工業礦渣廢料在混凝土中的應用

范海波

陜西省土地工程建設集團有限責任公司寶雞分公司

1 工業礦渣粉在混凝土中的應用歷史

在工業生產過程中，高爐礦渣經過研磨以后，得到的一種水淬粒化的粉末狀材料，就是礦渣粉，如圖1 所示。該類材料自1862年，德國人發現并應用于水泥混合材料后，工業礦渣粉就被廣泛應用于建筑材料的性能改善中[1]。

總結來看，2000年以前對于礦渣粉的使用，國內外存在較大的差別。國外將礦渣和水泥熟料混合研磨，用于生產礦渣水泥。此外，還將礦渣單獨進行研磨，作為摻合料使用。相比之下，國內則主要將礦渣與水泥熟料混合研磨使用。從研磨的角度看，工業礦渣相比水泥熟料更難為研磨。一般情況下，水泥的研磨細度可以控制在300m2/kg,而工業礦渣細度只能達到200m2/kg～250m2/kg左右。因此，這種研磨細度下的礦渣粉的活性受限，摻和量過高時還會導致水泥的性能降低。

圖1 高爐礦渣粉末

進一步地研究表明，礦粉在生產高強度混凝土的過程中可以發揮更大的價值。自上世紀80年代開始，我國對高爐礦渣粉的性質和特點進行了大規模的研究。先后取得了《高強度混凝土設計與施工指南》、《混凝土和砂漿用粒化高爐礦渣微粉》、《粒化高爐礦渣微粉在混凝土中應用技術規程》等一大批應用成果。這些成果表明，工業礦渣礦粉在混凝土工業領域具有廣闊的應用價值和前景。

隨著礦渣研磨技術的不斷改良，如今礦渣研磨細度可以達到400m2/kg 以上。我國的商用混凝土生產工藝，特別是商品混凝土膠凝材料體系的生產工藝正由“水泥”、“水泥+粉煤灰”向“水泥+粉煤灰+礦粉”體系轉變。然而，對于摻和了礦渣粉的混凝土在應用過程中，表現出來的各項性能指標，還需要進一步地去研究。

2 工業礦渣粉對混凝土性能的改善

我們在收集一些實驗數據的基礎上，考察礦渣粉對混凝土耐久性的改善程度。這些性能包括：對混凝土的工作性能和力學影響、對混凝土抗滲性的影響、對水泥的水化熱影響、對混凝土抗凍性的影響等[2]。

2.1 礦渣混凝土工作性能和力學性能

我們發現摻入礦渣后，對混凝土的工作性能和力學影響主要表現在兩個方面。

2.1.1 摻入礦渣后會對水泥膠砂的流動性和凝結時間產生影響

同樣水量的情況下，隨著礦渣的加入，水泥膠砂的流動性會發生明顯增大的現象，從而水泥的凝結時間也會變長。由于其的流動性提高，對應的施工過程中的工作性能也發生了較明顯地改善。對于大體積混凝土的澆筑過程而言，凝結時間的延長，使得熱量不會集中釋放，這對于混凝土最終強度的形成都是十分有利的。

2.1.2 摻入礦渣后會水泥膠砂的強度產生影響

對于摻入礦渣后的混凝土強度性能，我們從表1中的實驗結果中可以分析出，隨著高爐礦渣粉摻入量的增加，混凝土的3d抗壓強度會明顯地降低。同樣的，7d強度也在下降。但是，28d和56d的強度基本沒有太大的變化。事實上，結合本章中對于流動性和凝結時間的闡述，我們容易推測，高爐礦渣的加入會影響混凝土的工作性和凝結時間，從而明顯影響到混凝土的初凝強度。

表1 C40混凝土摻入礦渣粉后的力學強度變化

2.2 礦渣混凝土抗滲性能

進一步地，我們考察礦渣混凝土抗水性能及特點。我們在考察一組實驗數據的基礎上，總結摻雜有礦渣的混凝土表現出來的抗滲特性。

分析以上的實驗數據，我們發現，無論是粉煤灰與礦粉混合摻入混凝土，還是礦粉單獨加入混凝土，混凝土的抗滲等級都會明顯地提高。結合相關的物理化學知識，我們認為當混凝土中摻入了礦粉或粉煤灰等摻合料時，他們會進一步地促使水泥的二次水化反應，進一步地水化反應導致了混凝土的空隙變得更加密集，混凝土的密實度提高，進而大幅度地提升了混凝土的抗滲性能。

表2 礦粉對混凝土的抗水滲性能的影響

結合以往的工程經驗，對于摻入礦粉的粒徑，對混凝土的抗滲性能改善程度，有如下經驗。

（1）當3mm～5mm 的透水混凝土孔隙率為45%的情況下，5mm～10mm 的透水混凝土孔隙率為16%時，礦渣的摻入量達到7.5%，可以滿足抗壓強度20MPa，抗彎折強度2.5MPa的要求。礦粉的添加方式為內滲法，對透水混凝土的抗壓強度會有小幅度的提升。

（2）當采用庫侖電量方法評價時，礦粉、粉煤灰和引氣劑他們能夠使得混凝土的滲透性降低。礦粉越細、摻量越大，特別是礦粉與粉煤灰和引氣劑復合使用時，能夠顯著降低混凝土的滲透性。

（3）對于高強度的混凝土，例如C50 的混凝土，礦粉及其與粉煤灰的復合摻和料，特別是引氣劑均能顯著降低混凝土的滲透性。

2.3 礦渣混凝土的水化熱

混凝土硬化過程中，由于水泥的水化作用會釋放大量的熱。混凝土本身的熱阻較高，短時間內不能夠將熱量釋放給環境。這就會導致熱量在混凝土結構內部的聚集，由于結構內外的溫度差，會使結構產生不均勻地溫度變形和溫度應力。這些應力的聚集最終會導致微裂紋的產生，甚至擴展成為宏觀裂縫，這是導致混凝土早期開裂的主要原因。

