摘要：本实验以混凝土的基本配制原理为基础，选择适合本地实情的材料，在传统混凝土的配制基础上，掺入不同比表面积（540m2/kg和1100m2/kg）超细矿渣组分，较为详细地研究了掺超细矿渣掺合料后的混凝土的坍落度、坍落度经时损失、单位需水量、凝结时间等有关性能。结果表明：超细矿渣对混凝土的性能具有很大改善作用，与化学外加剂共同使用，不仅可以改善混凝土的流变特性，而且对混凝土的强度、耐久性等一系列指标都有重要影响，是生产混凝土的重要技术途径。
关键词：水泥；混凝土；超细矿渣；坍落度；强度
0前言
高炉矿渣是属于硅酸盐质材料。它可以生产用于水泥和混凝土中的掺合料的粒化高炉矿渣粉，用于配制不同强度等级混凝土，因其不但能替代30%～40%的高标号水泥，而且在外加适量激活剂后，对所配制的混凝土具有流动性大，凝结效果好，早期强度增长快，抗硬化性、混凝土密实性、抗渗性、耐腐蚀性、耐久性都得到提高，水化热显著降低等特点，全面提高了混凝土的质量[1]，因此得到建筑企业和预拌混凝土行业的推广应用。
国内大多企业生产矿渣微粉仅仅是局限于降低生产成本方面，其实，矿渣活化微粉更主要的价值在于提高混凝土的综合性能。矿渣活化微粉比表面积达到450～550m2/㎏，具有很高的活性，不但可以替代50%水泥用量，而且混凝土的和易性能好、脱膜快，早期、后期强度高；可改善水泥混凝土的抗渗性、抗冻性、增加塌落度等。由于机场、码头、水电站、桥梁等是国家重点工程，因此需要S105级高质量的矿渣活化微粉。其中哈尔滨到大连的高速铁路客运专线的桥梁材料设计时，规定必须掺入一定比例的矿渣微粉。国内有些城市矿渣活化微粉的市场价格已经相当或超过32.5级水泥的价格。可见，矿渣活化微粉具有广大的应用前景。
1 综述
1.1矿渣的定义
高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣。超细矿渣粉（或超细粒化高炉矿渣粉）是指符合国家标准《用于水泥中粒化高炉矿渣》GB/T203—1994规定的粒化高炉矿渣经干燥、粉磨（或添加少量石膏—起粉磨）到达相当细度且符合相应活性指数的粉体。在高炉冶炼生铁时，从高炉加入的原料，除了铁矿石和燃料（焦炭）外，还要加入助熔剂。当炉温达到1400—1600℃时，助熔剂与铁矿石发生高温反应生成生铁和矿渣。高炉矿渣是由脉石、灰分、助熔剂和其他不能进入生铁中的杂质组成的，是一种易熔混合物。从化学成分来看，高炉矿渣是属于硅酸盐质材料。
1.2 矿渣在混凝土中的作用
1.改善混凝土的微结构
主要是通过改善混疑土细微颗粒的级配，及改善粉体材料在混凝土中的粒度分布，产生密实堆积填充效应，使混凝土的孔结构优化（大孔数量减少，小孔数量增加，平均孔径降低，分布更为合理），孔隙率降低（特别是水泥水化产物之间的空隙），微结构更为密实。
2.减水作用
超细矿渣粉用于混凝土施工时，它具有微珠润滑效应，有明显减水作用，随着超细矿渣粉量的增加，混凝土水胶比W/C在减小。当掺量在45％时，减水率高达20％。随着超细矿粉掺量的增加，混凝土各龄期抗压强度都有增长。所以，掺超细矿渣粉虽然可以生产高强度混凝土，但一定要掌握好掺加比例，经试验证明掺加比例不超过50％。
3.减小塌落度损失
坍落度损失是混凝土施工中一个很重要的指标。塌落度损失小，混疑土的流动性好，便于施工。混凝土中随着超细矿渣粉掺量的增加，混凝土塌落度损失可以得到有效的改善。
4.降低混凝土中的水泥用量和水化热
国家标准规定：混凝土中心温度与表面温度的温差不得超过25oC在混凝土强度一定的情况下，掺加超细矿渣粉，可大幅减少水泥用量，同时可推迟热峰的出现时间。
5.提高混凝土的抗冻性
大量研究表明：混凝土的胶凝材料用量、水胶比、引气性能等是影响混凝土抗冻性的主要因素。混凝土水胶比大时，其游离态有害水多，硬化后内部孔结构差、空隙率大，则受冻融循环破坏的几率大。当混凝土中引入大量的、细微的、均匀的气泡时，这些细微气泡即细微空间可以作为体积膨胀的“缓冲阀”，降低和避免其他物理和化学反应引起的破坏。经试验表明，掺入超细矿渣粉的混凝土，其抗冻性明显高于普通混凝土。
