高爐礦渣粉作高性能混凝土摻合料的研究和應用

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1　前言

?；郀t礦渣作水泥混合材生產(chǎn)礦渣水泥在我國已有近五十年歷史。數(shù)量之大利用之廣是公認的。礦渣水泥具有良好的物理力學性能和耐久性能在混凝土工程實踐中得到肯定。隨著粉磨工藝的發(fā)展及商品混凝土的興起，?；郀t礦渣粉作水泥混合材和高性能混凝土摻合料得到更廣泛地利用。八十年代以來, 美、日、英、法、加拿大、奧地利等國家相繼制訂了國家標準。

從90年代開始，冶金部建筑研究總院工業(yè)渣處理利用研究室等科研單位研究工業(yè)渣粉作高性能混凝土摻合料取得成功，爾后，冶建總院試驗廠生產(chǎn)了近萬t摻合料，用于首都機場擴建工程和北京的其它建筑工程，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效果。引起了混凝土界高度重視，成為一項高新技術(shù)成果，業(yè)已制定了國家標準。

2　高性能混凝土摻合料是21世紀混凝土發(fā)展的關(guān)鍵

混凝土自誕生以來，在世界范圍內(nèi)被廣泛采用。過去由于過多重視混凝土的強度而忽視耐久性能， 造成許多混凝土建筑工程早期破壞，致使投入大量資金重建或維修。美、英等國家建筑專家自90年代以來提出高性能混凝土的新概念。

因此，我國水泥和混凝土專家也開始對高性能混凝土進行系統(tǒng)的研究。高性能混凝土是21世紀我國建筑業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料。高性能混凝土是指具有強度高、耐久性好，同時具有良好的工作性能的混凝土。強度高是指強度等級在C60以上。耐久性能好是指耐磨性、水化熱、脹縮性、脆性、韌性、疲勞強度、抗凍性、抗侵蝕性、抗碳化性、抗堿集料反應及抗鋼筋銹蝕等性能好。良好的工作性是指混凝土拌合物應具有良好的施工性能，如粘聚性、不泌水性、可泵性等。隨著高層建筑和超高層建筑、大跨度橋梁、高速公路等工程建設的快速發(fā)展，強度等級在C60以上的混凝土就用量增大。以前配制高強混凝土依賴于高標號水泥和外加劑，但是只用高標號水泥配制的混凝土水化熱高，易產(chǎn)生裂縫，導致混凝土強度降低。采用降低混凝土的水灰比，減少混凝土的孔隙率，增加密實度的方法，其后果是不能保證施工時的大流動度的要求，同時水灰比降至0.3～0.2時, 必然有大量的水泥顆粒得不到充分水化，影響混凝土的后期耐久性。

因此，在配制高性能混凝土時要采用外加劑，以降低水灰比，保證混凝土能滿足施工要求的流動度。同時要摻入摻合料以提高混凝土的強度，改善其耐久性能。這在特種混凝土, 如抗?jié)B混凝土、抗凍混凝土、大體積混凝土的相關(guān)規(guī)程中都有所規(guī)定。從國內(nèi)外文獻資料可知，作高性能混凝土摻合料的品種有?；郀t礦渣粉、粉煤灰和硅灰。其中由于硅灰量少價高等原因，因此，利用?；郀t礦渣粉作高性能混凝土摻合料成為主要研究課題。

3　高性能混凝土摻合料的組份

該摻合料是以粒化高爐礦渣為主要原材料摻入部分其它組份，經(jīng)超細粉磨而成的一種活性材料。

4　化學成份(% )

SiO2：31.24～39.61；A l2O3：7.84～16.66

Fe2O3：0.28～3.88；CaO ：30.59～45.38

MgO ：1.94～ 12.79；MnO ：0.21～1.45

TiO2：0.28～ 2. 77；S：0.34～1. 44

堿性系數(shù)：0. 78～1.13；質(zhì)量系數(shù)：1.38～1.91。

5　物理性能

比表面積：m2/kg 大于400

活性指數(shù)：% 7d 大于75

　　　　　 28d 大于95

流動度比：% 大于95

含水率：% 小于1.0

三氧化硫：% 小于4.0

6　摻合料摻入量與混凝土強度的關(guān)系

在配制混凝土時，摻合料與水泥同時加入。一般摻合料的摻入量為水泥重量的20%～50% ，摻合料等量取代水泥。現(xiàn)以某廠摻合料的性能試驗舉例如下：

(1) 采用425號普通水泥，水泥用量為260kg/m3，摻合料用量為140kg/m3，其混凝土7d抗壓強度為37.5MPa，28d 為62MPa。

(2) 同上水泥，水泥用量為325kg/m3，摻合料用量為175kg/m3，其混凝土7d抗壓強度為49MPa，28d為72MPa。

(3) 采用525 號P. Ê水泥，水泥用量為358 kg/m3，摻合料用量為192 kg/m3，其混凝土7d抗壓強度為kg/m3，28d為kg/m3。

7　混凝土性能

(1) 坍落度

在水灰比相同時，摻入摻合料，其坍落度增大值在10cm以上?；炷恋某跄龝r間比未摻的推遲1～2h，工作性能保持良好。坍落度和擴展度在3h 內(nèi)損失不大于10% ，有利于混凝土泵送施工。

