摘要：混凝土是当今用量最大的一种建筑材料，随着城市建设的发展和施工水平的提高，对混凝土的品质指标和经济指标提出了越来越高的要求。磨细矿渣粉作为混凝土的一种重要掺合料越来越被人们所重视。本文主要研究磨细矿渣粉应用混凝土中对混凝土性能产生的改变。
关键词：磨细矿渣粉 混凝土 意义 标准
一、 矿粉的现状
高性能混凝土的研究和应用成为当前国际上的热点，人们不但要求混凝土的强度能够达到要求，而且希望它有很好的耐久性能。继化学外加剂在混凝土工程上普遍应用以后，活性矿物掺合料日益在国内外材料与工程界引起广泛的关注，甚至将之称为继水泥、细骨料、粗骨料、水、外加剂之后的第六组分。
矿物细掺料基本可分为以下四类：
1、 有胶凝性(或称潜在活性)的。如气硬性石灰、钢渣等。
2、 有火山灰性的。火山灰是指其本身并不具备有或只有极小的胶凝性，但其粉末态物质能与Ca(OH)2和水在常温条件下产生水化反应而生成具有胶凝性的水化产物，例如粉煤灰。
3、 同时具有胶凝性和火山灰性的。如高钙粉煤灰或增钙液态渣、粒化高炉矿渣等。
4、 其他未包括在上述三类中的本身具有一定化学反应的材料。如磨细石灰岩、白云岩以及各种硅质岩石的产物，这类材料过去一直被看作是惰性的物质。
分别属于这四类的矿物掺合料有多种，综合各种因素较为理想的活性矿物掺合料当属粒化高炉矿渣粉。矿渣粉因其产量大，质量较为稳定，环保以及成本低等特点，近几十年在水泥与混凝土中应用取得了很大的进展。
二、矿粉应用的重要意义
矿粉作为混凝土的掺合料，不仅能等量取代水泥，取得良好的经济效益，而且还能显著地改善和提高混凝土的综合性能，如改善混凝土的工作性，降低水化热的温升，改善混凝土的内部结构，提高混凝土的抗腐蚀能力和耐久性，增长混凝土的后期强度等等。由于矿粉能很好地改善混凝土的性能，国外有的学者将之称为辅助胶凝材料，不仅可将矿粉作为组分材料来配制高强、高性能混凝土，也可用其生产中强混凝土，大体积混凝土以及处于严酷环境下对耐久性有特殊要求的混凝土[1]。
矿渣用于水泥或者混凝土减少了胶结材料中水泥的用量，减少了由于生产水泥而导致的能源消耗，环境污染和土地资源浪费。据我国权威的混凝土专家预测，在未来的10-15年内，国内完全可以用1.6-1.7亿吨矿粉替代1.6-1.7亿吨水泥熟料，这样可大大改善大气环境，减少粉尘、CO2,NOx,SO2的排放量约1.58亿吨/年，节约石灰石资源2.6亿吨，电能350亿kwh，标煤1800万吨，矿粉的应用体现了水泥和混凝土的绿色含量和可持续性发展的战略思想[3]。
随着工程建设的发展和施工技术水平的提高，对混凝土提出了更高的要求，应运而生的高性能混凝土工作性和耐久性的主要技术路线。如矿粉替代水泥后降低单体积混凝土中胶结料的水化热的总量和延缓放热速率，减少大体积混凝土的温升裂缝，可以降低由于水化热引起的温度变化所引发的开裂。在有硫酸盐侵蚀的环境下，掺有活性矿物掺合料的混凝土，抗硫酸盐侵蚀的性能显著提高。另外，掺矿粉的混凝土密实度高，自由含水量低，在冻融交替的条件下，混凝土的抗冻性能也得到了大幅度的提高。
矿粉的应用除了在上述两方面的意义之外，还有很好的经济价值，矿粉作为混凝土的掺合物，能够在一定程度上提高混凝土的性能，延长了混凝土的寿命，减少了维修及重建所需的大额费用。另外，矿粉的应用，减少了混凝土中水泥的用量，是混凝土册成本降低了10%—15%。
三、 矿粉的应用标准
《用于水泥和混凝土的粒化高炉矿渣粉》GB18046-2000中规定[2]：
|
项目 |
S105 |
S95 |
S75 |
|
密度 |
g/cm3不小于 |
|
2.8 |
|
比表面积 |
m2/Kg不小于 |
|
350 |
|
活性指数 |
%不小于 |
7d |
95 |
75 |
55 |
|
28d |
105 |
95 |
75 |
|
流动度比 |
%不小于 |
|
85 |
90 |
95 |
|
含水量 |
%不大于 |
|
1.0 |
|
SO3 |
%不大于 |
|
4.0 |
|
Clˉ |
%不大于 |
|
0.02 |
|
烧失量 |
%不大于 |
|
3.0 |
四、 长治地区的基本情况
长治地区向社会供应的矿粉多为长治钢铁集团公司的矿粉，长治钢铁集团是生产建筑用线、棒材料为主，运转5座高炉，现场矿渣水淬池共三个，其中4﹟、5﹟高炉共用一池,3﹟、7﹟高炉共用一池，6﹟高炉单独用一池。长钢高炉入炉铁矿品位比较高，钢渣比较高，现年生产50万吨矿渣，大部分矿渣以水淬方式排出，活性较高。
长钢高炉矿渣排渣的2个渣池，生产的两种高炉水淬矿渣均为灰白色，含有约为5-10%的黑色多孔粒状或块状的物料。80%为3mm以下。其化学成份见下表1，与国内其他炼铁矿渣相比，长钢矿渣的Cao、SiO2含量低，Al2O3含量高。
