矿粉对水泥和混凝土性能的影响

张 芳，温超凯，张 林，王 军

(1.武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074；2.广东生之源数码电子股份有限公司，广东 佛山 528000；3.中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 430074)

0 引 言

随着建筑物高层、大跨度、轻量化，使高性能混凝土的开发和应用得到快速发展，对混凝土的性能也提出了越来越高的要求.吴中伟院士认为，高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术配制而成.其以耐久性作为设计的主要指标，同时还要保证工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性[1].在配制混凝土时，加入一定量矿物掺合料不仅可以节约水泥，节约成本，而且由于掺合料的形态效应、微集料效应和火山灰效应，对改善混凝土的工作性能，改善混凝土的内部结构和提高混凝土的力学性能有着显著的作用[2-6].通常使用的掺合料多为活性矿物掺合料，由于它能够改善混凝土拌合物的和易性，或能够提高混凝土硬化后的密实性、抗渗性和强度等，因此目前较多的土木工程中都或多或少地应用活性矿物掺合料[7].特别是随着预拌混凝土、泵送混凝土技术的发展应用，以及环境保护的要求，在混凝土中使用矿物掺合料将愈加广泛.如粒化高炉矿渣、火山灰质材料、粉煤灰和硅灰等.

本文研究最常用的矿物掺合料—矿粉对水泥净浆稠度、凝结时间、流动度和力学性能的影响.矿粉选用超细矿粉和普通矿粉，对比研究超细矿粉和普通矿粉对水泥净浆及混凝土性能的影响.

1 实验

1.1 原料

水泥：水泥为华新水泥厂产P.O42.5普通硅酸盐水泥，密度3.14 g/cm3，勃氏比表面积3 320 cm2/g，化学成分见表1，主要技术指标见表2.

表1 42.5普通硅酸盐水泥的化学成分

表2 42.5硅酸盐水泥的性能

矿粉：中建商品混凝土公司生产S95级矿粉，其烧失量0.71%，Cl-质量分数0.032%，SO3质量分数0.18%，流动度比101%，密度2.8 g/cm3，7 d活性指数71，28 d活性指数96，勃氏比表面积4 600 cm2/g.

超细矿粉：天津市渔阳超细矿粉加工有限公司，其烧失量0.81%，Cl-质量分数0.003%，密度2.9 g/cm3，勃氏比表面积9 200 cm2/g，细度范围0.13～14.01 μm.

表3 粒度特征参数

砂：细度模数2.58，含泥质量分数1.0%，泥块质量分数0%，表观密度2 700 kg/m3.

石：颗粒粒级5～25 mm，含泥质量分数1.0%，泥块质量分数0.1%，压碎指标4.1%.

减水剂：中建商品混凝土有限公司生产聚羧酸减水剂.

1.2 试验配合比

试验用超细矿粉和普通矿粉对水泥净浆标准稠度、凝结时间影响的配比见表4；超细矿粉和普通矿粉对水泥净浆和混凝土抗压强度影响的配比分别见表5和表6.

表4 水泥净浆标准稠度、凝结时间各原材料配比Table 4 The raw materials ratio of cement paste’s normal consistency and setting time

表5 水泥净浆抗压强度各原材料配比Table 5 The raw materials ratio of cement paste compressive strength test

表6 混凝土抗压强度各原材料配比Table 6 The raw materials ratio of concrete compressive strength test

2 结果与讨论

2.1 超细矿粉和普通矿粉对水泥标准稠度和凝结时间的影响

普通矿粉和超细矿粉的掺入对水泥净浆标准稠度的影响如图1(a)所示，从图1(a)可以看出：a.普通矿粉等量取代水泥，随着普通矿粉取代量的增大，水泥浆体标准稠度需水量减小，当普通矿粉的取代量达到30%时，继续增大普通矿粉的取代量到50%，水泥浆体标准稠度需水量不再改变，普通矿粉的掺入，虽然可以在一定程度上减小水泥浆体标准稠度需水量，但效果并不明显；b.超细矿粉等量取代水泥后，增大水泥浆体的标准稠度需水量，且随超细矿粉取代量的增大，水泥浆体标准稠度需水量越大.

普通矿粉等量取代水泥后，由于普通矿粉的细度比水泥颗粒细，普通矿粉的填充作用和微集料效应使普通矿粉填充在水泥颗粒的空隙中，置换出中间的水分，因而使拌合物的表面水量相应增加，增加了水泥颗粒的润滑作用，促进了浆体流动性的改善.所以普通矿粉取代等量水泥，减小标准稠度需水量.超细矿粉的比表面积比较大，在取代等量的水泥后，超细矿粉之间的摩擦比较大，细度过小增大对水的需要量.达到标准稠度需水量比较大，从而增大标准稠度的需水量.

图1 矿粉对水泥净浆标准稠度和凝结时间的影响Fig.1 Effect of slag on the normal consistency and setting time of cement paste

图1(b)为两种矿粉对水泥浆体凝结时间的影响，从图1(b)可以看出：a.两种矿粉的掺入都增大水泥浆体的初凝时间和终凝时间，随着两种矿粉掺量的增加，水泥浆体的凝结时间逐渐增加；b.超细矿粉比普通矿粉对水泥浆体凝结时间的影响略大，但两种矿粉对水泥浆体的初凝和终凝时间的影响都较小.

