摘要：混凝土是當今用量最大的一種建筑材料，隨著城市建設的發展和施工水平的提高，對混凝土的品質指標和經濟指標提出了越來越高的要求。磨細礦渣粉作為混凝土的一種重要摻合料越來越被人們所重視。本文主要研究磨細礦渣粉應用混凝土中對混凝土性能產生的改變。
關鍵詞：磨細礦渣粉 混凝土 意義 標準
一、 礦粉的現狀
高性能混凝土的研究和應用成為當前國際上的熱點，人們不但要求混凝土的強度能夠達到要求，而且希望它有很好的耐久性能。繼化學外加劑在混凝土工程上普遍應用以后，活性礦物摻合料日益在國內外材料與工程界引起廣泛的關注，甚至將之稱為繼水泥、細骨料、粗骨料、水、外加劑之后的第六組分。
礦物細摻料基本可分為以下四類：
1、 有膠凝性(或稱潛在活性)的。如氣硬性石灰、鋼渣等。
2、 有火山灰性的。火山灰是指其本身并不具備有或只有極小的膠凝性，但其粉末態物質能與Ca(OH)2和水在常溫條件下產生水化反應而生成具有膠凝性的水化產物，例如粉煤灰。
3、 同時具有膠凝性和火山灰性的。如高鈣粉煤灰或增鈣液態渣、粒化高爐礦渣等。
4、 其他未包括在上述三類中的本身具有一定化學反應的材料。如磨細石灰巖、白云巖以及各種硅質巖石的產物，這類材料過去一直被看作是惰性的物質。
分別屬于這四類的礦物摻合料有多種，綜合各種因素較為理想的活性礦物摻合料當屬粒化高爐礦渣粉。礦渣粉因其產量大，質量較為穩定，環保以及成本低等特點，近幾十年在水泥與混凝土中應用取得了很大的進展。
二、礦粉應用的重要意義
礦粉作為混凝土的摻合料，不僅能等量取代水泥，取得良好的經濟效益，而且還能顯著地改善和提高混凝土的綜合性能，如改善混凝土的工作性，降低水化熱的溫升，改善混凝土的內部結構，提高混凝土的抗腐蝕能力和耐久性，增長混凝土的后期強度等等。由于礦粉能很好地改善混凝土的性能，國外有的學者將之稱為輔助膠凝材料，不僅可將礦粉作為組分材料來配制高強、高性能混凝土，也可用其生產中強混凝土，大體積混凝土以及處于嚴酷環境下對耐久性有特殊要求的混凝土[1]。
礦渣用于水泥或者混凝土減少了膠結材料中水泥的用量，減少了由于生產水泥而導致的能源消耗，環境污染和土地資源浪費。據我國權威的混凝土專家預測，在未來的10-15年內，國內完全可以用1.6-1.7億噸礦粉替代1.6-1.7億噸水泥熟料，這樣可大大改善大氣環境，減少粉塵、CO2,NOx,SO2的排放量約1.58億噸/年，節約石灰石資源2.6億噸，電能350億kwh，標煤1800萬噸，礦粉的應用體現了水泥和混凝土的綠色含量和可持續性發展的戰略思想[3]。
隨著工程建設的發展和施工技術水平的提高，對混凝土提出了更高的要求，應運而生的高性能混凝土工作性和耐久性的主要技術路線。如礦粉替代水泥后降低單體積混凝土中膠結料的水化熱的總量和延緩放熱速率，減少大體積混凝土的溫升裂縫，可以降低由于水化熱引起的溫度變化所引發的開裂。在有硫酸鹽侵蝕的環境下，摻有活性礦物摻合料的混凝土，抗硫酸鹽侵蝕的性能顯著提高。另外，摻礦粉的混凝土密實度高，自由含水量低，在凍融交替的條件下，混凝土的抗凍性能也得到了大幅度的提高。
礦粉的應用除了在上述兩方面的意義之外，還有很好的經濟價值，礦粉作為混凝土的摻合物，能夠在一定程度上提高混凝土的性能，延長了混凝土的壽命，減少了維修及重建所需的大額費用。另外，礦粉的應用，減少了混凝土中水泥的用量，是混凝土冊成本降低了10%—15%。
三、 礦粉的應用標準
《用于水泥和混凝土的粒化高爐礦渣粉》GB18046-2000中規定[2]：
|
項目 |
S105 |
S95 |
S75 |
|
密度 |
g/cm3不小于 |
|
2.8 |
|
比表面積 |
m2/Kg不小于 |
|
350 |
|
活性指數 |
%不小于 |
7d |
95 |
75 |
55 |
|
28d |
105 |
95 |
75 |
|
流動度比 |
%不小于 |
|
85 |
90 |
95 |
|
含水量 |
%不大于 |
|
1.0 |
|
SO3 |
%不大于 |
|
4.0 |
|
Clˉ |
%不大于 |
|
0.02 |
|
燒失量 |
%不大于 |
|
3.0 |
四、 長治地區的基本情況
長治地區向社會供應的礦粉多為長治鋼鐵集團公司的礦粉，長治鋼鐵集團是生產建筑用線、棒材料為主，運轉5座高爐，現場礦渣水淬池共三個，其中4﹟、5﹟高爐共用一池,3﹟、7﹟高爐共用一池，6﹟高爐單獨用一池。長鋼高爐入爐鐵礦品位比較高，鋼渣比較高，現年生產50萬噸礦渣，大部分礦渣以水淬方式排出，活性較高。
長鋼高爐礦渣排渣的2個渣池，生產的兩種高爐水淬礦渣均為灰白色，含有約為5-10%的黑色多孔粒狀或塊狀的物料。80%為3mm以下。其化學成份見下表1，與國內其他煉鐵礦渣相比，長鋼礦渣的Cao、SiO2含量低，Al2O3含量高。
