低品位礦粉對混凝土性能的影響★

張旭飛 何 娟

(1.西安建筑科技大學材料與礦資學院，陜西 西安 710055； 2.云南省建設投資控股集團有限公司，云南 昆明 650021)

1 概述

用于混凝土中的礦粉一般是指粒化高爐礦渣粉[1,2]。高爐礦渣是高爐煉鐵時，由鐵礦石中的次要組分、夾雜物與焦炭燃燒后的殘渣，以及熔煉時必須加入的石灰石或白云石形成的[2,3]。高爐礦渣的化學組成隨煉鐵方法和鐵礦石種類的變化而不同，可以用CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元相圖來表示[4]。慢冷礦渣的膠凝性很弱或者沒有膠凝性，采取快速冷卻熔融的礦渣以提高其膠凝性[5]。礦渣是結晶相和玻璃相(約占90%)的聚合體[4]，前者是惰性組分，而后者是活性組分，故玻璃相組分越多，礦渣的活性就越大；而對于玻璃相而言，玻璃網絡體的聚合度越小，其水硬活性越高[6-8]。

高品位的粒化高爐礦渣粉作為礦物摻合料已經廣泛應用到混凝土中，應用其可以優化膠凝材料的顆粒級配，改善混凝土的界面結構，提高混凝土的后期強度和耐久性。由于高品位礦粉的價格較高，尋求質優價廉的礦物摻合料在所難免。為降低混凝土的生產成本，提高礦粉的使用效率，本文以低品位礦粉為對象，研究了其摻量對混凝土工作性和力學性能的影響，以期對礦粉在混凝土中的應用提供理論支撐。

2 試驗

2.1 原材料

水泥為云南國資水泥紅河有限公司開遠水泥廠生產的P.O42.5等級，其主要物理力學性能指標如表1所示。

表1 水泥主要物理力學性能指標

礦粉為玉溪三和新型建材技術有限公司生產，其主要物理力學性能指標見表2。

表2 礦粉主要物理力學性能指標

粉煤灰為云南恒陽實業有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰，其主要物理力學性能指標見表3。

表3 粉煤灰主要物理力學性能指標

碎石采用5 mm～25 mm連續級配，砂采用機制砂和山砂混合，砂級配混合調整后為Ⅱ區中砂。外加劑使用上海三瑞高分子材料股份有限公司VIVID-500聚羧酸系外加劑，固含量12%，減水率25%。水采用自來水。

2.2 試驗方案

試驗中選用四組水膠比，分別為0.56,0.49,0.41和0.36，每組水膠比，對應三種礦粉摻量，在膠凝材料總量的16%～30%之間波動，等量取代水泥。粉煤灰的摻量固定，分別為膠凝材料總量的27%，22%，19%和14%。混凝土配合比如表4所示。每組配合比研究混凝土拌合物的工作性和3 d,7 d,28 d與56 d齡期的抗壓強度。

表4 試驗配合比

3 結果及討論

3.1 混凝土的工作性能

不同配合比混凝土的工作性如表5所示。

從表5可以看出，不同水膠比混凝土拌合物的工作性能均比較良好。水膠比從0.56變化到0.36時，膠凝材料總量由330 kg增加到490 kg，減水劑由1.6%增加到2.3%，坍落度從190 mm增加到240 mm，擴展度從430 mm增加到630 mm。從混凝土配合比可以看出，膠凝總量增加，粉煤灰稍有減少，而礦粉略有增加，所以膠凝總量增加主要來源于水泥用量的增加，可以認為坍落度和擴展度的增加主要是由于減水劑用量的增加。

同時，從表5還可以看出，同一水膠比，同一膠凝材料與減水劑用量時，礦粉摻量對混凝土工作性能的影響不是很明顯。例如水膠比為0.41時的混凝土，礦粉摻量由110 kg變化到70 kg時，坍落度在220 mm～230 mm之間，擴展度在560 mm～570 mm之間；而水膠比為0.56時，礦粉摻量由100 kg變化到60 kg時，坍落度在190 mm～200 mm之間，擴展度在430 mm～440 mm之間。從表2可以看出礦粉的比表面積雖然大于水泥的比表面積，但不屬于超細粉的范疇，活性不高，28 d活性指數小于75%，屬于低品位的礦粉。所以礦粉對于混凝土早期水化程度的影響較弱，可以增加混凝土拌合物的流動性，改善混凝土拌合物的保水性和黏聚性。

