對比水泥對粒化高爐礦渣粉性能檢測結果的影響研究

鄭旭，劉晨，2，顏碧蘭，王昕，魏麗穎

對比水泥對粒化高爐礦渣粉性能檢測結果的影響研究

Effect of Contrast Cement on the Performance Test of GBFS Powder

鄭旭1，劉晨1，2，顏碧蘭1，王昕1，魏麗穎1

采用不同的對比水泥對礦渣粉的活性指數、流動度比和凝結時間比等物理性能進行了測定，研究了對比水泥的抗壓強度、比表面積、堿含量以及混合材的種類和摻量對礦渣粉性能檢測結果的影響規律，并探討了粒化高爐礦渣粉對比水泥技術指標的適宜范圍。結果表明，對比水泥的混合材摻量、堿含量、比表面積、凝結時間和抗壓強度對礦渣粉的活性指數、流動度比以及凝結時間比等指標檢測結果影響顯著；本試驗研究建議將GB/T 18046-2008標準中對比水泥的比表面積修改為“350～400m2/kg”，同時增加3d抗壓強度為“25～35MPa”，更符合礦渣粉物理性能檢測的需要。

對比水泥；礦渣粉；活性指數；流動度比；凝結時間比

粒化高爐礦渣是煉鐵廠在高爐冶煉生鐵時所得，以硅酸鹽與硅鋁酸鹽為主要成分的熔融物，經淬冷成粒后得到的副產品。粒化高爐礦渣具有潛在水硬性，是水泥、砂漿與混凝土的優質混合材料，長期以來主要作為混合材料生產水泥。隨著粉磨工藝的發展以及商品混凝土的推廣應用，我國在上世紀九十年代就開始將粒化高爐礦渣粉磨制成一定細度的粉體，作為混凝土及砂漿的摻合料，用以提高強度并改善其他性能，較大地提高了粒化高爐礦渣的利用價值。粒化高爐礦渣粉作為混凝土摻合料不僅可以部分替代水泥，而且可使混凝土的多項性能得到改善，如水化析熱速率慢，有利于抑制混凝土內部溫升引起的裂縫；硬化混凝土具有良好的抗硫酸鹽、抗氯離子等化學侵蝕能力及抑制堿骨料反應的效果，并且能提高混凝土的后期強度，具有良好的耐久性能。礦渣的粉磨不僅改善了水泥、砂漿與混凝土的性能，同時由于粒化高爐礦渣是由具有水硬性的高爐水淬礦渣粉磨得到，生產過程中不需要經過煅燒工序，幾乎不產生二氧化碳[1]。因此，在現今的社會環境保護和資源循環利用的要求方面，粒化高爐礦渣粉有著其他水泥制成材料無法比擬的優勢。

表1 日本標準對礦渣粉性能的規定

現行標準中采用對比水泥和礦渣粉按質量比1：1組成的試驗樣品與對比樣品的流動度之比以及同齡期的抗壓強度之比來評價礦渣粉的流動度比和活性指數。礦渣粉的活性指數是反映礦渣粉品質最重要的指標，也是分級的重要依據，而流動度比則直接影響礦渣粉的應用性能。礦渣粉的活性指數和流動度比現已受到生產企業、施工單位和檢驗機構的廣泛關注。許多礦渣粉生產企業和質檢單位反映，GB/T 18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》標準中S95礦渣粉7d活性指數偏高，很難達到規定的≮75%的技術要求；并且使用不同的對比水泥檢測出的同一礦渣粉活性指數存在波動較大的問題，進而導致產品質量合格評定方面出現困難。因此，本文采用不同的對比水泥對礦渣粉的活性指數、流動度比和凝結時間比等指標進行測定，研究對比水泥的抗壓強度、比表面積、堿含量以及混合材的種類和摻量對礦渣粉性能檢測結果的影響規律，討論粒化高爐礦渣粉對比水泥技術指標的適宜范圍，為生產企業、施工單位和質檢機構對礦渣粉的產品質量檢驗以及GB/T 18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》標準的修訂提供參考。

