礦渣微粉在商品泥凝土中的應用

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[摘　要] 　本文介紹了國內(nèi)外礦渣微粉的應用情況，并分析了礦渣微粉對商品混凝土性能的影響，說明了將礦渣微粉與I 級粉煤灰復合配制商品混凝土可以發(fā)揮優(yōu)勢互補效應，使混凝土的性能得到進一步改善。闡述了礦渣微粉在商品混凝土應用過程中應注意的問題。

[關鍵詞] 　礦渣微粉； 　商品混凝土

1 　引言

礦渣作為水泥混合材在我國已有40 多年的歷史，但20 世紀90 年代以前，大多數(shù)是將礦渣和水泥熟料一起粉磨，屬粗放型應用。由于礦渣與水泥熟料的易磨性相差很大，與熟料混磨后的礦粉較粗，其比表面積為300m2/ kg 左右，在水泥水化時礦渣的活性不能充分發(fā)揮。因此，摻混合材的水泥一般都是早期強度低，凝結(jié)時間長。如將礦渣經(jīng)過單獨粉磨得到礦渣粉，由于其比表面積達到400m2/ kg 以上，顆粒較細，則其活性可以得到充分發(fā)揮，這種顆粒細小的粉磨礦渣就是磨細礦渣( GGBFS) (礦渣微粉) 。

2 　礦渣微粉在國內(nèi)外的應用情況

1862 年德國人發(fā)現(xiàn)水淬礦渣具有潛在的活性后， 礦渣長期作為水泥混合材使用。1865 年德國開始生產(chǎn)石灰礦渣水泥。隨著礦渣硅酸鹽水泥良好的耐久性及應用價值不斷為人們所認識，19 世紀初在歐洲得到了廣泛的應用。德國有關礦渣硅酸鹽水泥的研究資料比硅酸鹽水泥的還要多。1933 年出現(xiàn)了濕碾礦渣及濕碾礦渣混凝土技術(shù)，50 年代這一技術(shù)曾在大型混凝土和預制混凝土中應用，因濕碾礦渣漿具有儲存和運輸困難的缺點，該技術(shù)并未得到廣泛推廣。1958 年南非將水淬礦渣烘干磨細，克服了濕碾礦渣漿儲存及運輸困難的缺點，首次將礦粉用于商品混凝土。進入60 年代，隨著預拌混凝土工業(yè)的興起和發(fā)展，礦粉作為混凝土的獨立組分得到了廣泛應用，90 年代在東南亞、我國臺灣、香港地區(qū)也得到了廣泛的使用。目前，國外一些發(fā)達國家已將摻有礦粉的混凝土普遍用于各類建筑工程。西歐摻有礦粉的水泥約占水泥總用量的20 %；荷蘭礦粉摻量65 %～70 %的水泥約占水泥總銷量的60 % ，幾乎各種混凝土結(jié)構(gòu)都采用此種水泥;英國礦粉的每年銷售量已達到100 多萬噸;美國、加拿大現(xiàn)在也將礦粉摻入水泥中應用于各種建筑工程;在日本、新加坡、東南亞地區(qū)礦粉普遍地應用于商品混凝土和摻入水泥中。

美國1982 年發(fā)布了《混凝土和砂漿用的磨細?；郀t礦渣》標準(ASTM C989 - 82) ，并于1989 年進行了修訂。澳大利亞、加拿大、英國等在1980 年- 1986 年期間也相繼制定了礦粉的材料標準。日本在1986 年由土木學會制定了《混凝土用礦渣粉》標準草案，于1995 年3 月正式修訂為日本的國家工業(yè)標準(J ISA6206 - 1995) ，日本1988 年還制定了《摻高爐礦渣粉的混凝土的設計與施工指南(草案)》。這些標準的制定和實施極大地推動了礦粉混凝土技術(shù)的研究， 并促使礦粉混凝土技術(shù)得到了令人矚目的發(fā)展。在我國，礦渣運用的歷史久遠，但都是作為活性混合材添加在水泥熟料中，成為硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥。隨著國際上對礦粉研究地不斷深入和大規(guī)模地開發(fā)利用，我國20 世紀80 年代改革開放的力度不斷加大，預拌混凝土的崛起與發(fā)展以及政府日益注重的環(huán)境保護，自20 世紀90 年代起，我國開始了礦粉的特性及應用研究工作。1998 年上海市實施地方標準《混凝土和砂漿用?；郀t礦渣微粉》，1999 年《?；郀t礦渣微粉在混凝土中應用技術(shù)規(guī)程》制定頒布。2000 年國家標準《用于水泥和混凝土的?；郀t礦渣粉》( GB18046 - 2000) 頒布實施，2002 年國家標準《高強、高性能混凝土用礦物外加劑》頒布，在該標準中正式將礦渣微粉命名為“礦物外加劑”納入混凝土第六組分。磨細礦渣作為一個獨立的產(chǎn)品出現(xiàn)在建筑市場，廣泛應用于商品混凝土中。礦粉的應用逐漸成熟，并被廣泛接受和使用。據(jù)不完全統(tǒng)計上海每年用于商品混凝土和摻加在水泥中的礦粉已達到80 萬噸。