6.提高混凝土的抗裂性
混凝土在硬化过程中，由于化学减缩、冷缩和干缩的原因会引起体积收缩，其收缩值为自身体积的O．04％左右。这些收缩会给混凝土的体积稳定性带来很大的危害。经试验表明，掺入超细矿渣粉的混凝土，会产生适度的膨胀。在钢筋和骨料的约束下，可产生一定的预压应力，以抵消混凝土在硬化过程中产生的拉应力，补偿部分水化热引起的温度应力，减少和避免混凝土裂缝的产生。
7.提高混凝士的耐腐蚀性
超细矿渣粉中含有丰富的活性SiO2等，能够与水泥的水化产物Ca（OH）2进行二次水化反应，从而降低混凝土硬化后水泥胶体与S042-反应生成钙矾石的机会，一定程度上抑制了SO42-等离子的侵蚀破坏。这种钙矾石由于体积膨胀产生的应力受到硬化后混凝土的约束，因此其破坏力最强。另外，掺加超细矿渣粉减少了水泥用量，即减少了水泥引入的碱含量，从而降低混凝土发生碱——集料反映的可能性。
1.3 矿渣对混凝土性能影响的研究
1）矿渣对混凝土干缩的影响
含磨细矿渣的混凝土，自加水拌合后，水化反应较慢。在初期，从混凝土蒸发的水量比基准混凝土的大，干缩率与硬化收缩率的总和，比基准混凝土的大。研究也表明，引气和非引气的两种磨细矿渣混凝土在水中养护14d后，放入恒温干缩室发现两种混凝土均有补偿收缩的能力，他们在水中的湿胀率是普通混凝土的10倍和8倍。一般而言，矿渣的细度越大，混凝土的收缩率就越小。
2）矿渣对混凝土抗氯离子渗透性能的影响
混凝土中渗入氯离子，会引起钢筋的锈蚀。这就要求混凝土具有一定的抗氯离子渗透的能力。另一方面，由于通常的抗渗标号无法测试出高性能混凝土的渗透性，其它的渗透方法又过于复杂，所以，现在国内外也都比较倾向于用氯离子扩散系数和渗透电量来测试和评价混凝土的渗透性。
分析矿渣对混凝土抗氯离子渗透能力的影响机理，发现矿渣对混凝土的孔径分布、孔的几何形状的改善有很好的作用，矿渣混凝土水化时能产生较多的C—S—H凝胶，而C—S—H凝胶吸附一部分氯化物于其中，并可堵塞扩散通道，造成氛离子扩散系数下降。试验表明，超细矿渣混凝土的Cl-渗透度仅为基准混凝土的1/2～1/3[7]。
3）矿渣对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响
矿渣加到混凝土中以后，一方面粒子本身填充孔隙，堵塞连通孔通道，提高混凝土密实性；另一方面，矿渣水化产生的C—S—H凝胶也进一步密实了混凝土结构。大量的研究发现使用水玻璃激发的矿渣制成的碱矿渣水泥浆体中，大部分孔径小于10μm，而硅酸盐水泥浆体中大部分孔在10～220μm之间。因此，使用矿渣可以提高混凝土的密实性，阻碍SO42-的渗透，增强混凝土对硫酸盐侵蚀的抵抗能力。
由于矿渣取代了部分水泥熟料，对混凝土中C3A的总量有稀释作用，从而减少钙矾石等膨胀性产物的产生，增强对混凝土硫酸盐侵蚀的抵抗能力。另一方面，CH是混凝土中易受侵蚀的组分，掺入矿渣以后，由于混凝土中水泥熟料的含量相对减少，并且有相当多的CH又与矿渣组分相互作用，所以CH的含量减少，并且与不掺矿渣的水泥混凝土相比，水化产物稳定存在的碱度降低，稳定性也增强。
最后，由于矿渣水化速度慢，混凝土水化过程中释放的热量容易散发出去，从而减少了温度裂缝，改善了混凝土的性能[8]。
综上所述，矿渣的掺入能够增强混凝土对硫酸盐侵蚀的抵抗能力。
2.原材料的选择
2.1水泥
本实验采用广州中材42.5R水泥，按照《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）进行水泥性能试验，包括：水泥安定性、凝结时间、水泥标准稠度用水量、3d、28d 胶砂强度。通过检验得知水泥强度、安定性和细度等指标符合《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）要求，与混凝土外加剂的适应性良好，可以使用。