表1：粒化高炉矿渣化学成份
|
成份 |
SiO2 |
Fe2O3 |
FeO |
TiO2 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
MnO2 |
K2O |
SO3 |
Clˉ |
|
含量% |
31.29 |
1.5 |
3.5 |
0.81 |
15.17 |
36.5 |
6.61 |
0.27 |
0.9 |
0.4 |
0.06 |
根据矿渣的化学成份，计算质量指标：
水硬性系数b=(CaO+MgO+Al2O3)/SiO2=(36.5+6.61+15.17)/31.29
=1.86>1
碱性系数M0=( CaO+MgO)/( SiO2+ Al2O3)=(36.5+6.61)/(31.29+15.17)
=0.928<1酸性
质量系数K=( CaO+MgO+Al2O3)/( SiO2+MnO2+TiO2)
=(36.5+6.61+15.17)/(31.29+0.27+0.61)
=1.81>1.6为优等品
由矿渣的质量指标可看出，长钢水淬高炉矿渣呈酸性，水硬性系数1.86，质量系数1.81，但长钢矿渣中慢冷黑块含量多，约占质量比例的5%，制成粉体外观颜色白度较低。
长钢矿粉为S75级矿粉，其物理性能指标见表2。
表2：长钢矿粉物理性能指标
|
比表面积 |
密度 |
烧失量 |
流动度比 |
活性指数 |
|
m2/kg |
g/cm3 |
% |
% |
7d |
28d |
|
436 |
2.90 |
0.38 |
100 |
56 |
77 |
五、 矿粉配制混凝土的应用
1、 试验用原材料：
1) 矿粉：采用长钢集团生产的矿渣粉，S75级，其物理性能指标见表2。
2) 水泥：P.O42.5级山西水泥厂生产的晋牌水泥，其性能见表3。
表3：水泥性能参数
|
标准稠度用水量% |
安定性 |
抗折强度/MPa |
抗压强度/MPa |
|
3d |
28d |
3d |
28d |
|
26.0 |
合格 |
5.8 |
9.0 |
32.4 |
50.1 |
3) 细骨料：产地：河北临城砂，其主要性能见表4。
表4：细骨料性能参数
|
细度磨数 |
含泥量/% |
泥块含量/% |
表观密度/kg/m3 |
|
2.7 |
0.5 |
0 |
2690 |
4) 粗骨料：产地：壶关5-25mm连续级配碎石，其主要性能见表5。
表5：粗骨料性能参数
|
含泥量/% |
泥块含量/% |
压碎指标/% |
针片状含量/% |
表观密度/kg/m3 |
|
0.2 |
0 |
90 |
5.1 |
2710 |
5) 粉煤灰：Ⅱ级，其主要性能见表6。
表6：粉煤灰主要性能指标
|
细度/% |
需水量比/% |
烧失量/% |
安定性 |
|
10 |
95 |
2.0 |
合格 |
6) 外加剂：太原砼钰外加剂厂生产的TY-D型高效减水剂，掺量为3.0%时，其主要性能指标见表7。
表 7：外加剂主要性能指标
|
减水率/% |
泌水率比/% |
含气量/% |
抗压强度（与空白）比 |
|
3d |
7d |
28d |
|
20.4 |
65 |
2.0 |
145 |
136 |
130 |
2、 试验方法
1) 配合比参照JGJ55-200《普通混凝土配合比设计规程》进行。
2) 混凝土拌合物坍落度采用GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验标准》进行。
3) 混凝土抗压强度测定采用GB/T50081-2001《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。
3、 试验方案
配制强度等级为C40，拌合物初始坍落度为180-220mm的混凝土，在单掺矿粉及复掺粉煤灰和矿粉的情况下，等量取代，观察随着掺量的变化而混凝土拌合物及硬化混凝土的基本性能的变化。
4、 试验数据
拌制混凝土配合比见下表8，拌合物及硬化混凝土物理性能见表9。
表8：混凝土配合比
|
编号 |
材料用量kg/m3 |
粉煤灰置换率% |
矿粉置换率% |
|
水泥 |
砂 |
石 |
粉煤灰 |
矿粉 |
外加剂 |
水 |
|
0 |
380 |
791 |
1049 |
0 |
0 |
11.4 |
180 |
0 |
0 |
|
1 |
342 |
774 |
1068 |
0 |
38 |
11.4 |
178 |
0 |
10 |
|
2 |
304 |
756 |
1089 |
0 |
76 |
11.4 |
175 |
0 |
20 |
|
3 |
266 |
739 |
1109 |
0 |
114 |
11.4 |
172 |
0 |
30 |
|
4 |
228 |
