浅谈矿渣粉在商品混凝土中的应用

2008-10-21 00:00

　　摘要：浅谈矿渣粉的发展趋势，分析矿渣粉的自身性质，通过试验了解矿渣粉使用于混凝土中的一些性质以及提出矿渣粉在混凝土应用中应注意的一些问题

　　关键词：矿渣粉混凝土应用

　　1前言

　　随着科学技术的不断进步，混凝土的应用越来越多、越来越广，混凝土材料科学同样也得到了迅速的发展。各种掺合料的使用，不仅降低了混凝土的成本，而且改善了混凝土的性能，扩大了混凝土的品种。

　　本文谈到的矿渣粉便是新发展起来的一种重要的掺合料。我国从20世纪90年代起，开始了对矿渣的特点及应用研究。清华大学对矿渣粉在高强混凝土的应用进行了研究和大量的试验，在其编写的《高强混凝土结构设计与施工指南》一书中，就特别提到矿渣粉在配制高强混凝土方面的巨大潜力，而国家则在2008年又颁布实施了《用于水泥和混凝土的粒化高炉矿渣》这一标准（GB18046-2008取代了2000年的GB18046-2000），上海是较早使用矿渣的地区，早在1999年就推出了该地区的《粒化高炉矿渣微粉在水泥混凝土中应用技术规程》，而北京也相继于2002年推出本地区的高炉矿渣微粉的应用技术规程，矿渣粉的应用已成趋势。广东省的商品混凝土发展较快，据不完全统计，珠江三角洲年商品混凝土已超过3000万立方米，预拌混凝土的比例已达到混凝土浇注总量的60%以上，这为矿渣粉的应用提供了更广阔的市场空间。

　2矿渣粉具有的一些性质

　　矿渣粉是水淬粒化高炉矿渣经粉磨后达到规定细度的一种粉体材料。矿渣含有较多的CaO（35%-45%），经水淬后的粒化高炉矿渣大部分为非晶体，具有玻璃质结构，这种玻璃体蕴藏有很高的结晶性能量，具有很好的活性。水淬矿渣根据其成分可分为酸性矿渣和碱性矿渣，碱性矿渣的活性优于酸性矿渣，矿渣中的Al₂O₃含量也是标志矿渣活性的一个重要特征，其含量越高，矿渣活性也越高。

　　高炉矿渣水淬的活性主要取决于四个方面：化学组成、玻璃体含量（玻化率）、研磨细度、少量结晶相对易磨性和活性的影响，其中化学组成是确定矿渣活性的基本因素，一般用碱度系数和质量系数来表示矿渣的类型和质量等级。

　　由于矿渣粉一般都磨得比水泥细和它表面的玻璃质，不仅对水泥有填充作用，而且能够减少水泥和混凝土的用水量，加上它的缓凝作用和密度与水泥接近，因此它较容易拌制成用水量少、流动性好、塌落度损失小的混凝土。但矿渣的粉磨细度及用量对掺矿渣混凝土的保水能力有较显著的影响，如果不够细、用量过大，会产生显著的泌水和离析，这是矿渣粉颗粒分布、细度与水泥的颗粒分布、细度缺乏互补性，只要作适当的调整就可以解决。

　　大量的研究和工程实践结果表明：用矿渣粉掺合料配制混凝土时，不仅可以大比例地替代水泥20%-70%，而且所配制的混凝土力学性能优良、坍落度经时损失小、水化热低、耐腐蚀性能优良。目前矿渣掺合料在世界各地的混凝土工程使用实例多得数不胜数，例：加拿大多伦多Scotia大厦，68层，高275米，它是世界上第一栋用含高炉矿渣的C70高性能混凝土建造的高层建筑。日本明石海峡大桥的混凝土也掺有大量的矿渣粉。国内的江南造船厂1号船坞底板（2002年3月），设计C40混凝土，方量4900m³，底板厚7米，属大体积混凝土，掺用矿渣粉30%。许许多多其它的工程实例在这里就不一一细数。

