矿渣浆状掺合料混凝土强度及工作性

贺行洋 熊健民 曾三海 苏 英 孙 维(湖北工业大学土建学院,湖北 武汉430068)

工业废渣毕竟是工业副产品，要把其应用于水泥混凝土，一般需对其进行加工处理[1-2]。在前期研究中，运用搅拌磨对工业废渣进行湿磨处理，制备了含有一定水分的浆体状混凝土矿物掺合料（简称“浆状掺合料”），通过一定的控制措施，湿磨能制得分散性及流变性良好的浆状掺合料，该处理方法具有低成本、低能耗的特点[3]。而水泥混凝土作为大量应用的工程材料，其最重要的工程性质是它的力学性质；在混凝土施工中，混凝土又必须保证足够的流动性以便浇捣成型，因而工作性也对混凝土材料具有重要影响。基于此，本文将主要对矿渣浆状掺合料新拌混凝土工作性能，及其硬化后的强度性能进行研究。

1 实验

1.1 原材料

用于制备浆状掺合料的矿渣为首钢矿渣原渣，水泥为华新水泥厂旋窑熟料与石膏配制的纯硅酸盐水泥，矿渣及水泥的化学组成及物理性能如表1所示。

混凝土粗、细骨料分别采用最大粒径为15mm的碎石及细度模数为2.7的河砂。

混凝土外加剂为密云外加剂厂的FDN粉剂，最佳掺量范围为胶结材的0.5%~1.0%。

1.2 浆状掺合料制备

浆状掺合料的制备采用自制搅拌磨，搅拌器转速为310 r/min，研磨筒有效容积为6L，电机功率为3.8Kw，研磨介质采用Ф8mm钢球。桶壁为聚氨酯内衬，附带水冷套冷却装置。通过研磨时间的控制，分别制备了比表面积为450m2/kg、600m2/kg、750m2/kg三个细度等级矿渣浆状掺合料。

1.3 实验方案

鉴于目前混凝土的施工水平、工程应用以及发展趋势，矿渣浆状掺合料混凝土强度及工作性的研究主要考察C40-C60等级混凝土。实验采用统一配比，混凝土水胶比为0.4，对比组水泥单方用量为450kg，砂率为0.4。矿渣以19%、36%、52%重量掺量掺入，为了便于比较矿渣对混凝土性能的影响，实验保证单方胶结材总体积不变。表2为设计的矿渣不同掺量的混凝土配合比。

表1 粉煤灰、矿渣及水泥的化学成分与物理性能

表2 不同掺量矿渣的混凝土配合比

表3 不同细度矿渣浆状掺合料混凝土强度及工作性

2 实验结果与讨论

2.1 不同细度矿渣浆状掺合料混凝土强度及工作性

表3为不同细度矿渣浆状掺合料混凝土强度及工作性，图1显示了矿渣细度对其混凝土强度的影响。

由图1及表3可看出，矿渣浆状掺合料细度的增加对提高其大掺量混凝土强度更为有效。在90d龄期，掺19%矿渣浆状掺合料混凝土强度随矿渣细度增加而下降；另外，对本研究中最细的比表面积为750m2/kg矿渣浆状掺合料，其混凝土90d强度在本文掺量范围内随掺量增加而增加。这可能是由于在90d龄期，混凝土中矿渣浆状掺合料已发生了较高程度的二次水化反应。当矿渣掺量较小时，水泥石中C-S-H等连续相型水化产物较多，此时矿渣颗粒在水泥石内粘结良好，矿渣对水泥石性能的影响主要体现在其微集料效应；而矿渣细度的增加，使得其二次水化产物量增加，水泥石中矿渣颗粒未水化部分分数体积减少，不利于其微集料效应的发挥，因而出现了矿渣细度的增加使得其19%掺量时的混凝土强度随之下降的现象。而对较细的比表面积为750m2/kg矿渣浆状掺合料混凝土来说，矿渣的二次水化程度更高，尽管矿渣掺量增加使得水泥石内水化产物量减少，但仍能使其在水泥石内被粘结良好，此时矿渣浆状掺合料的大掺量有利于其微集料效应的发挥，因而，使得矿渣浆状掺合料大掺量的混凝土强度相对较大。

