超細礦渣粉在混凝土中的應用

超細礦渣粉是指符合國家標準《用于水泥中?；郀t礦渣》GB/T203-1994規(guī)定的?；郀t礦渣，經(jīng)干燥、粉磨達到相當細度且符合相應活性指數(shù)的粉體。

從1969年起，英國、德國等發(fā)達國家就開始了超細礦渣粉在混凝土中作為礦物摻合料的應用。自上世紀90年代起，我國開始了超細礦渣粉的應用研究工作。2000年，國家標準《用于水泥和混凝土的?；郀t礦渣粉》GB/T18046-2000正式頒布。2002年，國家標準《高強、高性能混凝土用礦物外加劑》頒布實施。在該標準中，正式將超細礦渣粉命名為“礦物摻合料”，納入混凝土第六組分。從此，超細礦渣粉作為一個獨立的新產(chǎn)品被廣泛地接受和應用。

2006年，山西彤陽爐料有限公司正式投產(chǎn)。其主要產(chǎn)品———彤陽牌S105級超細礦渣粉，以山西海鑫鋼鐵集團高爐礦渣為主料，嚴格按照優(yōu)于國家標準的企業(yè)標準進行生產(chǎn)。山西海鑫海天混凝土公司經(jīng)過1年多的應用實踐表明：摻入彤陽牌S105級超細礦渣粉的混凝土具有改善拌合物和易性、高強度、高抗?jié)B性、高抗凍性、高抗裂性、高耐腐蝕性、降低水泥用量和水化熱等特性，極大地改善了混凝土的拌合物性能、力學性能和長期耐久性能。

一、超細礦渣粉在混凝土中的作用

筆者認為，除了原材料的質(zhì)量以外，混凝土結(jié)構(gòu)中最為薄弱的環(huán)節(jié)主要有兩個：一是骨料與水泥的過渡區(qū)。二是水泥水化產(chǎn)物之間的空隙。那么，凡是能夠改善混凝土結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的措施，都能夠改善混凝土的性能。

我們所論述的超細礦渣粉在混凝土中的應用，正是由于改善了混凝土結(jié)構(gòu)中“水泥水化產(chǎn)物之間的空隙”的薄弱環(huán)節(jié)，混凝土的各種性能自然能夠得以改善。

1.改善混凝土的微結(jié)構(gòu)。主要是通過改善混凝土細微顆粒的級配，即改善粉體材料在混凝土中的粒度分布，產(chǎn)生密實堆積填充效應，使混凝土的孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即大孔數(shù)量減少，小孔數(shù)量增加，平均孔徑降低，分布更為合理；空隙率降低，特別是水泥水化產(chǎn)物之間的空隙，微結(jié)構(gòu)更為密實。

2.降低混凝土的拌合用水量。水泥的完全水化僅僅需要一小部分水，混凝土中的大部分水是為了滿足其工作性而引入的。我們稱之為游離態(tài)有害水。在混凝土施工和硬化中僅僅有一小部分游離態(tài)有害水可能會通過空氣蒸發(fā)和模板滲出，但是大部分游離態(tài)有害水會在混凝土硬化后形成較大的空隙，從而給混凝土結(jié)構(gòu)造成了永久的傷害。當混凝土的孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化、空隙率降低時，其游離態(tài)有害水的含量可相應降低。

3.改善混凝土拌合物的和易性。由于超細礦渣粉是細微球狀體，其表面光滑，且性能穩(wěn)定，在混凝土中能夠起到一種類似于軸承的微珠潤滑作用，減少了摩擦阻力，有效改善了混凝土拌合物的和易性?；炷涟韬衔锏暮鸵仔院?，則坍落度經(jīng)時損失小，工作性好。

4.提高混凝土的強度。其一是改善混凝土的微結(jié)構(gòu)，增加密實度，以提高混凝土的強度。其二，超細礦渣粉中含有豐富的活性SiO2等，能夠與水泥的水化產(chǎn)物Ca2進行二次水化反應，生成密實度更高的硅酸凝膠。

試驗用的原材料技術指標如下。水泥：海鑫P·S42.5礦渣硅酸鹽水泥。礦粉：彤陽S105級礦渣粉，密度為2.9g/cm3，比表面積為460㎡ /kg，活性指數(shù)為117%，流動度比為93%，三氧化硫為1%，氯離子為0.017%，燒失量為0.2%。粉煤灰：河津Ⅱ級粉煤灰。砂：楊徐砂，Ⅱ區(qū)中砂，顆粒級配基本符合規(guī)定。碎石：嶺西東碎石，5mm~26.5mm連續(xù)級配。外加劑：高性能泵送劑。凝結(jié)時間：14~16小時。試驗結(jié)果見表 1~表3。

隨著超細礦渣粉摻量的增加，混凝土各齡期的抗壓強度均有增長。但是，當摻到50%時，其快養(yǎng)和28天抗壓強度有緩慢的下降趨勢；當摻到60%時，其快養(yǎng)和28天抗壓強度已經(jīng)有比較明顯的下降趨勢。因此，我們必須確定其最佳摻量。