1 部分發達國家和我國標準對礦渣粉性能的規定

日本工業標準JISA 6206將礦渣粉按照比表面積和活性指數劃分為4個等級，具體指標如表1所示。

美國標準ASTMC989-05將礦渣粉按照活性指數劃分為3個等級，具體指標如表2所示。

表2 美國標準對礦渣粉性能的規定

歐盟礦粉標準BS EN 15167-1：2006中并沒有分級規定，而是統一規定礦渣粉7d活性指數應≮45%，28d活性指數應≮70%。

我國國標GB/T 18046-2008將礦渣粉按照比表面積和活性指數劃分為3個等級，具體指標如表3所示。

表3 我國國標對礦渣粉性能的規定

歐盟BS EN 15167-1：2006標準中規定用于測定礦渣粉活性的對比水泥應是強度等級為42.5或更高強度等級的CEMⅠ型水泥，勃氏比表面積應至少為300m2/kg，鋁酸三鈣含量應為6%～12%，堿含量（Na2O計算）應為0.5%～1.2%。美國ASTM C989-05標準中特別提到用于測定礦渣粉活性的基準水泥28d抗壓強度至少要達到35MPa，堿含量為0.6%～0.9%，并且強調對于不同礦渣粉或者不同批次進貨的礦渣粉水化性能的評價，只能用同一特定的基準水泥[2-3]。也就是說，用其他水泥作為基準水泥，礦渣粉所表現的性能將會有很大的不同。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

2.1.1 對比水泥

本文試驗使用的對比水泥分為實物水泥和磨制水泥兩類，對比（實物）水泥樣品分別取自唐山冀東水泥股份有限公司生產的P·O42.5水泥和P·Ⅱ42.5水泥，安徽海螺水泥股份有限公司生產的P·O 42.5低堿水泥和P·O42.5高堿水泥，北京水泥廠有限責任公司生產的P·O42.5水泥，中國建筑材料科學研究總院生產的粒化高爐礦渣粉物理性能檢驗用水泥標準樣品（綠標水泥），以及中國聯合水泥集團有限公司生產的P·Ⅰ42.5水泥（基準水泥）。對比（磨制）水泥樣品的熟料、礦渣、粉煤灰、石灰石和脫硫石膏等均取自北京水泥廠有限責任公司，使用試驗室標準小磨粉磨至規定比表面積，基本情況如表4和表5所示。

2.1.2 礦渣粉

本文試驗使用的礦渣粉樣品基本情況如表6所示，質量系數的計算按GB/T 203進行，玻璃體含量的測定按GB/T 18046附錄C（規范性附錄）進行。

表4 對比水泥的化學成分，%

表5 對比水泥的物理性能

2.2 試驗方法

水泥凈漿凝結時間按照GB/T 1346進行檢測，水泥膠砂強度按照GB/T 17671進行檢測，水泥膠砂流動度按照GB/T 2419進行檢測；礦渣粉活性指數和流動度比按照GB/T18046進行檢測；礦渣粉凝結時間比是測定試驗樣品和對比樣品的凝結時間，兩者的流動度之比即為礦渣粉的凝結時間比，其中試驗樣品由對比水泥和礦渣粉按質量比1：1組成，對比樣品由對比水泥組成。

3 研究內容

3.1 對比（磨制）水泥對礦渣粉性能檢測結果的影響

選取北京水泥廠有限責任公司生產的熟料、礦渣、粉煤灰、石灰石和脫硫石膏，使用試驗室標準小磨粉磨至比表面積約為300m2/kg、350m2/kg和400m2/kg。選取產地河北的S95級礦渣粉（TL），研究不同對比（磨制）水泥對同種礦渣粉性能檢測結果的影響規律，試驗結果如表7所示。

