)度等級(jí)混凝土?xí)r不宜摻入太多的礦渣粉，而在配制高強(qiáng)度等級(jí)混凝土?xí)r可適當(dāng)摻入礦渣粉。另外，據(jù)一些專家研究發(fā)現(xiàn)，隨著礦渣粉摻量的增加，硬化水泥石的收縮也在增大，所以提出磨細(xì)礦渣粉的摻量不宜大于水泥用量的30%。

粒化高爐礦渣粉的活性與其化學(xué)成分有很大的關(guān)系。礦渣有堿性、酸性和中性之分。酸性礦渣的膠凝性差，而堿性礦渣的膠凝性好，其活性比中性和酸性高。