3 　礦渣微粉對混凝土性能的影響

3。1 　礦粉細度( 比表面積) 及其對混凝土強度的影響

磨細礦渣微粉磨到一定細度(比表面積) ，才能充分參與水化反應提高活性。礦粉細度大小直接影響礦粉的增強效果，原則上礦粉細度越大則效果越好， 但要求過細則粉磨困難，成本大幅度增加。綜合考慮礦粉的細度以400m2/ kg～600m2/ kg 為佳，從表1 中的試驗數(shù)據(jù)分析礦粉的細度也應為400m2/ kg ～ 600m2/ kg。

但實際應用中，由于礦渣較難磨細，考慮到磨機效率，礦渣磨細到400m2/ kg～500m2/ kg 已經(jīng)比較好了。從頒布執(zhí)行的GB/ T18046 - 2000 標準來看，只要將礦渣比表面積控制在420m2/ kg～450m2/ kg 即可滿足標準中S95 級要求。這樣，即可滿足預拌混凝土公司配制≤C60 混凝土的要求。除非需配制C80 以上的混凝土，否則勿需耗費大量電能生產(chǎn)比表面積600m2/ kg 的磨細礦渣。另外，僅用比表面積作為礦渣粉的質(zhì)量指標是不夠嚴謹?shù)模驗椴煌勰ハ到y(tǒng)制備的磨細礦渣，即使比表面積相同，其活性指數(shù)(特別是7d 齡期時) 也不一定相同。

3。2 　礦粉對混凝土耐久性的影響

(1) 礦粉降低水泥的水化熱

混凝土在硬化過程中，水泥水化反應產(chǎn)生大量水化熱。由于混凝土熱阻很大，熱量聚集在內(nèi)部不易散發(fā)，而表面散熱較快，致使在混凝土內(nèi)部和表面形成較大溫差。這樣會導致不均勻溫度變形和溫度應力， 一旦拉應力超過混凝土即時抗拉強度，就會在混凝土內(nèi)部或表面產(chǎn)生裂縫。這種溫度裂縫是混凝土早期開裂的主要因素之一，往往是貫穿性的有害裂縫，對混凝土的耐久性十分不利。

應用42。5 普通硅酸鹽水泥及礦粉和粉煤灰進行試驗，試驗結(jié)果列于表2 中。

由表中可以看出，混凝土中摻加礦粉可降低漿體的水化熱，單摻量小于50 %時，水化熱降低不明顯。當達到70 %摻量時，3d、7d 的水化熱明顯降低;礦粉和粉煤灰復配，可顯著降低漿體3d、7d 的水化熱。對要求嚴格控溫的大體積混凝土，礦粉和粉煤灰復配是理想的礦物摻合料，可有效減少混凝土早期溫縮裂縫。

(2) 礦粉提高混凝土抗?jié)B性能

超細礦粉對混凝土抗?jié)B性的改善主要取決于它的兩個綜合效應；一是火山灰效應，二是微集料效應。火山灰效應；礦渣改變了膠結(jié)料與集料的界面粘結(jié)強度，普通混凝土的漿體與集料的界面粘結(jié)受水化產(chǎn)物Ca (OH) 2 定向排列的影響而強度降低。礦渣微粉吸收水泥水化時形成的Ca (OH) 2 ，并進一步水化生成更多有利的C —S —H 凝膠，使界面區(qū)的Ca (OH) 2 晶粒變小，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，使水泥漿體的孔隙率明顯下降，強化了集料界面粘結(jié)力，從而使混凝土的抗?jié)B性能提高。

微集料效應：混凝土體系可理解為連續(xù)級配的顆粒堆積體系，粗集料間隙由細集料填充，細集料間隙由水泥顆粒填充，水泥顆粒之間的間隙則由更細的顆粒填充。礦渣微粉可起到填充水泥顆粒間隙的微集料作用，從而改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，降低了孔隙率， 并減少了最大孔徑的尺寸，使混凝土形成了密實充填結(jié)構(gòu)和細觀層次的自緊密堆積體系，大幅度提高了混凝土的抗?jié)B性能，同時也防止了泌水、離析。

