礦渣微粉品質(zhì)差別及其對混凝土性能的影響

摘要：通過試驗(yàn)研究了不同品種礦渣微粉對水泥膠砂和混凝土質(zhì)量的影響情況，在此基礎(chǔ)上對作為摻合料使用的幾種礦渣微粉的品質(zhì)進(jìn)行了分析及評述，指出礦渣微粉中外加的一些活性組分雖然能提高其檢驗(yàn)時的某些指標(biāo)值，但會對混凝土的質(zhì)量造成不利影響，因此，從質(zhì)量控制的角度來說，混凝土用戶應(yīng)該采用不摻其他組分的礦渣微粉。

關(guān)鍵詞：礦渣微粉；顆粒級配；混凝土耐久性

0 前言

礦渣微粉是近年來新興的混凝土礦物摻合料。等量或超量取代水泥時，不僅有較好的經(jīng)濟(jì)效益，還能顯著地改善新拌混凝土的工作性、降低混凝土水化溫升速率，并可提高混凝土的抗腐蝕、抗?jié)B透等耐久性能。

鑒于其優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，目前在長三角地區(qū)，礦渣微粉的生產(chǎn)和應(yīng)用發(fā)展迅速，已成為商品　混凝土市場不可或缺的重要原料。自2002 年至2005 年，僅供應(yīng)上海地區(qū)市場的礦渣微粉生產(chǎn)企業(yè)已增加到十幾家。這其中有大型的專業(yè)礦渣微粉生產(chǎn)企業(yè)，也有從原小水泥廠閑置的粉磨設(shè)備轉(zhuǎn)產(chǎn)而來的小型礦渣微粉粉磨站。但是，由于各生產(chǎn)企業(yè)的原料來源、工藝和設(shè)備的水平、生產(chǎn)能力、技術(shù)力量等差別很大，造成了市場上流通的礦渣微粉產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。當(dāng)前，礦渣微粉生產(chǎn)企業(yè)一般采用國標(biāo)GB/T 18046- 2000 進(jìn)行質(zhì)量控制，而在實(shí)際應(yīng)用的過程中，某些礦渣微粉生產(chǎn)企業(yè)為片面追求經(jīng)濟(jì)效益，在礦渣微粉中摻入其他未經(jīng)試驗(yàn)研究及標(biāo)準(zhǔn)許可的外摻料、激發(fā)劑等，使這些摻雜的“礦渣微粉”在按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測時，可以獲得“優(yōu)良”的檢測結(jié)論，但實(shí)際應(yīng)用時往往會造成混凝土強(qiáng)度波動大，新拌混凝土工作性能異常等問題，特別是混凝土后期強(qiáng)度出現(xiàn)倒縮及伴隨而生的混凝土開裂，對混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性帶來了很大的隱患，使用戶的最終利益在不知情的情況下受到損害，嚴(yán)重影響了礦粉優(yōu)異性能的發(fā)揮及其在商品混凝土中的推廣應(yīng)用。本文研究了不同礦粉的品質(zhì)差別及其對混凝土性能的影響，旨在為各混凝土攪拌站合理選擇礦粉時提供幫助，以避免不必要的損失。

1 原料

礦渣微粉選用上海及周邊市場銷售的不同礦渣微粉產(chǎn)品，品種及主要物理性質(zhì)見表1。表2 為各礦粉的主要化學(xué)成分。

水泥寶山水泥廠42．5 級普通硅酸鹽水泥。

　　　　

　　　　
2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 礦粉活性指數(shù)

　　采用礦渣微粉：硅酸鹽水泥=1： 1 的比例，按照GB/T18046 進(jìn)行水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，用同齡期摻礦渣微粉水泥和純水泥膠砂強(qiáng)度的百分比表征礦粉活性指數(shù)，比較不同礦粉的品質(zhì)差別。

2.2 混凝土試驗(yàn)

　　以表3 的混凝土配合比為基準(zhǔn)，用不同礦粉等量替代部分水泥進(jìn)行混凝土試驗(yàn)。測定各混凝土的坍落度、不同齡期抗壓強(qiáng)度，研究不同礦粉對混凝土施工性能以及早中期強(qiáng)度的影響。同時，分別用ASTMC1202 電通量法測定各混凝土的抗氯離子滲透性能；用平板法測定混凝土的當(dāng)量裂縫長度，評價不同礦粉對混凝土耐久性的影響。　