(2) 可泵性

用混凝土粘度計時儀測定，流出時間8～30s，擴展度大于460mm 時，拌合物流動性能良好，便于泵送；流出時間在8～15s，擴展度在600～750mm時，拌合物的流動性、抗分離性、間隙通過性都很好，可填充到構(gòu)筑物各部位自行密實。

(3) 抗?jié)B性能

摻合料可提高混凝土的密實性和抗?jié)B透能力，當水泥用量為325 kg/m3，摻合料用量為175 kg/m3，混凝土28d 抗壓強度為71.9M Pa，抗?jié)B試件水壓至3.0M Pa，持續(xù)8h 后無滲水現(xiàn)象。

(4) 水化熱

425號普通水泥3d水化熱為235k j/kg，7d 為260 k j/kg，當摻入35% 的摻合料后，3d 水化熱降至160k k j/kg，7d 降至206 k j/kg。

(5) 抗凍性

C40～C60 摻有摻合料的混凝土，在- 20℃下凍融200次，強度無損失。

8　生產(chǎn)工藝

摻合料生產(chǎn)工藝簡單，流程如下：原材料烘干→配料→超細粉磨→儲存→檢驗→出廠超細粉磨是工藝的技術(shù)關(guān)鍵。經(jīng)多年研究實踐認為采用水泥廠常用的管磨機需進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造才可生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，做到高產(chǎn)低耗的效果。

9　應用和市場展望

(1) 首都機場擴建工程是國家重點工程項目。其中航站樓、樓前路橋系統(tǒng)、停車樓的梁、板、柱、墻主體結(jié)構(gòu)均采用摻入20%～ 40% (膠材總量) 礦渣粉的混凝土，混凝土的強度等級為C50、C60，坍落度為18～20cm，混凝土用量約10萬m3。

(2) 粒化高爐礦渣粉在北京地鐵復八線工程的混凝土中也被大量應用。

(3) 上海教育電視臺綜合樓基礎承臺，混凝土用量為3000m3，強度等級為C40，渣粉摻量為膠材總量的50%。

(4) 上海金帆大廈，混凝土用量為11600m3，強度等級為C40，渣粉摻量為膠材總量的40.2%。

(5) 上海明天廣場工程，混凝土用量為3000 m3，強度等級為C80，渣粉摻量為膠材總量的20%。

(6) 在太原、天津、杭州等地也有采用礦渣粉配制混凝土的工程。

(7) 市場展望

以我國水泥年產(chǎn)量5.5億t 計，混凝土中渣粉用量為20%時，市場需求摻合料數(shù)量為1.1億t。目前該產(chǎn)品還未被大量推廣使用，產(chǎn)量很低，遠遠不能滿足市場需求，故該產(chǎn)品市場發(fā)展前景廣闊。

10　技術(shù)經(jīng)濟效益

(1) 高性能混凝土摻合料可等量取代20%～50%高標號水泥，降低混凝土的成本，縮小混凝土構(gòu)件斷面尺寸，降低材料用量。

(2) 降低混凝土的水化熱，避免產(chǎn)生熱應力裂縫，提高混凝土的耐久性，延長混凝土構(gòu)筑物的使用年限，節(jié)省維修費用。

(3) 改善混凝土的和易性，利于快速施工，可配制免振自密實混凝土，以保證工程質(zhì)量。

(4) 可抑制混凝土的堿集料反應。

(5) 該產(chǎn)品成本低，經(jīng)濟效益高。

11　結(jié)語

(1) 高性能混凝土是具有強度高、耐久性好、工作性能好的建筑材料。21 世紀我國將大力發(fā)展高性能混凝土。

(2) ?；郀t礦渣是一種活性材料，經(jīng)過超細粉磨后，其活性顯著提高。用作混凝土摻合料等量取代20%～50%水泥，可配制成高性能混凝土。

(3) 利用水泥廠的管磨機經(jīng)過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改造，即可生產(chǎn)比表面積大于400m2/kg 的礦渣粉，配制高性能混凝土用于各種建筑工程。

(4) ?；郀t礦渣粉作混凝土摻合料是高爐礦渣資源化利用的重要途徑。生產(chǎn)該產(chǎn)品具有顯著的社會、經(jīng)濟效益。