應用42。5 普通硅酸鹽水泥及礦粉和粉煤灰進行試驗，試驗結(jié)果列于表3 。

從表3 結(jié)果看，混凝土中摻加礦粉或礦粉和粉煤灰復配，發(fā)揮摻合料的微集料效應和二次水化反應， 可以使混凝土孔徑細化，連通孔減少，混凝土密實性提高，從而大幅提高混凝土的抗?jié)B性能。

3。3 　礦粉和粉煤灰復摻對混凝土工作性能及力學性能的影響

為保證混凝土的可泵送性，商品混凝土要求有很好的流動性，混凝土初始坍落度，一般控制在180mm 以上，泵送時坍落度一般控制在110mm。在水泥水化初期，礦渣微粉分布并包裹在水泥顆粒的表面，起到了延緩和減少水泥初期水化物相互搭接的隔離作用。

因此，使坍落度經(jīng)時損失也有所改善。在同樣混凝土配合比及摻用同樣高效減水劑的情況下，礦渣混凝土的坍落度經(jīng)時損失比普通混凝土小，有利于商品混凝土的泵送施工。另外，礦粉會使混凝土凝結(jié)時間有所延長。

礦渣和I 級粉煤灰復合摻加，兩種材料的火山灰效應、形態(tài)效應和微集料效應相互疊加，形成“工作性能互補效應”和“強度互補效應”，使混凝土具有良好的抗?jié)B性和可泵性。

(1) 混凝土“工作性能互補效應”

對新拌混凝土，發(fā)揮粉煤灰的“形態(tài)效應”。粉煤灰中富含的球狀玻璃體對漿體起到“潤滑作用”，增大了拌合料的流動性，減小泵送阻力，改善由于礦粉的摻入所導致的混凝土粘聚性提高、泌水性增加的趨勢，使新拌混凝土得到最佳的流動性和粘聚性。

(2) 混凝土“強度互補效應”

粉煤灰等量取代水泥時，28d 強度基本都比空白混凝土強度低，而礦粉在合適的摻量下會使混凝土的28d 強度稍有提高，因此，二者有較好的“強度互補效應”。二者復合使用還可兼顧混凝土早期強度與后期強度，早期發(fā)揮礦粉的火山灰效應，改善漿體和集料的界面結(jié)構(gòu)，彌補由于粉煤灰的火山灰效應滯后于水泥熟料水化，從而使得火山灰反應生成物和水泥水化生成的凝膠數(shù)量不足導致與未反應的粉煤灰之間界面粘結(jié)不牢引起的早期強度損失;后期發(fā)揮I 級粉煤灰的火山灰效應所帶來的孔徑細化作用以及未反應的粉煤灰顆粒的“內(nèi)核作用”，使混凝土后期強度持續(xù)得到提高。

4 　礦渣微粉在商品混凝土中的應用

由于礦渣微粉具有以上的性能，所以代替水泥的用量是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展路線的很好的途經(jīng)。全國每年生產(chǎn)生鐵約1.6 億噸，每冶煉一噸生鐵，大約產(chǎn)生礦渣0.3 噸～1.0 噸。因此，全國每年的礦渣的產(chǎn)量大約在0.5 億噸～1.6 億噸之間。如果全部用來代替水泥，則可少生產(chǎn)至少1 億噸水泥。少生產(chǎn)1 億噸水泥，就可節(jié)省不可再生的石灰石資源、煤炭資源，減少向環(huán)境排放大量的二氧化碳1 億噸，建筑物的壽命也可大大延長，因此礦渣微粉的應用對水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重大的意義。

4。1 　應用礦渣微粉和粉煤灰復合配制商品混凝土

磨細礦渣取代混凝土中的部分水泥，能夠提高混凝土的強度，改善混凝土的工作性能，降低溫升，延緩凝結(jié)時間，提高耐久性。在我國該項技術(shù)的研究和實踐越來越多，北京每年的用量已接近20 萬噸，而上海每年用量已超過80 萬噸。秦皇島前幾年由于受磨細礦渣粉加工水平限制以及產(chǎn)量低等原因，使得磨細礦渣粉在商品混凝土中未得到推廣和使用，但隨著唐鋼60 萬噸生產(chǎn)線的建成，在產(chǎn)品的供應上均得到了保證。秦皇島近兩年建成的混凝土攪拌站都增加了礦粉倉，摻加礦粉混凝土已在一些重點工程中應用，例如，秦皇島濱海城車庫等，可以預見未來數(shù)年將掀起磨細礦渣微粉的使用高潮。以下為某工程礦粉和粉煤灰復合配制的實際應用配合比(僅供試配參考) 。