2.3 微觀檢測

用XRD 分析不同礦粉的礦物組成，用SEM觀察摻礦粉水泥漿體的水化相形貌變化，分析不同礦粉的品質(zhì)差別及其對混凝土性能產(chǎn)生影響的內(nèi)在原因。

3 試驗(yàn)結(jié)果和討論 3.1 不同礦粉的品質(zhì)差別

活性指數(shù)

表4 為不同礦粉的活性系數(shù)測定結(jié)果?？梢钥吹剑琒1、S2、S3、S6 礦渣微粉綜合活性指數(shù)較好，膠砂強(qiáng)度發(fā)展比較均衡，特別是后期強(qiáng)度，摻入礦渣微粉的水泥膠砂表現(xiàn)出比純水泥膠砂更好的性能。而對于S4、S5礦渣微粉，盡管其早期膠砂強(qiáng)度發(fā)展較快，超過了S1的強(qiáng)度增長速度，但是在28d 天后，強(qiáng)度上升就變慢甚至出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，說明其質(zhì)量異常，推斷其中可能摻有早強(qiáng)作用組分。

圖1 為礦粉S1、S4、S5 的XRD 圖譜，可發(fā)現(xiàn)， S1 礦渣微粉X 射線衍射圖譜的特點(diǎn)是僅出現(xiàn)一個較緩的過渡峰，這和正常礦渣微粉的圖譜是一致的。而S4、S5 圖譜中出現(xiàn)了結(jié)晶礦物的特征衍射峰，其中S4 礦渣微粉中存在著明顯的碳酸鈣峰，可初步判斷其中混和有少量磨細(xì)石灰石粉。S5 礦渣微粉中則同時存在少量的石膏峰和硅酸鈣峰，以及部分石英成分，判斷其中摻入了石膏、硅酸鹽熟料等活性組分，這與活性系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果一致。　

不同礦渣微粉的組成及顆粒級配

由表1 數(shù)據(jù)可以知道，一般礦渣微粉比表面積控制在400~430 m2/kg 之間，而相對應(yīng)的顆粒級配的特點(diǎn)是0~1μm 之間的顆粒占總體積的17%左右， 1~6μm之間的顆粒在25%左右波動， S4、S5 礦渣微粉在0~1μm 之間的顆粒占總體積分別達(dá)到29．8%和27．9%，1~6μm 之間的顆粒也分別達(dá)到31．2%和30．1%，細(xì)粉含量明顯偏高，而上文XRD 分析已經(jīng)發(fā)現(xiàn)S4、S5 中摻入了其他物質(zhì)，可進(jìn)一步判斷出其中加入的外摻料可能是一些易磨性較好的活性礦物。此外，在表2 中， S4、S5 礦渣微粉CaO、SO2 含量偏高，進(jìn)一步證實(shí)了上述推斷。

3.2 不同礦粉對混凝土性能的影響

表5 為不同品質(zhì)礦渣微粉對混凝土工作性和耐久性的的影響。與基準(zhǔn)混凝土相比，采用S1、S2 等礦渣微粉時，混凝土的坍落度得到了改善，但是對于摻S4、S5礦渣微粉混凝土，混凝土的坍落度反而下降了。　　　　

摻入普通礦渣微粉的混凝土能大大改善其抵抗氯離子滲透的性能，如摻S1、S2、S3 礦渣微粉，氯離子滲透性能要比不摻礦渣微粉的混凝土低一半以上。但對于摻入早強(qiáng)組分的礦渣微粉如S4、S5 來說，抗氯離子滲透性能不如未摻早強(qiáng)組分的礦渣微粉，這可能和礦渣微粉中摻入的石灰石水化晶體較大，微孔缺陷較多有關(guān)，或者是與摻入的石膏組分造成的鈣礬石膨脹引起缺陷增多有關(guān)。