　　3矿渣粉使用于混凝土中的一些性质

　　我司经过大量的试验后自2005年开始使用矿渣粉作为活性掺合料应用于混凝土中，应用后混凝土的各项性能均得到了显著的改善。

　　使用材料简介：

　　水泥：联峰，P^.O42.5R

　　中砂：肇庆，Mx=2.5

　　碎石：5-25mm

　　外加剂：深圳华思远SPP-HP(II)，高效减水剂(萘系)

　　矿渣粉：(1)柳州钢铁厂，S95 (2)贵港钢铁厂，S75

　　粉煤灰：珠海发电厂，Ⅱ级

　　a) 用不同掺量的矿渣等量取代水泥与全部使用水泥的混凝土性能对比试验

　　控制所有试配坍落度一致达到160±10 mm

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（见表1、表2）

表1 基准及掺矿渣粉混凝土配合比

序号	水泥(kg)	矿渣(kg)	砂(kg)	石(kg)	水 (kg)	外加剂(kg)	备注
1	330	---	835	1025	180	5.6	柳矿
2	300	30	835	1025	180	5.6	柳矿
3	265	65	835	1025	180	5.6	柳矿
4	265	65	835	1025	180	5.6	贵矿
5	248	82	835	1025	180	5.6	柳矿
6	230	100	835	1025	180	5.6	柳矿

表2 试验结果对比

序号	实际用水量	和易性	泌水率 %	1小时坍损	7天(Mpa)	28天 (Mpa)	60天(Mpa)
1	197	一般	2.2	50	27.3	35.7	38.2
2	202	较好	3.0	35	26.9	36.0	38.5
3	196	很好	3.3	35	26.2	38.4	39.7
4	202	粘聚性较差浆体下沉	7.0	30	24.4	34.2	37.0
5	200	很好	3.5	30	24.7	35.5	40.2
6	200	粘聚性较差浆体下沉	4.1	30	22.8	35.0	41.7

b) 粉煤灰和矿渣按不同比例双掺时的混凝土性能对比试验（见表3、表4）

表3 双掺及单掺粉煤灰、矿渣混凝土配合比

序号	水泥(kg)	矿渣 (kg)	粉煤灰(kg)	砂 (kg)	石 (kg)	水 (kg)	外加剂 (kg)	备注
1	250	---	105	810	1025	180	5.6	柳矿
2	250	105	---	810	1025	180	5.6	柳矿
3	220	30	105	810	1025	180	5.6	柳矿
4	210	60	80	815	1025	180	5.6	柳矿
5	200	85	60	820	1025	180	5.6	柳矿
6	200	85	60	820	1025	180	5.6	贵矿
7	165	135	40	825	1025	180	5.6	柳矿

4 试验结果比较

序号	实际用水量	和易性	泌水率 %	1小时坍损	7天(Mpa)	28天(Mpa)	60天(Mpa)
1	190	很好	2.2	45	23.5	35.2	40.2
2	187	粘聚性很差浆体下沉	9.0	40	24.1	38.3	43.2
3	190	很好	3.5	30	24.3	35.6	40.9
4	192	很好	3.5	30	25.2	36.5	41.5
5	195	很好	4.0	35	24.7	37.5	42.3
6	196	粘聚性较差浆体轻微下沉	8.0	40	24.2	35.3	40.2
7	196	粘聚性很差浆体下沉	9.2	40	22.8	34.6	39.0

以上试验数据表明：

　　3.1矿渣粉改善了混凝土的和易性

　　与未掺矿粉的混凝土相比，掺入矿粉能改善混凝土的和易性与工作性，而这种改善与表面特性和比表面积有关。这种表面特性使得水泥浆体之间形成光滑的移动面，抗离析性能下降。当掺入较低量矿粉时，这种表面特性使得混凝土的和易性得以改善；当掺入较高量矿粉时，种种表面特性会造成混凝土离散性较大，保水性差，浆体下沉等。同时，当矿粉比表面积较小时，矿粉颗粒与水泥颗粒在微观状态下形成较好的微观颗粒级配，从而使得混凝土更加密实、和易性得到改善；当矿粉比表面积较大时，矿粉颗粒比水泥较大，从而使得取代后，混凝土的密实性、泌水、和易性等反不如取代前。