图1 不同细度矿渣浆状掺合料混凝土强度

由表3，对混凝土的工作性分析表明，湿磨处理并放置1d的矿渣浆状掺合料对混凝土工作性的改善作用不明显。比表面积为750m2/kg的矿渣浆状掺合料在52%掺量时，甚至须加大其混凝土的外加剂掺量才能达到与纯水泥混凝土相当的工作性。矿渣浆状掺合料对混凝土工作性改善作用较差，可能与矿渣本身物理化学特性决定其较易水介质及其自身溶出的金属阳离子（玻璃体网络外体）作用有关[4]，随着矿渣玻璃体网络外体的溶出，在水介质及金属阳离子作用下，矿渣颗粒表面结构变得较粗糙，因而其对混凝土工作性改善作用较差。

2.2 长时间放置矿渣浆状掺合料混凝土强度及工作性

在矿渣浆状掺合料制备过程中，发现矿渣浆状掺合料放置8d时有较多的微粉粒出现，因而本文研究长时间放置对矿渣浆状掺合料的影响设定放置时间为8d。表4、图2为掺放置8d的矿渣浆状掺合料混凝土的强度及工作性。

比较表4与表3可看出，矿渣浆状掺合料8d时间的放置使其混凝土强度呈现一定的增长，尤其是比表面积较大的浆状掺合料大掺量混凝土。这说明8d时间的放置更强化了水介质及金属阳离子对矿渣浆状掺合料的作用，增加了其二次水化反应能力，可促进矿渣大掺量水泥石内矿渣粒子周围水化产物渗流通路的形成及密实，改善矿渣颗粒在水泥石内的粘结，使其混凝土强度有一定增加。

由表4与表3还可看出，8d时间的放置使浆状掺合料对混凝土工作性的改善进一步变差，但通过加大胶结材0.1%~0.2%的外加剂掺量，仍可使其混凝土工作性保持在200±20mm左右，具有较好的可施工性能。

表4 放置8d的矿渣浆状掺合料混凝土强度及工作性

图2 放置8d矿渣浆状掺合料混凝土强度

表5 干磨矿渣混凝土强度及工作性

2.3 干、湿磨处理矿渣混凝土对比

本文还对干法粉磨的矿渣混凝土进行了研究，表5为干法粉磨处理矿渣的混凝土强度及工作性。比较表5与表3、表4可知，与粉煤灰掺合料不同的是，湿磨处理的矿渣浆状掺合料放置不同时间，其混凝土强度均略高于干磨处理同等细度矿渣混凝土强度，这可能与矿渣掺合料相当粉煤灰来说，其玻璃体网络较疏松，溶出金属阳离子的量较多，玻璃体网络易受到水介质及金属阳离子作用有关，短时间放置仍能略为提高矿渣浆状掺合料的二次水化反应能力，因而其混凝土强度略为高于同等细度干磨矿渣混凝土。

3 结语

矿渣细度的增加对提高浆状掺合料大掺量混凝土强度更为有效；湿磨处理的矿渣浆状掺合料放置不同时间，其混凝土强度均略高于干磨处理同等细度矿渣混凝土强度，短时间放置仍能略为提高矿渣浆状掺合料混凝土强度。矿渣浆状掺合料混凝土工作性研究显示，湿磨处理并放置1d的矿渣浆状掺合料对混凝土工作性的改善作用不明显；8d的放置使浆状掺合料对混凝土工作性的改善进一步变差，但通过加大胶结材0.1~0.2%的外加剂掺量，仍可保证混凝土具有较好的工作性。

[1]SHI CAIJUN,QIAN JUESHI. High performance cementing materials from industrial slags [J].Resources Conservation and Recycling,2000,29(3):195-207.

[2]陈益民,贺行洋,等.矿物掺合料研究进展及存在问题[J]. 材料导报, 2006, 20 (8):28-31

[3]陈益民,贺行洋,张文生 等.混凝土的浆状磨细矿物掺合料及其制造方法：中国,ZL03137658.4 [P].2005-10.

[4]贺行洋, 陈益民, 苏英. 混凝土浆状掺合料物理化学性能的研究[J].中国建材科技,2006(2): 4-7.