3.1.1 磨制水泥對摻礦渣粉水泥抗壓強度和活性指數的影響

不同磨制水泥的比表面積對摻礦渣粉水泥抗壓強度和活性指數的影響規律如圖1和圖2所示。

從表7和圖1、2可以得出，無論是磨制硅酸鹽水泥還是普通硅酸鹽水泥，隨著水泥細度的逐漸增大，摻礦渣粉水泥膠砂的抗壓強度逐漸上升；隨著磨制水泥混合材摻量的增大，摻礦渣粉水泥膠砂的抗壓強度逐漸下降；在磨制水泥混合材摻量一定的情況下，隨著石灰石粉摻量的增大，摻礦渣粉水泥膠砂的抗壓強度也呈現逐漸下降的趨勢。對于同一種S95級礦渣粉，隨著對比（磨制）水泥細度的逐漸增大，活性指數均呈現逐漸下降的趨勢；然而，隨著對比（磨制）水泥中混合材摻量的逐漸增大，或是在混合材摻量一定的情況下石灰石粉所占比例的增大，同一礦渣粉活性指數卻呈現逐漸上升的趨勢。上述試驗結果說明，對比水泥的比表面積越高，礦渣粉的活性指數越低；對比水泥的各齡期強度值越高，礦渣粉的活性指數越低[4]。隨著對比水泥中混合材摻量的增大，同種礦渣粉的活性指數有逐漸上升的趨勢。

表6 礦渣粉的化學成分

表7 摻礦渣粉水泥性能試驗結果

圖1 比表面積對摻礦渣粉水泥抗壓強度的影響

圖2 比表面積對摻礦渣粉水泥活性指數的影響

圖3 比表面積對摻礦渣粉水泥流動度的影響

圖4 比表面積對摻礦渣粉水泥流動度比的影響

3.1.2 磨制水泥對摻礦渣粉水泥流動度和流動度比的影響

不同磨制水泥的比表面積對摻礦渣粉水泥流動度和流動度比的影響規律如圖3和圖4所示。

從表7和圖3、4可以得出，無論是磨制硅酸鹽水泥還是普通硅酸鹽水泥，隨著水泥細度的逐漸增大，摻礦渣粉水泥膠砂的流動度逐漸下降；然而，混合材的種類對流動度影響較大，粉煤灰能有效改善摻礦渣粉水泥膠砂的流動度，但隨著石灰石粉摻量的增大，摻礦渣粉水泥膠砂的流動度顯著下降。對于同一種S95級礦渣粉，隨著對比（磨制）水泥細度的逐漸增大、混合材中石灰石粉摻量的提高，流動度比均呈現逐漸下降的趨勢。但是水泥混合材中粉煤灰摻量的增大可以改善膠砂流動度，使得礦渣粉的流動度比檢測結果大。

3.1.3 磨制水泥對摻礦渣粉水泥凝結時間和凝結時間比的影響

圖5 比表面積對摻礦渣粉水泥凝結時間的影響

圖6 比表面積對摻礦渣粉水泥凝結時間比的影響

不同磨制水泥的比表面積對摻礦渣粉水泥凝結時間和凝結時間比的影響規律如圖5和圖6所示。

從表7和圖5、6可以得出，無論是磨制硅酸鹽水泥還是普通硅酸鹽水泥，隨著水泥細度的逐漸增大，摻礦渣粉水泥凈漿的凝結時間逐漸縮短；隨著磨制水泥混合材摻量的增大，摻礦渣粉水泥凈漿的凝結時間逐漸延長；在磨制水泥混合材摻量一定的情況下，隨著石灰石粉摻量的增大，摻礦渣粉水泥凈漿的凝結時間也呈現逐漸縮短的趨勢。對于同一種S95級礦渣粉，隨著對比（磨制）水泥細度的逐漸增大、混合材摻量的提高，凝結時間比均呈現逐漸上升的趨勢。在磨制水泥混合材摻量一定的情況下，隨著石灰石粉摻量的增大，摻礦渣粉水泥凈漿的凝結時間比呈現逐漸降低的趨勢。