表1：粒化高爐礦渣化學成份
|
成份 |
SiO2 |
Fe2O3 |
FeO |
TiO2 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
MnO2 |
K2O |
SO3 |
Clˉ |
|
含量% |
31.29 |
1.5 |
3.5 |
0.81 |
15.17 |
36.5 |
6.61 |
0.27 |
0.9 |
0.4 |
0.06 |
根據礦渣的化學成份，計算質量指標：
水硬性系數b=(CaO+MgO+Al2O3)/SiO2=(36.5+6.61+15.17)/31.29
=1.86>1
堿性系數M0=( CaO+MgO)/( SiO2+ Al2O3)=(36.5+6.61)/(31.29+15.17)
=0.928<1酸性
質量系數K=( CaO+MgO+Al2O3)/( SiO2+MnO2+TiO2)
=(36.5+6.61+15.17)/(31.29+0.27+0.61)
=1.81>1.6為優等品
由礦渣的質量指標可看出，長鋼水淬高爐礦渣呈酸性，水硬性系數1.86，質量系數1.81，但長鋼礦渣中慢冷黑塊含量多，約占質量比例的5%，制成粉體外觀顏色白度較低。
長鋼礦粉為S75級礦粉，其物理性能指標見表2。
表2：長鋼礦粉物理性能指標
|
比表面積 |
密度 |
燒失量 |
流動度比 |
活性指數 |
|
m2/kg |
g/cm3 |
% |
% |
7d |
28d |
|
436 |
2.90 |
0.38 |
100 |
56 |
77 |
五、 礦粉配制混凝土的應用
1、 試驗用原材料：
1) 礦粉：采用長鋼集團生產的礦渣粉，S75級，其物理性能指標見表2。
2) 水泥：P.O42.5級山西水泥廠生產的晉牌水泥，其性能見表3。
表3：水泥性能參數
|
標準稠度用水量% |
安定性 |
抗折強度/MPa |
抗壓強度/MPa |
|
3d |
28d |
3d |
28d |
|
26.0 |
合格 |
5.8 |
9.0 |
32.4 |
50.1 |
3) 細骨料：產地：河北臨城砂，其主要性能見表4。
表4：細骨料性能參數
|
細度磨數 |
含泥量/% |
泥塊含量/% |
表觀密度/kg/m3 |
|
2.7 |
0.5 |
0 |
2690 |
4) 粗骨料：產地：壺關5-25mm連續級配碎石，其主要性能見表5。
表5：粗骨料性能參數
|
含泥量/% |
泥塊含量/% |
壓碎指標/% |
針片狀含量/% |
表觀密度/kg/m3 |
|
0.2 |
0 |
90 |
5.1 |
2710 |
5) 粉煤灰：Ⅱ級，其主要性能見表6。
表6：粉煤灰主要性能指標
|
細度/% |
需水量比/% |
燒失量/% |
安定性 |
|
10 |
95 |
2.0 |
合格 |
6) 外加劑：太原砼鈺外加劑廠生產的TY-D型高效減水劑，摻量為3.0%時，其主要性能指標見表7。
表 7：外加劑主要性能指標
|
減水率/% |
泌水率比/% |
含氣量/% |
抗壓強度（與空白）比 |
|
3d |
7d |
28d |
|
20.4 |
65 |
2.0 |
145 |
136 |
130 |
2、 試驗方法
1) 配合比參照JGJ55-200《普通混凝土配合比設計規程》進行。
2) 混凝土拌合物坍落度采用GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗標準》進行。
3) 混凝土抗壓強度測定采用GB/T50081-2001《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。
3、 試驗方案
配制強度等級為C40，拌合物初始坍落度為180-220mm的混凝土，在單摻礦粉及復摻粉煤灰和礦粉的情況下，等量取代，觀察隨著摻量的變化而混凝土拌合物及硬化混凝土的基本性能的變化。
4、 試驗數據
拌制混凝土配合比見下表8，拌合物及硬化混凝土物理性能見表9。
表8：混凝土配合比
|
編號 |
材料用量kg/m3 |
粉煤灰置換率% |
礦粉置換率% |
|
水泥 |
砂 |
石 |
粉煤灰 |
礦粉 |
外加劑 |
水 |
|
0 |
380 |
791 |
1049 |
0 |
0 |
11.4 |
180 |
0 |
0 |
|
1 |
342 |
774 |
1068 |
0 |
38 |
11.4 |
178 |
0 |
10 |
|
2 |
304 |
756 |
1089 |
0 |