　　3.2矿渣粉对混凝土有增强作用

　　矿渣等量取代水泥后（一般不超过60%），其强度比仅使用水泥的混凝土强度增长更大；如果等量取代水泥量较大时（大于等于40%），其强度早期偏低，但后期增长较快，如要解决早期强度偏低的问题可采用超掺法。例如原来矿渣是等量取代水泥，现在超量1.1-1.3取代水泥，水胶比保持不变，同时减少相应体积数量的砂，会使混凝土早期强度赶上基准混凝土；也可以适当降低水胶比、适当增加砂率和外加剂用量以达到目的。

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　　3.3矿渣和粉煤灰双掺时，其强度最理想

　　矿渣和粉煤灰双掺时，其强度最理想的原因是两种矿物掺合料有叠加效应，使混凝土的塌落度增加，和易性好，粘聚性好，泌水得到改善，后期强度也比单掺的增长快，成本也比单掺的显著降低。

　　3.4 矿粉的掺入对混凝土早期塑性裂缝的改善

　　矿粉或粉煤灰的掺入，降低了水泥的水化热，延迟了热峰的出现。大大减少了大面积混凝土的早期塑性裂缝和大体积的混凝土的温度裂缝。

　　4矿渣粉在混凝土应用中应注意的一些问题

　　近几年来，随着大型立磨矿渣技术在我国的快速发展，矿渣粉得到了广泛的应用。为了更好地应用矿渣粉，减少问题，必须注意几个问题。

　　4.1严格控制矿渣粉的质量

　　矿渣粉的质量要严格控制，特别是矿渣粉的细度，因为细度的降低会给混凝土带来诸多问题，如：粘聚性下降出现离析和泌水、凝结时间延长、早期强度降低、甚至28天强度也会有不同程度的降低等。因此，冬季施工时，矿渣粉混凝土适宜选用非缓凝型减水剂，矿渣粉混凝土终饰抹面作业也要把握好适当的时机。

　　4.2控制好矿渣粉的掺量

　　根据具体的施工部位和施工要求控制好矿渣粉的掺量，避免盲目提高掺量。过大的掺量会明显延长混凝土的凝结时间，不利于施工。对竖向结构，掺量过高会使混凝土长期处于塑性状态，使混凝土发生较大沉降收缩，造成沿钢筋的环形裂缝。

　　4.3通过试验确定双掺粉煤灰和矿渣粉掺量

　　双掺粉煤灰和矿渣粉时，针对不同等级的粉煤灰，应通过试验找出合适的复合比例。但粉煤灰掺量不能大于矿渣粉的掺量，这是从矿渣粉混凝土定义出发，以便操作。

　　4.4加强养护

　　掺矿渣粉的混凝土或双掺粉煤灰和矿渣粉的混凝土对养护条件要求比一般不掺掺合料的混凝土更为苛刻。最好能保持湿养护14天左右。

　　4.5配比设计时必须考虑预应力损失

　　矿渣粉用于预应力钢筋混凝土时，放松或张拉预应力前，矿渣粉混凝土的强度必须达到设计规定的强度要求。如设计无具体要求，其强度应达到设计标准值的80%，以免发生预应力损失过大或混凝土结构损伤等问题。

　　5结论

　　综上所述，矿渣粉的大量应用改变了以往仅以粉煤灰为主要掺合料的局面，对商品混凝土搅拌站而言，矿渣粉的出现给我们带来了福音，矿渣粉的应用可以克服仅掺粉煤灰时取代水泥量有限的弱点，可以进一步降低水泥用量，改善混凝土的耐久性，同时降低混凝土成本，节约能源，改善环境。因此，我们应在加大研究力度和推广应用的同时，不断总结，使矿渣粉应用得到进一步扩大。

参考文献：

1.刘长俊.1993.7.辽宁科学技术出版社.《混凝土配合比设计计算手册》；

2.上海市建筑科学研究院.上海市散装水泥办公室.1999.《粒化高炉矿渣微粉在水泥混凝土中应用技术规程》；

3.文梓芸. 2004-12.华南理工大学材料学院.《矿渣粉掺合料与混凝土的高性能化问题》广东建材：12-17；

4.王华生、赵慧如.2002.10.机械工业出版社.《混凝土技术禁忌手册》。

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