表5 混凝土工作性能

3.2 混凝土的力學性能

混凝土不同齡期的抗壓強度如表6所示，抗壓強度發展規律如圖1所示，7 d,28 d與56 d抗壓強度相對于3 d抗壓強度的增長率如圖2所示。

表6 混凝土抗壓強度 MPa

從表6和圖1可以看出，隨水灰比降低，各齡期混凝土強度均有增加，符合常態。同一水膠比，隨礦粉摻量的降低，各齡期抗壓強度均有增加。而且，水膠比降低引起強度的增加強于礦粉摻量降低引起強度的增加。例如3號和7號試樣，水膠比分別為0.56和0.41，礦粉摻量分別為60 kg和110 kg，分別占膠凝摻材料總量的18%與26%，而3 d，7 d，28 d與56 d的抗壓強度分別為11.6 MPa，20.9 MPa，16.5 MPa，30.5 MPa，24.9 MPa，44.5 MPa與34.0 MPa，49.2 MPa。因此，可以認為，配合比設計合適，低品位礦粉可以用于混凝土中而不影響混凝土的強度發展，最大摻量應該由試驗來確定。

同一水膠比，礦粉用量對混凝土早期強度(3 d)的影響比較顯著，而后期隨著礦粉的二次水化，混凝土強度得以發展，礦粉用量對強度的影響降低。如果混凝土按照長齡期強度評定驗收，能大幅降低水泥用量，節約能源和成本。

從圖2可以看出，水膠比影響7 d,28 d與56 d相對于3 d抗壓強度的強度增長率。較高水膠比時(即序號1～3樣品的水膠比為0.56，4～6樣品的水膠比為0.41)，抗壓強度增長率較大，28 d，56 d齡期表現得更顯著，而較低水膠比(即序號7～9樣品的水膠比為0.41，10～12樣品的水膠比為0.36)的強度增長率較小一些。水膠比較大時，較多水分促進水泥的充分水化，同樣多余水分有助于礦粉的二次水化，從而提高混凝土的后期強度。但是，從表6看出，水膠比大的混凝土早期強度較低，由于較多水分蒸發留下孔隙，而礦粉二次水化產物還沒來得及填充孔隙，所以早期強度較低，后期發展較快。所以使用低品位礦粉的混凝土建議采用60 d或更長齡期的強度作為評定驗收依據。

結合混凝土的工作性與力學性能，認為只要配合比設計得當，較高水膠比，較大低品位礦粉用量就可以制備出工作性良好，力學性能符合要求的混凝土。

4 結語

1)低品位礦粉對于混凝土早期水化程度的影響較弱，可以增加混凝土拌合物的流動性，改善混凝土拌合物的保水性和黏聚性。

2)較高水膠比時，摻低品位礦粉混凝土的后期抗壓強度增長率較大，而較低水膠比時，早期強度高，后期強度增長率較小。配合比設計得當，較高水膠比，較大低品位礦粉用量可以制備出工作性良好，力學性能符合要求的混凝土。

3)摻入低品位礦粉混凝土的后期強度增長顯著，采用60 d或更長齡期的強度作為評定驗收依據，能大幅減少水泥用量，有效降低成本和能源消耗。

[1] 高 立,陳美祝,高 博,等.大摻量礦粉配制C30混凝土的研究[J].新型建筑材料,2015,42(2):47-49，53.

[2] 王 盛,朱重鍵.采用立磨生產粒化高爐礦渣粉[J].混凝土,2004(12):47-51.

[3] 趙蘇政.摻復合型摻合料混凝土的耐久性研究[D].南京：南京林業大學碩士學位論文,2008.

[4] 潘慶林,孫恒虎,吳紹軍.粒化高爐礦渣的微觀結構和物相分析[J].水泥,2004(5):4-7.

[5] 吳 蓬,呂憲俊,胡術剛,等.粒化高爐礦渣膠凝性能活化研究進展[J].金屬礦山,2012(10):157-161.

[6] Zachariasen, WH.The atomic arrangement in glass[J].Jounal of the American Chemical Society,1932(54):38,41-51.

[7] 袁潤章,高瓊英.礦渣的結構特性對其水硬活性的影響[J].武漢建材學院學報,1982(1):7-13.

[8] 袁潤章,高瓊英,歐陽世翕.礦渣結構與水硬活性及其激發機理[J].武漢工業大學學報,1987(3):297-303.