對于混凝土的抗裂性能，摻入S1、S2 等純礦渣微粉成分的混凝土，其當(dāng)量裂縫的長度一般在300~500mm 之間，說明摻入此類礦渣微粉能改善混凝土的抗裂能力。但摻S4 礦渣微粉混凝土的當(dāng)量裂縫長度很大，原因可能和S4 礦渣微粉中的石灰石成份有關(guān)。而摻S5 礦渣微粉的當(dāng)量裂縫長度卻大大地改善了，原因可能和S5 中有石膏等成分在硬化過程中產(chǎn)生的微膨脹效應(yīng)有關(guān)。

圖2 為不同品質(zhì)礦粉對混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度的影響。在混凝土早期， S1、S2 等礦渣微粉混凝土的強(qiáng)度發(fā)展較純水泥混凝土慢，但28d 強(qiáng)度特別是后期強(qiáng)度要逐漸高過純水泥混凝土，說明選取合理品質(zhì)的礦渣微粉對混凝土最終力學(xué)性能有良好的影響；而S4、S5礦渣微粉混凝土的早期強(qiáng)度，如3d 和7d 強(qiáng)度發(fā)展十分迅速，但是后期強(qiáng)度比普通礦渣微粉混凝土強(qiáng)度反而要低，說明其強(qiáng)度發(fā)展的潛力被過早地激發(fā)了。結(jié)合上面對這兩種礦渣微粉的組分及礦物分析，可以認(rèn)為這兩種礦渣微粉所含的早強(qiáng)組分，是混凝土后期強(qiáng)度產(chǎn)生倒縮的原因。此外，結(jié)合混凝土坍落度試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為，摻入含早強(qiáng)活性組分的礦渣微粉后，混凝土早期強(qiáng)度雖然發(fā)展迅速，但是由于水化速度提高導(dǎo)致需水量的增大，因此會降低所配制的混凝土的工作性能。　　　　　

　為進(jìn)一步分析礦渣微粉品質(zhì)對混凝土性能影響的內(nèi)在原因，用SEM分別對摻S1、S4、S5 礦渣微粉的混凝土的漿體水化產(chǎn)物進(jìn)行了形貌分析，如圖3 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)， S1 礦渣微粉和水泥的混合水化產(chǎn)物以致密的CSH 凝膠為主，其致密效果要好于純水泥石的表面形貌，這可以解釋上述摻入S1、S2 等礦渣微粉的砂漿、混凝土強(qiáng)度和耐久性能都得到改善的現(xiàn)象。而S4 由于礦渣微粉混合物中可能存在的石灰石組分對水化的促進(jìn)作用，因此水化產(chǎn)物中有水化碳硅酸鈣存在，其水化產(chǎn)物顆粒較大，且水化產(chǎn)物中還有較多CH晶體，這進(jìn)一步解釋了為什么S4 礦渣微粉混凝土早期強(qiáng)度好，但是抗氯離子滲透性及抗裂性不好。S5 礦渣微粉水化產(chǎn)物中因有較多硫酸鹽組分，因而可以看到較多的鈣礬石組分。所以其配制的砂漿和混凝土早期強(qiáng)度好，早期抗裂性得以改善但是后期強(qiáng)度卻出現(xiàn)倒縮。

4 結(jié)論

不同礦粉在水泥膠砂和混凝土中對強(qiáng)度發(fā)展的作用和該礦粉的比表面積、組分及顆粒級配有關(guān)。較高的比表面積、適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)組成及較好的顆粒級配對膠砂強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度均有好的貢獻(xiàn)。

在礦粉中摻入能改善其早期強(qiáng)度的組分如石灰石粉、水泥膨脹劑或其他化學(xué)添加劑等，在一定程度上可以改善礦粉的早期活性，有助于產(chǎn)品通過質(zhì)量驗(yàn)收，但在后期很可能會產(chǎn)生強(qiáng)度倒縮及混凝土耐久性下降等問題，因此，單純?yōu)榱颂岣叩V粉驗(yàn)收指標(biāo)而在礦粉中加入活性早強(qiáng)組分可能會給混凝土中、后期質(zhì)量帶來嚴(yán)重的隱患。

由于不同組分礦粉對混凝土質(zhì)量影響較大，建議混凝土生產(chǎn)企業(yè)盡量使用不摻任何活性添加劑的“純”礦粉，以保證混凝土質(zhì)量，降低混凝土中后期質(zhì)量風(fēng)險。　原作者：康明李建華