綜上所述，在水泥化學組成和礦物組成基本相同的前提下，對比（磨制）水泥的細度對礦渣粉的活性指數、流動度比和凝結時間比均有顯著影響。隨著對比（磨制）水泥細度的增大，同一礦渣粉的活性指數逐漸降低，流動度比逐漸下降，而凝結時間比則逐漸延長。GB/T 18046-2008標準中“對比水泥的比表面積應為300～400m2/kg”的技術規定是比較寬泛的，我們在對作為對比水泥的硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥調研過程中發現，比表面積值基本在350～400m2/kg。鑒于對比水泥的細度對礦渣粉性能檢測結果的影響，同時結合調研結果，建議標準修訂規定“對比水泥的比表面積為350～400m2/kg”。

3.2 對比（實物）水泥對礦渣粉性能檢測結果的影響

3.2.1 實物水泥抗壓強度對摻礦渣粉水泥性能的影響

選取綠標水泥、北京水泥廠生產的P·O42.5水泥（以下簡稱北水水泥）和基準水泥，在符合GB/T 18046標準中附錄A對比水泥技術要求的前提下，分別代表7d抗壓強度和28d抗壓強度存在顯著差異的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，檢測不同等級礦渣粉的活性指數、流動度比和凝結時間比，試驗結果如表8～10所示。

對表8～10的數據進行分析可以得出，當采用綠標水泥作為對比水泥時，S75級礦渣粉中有2個樣品7d活性指數＜55%，有1個樣品28d活性指數＜75%；S95級礦渣粉中有4個樣品（占比67%）7d活性指數處于70%～75%；S105級礦渣粉中有1個樣品7d活性指數＜95%；其余礦渣粉7d和28d活性指數均滿足標準技術要求。當采用基準水泥作為對比水泥時，其7d和28d抗壓強度均低于綠標水泥，對于相同的礦渣粉樣品，活性指數檢測結果均高于綠標水泥作為對比水泥的檢測結果。當采用北水水泥作為對比水泥時，其7d抗壓強度低于綠標水泥，而28d抗壓強度卻高于綠標水泥，相同礦渣粉7d活性指數檢測結果均高于綠標水泥組，28d活性指數檢測結果均低于綠標水泥組。因此，無論是不同產地、不同等級的礦渣粉，還是采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥作為對比水泥，隨著對比水泥各齡期抗壓強度的提高，礦渣粉相應齡期的活性指數逐漸下降；對比水泥早期抗壓強度對礦渣粉活性指數的影響顯著于后期強度對活性指數的影響。

表8 摻礦渣粉水泥性能試驗結果（綠標水泥DB1）

表9 摻礦渣粉水泥性能試驗結果（北水普通硅酸鹽水泥DB3）

表10 摻礦渣粉水泥性能試驗結果（基準水泥DB6）

對表8～10的數據繼續進行分析，當采用綠標水泥作為對比水泥時，不同等級礦渣粉初凝時間比在101%～122%之間，平均初凝時間比為111%；終凝時間比在102%～149%之間，平均終凝時間比為120%；對于同種礦渣粉樣品，其終凝時間比要大于初凝時間比。比較對比水泥為綠標水泥、北水水泥和基準水泥時，同種礦渣粉凝結時間比的檢測結果可以得出，對比水泥的凝結時間對礦渣粉凝結時間比檢測結果影響顯著，隨著對比水泥凝結時間的延長，礦渣粉凝結時間比也隨之增大。

為了進一步驗證對比水泥抗壓強度對摻礦渣粉水泥活性指數檢測結果的影響規律，上海寶田新型建材有限公司在礦渣粉生產質量控制過程中選用安徽海螺集團生產的不同強度P·O42.5水泥作為對比水泥，對生產的同種礦渣粉活性指數進行不間斷檢測，統計結果如表11所示。

表11中對比水泥抗壓強度對礦渣粉活性指數檢測結果的統計分析數據表明，隨著對比水泥各齡期抗壓強度的提高，礦渣粉相應齡期的活性指數逐漸下降；對比水泥早期抗壓強度對礦渣粉活性指數的影響顯著于后期強度對活性指數的影響。