水泥胶砂的抗折强度：3天5.5MPa，28天9.5MPa。水泥胶砂的抗压强度：3天25.2MPa，28天50.7MPa。标准稠度用水量为132ml，初凝时间244min，终凝时间340min，安定性合格。
2.2 超细矿渣
本实验采用广州贵港S95磨细矿粉，主要性能：
比表面积540m2/Kg矿粉流动度比95%，7天活性指数77%，28天活性指数99%。比表面积1100m2/Kg矿粉流动度比98%，7天活性指数83%，28天活性指数99%。
2.3 细集料
本实验采用深圳市宝安区虾山涌码头的海砂，基本性能：
表观密度2630kg/m3，松散堆积密度1447kg/m3，空隙率45%，细度模数2.57，含泥量0.7%。
2.4 粗集料
本实验采用广东中山碎石灰石，最大粒径20mm，基本性能：
表观密度2665kg/m3，松散堆积密度1495kg/m3，空隙率45%，细度模数2.57，压碎指标12%，含泥量2.0%。
2.5 高效减水剂
本实验采用由深圳市正强公司自行配制的由石家庄生产的延辉为原料的萘系高效减水剂（FDN）。
2.6 实验设计
通过设计C30混凝土试块对比试验的方法，将不同量的超细矿渣掺合料加入到混凝土拌合物中，并分别对其抗压强度、坍落度等数据进行记录与对比，从而确定合理且合适的掺量范围，使混凝土达到应有的性能指标。
3 试验结果讨论
3.1 掺超细矿渣的混凝土性能
3.1.1 混凝土硬化前性能
（1）坍落度实验
混凝土坍落度是表征新拌混凝土性能的重要指标，它的大小直接影响混凝土的工作性，对于泵送混凝土，坍落度更加重要。
掺比表面积为540 m2/Kg的矿渣，在掺高效减水剂的情况下，随着掺量的增加，新拌混凝土的坍落度都有不同程度的增大；而掺比表面积为1100 m2/Kg矿渣的混凝土在掺量大于50％时坍落度明显降低。
混凝土在不掺高效减水剂情况下，混凝土坍落度较小，掺超细矿渣后，坍落度略有增加，这说明，在没有高效减水剂的环境下，超细矿渣具有良好的辅助减水作用。
（2）坍落度经时损失
对于商品混凝土而言，混凝土坍落度损失是其生产的重要控制指标，也是目前困扰商品混凝土施工的一个难题，在混凝土中掺加比表面积540 m2/Kg的超细矿渣后可以明显减少坍落度损失，方便施工。因此在商品混凝土中加入超细矿渣对减少混凝土坍落度是有利的。
不掺高效减水剂的混凝土，随着超细矿渣掺量的增加，混凝土中水泥的成分逐步减少，水化速度也逐步放慢，因此坍落度的损失也随超细矿渣掺量的增加呈明显减小的趋势。掺加高效减水剂后混凝土坍落度损失的机理与不掺高效减水剂的混凝土坍落度损失不完全相同。
（3）混凝土单位需水量变化
混凝土的需水量随超细矿渣掺量的增加而减少，掺加高效减水剂后，需水量减少更明显，这一性质对配制高性能混凝土具有重要意义。
（4）含气量、泌水性
掺超细矿渣的混凝土含气量与空白组相比差别不大，掺比表面积540 m2/Kg超细矿渣的混凝土当掺量达70％时，稍有泌水。
3.1.2混凝土硬化后的性能
（1）掺量、细度与28天抗压强度的关系
表3－1是空白混凝土28天抗压强度为100％时，不同掺量和细度超细矿渣混凝土的强度。各组强度均比空白组高。不同超细矿渣掺量的混凝土强度增进率不同，细度越细，抗压强度越高，增强效果越明显。
（2）抗压强度随龄期的发展情况
表3－2表示的是3、7和60天抗压强度相对于28天抗压强度的发展情况。3天、7天龄期抗压强度掺超细矿渣的比不掺的发展慢，且随着超细矿渣掺量的增加，这一趋势更加明显，60天龄期的抗压强度增进率与空白相比差别不大；细度对3天龄期有影响，细度大，3天强度增进率小，但是对7和60天的强度增进率没有明显影响。
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论文作者:张广宇1,王一2,汤芳3
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/17
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