4。2 　礦粉在商品混凝土攪拌站中應用時應注意的問題

(1) 使用球磨礦粉時應加強檢測，嚴格控制礦粉的細度。

大型立磨礦渣粉生產(chǎn)線生產(chǎn)的礦渣粉細度均控制在400m2/ kg～500m2/ kg 的范圍內(nèi)。由于其先進的生產(chǎn)工藝，礦渣粉的細度非常穩(wěn)定。而球磨礦粉的細度較難達到400m2/ kg 以上，如果通過延長磨細時間， 勉強達到400m2/ kg 以上，也難以長期穩(wěn)定。一旦礦粉細度大幅度降低，會給混凝土帶來很多問題，如：粘聚性下降，出現(xiàn)離析和泌水;凝結(jié)時間延長；早期強度降低，甚至28d 強度也會不同程度降低等。因此，在使用球磨礦粉時應加強檢測，嚴格控制礦粉的細度。

(2) 注意礦粉的摻量

單摻礦粉時，以30 %～40 %為宜。大體積混凝土可增至50 %以上，以達到明顯降低水化熱的目的。復摻時，總?cè)〈坎灰顺^50 %。粉煤灰控制在20 % 以內(nèi)，礦粉控制在30 %以內(nèi)。初期使用時，最好粉煤灰控制在10 %以內(nèi)，礦粉控制在20 %以內(nèi)，大體積混凝土可適當放寬。

盡管在試配時，礦粉摻量在70 %以內(nèi)對混凝土強度影響不大，但過大的摻量在實際應用中卻存在很多問題。一是混凝土凝結(jié)時間問題。摻量過高時，薄壁結(jié)構(gòu)由于混凝土溫度很快與環(huán)境溫度相同，其混凝土的凝結(jié)時間會明顯加長，不利于施工。對于豎向結(jié)構(gòu)，由于混凝土長期處于塑性狀態(tài)，會使混凝土發(fā)生較大沉降收縮，常常出現(xiàn)沿箍筋的環(huán)行裂縫。對于大體積混凝土，由于它能積聚水化熱，凝結(jié)時間往往比試驗要短的多。因此采用大摻量礦粉或礦粉與粉煤灰復配可降低水化熱，延緩凝結(jié)時間，對大體積混凝土是比較有利的。另一個是混凝土粘聚性，隨著混凝土強度等級提高，混凝土的粘聚性不斷增加，這樣就會給配制混凝土帶來一定的困難。低強度等級混凝土粘聚性差，需要設法增加其粘度，減少混凝土離析泌水的可能;高強度等級混凝土粘聚性大，需要設法降低其粘度來保證施工性能。由于細度達到400m2/kg 以上的礦粉可增加混凝土粘度，因此它有利于低強度等級混凝土而不利于高強度等級混凝土配制。配制高強度混凝土時需要礦粉和可以降低混凝土粘度的優(yōu)質(zhì)I 級粉煤灰復合使用。

(3) 復摻時，針對不同等級粉煤灰，選擇合適的復合比例。

礦渣粉在商品混凝土攪拌站使用時，常與粉煤灰復合使用。這是因為粉煤灰比礦粉更為廉價，單摻礦粉對混凝土成本不利。雖然單摻粉煤灰可以大幅度降低成本，但摻量受到較大限制；另外，礦粉和粉煤灰復配時能充分利用二者的“優(yōu)勢互補”，改善混凝土性能。

礦渣粉與II 級粉煤灰復合：礦粉與II 級粉煤灰復合使用時，粉煤灰的取代量宜控制在15 %以內(nèi)，礦粉宜控制在30 %以內(nèi)。由于II 級粉煤灰較I 級粉煤灰供應量充足，因此在商品混凝土攪拌站大量使用。但II 級粉煤灰的質(zhì)量穩(wěn)定性很差，給配制混凝土帶來很多不便。礦粉的質(zhì)量穩(wěn)定性遠好于II 級粉煤灰，給我們配制混凝土帶來了很好的選擇，只要通過試驗找出合適的復配比例及合適的摻量，就可以配制出和易性好而成本又無明顯增加的混凝土。在條件允許的情況下，應盡可能多用礦粉;降低II 級粉煤灰質(zhì)量波動給混凝土帶來的不利影響。另外，由于II 級粉煤灰和礦渣粉同樣具有增加混凝土粘度的趨勢，因此不宜配制高強混凝土。