對表5中對比（實物）水泥的抗壓強度數據統計結果表明，符合GB/T 18046標準附錄A技術要求的對比水泥3d抗壓強度范圍為27.6～35.9MPa，平均值為 31.7MPa；7d抗壓強度范圍為40.1～44.9MPa，平均值為43.0MPa；28d抗壓強度范圍 為 51.2～59.7MPa，平 均 值 為55.9MPa。因此，鑒于對比水泥自身抗壓強度對于礦渣粉活性指數檢測結果影響顯著，建議對GB/T 18046標準中附錄A規定的對比水泥抗壓強度范圍作進一步明確和修訂；同時由于GB 175標準中規定通用硅酸鹽水泥分為3d和28d抗壓強度，建議標準修訂在對比水泥中增加3d抗壓強度技術要求，結合試驗結果規定“3d抗壓強度25～35MPa，7d抗壓強度35～45MPa，28d抗壓強度50～60MPa。”

為了保證礦渣粉的產品質量，杜絕亂摻其他違規材料，同時也使礦渣粉對水泥初凝時間的影響處于合理范圍，滿足水泥制品及混凝土模具周轉的需要，建議標準修訂增加礦渣粉初凝時間比技術指標。EN 15167中規定“粒化高爐礦渣粉為50%、測試水泥為50%的混合后的初凝時間，應不超過測試水泥凝結時間的兩倍。”根據相關試驗結果，不同等級礦渣粉初凝時間比基本能滿足＜200%的技術要求，因此建議標準中規定“礦渣粉的初凝時間比應≯200%。”

3.2.2 實物水泥混合材對摻礦渣粉水泥性能的影響

選取唐山冀東水泥股份有限公司生產的P·O42.5水泥和P·Ⅱ42.5水泥，在符合GB/T 18046標準中附錄A對比水泥技術要求的前提下，分別代表相同廠家生產的不同混合材摻量的對比水泥，檢測不同等級礦渣粉的活性指數、流動度比和凝結時間比，試驗結果如表12、13所示。

表11 對比水泥抗壓強度對礦渣粉活性指數檢測結果的影響*

表12 摻礦渣粉水泥性能試驗結果（冀東普通硅酸鹽水泥DB2）

表13 摻礦渣粉水泥性能試驗結果（冀東硅酸鹽水泥DB7）

對表12和表13的數據進行分析可以得出，在兩種對比水泥各齡期抗壓強度基本相同時，采用冀東普通硅酸鹽水泥作為對比水泥，同種礦渣粉的活性指數要高于冀東硅酸鹽水泥組；7d活性指數平均高出3%，28d活性指數平均高出4%。并且，對于相同的礦渣粉樣品，冀東普通硅酸鹽水泥組的凝結時間比大于冀東硅酸鹽水泥組，而流動度比則小于冀東硅酸鹽水泥組；初凝時間比平均高出5%，終凝時間比平均高出7%，而流動度比則平均降低5%。由此可以得出，隨著對比水泥中混合材摻量的提高，礦渣粉的活性指數逐漸升高，流動度比逐漸下降，同時凝結時間比則呈現逐漸增大的趨勢。

GB/T 18046-2008標準中規定“對比水泥應為符合GB 175規定的強度等級為42.5的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥”，EN 15167中規定“測試水泥應符合EN 197-1，強度等級為42.5或更高強度等級的CEMⅠ型水泥”，日本標準規定對比水泥為三個不同水泥廠生產的符合JIS R5201的普通硅酸鹽水泥。根據上述試驗結果，雖然對比水泥混合材的摻量對礦渣粉活性指數、流動度比和凝結時間比均有影響，但是標準修訂不宜將對比水泥改為“符合GB 175規定的強度等級為42.5的硅酸鹽水泥”。這是因為我國硅酸鹽水泥在實際工程中用量較小，而普通硅酸鹽水泥應用普遍。為了使得標準的可操作性強，同時按標準得到的礦渣粉活性指數對工程具備實際意義，建議保留原標準關于對比水泥強度等級和品種的規定。

