矿物掺合料对高性能混凝土抗冻性能的影响研究综述

引言

高性能混凝土因其高强度和良好的耐久性，在现代建筑工程中得到了广泛应用。然而，混凝土的抗冻性能一直是影响其耐久性的重要因素之一。在寒冷地区，混凝土结构经常受到冻融循环的破坏，导致混凝土强度下降、耐久性降低。为了提高高性能混凝土的抗冻性能，研究者们尝试通过添加矿物掺合料来改善混凝土的微观结构和性能。矿物掺合料如粉煤灰、矿渣粉、硅灰等，因其独特的物理化学性质，能够显著改善混凝土的性能。本文将探讨不同矿物掺合料对高性能混凝土抗冻性能的影响，分析其作用机制，并提出优化掺合料的建议，以提高混凝土的抗冻性能和耐久性。

一、矿物掺合料对高性能混凝土抗冻性能的影响机制

（一）粉煤灰的火山灰效应与填充效应

粉煤灰作为常用矿物掺合料，主要成分为二氧化硅与三氧化二铝，具备优良的火山灰效应及填充效应。其中，火山灰效应体现为：粉煤灰中的活性组分与水泥水化产物中的氢氧化钙发生反应，生成水化硅酸钙等稳定水化产物，进而提升混凝土的密实度与强度；填充效应则表现为：粉煤灰颗粒可填充水泥石内部孔隙，优化混凝土微观结构，降低孔隙率，增强混凝土的抗渗性与抗冻性。

（二）矿渣粉的微集料效应与活性效应

矿渣粉是高炉炼铁过程的副产物，拥有较高活性与良好的微集料效应。微集料效应方面，矿渣粉颗粒可填充水泥石孔隙，改善混凝土微观结构，减少孔隙率，提高混凝土密实度与强度；活性效应方面，矿渣粉中的活性成分能与水泥水化产物中的氢氧化钙反应，生成稳定水化产物，进一步提升混凝土的强度与耐久性。研究表明，矿渣粉可显著优化高性能混凝土的抗冻性能，增强其耐久性；适量添加矿渣粉不仅能提高混凝土的早期强度，还能提升后期强度，从而强化其抗冻性能。

（三）硅灰的微集料效应与活性效应

硅灰属于超细矿物掺合料，主要成分为二氧化硅，具有优异的微集料效应与活性效应。从微集料效应来看，硅灰颗粒可填充水泥石孔隙，改善混凝土微观结构，降低孔隙率，提升混凝土密实度与强度；从活性效应来看，硅灰中的活性成分能与水泥水化产物中的氢氧化钙反应，生成稳定水化产物，进一步提高混凝土的强度与耐久性。研究证实，硅灰可显著改善高性能混凝土的抗冻性能，增强其耐久性；适量添加硅灰能同时提升混凝土的早期与后期强度，强化抗冻性能。不过，硅灰的添加成本相对较高，且过量添加可能导致混凝土流动性下降，影响其施工性能。

二、不同矿物掺合料对高性能混凝土抗冻性能的影响

（一）粉煤灰对高性能混凝土抗冻性能的影响

粉煤灰的添加能够显著改善高性能混凝土的抗冻性能。研究表明，适量添加粉煤灰可以提高混凝土的密实度和强度，减少孔隙率，增强混凝土的抗渗性和抗冻性。粉煤灰的火山灰效应和填充效应能够改善混凝土的微观结构，提高混凝土的耐久性。然而，粉煤灰的添加量需要控制在合理范围内，过量添加可能会导致混凝土的早期强度降低，影响其抗冻性能。一般来说，粉煤灰的掺量在 15%-30% 之间时，能够显著改善高性能混凝土的抗冻性能。

（二）矿渣粉对高性能混凝土抗冻性能的影响

矿渣粉的添加能够显著改善高性能混凝土的抗冻性能。研究表明，矿渣粉的微集料效应和活性效应能够改善混凝土的微观结构，提高混凝土的密实度和强度，增强混凝土的抗渗性和抗冻性。矿渣粉的添加量需要根据混凝土的具体性能要求进行调整，一般来说，矿渣粉的掺量在 20% - 40% 之间时，能够显著改善高性能混凝土的抗冻性能，同时提高混凝土的早期强度和后期强度。矿渣粉的添加不仅能够提高混凝土的抗冻性能，还能够降低混凝土的成本，具有良好的经济效益。

