高性能混凝土中常用矿物细掺料介绍及其作用

现代高性能混凝土（HPC）中矿物细掺料作为除水泥、粗集料、细集料、外加剂、拌合水外第六组分，起着不可或缺的作用。它们不仅可取代部分水泥，还可提高混凝土的综合性能及加快资源循环利用。目前混凝土中常用矿物细掺料包括：粉煤灰、矿渣粉、硅灰、石灰石粉和沸石粉。

粉煤灰是燃煤电厂中磨细煤灰在锅炉中燃烧后从烟道排出、被收尘器收集到的物质，其表面积在250~7000m²/kg，尺寸从几百微米到几微米，通常为球形颗粒，主要成分为SiO2、Al2O3和Fe2O3。

矿渣粉是炼铁过程中所产生的工业副产品。在炼铁过程中，氧化铁在高温下还原成金属铁，并将矿石中SiO2、Al2O3等杂质与石灰等溶剂化合成矿渣使之与铁水分离，这些熔融状态的矿渣经急速冷却后形成粒化高炉矿渣，其主要成分为CaO、SiO2和Al2O3。

硅灰又称凝聚硅灰或硅粉，是电弧冶炼硅金属或硅铁合金时的副产品。硅铁厂在冶炼硅金属时，将高纯度的石英、焦炭投到电弧炉内，在温度高达2000℃下，石英被还原成硅的同时，约有10-15%的硅化为蒸汽，在烟道内随气流上升，遇O2氧化成SiO2，最后冷凝成极细微的颗粒。

石灰石粉是石灰岩经破碎、研磨后形成的一种灰质材料，该资源丰富，其主要成分为CaCO3。

沸石粉是天然沸石岩磨细后形成的一种火山灰质材料，含有大量的活性SiO2和Al2O3，其火山灰活性次于硅灰，优于粉煤灰。

矿物掺合料是经超细粉磨工艺制成的，在新拌水泥浆中，可增大水泥浆的流动性，还可有效控制混凝土的坍落度损失。

矿物掺合料的比表面积为350~1500m²/kg，由于大比表面积颗粒对水的吸附，起到了保水的作用，减弱了泌水性，从而使混凝土黏聚性明显改善。

研究表明水泥和矿物细掺料颗粒间可以发生一种”填充效应”，颗粒间的空隙减小，使空隙水减少，自由水增加，从而提高浆体的流变性。由下图对比可见，使用细掺料的混凝土，和易性良好、具有较多的浆体及良好的包裹性。

矿物细集料在混凝土拌合物中也起着物理填充作用。

粉煤灰、矿渣粉、石灰石粉、沸石粉的颗粒尺寸在1-100um之间，与水泥的颗粒尺寸相当，未完全水化前，他们的作用是填充在砂子之间的空隙里，提高混凝土的密实度，从而增加混凝土抗压强度及综合性能，其颗粒填充效应示意图如下图所示。

硅灰的颗粒尺寸在0.1-0.5um，这样的微粒可填充在水泥、粉集料及它们的水化产物间的微小空隙里。研究表明，掺用硅灰后，可使水泥石中50nm以上的孔明显减少。