76 |
11.4 |
175 |
0 |
20 |
|
3 |
266 |
739 |
1109 |
0 |
114 |
11.4 |
172 |
0 |
30 |
|
4 |
228 |
722 |
1129 |
0 |
152 |
11.4 |
170 |
0 |
40 |
|
5 |
304 |
757 |
1090 |
38 |
38 |
11.4 |
173 |
10 |
10 |
|
6 |
266 |
740 |
1110 |
38 |
76 |
11.4 |
170 |
10 |
20 |
|
7 |
228 |
723 |
1130 |
38 |
114 |
11.4 |
167 |
10 |
30 |
表9：拌合物及硬化混凝土物理性能
|
編號 |
拌合物坍落度/mm |
抗壓強度/MPa |
|
初始 |
30min |
60min |
3d |
7d |
28d |
60d |
|
0 |
190 |
135 |
110 |
21.3 |
38.8 |
47.9 |
50.2 |
|
1 |
205 |
155 |
135 |
23.2 |
35.2 |
48.2 |
51.7 |
|
2 |
200 |
150 |
135 |
22.5 |
31.8 |
49.1 |
52.1 |
|
3 |
205 |
165 |
145 |
20.4 |
30.9 |
49.7 |
52.9 |
|
4 |
200 |
160 |
145 |
18.3 |
29.1 |
47.3 |
51.7 |
|
5 |
205 |
165 |
150 |
24.5 |
32.6 |
49.6 |
50.9 |
|
6 |
195 |
170 |
145 |
22.3 |
31.5 |
50.6 |
51.0 |
|
7 |
200 |
185 |
155 |
20.5 |
30.4 |
51.6 |
51.1 |
5、 試驗結果分析
1) 在混凝土坍落度基本保持不變的條件下，單摻礦粉當摻量小于40%時，可降低混凝土的單位用水量。復摻礦粉和粉煤灰當摻量小于40時也可降低用水量。
2) 摻入礦粉和粉煤灰，混凝土拌合物坍落度損失會減小，且隨著摻量的增大，坍落度損失減小更明顯。
3) 混凝土單摻礦粉或復摻礦粉和粉煤灰后，混凝土早期強度都相應降低，且隨著摻量的增加降低的越多。后期強度，單摻礦粉摻量在30%-40%之間時提高幅度最大，當摻量大于40%后，提高幅度減小。
六、 結論
1、 使用球磨礦粉時應加強檢測，嚴格控制礦粉細度，大型立磨礦渣粉生產線的礦粉細度均控制在400-500m2/kg的范圍內，長鋼礦粉其先進的生產工藝，礦粉的細度比較穩定。而球磨礦粉的細度較難達到400m2/kg以上，也難以長期穩定。一旦礦粉細度大幅度降低，會給混凝土帶來很多問題。如：粘聚性下降，出現離析和泌水;凝結時間延長;早期強度降低，甚至28d強度也會不同程度降低等。因此，在使用球磨礦粉時應加強檢測，嚴格控制細度。
2、 注意礦粉的摻量，單摻礦粉時，常以小于40%為宜，大體積混凝土可增至50%，以達到降低水化熱的目的。復摻時，總取代量不宜超過50%，粉煤灰控制在20%以內，礦粉控制在30%以內。
3、 注意礦粉(或礦粉和粉煤灰復摻)混凝土的養護。當養護溫度適宜，濕度較大時，混凝土中水份蒸發少，水化充分，孔隙率及孔隙尺寸減小，同時由于水化產物阻隔了水分子的通道，使得開口孔隙數量減小。可發揮“儲備”作用的閉合孔數量增加， 同時，建立良好的養護制度有利于提高混凝土的抗凍性能。礦粉(或礦粉和粉煤灰復摻)混凝土，對養護條件的要求更為苛刻，因此，混凝土施工方應確保混凝土的養護條件，在礦粉及礦粉和粉煤灰復合摻加的情況下，更需要加強養護，只有充分養護才能發揮摻合料的作用。
4、 注意調整混凝土的凝結時間，摻加礦粉的混凝土的凝結時間與不摻礦粉的不同混凝土的凝結時間相比，具有一定的緩凝效果，混凝土的初凝，終凝時間比基準混凝土推遲1-2.5h，因此，配制混凝土時應調整混凝土配合比，控制混凝土中礦渣粉摻量和使用早強型減水劑。而夏季施工時，可適當增加礦粉含量以延長混凝土的凝結時間。
5、 注意混凝土用水量的調整，礦粉與高效減水劑復合使用時，具有輔助減水的功能，與只摻高效減水劑的普通混凝土相比，在保證混凝土初始坍落度相同的情況下，可減少用水量。
參考文獻：
1 張承志.商品混凝土[M]，北京：化學工業出版社，2006.6
2 GB/T18046-2008，用于水泥和砼中粒化高爐礦渣粉[S].
3劉秉京，混凝土技術[M],北京：人民交通出版社，2004.3
4 JGJ55-2000,《普通混凝土配合比設計規程》[S].
