超細(xì)礦渣粉在混凝土中的應(yīng)用

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超細(xì)礦渣粉是指符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥中?；郀t礦渣》GB/T203-1994規(guī)定的?；郀t礦渣，經(jīng)干燥、粉磨達(dá)到相當(dāng)細(xì)度且符合相應(yīng)活性指數(shù)的粉體。

從1969年起，英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始了超細(xì)礦渣粉在混凝土中作為礦物摻合料的應(yīng)用。自上世紀(jì)90年代起，我國(guó)開(kāi)始了超細(xì)礦渣粉的應(yīng)用研究工作。2000年，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土的?；郀t礦渣粉》GB/T18046-2000正式頒布。2002年，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《高強(qiáng)、高性能混凝土用礦物外加劑》頒布實(shí)施。在該標(biāo)準(zhǔn)中，正式將超細(xì)礦渣粉命名為“礦物摻合料”，納入混凝土第六組分。從此，超細(xì)礦渣粉作為一個(gè)獨(dú)立的新產(chǎn)品被廣泛地接受和應(yīng)用。

2006年，山西彤陽(yáng)爐料有限公司正式投產(chǎn)。其主要產(chǎn)品———彤陽(yáng)牌S105級(jí)超細(xì)礦渣粉，以山西海鑫鋼鐵集團(tuán)高爐礦渣為主料，嚴(yán)格按照優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)。山西海鑫海天混凝土公司經(jīng)過(guò)1年多的應(yīng)用實(shí)踐表明：摻入彤陽(yáng)牌S105級(jí)超細(xì)礦渣粉的混凝土具有改善拌合物和易性、高強(qiáng)度、高抗?jié)B性、高抗凍性、高抗裂性、高耐腐蝕性、降低水泥用量和水化熱等特性，極大地改善了混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能和長(zhǎng)期耐久性能。

一、超細(xì)礦渣粉在混凝土中的作用

筆者認(rèn)為，除了原材料的質(zhì)量以外，混凝土結(jié)構(gòu)中最為薄弱的環(huán)節(jié)主要有兩個(gè)：一是骨料與水泥的過(guò)渡區(qū)。二是水泥水化產(chǎn)物之間的空隙。那么，凡是能夠改善混凝土結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的措施，都能夠改善混凝土的性能。

我們所論述的超細(xì)礦渣粉在混凝土中的應(yīng)用，正是由于改善了混凝土結(jié)構(gòu)中“水泥水化產(chǎn)物之間的空隙”的薄弱環(huán)節(jié)，混凝土的各種性能自然能夠得以改善。

1.改善混凝土的微結(jié)構(gòu)。主要是通過(guò)改善混凝土細(xì)微顆粒的級(jí)配，即改善粉體材料在混凝土中的粒度分布，產(chǎn)生密實(shí)堆積填充效應(yīng)，使混凝土的孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即大孔數(shù)量減少，小孔數(shù)量增加，平均孔徑降低，分布更為合理；空隙率降低，特別是水泥水化產(chǎn)物之間的空隙，微結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。

2.降低混凝土的拌合用水量。水泥的完全水化僅僅需要一小部分水，混凝土中的大部分水是為了滿(mǎn)足其工作性而引入的。我們稱(chēng)之為游離態(tài)有害水。在混凝土施工和硬化中僅僅有一小部分游離態(tài)有害水可能會(huì)通過(guò)空氣蒸發(fā)和模板滲出，但是大部分游離態(tài)有害水會(huì)在混凝土硬化后形成較大的空隙，從而給混凝土結(jié)構(gòu)造成了永久的傷害。當(dāng)混凝土的孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化、空隙率降低時(shí)，其游離態(tài)有害水的含量可相應(yīng)降低。

3.改善混凝土拌合物的和易性。由于超細(xì)礦渣粉是細(xì)微球狀體，其表面光滑，且性能穩(wěn)定，在混凝土中能夠起到一種類(lèi)似于軸承的微珠潤(rùn)滑作用，減少了摩擦阻力，有效改善了混凝土拌合物的和易性?；炷涟韬衔锏暮鸵仔院茫瑒t坍落度經(jīng)時(shí)損失小，工作性好。

4.提高混凝土的強(qiáng)度。其一是改善混凝土的微結(jié)構(gòu)，增加密實(shí)度，以提高混凝土的強(qiáng)度。其二，超細(xì)礦渣粉中含有豐富的活性SiO2等，能夠與水泥的水化產(chǎn)物Ca2進(jìn)行二次水化反應(yīng)，生成密實(shí)度更高的硅酸凝膠。

試驗(yàn)用的原材料技術(shù)指標(biāo)如下。水泥：海鑫P·S42.5礦渣硅酸鹽水泥。礦粉：彤陽(yáng)S105級(jí)礦渣粉，密度為2.9g/cm3，比表面積為460㎡ /kg，活性指數(shù)為117%，流動(dòng)度比為93%，三氧化硫?yàn)?%，氯離子為0.017%，燒失量為0.2%。粉煤灰：河津Ⅱ級(jí)粉煤灰。砂：楊徐砂，Ⅱ區(qū)中砂，顆粒級(jí)配基本符合規(guī)定。碎石：嶺西東碎石，5mm~26.5mm連續(xù)級(jí)配。外加劑：高性能泵送劑。凝結(jié)時(shí)間：14~16小時(shí)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 1~表3。

隨著超細(xì)礦渣粉摻量的增加，混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度均有增長(zhǎng)。但是，當(dāng)摻到50%時(shí)，其快養(yǎng)和28天抗壓強(qiáng)度有緩慢的下降趨勢(shì)；當(dāng)摻到60%時(shí)，其快養(yǎng)和28天抗壓強(qiáng)度已經(jīng)有比較明顯的下降趨勢(shì)。因此，我們必須確定其最佳摻量。