722 |
1129 |
0 |
152 |
11.4 |
170 |
0 |
40 |
|
5 |
304 |
757 |
1090 |
38 |
38 |
11.4 |
173 |
10 |
10 |
|
6 |
266 |
740 |
1110 |
38 |
76 |
11.4 |
170 |
10 |
20 |
|
7 |
228 |
723 |
1130 |
38 |
114 |
11.4 |
167 |
10 |
30 |
表9：拌合物及硬化混凝土物理性能
|
编号 |
拌合物坍落度/mm |
抗压强度/MPa |
|
初始 |
30min |
60min |
3d |
7d |
28d |
60d |
|
0 |
190 |
135 |
110 |
21.3 |
38.8 |
47.9 |
50.2 |
|
1 |
205 |
155 |
135 |
23.2 |
35.2 |
48.2 |
51.7 |
|
2 |
200 |
150 |
135 |
22.5 |
31.8 |
49.1 |
52.1 |
|
3 |
205 |
165 |
145 |
20.4 |
30.9 |
49.7 |
52.9 |
|
4 |
200 |
160 |
145 |
18.3 |
29.1 |
47.3 |
51.7 |
|
5 |
205 |
165 |
150 |
24.5 |
32.6 |
49.6 |
50.9 |
|
6 |
195 |
170 |
145 |
22.3 |
31.5 |
50.6 |
51.0 |
|
7 |
200 |
185 |
155 |
20.5 |
30.4 |
51.6 |
51.1 |
5、 试验结果分析
1) 在混凝土坍落度基本保持不变的条件下，单掺矿粉当掺量小于40%时，可降低混凝土的单位用水量。复掺矿粉和粉煤灰当掺量小于40时也可降低用水量。
2) 掺入矿粉和粉煤灰，混凝土拌合物坍落度损失会减小，且随着掺量的增大，坍落度损失减小更明显。
3) 混凝土单掺矿粉或复掺矿粉和粉煤灰后，混凝土早期强度都相应降低，且随着掺量的增加降低的越多。后期强度，单掺矿粉掺量在30%-40%之间时提高幅度最大，当掺量大于40%后，提高幅度减小。
六、 结论
1、 使用球磨矿粉时应加强检测，严格控制矿粉细度，大型立磨矿渣粉生产线的矿粉细度均控制在400-500m2/kg的范围内，长钢矿粉其先进的生产工艺，矿粉的细度比较稳定。而球磨矿粉的细度较难达到400m2/kg以上，也难以长期稳定。一旦矿粉细度大幅度降低，会给混凝土带来很多问题。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28d强度也会不同程度降低等。因此，在使用球磨矿粉时应加强检测，严格控制细度。
2、 注意矿粉的掺量，单掺矿粉时，常以小于40%为宜，大体积混凝土可增至50%，以达到降低水化热的目的。复掺时，总取代量不宜超过50%，粉煤灰控制在20%以内，矿粉控制在30%以内。
3、 注意矿粉(或矿粉和粉煤灰复掺)混凝土的养护。当养护温度适宜，湿度较大时，混凝土中水份蒸发少，水化充分，孔隙率及孔隙尺寸减小，同时由于水化产物阻隔了水分子的通道，使得开口孔隙数量减小。可发挥“储备”作用的闭合孔数量增加， 同时，建立良好的养护制度有利于提高混凝土的抗冻性能。矿粉(或矿粉和粉煤灰复掺)混凝土，对养护条件的要求更为苛刻，因此，混凝土施工方应确保混凝土的养护条件，在矿粉及矿粉和粉煤灰复合掺加的情况下，更需要加强养护，只有充分养护才能发挥掺合料的作用。
4、 注意调整混凝土的凝结时间，掺加矿粉的混凝土的凝结时间与不掺矿粉的不同混凝土的凝结时间相比，具有一定的缓凝效果，混凝土的初凝，终凝时间比基准混凝土推迟1-2.5h，因此，配制混凝土时应调整混凝土配合比，控制混凝土中矿渣粉掺量和使用早强型减水剂。而夏季施工时，可适当增加矿粉含量以延长混凝土的凝结时间。
5、 注意混凝土用水量的调整，矿粉与高效减水剂复合使用时，具有辅助减水的功能，与只掺高效减水剂的普通混凝土相比，在保证混凝土初始坍落度相同的情况下，可减少用水量。
参考文献：
1 张承志.商品混凝土[M]，北京：化学工业出版社，2006.6
2 GB/T18046-2008，用于水泥和砼中粒化高炉矿渣粉[S].
3刘秉京，混凝土技术[M],北京：人民交通出版社，2004.3
4 JGJ55-2000,《普通混凝土配合比设计规程》[S].
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文章名称：
矿粉在混凝土中的应用
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