礦渣微粉延遲混凝土內鈣礬石形成的效果

礦渣微粉延遲混凝土內鈣礬石形成的效果

混凝土硬化膨脹損壞主要是水泥內C3A水化后生成的鈣礬石膨脹所致，是混凝土澆注和預制件在較高的溫度下固化常見的問題。現將土耳其某研究單位對混凝土內摻礦渣延遲膨脹的研究情況介紹如下：

1　延遲鈣礬石的形成

鋁酸三鈣（C3A）是水泥熟料內4種主要成分之一，在混凝土固化過程中，與水快速反應凝固（方程式1）。為減緩砂漿早期凝固，熟料在水泥磨內粉磨時，加入石膏，所磨制的水泥在加水凝固過程中，C3A釋放的（Al（OH）4）-和Ca2+離子與石膏內（SO4）2-離子作用，生成鈣礬石（方程式2）。當水泥內所有的硫酸鹽反應消耗后，鈣礬石進一步水化，生成無水硫酸鹽（方程式3）。此過程中，較早生成的均勻的鈣礬石在混凝土尚未硬化前所產生的膨脹是可以容納的，其有利之處是減緩凝固時間。

硬化后的混凝土內，所生成的不均勻的鈣礬石產生的膨脹能使硬化的混凝土產生裂紋、剝落和損壞。

通過電子顯微鏡對硬化后的混凝土掃描顯示，混凝土內生成不同形式的鈣礬石，通常所形成的鈣礬石是球狀簇晶體，或不同尺寸的平行針狀體。若鈣礬石晶體外無障礙物（如毛細孔），則鈣礬石呈針狀晶體。

圖1　試樣溫度

2　影響延遲鈣礬石形成的因素

影響延遲鈣礬石形成的因素有：硬化溫度、水泥的化學成分、比表面積、集料性能、孔隙溶液、裂紋、外加劑等。

3　實驗研究

實驗研究的目的是通過實驗研究確定礦渣微粉延遲鈣礬石形成對膨脹的影響。為此制備了帶3種不同比表面積和3種不同摩爾比的9種不同類型的受控水泥，然后加入石膏，再將不同數量的礦渣微粉與這些受控水泥混合，總共制備了36個水泥試樣。

試驗用的熟料由Bolu水泥廠生產，石膏和礦渣均來自工廠附近的礦山和鋼鐵廠，全部試驗均在Bolu水泥廠質量控制實驗室內完成。

在高溫工況下制備水泥漿體固化，所有試樣所需的水量按IS EN196-1規定確定，同時按規定制備試樣。最終，砂漿加熱硬化用混凝土工業預制件制備時加熱硬化的常用方式進行，同時，按所敘述的流程測量膨脹量。

熟料和石膏與加入5%重量的石灰石共同粉磨成3種比表面積為4 000、4 750、5 500cm2/g的受控水泥。

石膏單獨粉磨至5 000cm2/g的細度，然后加入至制備好的受控水泥內，以獲得0.8、1.0和1.2的摩爾比的SO3/Al2O3。

礦渣被磨至5 341cm2/g的細度與普通水泥混合，提前制備3種不同性能的水泥。

已制備的36種不同水泥中，9種為無礦化物加入的受控水泥。礦渣微粉按重量摻入受控水泥中的比例分別為10%、30%和50%。

在膨脹試驗過程中，為減少混凝土內集料對膨脹的影響，試驗采用水泥漿體，而不使用混凝土砂漿。漿體按試驗前確定的需水量制備。

漿體硬化后，試樣按圖1所示循環硬化，然后試樣放置在20℃的水中養護。

試樣在水中放置3d后，放置在圖2所示的濕干循環環境中，然后測試試樣的膨脹量。

初始的膨脹測試記錄后，在240d、1 450d分別對試樣進行膨脹測試，以檢測試樣的長期膨脹效應。

圖2　試樣濕干循環

圖3　受控樣品的膨脹量

圖4　SO3/Al2O3摩爾比0.8、比表面積4 000cm2/g試塊的膨脹量

4　結果和討論分析

試驗表明，當試樣中SO3/Al2O3摩爾比增加時，樣品的膨脹量增加。

所有受控水泥樣品所測的膨脹量見圖3。比表面積高的樣品在長期存放后，膨脹量增加顯著，所測得的最大膨脹值是SO3/Al2O3摩爾比為1.2、比表面積5 500cm2/g的試樣。

為了測試不同細度礦渣微粉對試樣膨脹的影響，加入受控水泥中的礦渣微粉重量分別為10%、30%和50%。礦渣微粉細度為4 000cm2/g、SO3/Al2O3摩爾比為1.2，這些數值與工業平均值接近，樣品的平均值見圖4。

通常，加入礦渣微粉會減少試樣膨脹量。測試表明，增加礦渣微粉數量，短期和長期均會減少試樣的膨脹量。對摻入50%礦渣微粉量的試樣進行測試的情況是，240d后出現膨脹最大值，以后膨脹值趨于穩定，試樣呈現高度的穩定性。

5　結語

（1）礦渣微粉取代部分水泥，將減少膨脹，主要是水泥成分中C3A水化的效果。

（2）4 000cm2/g細度的水泥中，加入10%的礦渣微粉足以控制試樣膨脹，而4 750cm2/g、5 500cm2/g細度的水泥則需增多礦渣微粉加入量。

（3）對于高細度值的水泥，為減少試樣膨脹，加入的礦渣微粉最低數量為30%，若加入的礦渣微粉數量繼續增加，試樣膨脹效率仍與礦渣微粉摻量為30%時接近。但水泥中含有高的SO3或堿含量時，為抑制試樣膨脹，需增加礦渣微粉數量。

（4）在水泥中加入較高數量的礦渣微粉能夠控制試樣膨脹的主要原因是延遲鈣礬石的形成，需加入30%的礦渣微粉才能達到效果。其原因是在混合水泥中，隨著礦渣微粉數量的增加，混凝土的后期強度和耐久性增加。

陳友德編譯自

No.12/2015

World Cement