超細(xì)礦渣粉最佳摻量的確定應(yīng)符合以下兩點(diǎn)：一是必須滿(mǎn)足各類(lèi)工程和各種施工工藝的要求；二是必須滿(mǎn)足混凝土的和易性、凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度的要求。根據(jù)以上兩點(diǎn)，并結(jié)合水泥的品種、標(biāo)號(hào)、強(qiáng)度和大氣溫度及超細(xì)礦渣粉的質(zhì)量確定其最佳摻量。

5.降低混凝土的水泥用量和水化熱。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：混凝土中心溫度與表面溫度的溫差不得超過(guò)25℃。在混凝土強(qiáng)度一定的情況下，摻加超細(xì)礦渣粉，可大幅降低水泥用量。同時(shí)可推遲熱峰的出現(xiàn)時(shí)間。

6.提高混凝土的抗?jié)B性。采用試驗(yàn)編號(hào)為05、06的混凝土抗?jié)B試件，分別在2.5MPa壓力下恒壓48h。結(jié)果是其試件上端面無(wú)一滲水。劈開(kāi)試件，測(cè)量其最大滲水高度。結(jié)果如下：編號(hào)為05的試件最大滲水高度為3cm；編號(hào)為06的試件最大滲水高度為1.8cm。

在2.5MPa的壓力下，其試件上端面無(wú)一滲水，且最大滲水高度都較小。這充分說(shuō)明摻入超細(xì)礦渣粉的混凝土有相當(dāng)好的抗?jié)B性。

7.提高混凝土的抗凍性。大量研究表明：混凝土的膠凝材料用量、水膠比、引氣性能等是影響混凝土抗凍性的主要因素?；炷了z比大時(shí)，其游離態(tài)有害水多，硬化后內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)差、空隙率大，則受凍融循環(huán)破壞的幾率大。當(dāng)在混凝土中引入大量的、細(xì)微的、均勻的氣泡時(shí)，這些細(xì)微氣泡即細(xì)微空間可以作為體積膨脹的“緩沖閥”，降低和避免其他物理和化學(xué)反應(yīng)引起的破壞。經(jīng)試驗(yàn)表明，摻入超細(xì)礦渣粉的混凝土，其抗凍性明顯高于普通混凝土。

8.提高混凝土的抗裂性。混凝土在硬化過(guò)程中，由于化學(xué)減縮、冷縮和干縮等原因會(huì)引起體積收縮，其收縮值為自生體積的0.04%左右。這些收縮會(huì)給混凝土的體積穩(wěn)定性帶來(lái)很大的危害。經(jīng)試驗(yàn)表明，摻入超細(xì)礦渣粉的混凝土，會(huì)產(chǎn)生適度的微膨脹。在鋼筋和骨料的約束下，可產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力，以抵消混凝土在硬化過(guò)程產(chǎn)生的拉應(yīng)力，補(bǔ)償部分水化熱引起的溫度應(yīng)力，減少和避免混凝土裂縫的產(chǎn)生。

9.提高混凝土的耐腐蝕性。超細(xì)礦渣粉中含有豐富的活性SiO2等，能夠與水泥的水化產(chǎn)物Ca2進(jìn)行二次水化反應(yīng)，從而降低了混凝土硬化后水泥膠體與SO42--反應(yīng)生成鈣礬石的機(jī)會(huì)，一定程度上抑制了SO42-等離子的侵蝕破壞。這種鈣礬石，由于體積膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力受到了硬化后混凝土的約束，因此，其破壞力最強(qiáng)。另外，超細(xì)礦渣粉的摻加減少了水泥用量，即減少了水泥引入的堿含量，從而降低混凝土發(fā)生堿-集料反應(yīng)的破壞的可能性。

10.延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。Mehta整體論模型指出：“一個(gè)不透水但存在微裂縫且多孔的混凝土→經(jīng)侵蝕冷熱循環(huán)、干濕循環(huán)→混凝土結(jié)構(gòu)微裂縫增加、相連→水的滲入，有害物質(zhì)侵蝕→混凝土膨脹、鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)、水結(jié)冰、硫酸鹽侵蝕使混凝土強(qiáng)度和剛度降低→開(kāi)裂破壞與整體性喪失?！?/p>

模型清楚地表明：混凝土的不透水性是任何物理、化學(xué)破壞過(guò)程中的第一道防線。因此，超細(xì)礦渣粉在混凝土中的應(yīng)用對(duì)混凝土的可持續(xù)發(fā)展，即節(jié)約利用混凝土原材料，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有著非常重要的意義。

二、超細(xì)礦渣粉的最佳應(yīng)用范圍

1.高強(qiáng)度等級(jí)混凝土。配制C50混凝土，采用目前的水泥有相當(dāng)?shù)碾y度。那么，配制C60、C70甚至C80混凝土，就必須摻加超細(xì)礦渣粉及高性能外加劑才能夠完成。

2.大體積混凝土?？梢越档退嘤昧亢退療?，推遲熱峰的出現(xiàn)時(shí)間，有效地防止諸如裂縫等問(wèn)題。

3.除了上述最佳應(yīng)用范圍以外，只要采用水泥、混凝土，都可以摻加不同摻量的超細(xì)礦渣粉。

總之，超細(xì)礦渣粉在混凝土中的應(yīng)用，不僅關(guān)系到混凝土的質(zhì)量問(wèn)題，而且關(guān)系到“建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、走可持續(xù)發(fā)展道路”的大問(wèn)題。

　　作者：安立俊 王勇斌