礦渣粉與I 級粉煤灰復合：礦粉與I 級粉煤灰復合使用應是最佳組合。粉煤灰可控制在20 %以內(nèi)，礦粉可以控制在40 %以內(nèi)，它們之間的比例可以根據(jù)不同強度等級，不同技術(shù)要求進行調(diào)整。

(4) 注意礦粉(或礦粉和粉煤灰復摻) 混凝土的養(yǎng)護

當養(yǎng)護溫度適宜、濕度較大時?；炷林兴终舭l(fā)少，水化充分，孔隙率及孔隙平均尺寸減小，同時由于水化產(chǎn)物阻隔了水分子通道，使得開口孔隙數(shù)量減少，可發(fā)揮“儲備”作用的閉合孔數(shù)量增加，因此，建立良好的養(yǎng)護制度有利于提高混凝土的抗凍性能。礦粉(或礦粉和粉煤灰復摻) 混凝土對養(yǎng)護條件要求更為苛刻。因此商品混凝土攪拌站技術(shù)人員應加強與施工方溝通，確?；炷恋酿B(yǎng)護條件。受施工進度、結(jié)構(gòu)形式、養(yǎng)護手段和人員素質(zhì)等方面因素的影響，混凝土的養(yǎng)護經(jīng)常得不到重視。特別是豎向結(jié)構(gòu)，如剪力墻、柱等，由于不便養(yǎng)護，一些單位只是涂刷養(yǎng)護劑，而養(yǎng)護劑的效果很難在短期驗證，使混凝土的養(yǎng)護出現(xiàn)不少問題。在礦粉或礦粉和粉煤灰復合摻加的情況下，更需要加強養(yǎng)護，只有充分養(yǎng)護才能發(fā)揮摻合料的作用。

(5) 注意調(diào)整混凝土的凝結(jié)時間

磨細礦渣對混凝土的凝結(jié)時間與不摻磨細礦渣的普通混凝土相比，具有一定的緩凝效果。混凝土的初凝、終凝時間比基準混凝土推遲1h～215h 。因此， 商品混凝土公司應注意調(diào)整混凝土的凝結(jié)時間，特別是冬季施工，應調(diào)整混凝土配合比，控制混凝土中的礦粉摻量和使用早強型減水劑。

(6) 注意混凝土用水量的調(diào)整磨細礦渣與高效減水劑復合使用時，具有輔助減水的功能，與只摻高效減水劑的普通水泥的混凝土相比，在保證混凝土初始坍落度相同的情況下，可以減少用水量。

5 　結(jié)束語

隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，對混凝土的耐久性越來越重視，而配制耐久性混凝土的途徑之一就是摻加包括礦粉在內(nèi)的礦物摻合料。大型立磨礦渣技術(shù)在我國的快速發(fā)展，使大量細度在400m2/ kg 的礦粉得到廣泛應用。礦粉的大量應用，改變以往僅以粉煤灰為主要摻合料的局面。對于商品混凝土攪拌站而言，這種礦粉的出現(xiàn)給我們配制混凝土帶來了很大的方便， 隨著礦粉研究和應用的不斷深入，混凝土質(zhì)量會逐步改善。同時，礦粉的應用，可以克服僅摻粉煤灰時取代水泥量有限的弱點，可以進一步降低水泥用量，不僅可以改善混凝土耐久性，同時降低混凝土成本，節(jié)約能源，改善環(huán)境。

[參考文獻]

[ 1 ]張雄，韓繼紅，李旭峰。 礦渣微粉對減水劑效果影響及其作用機理[J ] 。 混凝土，1999 ，6。

[2 ]張雄，吳科如。 高性能混凝土礦渣復合摻合料特性與作用機理[J ] 。 混凝土與水泥制品，1997 ，3。

[3 ]肖國先，徐德龍，侯新凱。 水淬高爐礦渣超細粉的應用與制備[J ] 。 西安建筑科技大學學報。

[4 ]張樹青。 新型礦渣水泥的強度發(fā)展特性[J ] 。 混凝土，2002。 4。

[5 ]劉軍華，等。 摻加磨細礦渣摻合料對泵送混凝土性能的試驗研究[J ] 。 混凝土，2001。 8。

[ 6 ]宋中南，石云興。 礦渣微細粉復合效應對高性能混凝土工作性能與流變性的影響[J ] 。 混凝土，2003。 1。

[作者簡介] 　周美茹，1968 年生，女，副教授，無機非金屬材料專業(yè)。

[單位地址] 　河北省秦皇島市河北建材職業(yè)技術(shù)學院建材建工系

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