（三）硅灰对高性能混凝土抗冻性能的影响

硅灰的添加能够显著改善高性能混凝土的抗冻性能。研究表明，硅灰的微集料效应和活性效应能够改善混凝土的微观结构，提高混凝土的密实度和强度，增强混凝土的抗渗性和抗冻性。硅灰的添加量需要根据混凝土的具体性能要求进行调整，一般来说，硅灰的掺量在 5%-10% 之间时，能够显著改善高性能混凝土的抗冻性能，同时提高混凝土的早期强度和后期强度。然而，硅灰的添加成本较高，且过量添加可能会导致混凝土的流动性降低，影响其施工性能。因此，在实际工程中，需要综合考虑硅灰的添加成本和混凝土的施工性能，合理确定硅灰的掺量。

三、优化矿物掺合料掺量的建议

（一）综合考虑矿物掺合料的种类和掺量

在高性能混凝土中，矿物掺合料的种类和掺量对混凝土的抗冻性能有显著影响。为了优化矿物掺合料的掺量，需要综合考虑矿物掺合料的种类和掺量。研究表明，粉煤灰、矿渣粉和硅灰的复合掺合料能够显著改善高性能混凝土的抗冻性能。复合掺合料的掺量需要根据混凝土的具体性能要求进行调整，一般来说，粉煤灰的掺量在 15%-30% 之间，矿渣粉的掺量在 20%-40% 之间，硅灰的掺量在 5%- 10% 之间时，能够显著改善高性能混凝土的抗冻性能，同时提高混凝土的早期强度和后期强度。

（二）优化矿物掺合料的掺量组合

为了进一步优化矿物掺合料的掺量，需要通过实验研究确定最佳的掺量组合。研究表明，粉煤灰、矿渣粉和硅灰的复合掺合料在不同掺量组合下对高性能混凝土的抗冻性能有显著影响。通过实验研究，可以确定最佳的掺量组合，以提高混凝土的抗冻性能和耐久性。例如，粉煤灰掺量为 20% ，矿渣粉掺量为 30% ，硅灰掺量为 8% 时，高性能混凝土的抗冻性能和耐久性达到最佳状态。

（三）考虑矿物掺合料的经济性和施工性能

在优化矿物掺合料掺量时，还需要考虑矿物掺合料的经济性和施工性能。粉煤灰和矿渣粉的成本较低，具有良好的经济效益，但硅灰的成本较高，需要合理控制其掺量。同时，矿物掺合料的添加可能会对混凝土的施工性能产生影响，如流动性、和易性等。因此，在优化矿物掺合料掺量时，需要综合考虑经济性和施工性能，确保混凝土的抗冻性能和耐久性的同时，提高混凝土的施工性能和经济效益。

四、结语

本文探讨了不同矿物掺合料对高性能混凝土抗冻性能的影响，分析了矿物掺合料的作用机制和影响因素。总体而言，粉煤灰、矿渣粉和硅灰等矿物掺合料能够显著改善高性能混凝土的抗冻性能，通过优化掺合料的种类和掺量，可以有效提高混凝土的耐久性。在实际工程中，需要综合考虑矿物掺合料的种类、掺量、经济性和施工性能，确定最佳的掺量组合，以提高高性能混凝土的抗冻性能和耐久性。通过合理使用矿物掺合料，可以有效提高高性能混凝土的抗冻性能，延长混凝土结构的使用寿命，为寒冷地区的建筑工程提供有力的技术支持。

参考文献

[1]张毅.装配式高强透水混凝土路面研究[D].长沙理工大学，2017.

[2]张琦进.高强耐磨水泥混凝土抗裂及断裂性能的试验研究[D].浙江大学，2008.

[3]高建华，汪宝隆.高强度水泥混凝土施工技术在建筑工程中的应用[J].中国水泥，2025，（03）：93-95.