超細礦渣粉最佳摻量的確定應符合以下兩點：一是必須滿足各類工程和各種施工工藝的要求；二是必須滿足混凝土的和易性、凝結(jié)時間和強度的要求。根據(jù)以上兩點，并結(jié)合水泥的品種、標號、強度和大氣溫度及超細礦渣粉的質(zhì)量確定其最佳摻量。

5.降低混凝土的水泥用量和水化熱。國家標準規(guī)定：混凝土中心溫度與表面溫度的溫差不得超過25℃。在混凝土強度一定的情況下，摻加超細礦渣粉，可大幅降低水泥用量。同時可推遲熱峰的出現(xiàn)時間。

6.提高混凝土的抗?jié)B性。采用試驗編號為05、06的混凝土抗?jié)B試件，分別在2.5MPa壓力下恒壓48h。結(jié)果是其試件上端面無一滲水。劈開試件，測量其最大滲水高度。結(jié)果如下：編號為05的試件最大滲水高度為3cm；編號為06的試件最大滲水高度為1.8cm。

在2.5MPa的壓力下，其試件上端面無一滲水，且最大滲水高度都較小。這充分說明摻入超細礦渣粉的混凝土有相當好的抗?jié)B性。

7.提高混凝土的抗凍性。大量研究表明：混凝土的膠凝材料用量、水膠比、引氣性能等是影響混凝土抗凍性的主要因素。混凝土水膠比大時，其游離態(tài)有害水多，硬化后內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)差、空隙率大，則受凍融循環(huán)破壞的幾率大。當在混凝土中引入大量的、細微的、均勻的氣泡時，這些細微氣泡即細微空間可以作為體積膨脹的“緩沖閥”，降低和避免其他物理和化學反應引起的破壞。經(jīng)試驗表明，摻入超細礦渣粉的混凝土，其抗凍性明顯高于普通混凝土。

8.提高混凝土的抗裂性。混凝土在硬化過程中，由于化學減縮、冷縮和干縮等原因會引起體積收縮，其收縮值為自生體積的0.04%左右。這些收縮會給混凝土的體積穩(wěn)定性帶來很大的危害。經(jīng)試驗表明，摻入超細礦渣粉的混凝土，會產(chǎn)生適度的微膨脹。在鋼筋和骨料的約束下，可產(chǎn)生一定的預壓應力，以抵消混凝土在硬化過程產(chǎn)生的拉應力，補償部分水化熱引起的溫度應力，減少和避免混凝土裂縫的產(chǎn)生。

9.提高混凝土的耐腐蝕性。超細礦渣粉中含有豐富的活性SiO2等，能夠與水泥的水化產(chǎn)物Ca2進行二次水化反應，從而降低了混凝土硬化后水泥膠體與SO42--反應生成鈣礬石的機會，一定程度上抑制了SO42-等離子的侵蝕破壞。這種鈣礬石，由于體積膨脹產(chǎn)生的應力受到了硬化后混凝土的約束，因此，其破壞力最強。另外，超細礦渣粉的摻加減少了水泥用量，即減少了水泥引入的堿含量，從而降低混凝土發(fā)生堿-集料反應的破壞的可能性。

10.延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。Mehta整體論模型指出：“一個不透水但存在微裂縫且多孔的混凝土→經(jīng)侵蝕冷熱循環(huán)、干濕循環(huán)→混凝土結(jié)構(gòu)微裂縫增加、相連→水的滲入，有害物質(zhì)侵蝕→混凝土膨脹、鋼筋銹蝕、堿骨料反應、水結(jié)冰、硫酸鹽侵蝕使混凝土強度和剛度降低→開裂破壞與整體性喪失?！?/p>

模型清楚地表明：混凝土的不透水性是任何物理、化學破壞過程中的第一道防線。因此，超細礦渣粉在混凝土中的應用對混凝土的可持續(xù)發(fā)展，即節(jié)約利用混凝土原材料，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有著非常重要的意義。

二、超細礦渣粉的最佳應用范圍

1.高強度等級混凝土。配制C50混凝土，采用目前的水泥有相當?shù)碾y度。那么，配制C60、C70甚至C80混凝土，就必須摻加超細礦渣粉及高性能外加劑才能夠完成。

2.大體積混凝土。可以降低水泥用量和水化熱，推遲熱峰的出現(xiàn)時間，有效地防止諸如裂縫等問題。

3.除了上述最佳應用范圍以外，只要采用水泥、混凝土，都可以摻加不同摻量的超細礦渣粉。

總之，超細礦渣粉在混凝土中的應用，不僅關系到混凝土的質(zhì)量問題，而且關系到“建設節(jié)約型社會、走可持續(xù)發(fā)展道路”的大問題。

　　作者：安立俊王勇斌