3 工業礦渣粉在商用混凝土拌和站中的應用

從以上的分析中，我們看到高爐礦渣廢料在混凝土中確實有諸多的好處，對于混凝土性能改善方面，效益顯著。但是，從商用生產的角度來看，礦渣的使用需要特別注意一些問題。從而，嚴格把控混凝土產品的質量。具體來說包含以下幾個方面。

3.1 嚴格把控礦粉的細度

目前，對于大多數的礦粉生產線而言，能夠生產的礦粉細讀的范圍在400m2/kg～500m2/kg 的范圍內。這個范圍內的礦粉，在摻入混凝土后，性質穩定，表現出比較優良的性質。相反，當礦粉的研磨細度大幅度降低的時候，會出現諸多的問題。例如：不達標的礦粉摻入會導致混凝土的黏聚性降低，混凝土出現離析和泌水現象；凝結時間會延長，從而導致混凝土的早期強度降低。因此，礦粉的研磨工藝質量必須要保證，研磨后的產品質量必須加以檢測和控制。

3.2 控制礦粉的摻入量，防止利益驅動下的盲目摻入

我們按照之前的分析，可以看到，礦粉的摻入，能夠有效地降低生產成本。但是，并不是單純的增加礦粉的摻入量，就能夠提高混凝土的生產效益。

通過經驗總結，結合一些商用混凝土生產工藝試驗結果，得到的一些基本經驗。

（1）當混凝土生產時，只摻入摻礦粉的條件下，摻入量以30%～40%為宜。大體積混凝土可以增加至50%以上，從而實現降低水化熱的目的。

（2）當多種摻合料共同摻入時，例如礦粉和粉煤灰同時摻入的情況。在集料總量一定的情況下，總取代量不應當超過50%。同時要求，粉煤灰控制在20%以內，礦粉控制在30%以內。

（3）在商用生產中，剛開始使用時，建議粉煤灰的摻入量能夠控制在10%以內，礦粉的使用量能夠控制在20%以內。

進一步地總結實驗數據，發現礦粉的摻入量在70%以內時，對混凝土的強度影響有限。然而實際生產過程中并不能完全依據實驗室數據，實際生產和實驗數據存在一定的偏差和問題，包括：混凝土的凝結時間問題。對于一般的混凝土施工而言，凝結時間過長，并不利于施工，豎向結構在長期的塑性狀態下，容易收縮、沉降。此外，還有黏聚性的問題。一般而言，強度等級較低的混凝土，其黏聚性差。因此需要設法增加其黏度，減少混凝土自身離析泌水的可能。而相反，強度等級較高的混凝土黏聚性大，施工過程中需要降低其黏聚性。當有大體積混凝土澆筑的情況時，同時要求高強度的混凝土，考慮采用礦粉和可以降低混凝土黏度的優質Ⅰ級粉煤灰復合使用。

3.3 摻入礦粉后的混凝土對養護條件要求更為苛刻

就養護條件而言，摻入礦粉的混凝土在養護過程中，要求更高。我們收集實測數據，顯示采用C40的混凝土澆筑，礦粉的摻入量為25%，Ⅱ級粉煤灰摻入量為15%，這些摻合料可以取代等比例的水泥。經過符合條件的養護后，28d 測得的回彈值很低。按照經驗推斷強度只有C30左右，且混凝土的表面碳化很嚴重，碳化的深度在1.5mm～2.5mm 之間，嚴重的地方高達4mm。抽芯檢測發現混凝土強度很高，測得的強度實際值在47MPa～62MPa之間。

這些實驗結果表明，礦粉或者粉煤灰摻入后，替代了水泥，但是其強度性能一般不受影響。然而，實際的養護條件等外在因素有極大地不確定性，混凝土最終的強度值是明顯低于理論值的。

3.4 復摻時，針對不同等級粉煤灰，選擇合適的復合比例

對于摻入的礦渣類別，一般采用粉煤灰和礦渣共同摻入。一方面，粉煤灰在價格上比礦渣更為便宜，且二者對混凝土性能的影響類似，為了降低成本，可以考慮混合摻入。另外一方面，我們要善于利用兩種摻合料的自身特點和性能，充分做到“優勢互補”，從而改善混凝土性能。因此，對于某些條件下的粉煤灰和礦渣復摻，我們應該根據實驗結果，來確定實際施工過程中配置混凝土時的確切復合比例。

上述內容在礦渣摻入混凝土實際生產應用中，具有很明顯地應用價值。對于商品混凝土攪拌站生產而言，應該積極探索上述因素對礦渣摻入混凝土生產過程中的實際影響，這將為商品混凝土的生產起到一定的實際指導作用。

4 結束語

本文通過詳細論述礦渣廢料在混凝土中摻入后的各項性能指標，以及商業化生產中存在的諸多問題。認為摻入礦渣后的混凝土在工作性能上表現出凝固時間變長，早期強度降低等特點；在抗滲性能上，因為礦粉的摻入，改變了混凝土原有的孔隙特性，使其結構變得更加密實，因此，有更好地抗滲性能。在水化熱方面，會因礦粉的摻入，水化熱降低。在抗凍性能方面，也會明顯有所改善。但是，在實際商品混凝土生產中，摻入礦粉后，上述性能的改善，還需要具體的生產工藝、質量等來做保證。