3.2.3 實物水泥堿度對摻礦渣粉水泥性能的影響

選取安徽海螺水泥股份有限公司生產的P·O42.5水泥（低堿）和P·O42.5水泥（高堿），在符合GB/T 18046標準中附錄A對比水泥技術要求的前提下，分別代表相同廠家生產的不同堿度的對比水泥，檢測不同等級礦渣粉的抗壓強度、流動度和凝結時間，試驗結果如表14、15所示。

對表14和表15的數據進行分析可以得出，在兩種對比水泥化學組成接近、各齡期抗壓強度基本相同時，采用海螺高堿普通硅酸鹽水泥作為對比水泥，同種礦渣粉的活性指數顯著高于海螺低堿普通硅酸鹽水泥組；7d活性指數平均高出12%，28d活性指數平均高出13%。相較于對比水泥的混合材摻量，堿度對礦渣粉活性指數檢測結果的影響更為顯著。同時，對于相同的礦渣粉樣品，海螺低堿普通硅酸鹽水泥組的凝結時間比和流動度比要高于海螺高堿普通硅酸鹽水泥組，流動度比平均高出3%，初凝時間比平均高出3%，而終凝時間比則平均高出10%。由此可以得出，對比水泥的堿度對礦渣粉活性指數影響顯著，隨著對比水泥堿度的提高，礦渣粉的活性指數顯著升高，同時凝結時間比和流動度比則呈現逐漸降低的趨勢。

表14 摻礦渣粉水泥性能試驗結果（海螺低堿普通硅酸鹽水泥DB4）

表15 摻礦渣粉水泥性能試驗結果（海螺高堿普通硅酸鹽水泥DB5）

GB/T 18046-2008標準中規定“對比水泥的堿含量為0.50%～0.90%”，EN 15167中規定“測試水泥的堿含量應介于0.5%和1.2%之間”，而ASTM C989中規定“礦渣粉活性試驗的基準水泥堿度范圍為0.60%～0.90%”。根據上述試驗結果，雖然對比水泥堿含量對礦渣粉活性指數檢測結果影響顯著，鑒于我國標準中對比水泥的堿含量規定范圍較窄，為了使得標準的可操作性強，同時按標準得到的礦渣粉活性指數對工程具備實際意義，建議保留原標準關于對比水泥堿含量的規定。

4 結語

（1）在水泥化學組成和礦物組成基本相同的前提下，隨著對比（磨制）水泥細度的增大，同一礦渣粉的活性指數逐漸降低，流動度比逐漸下降，而凝結時間比則逐漸延長。

（2）隨著對比水泥凝結時間的延長，同一礦渣粉的凝結時間比也隨之增大。隨著對比水泥各齡期抗壓強度的提高，礦渣粉相應齡期的活性指數也逐漸下降。對比水泥早期抗壓強度對礦渣粉活性指數的影響顯著于后期強度對活性指數的影響。

（3）隨著對比水泥中混合材摻量的提高，礦渣粉的活性指數逐漸升高，流動度比逐漸下降，同時凝結時間比呈現逐漸增大的趨勢。對比水泥的堿度對礦渣粉活性指數影響顯著，隨著對比水泥堿度的提高，礦渣粉的活性指數顯著升高，同時凝結時間比和流動度比呈現逐漸降低的趨勢。

（4）建議在GB/T 18046標準修訂過程中縮小對比水泥的比表面積范圍并增加3d抗壓強度技術要求，規定對比水泥的“比表面積為350～400m2/kg，3d抗壓強度為25～35MPa。”

[1]陳恩義，韓小華，李體楨.關于《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》標準修訂的探討[J].混凝土世界，2015，（8）.

[2]曹黎穎.對《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》（GB/T 18046-2000）活性指數的商榷[J].水泥，2004，（9）.

[3]沈麗華，田原，莊靜華，等.對ASTM《用于混凝土和砂漿的粒化高爐礦渣微粉》新標準的認識及與我國現行相應標準的比較[J].粉煤灰，2006，（1）.

[4]李培彥，陳貫卓.基準水泥對高爐礦渣粉活性指數影響的研究[J].山東科學，2007，（5）.■

TQ172.44

A

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2017-04-13； 編輯：孫 娟