2.2 超细矿粉和普通矿粉对水泥净浆流动度的影响

从表7可以看出，随着普通矿粉掺量的增大，水泥浆体的流动度逐渐增大.在30 min时，掺入普通矿粉水泥浆体的流动度出现下降，在60 min时，水泥浆体的流动度略有回升.由于普通矿粉的比表面积大，颗粒较小，在水泥胶凝体系中，水泥颗粒之间存在一定的空隙，这部分空隙需要一定量的水来填充，用矿粉取代一定量的水泥后，矿粉将填充在水泥颗粒之间的空隙中，释放出水泥颗粒之间包裹的自由水，从而增大水泥浆体中的自由水，对水泥颗粒之间起到一定的润滑作用，从而增大水泥浆体的流动度.

超细矿粉的掺入使水泥浆体的流动度大幅减小，掺量越大，水泥浆体的流动度越低.随时间的延长水泥浆体的流动度逐渐降低.超细矿粉的比表面积大，颗粒相对水泥颗粒小很多，对水具有比水泥颗粒较大的吸附能力，超细矿粉掺入后，由于超细矿粉吸附较多的水和减水剂.另外超细矿粉是具有胶凝性的无定性颗粒， 颗粒间的滑动阻力较大，对水泥浆体的流动度起主要作用，随超细矿粉掺量的增加，超细矿粉之间的摩擦力逐渐增大，水泥浆体的流动度逐渐减小.所以普通矿粉可以改善水泥浆体的流动度，超细矿粉减小水泥浆体的流动度.

表7 矿粉对水泥净浆流动度的影响Table 7 Effect of slag on the fluidity of cement paste

2.3 超细矿粉和普通矿粉对水泥净浆力学性能的影响

矿粉等量取代水泥后，会造成水泥体系发生一些变化，从而导致强度发生变化.图2为矿粉对水泥浆体强度的影响.

图2可以看出，掺入两种矿粉水泥净浆的7 d抗压强度均低于纯水泥体系.水泥的凝结硬化主要取决于水泥熟料的主要矿物成分及其含量，普通矿粉取代等量的水泥后，造成水泥净浆中C3S的含量相对降低，因为C3S的水化速率快，对水泥的早期强度起到主要作用.随着水化的进行，矿粉的火山灰活性和微填充效应逐渐发挥，普通矿粉的掺入可以改善水泥净浆的微观结构，使水泥浆体更加密实，促进水泥浆体后期抗压强度的提高[8].图2(a)为普通矿粉对水泥净浆强度的影响.普通矿粉的28 d抗压强度普遍高于纯水泥体系.

图2(b)为超细矿粉对水泥浆体强度的影响.超细矿粉掺入后，水泥净浆早期抗压强度比普通矿粉掺入的早期抗压强度有所提高，但其7 d抗压强度低于纯水泥体系.28 d抗压强度普遍大于纯水泥体系.超细矿粉取代30%的水泥时，28 d抗压强度最好.由于超细矿粉的潜在水硬性对水泥的水化起到微晶核作用，使超细矿粉的活性被激发，减少氢氧化钙的含量，加速水泥的水化，使结构更加密实.

图2 矿粉对水泥净浆力学性能的影响Fig.2 Effect of slag on the mechanical properties of cement paste

2.4 超细矿粉和普通矿粉对混凝土早期力学性能的影响

图3为矿粉对混凝土强度的影响.由图3(b)看出，掺入普通矿粉，混凝土的7 d抗压强度在掺量为10%时最大，养护14 d时混凝土的抗压强度在掺量为30%时最大.由图3(a)看出，掺入超细矿粉，掺量30%时7 d抗压强度最大，而掺量为10%的14 d抗压强度最大.两种矿粉都可增大混凝土的早期抗压强度，7 d抗压强度增长较快，14 d抗压强度相对7 d抗压强度则增长较慢.混凝土的早期抗压强度增长快，后期抗压强度增长缓慢.

图3 矿粉对混凝土力学性能的影响Fig.3 Effect of slag on the mechanical properties of concrete

矿粉对混凝土强度的影响和对净浆、砂浆强度的影响有一定的区别.矿粉作为掺合料在混凝土中，具有潜在水硬性、火山灰效应和微集料效应[2]，与水泥组成二元复合胶凝材料，能提高水泥石与骨料界面粘结强度及改善水泥浆体的孔结构，在同时掺入高效减水剂后，在较低水胶比条件下，能制得密实性和强度较高的混凝土.

矿粉的加入可以改善水泥石和石子界面过渡层结构.由于石子和水泥石界面被认为是最薄弱的环节；因此，界面结构的改善能提高混凝土的力学性能.界面过渡层中，靠近集料一边的是Ca(OH)2，而Ca(OH)2在界面附近的存在对混凝土的强度是有害的.加入矿粉能够使过渡层厚度减弱，并能以网状结构的水化物代替片状结构的Ca(OH)2，这对提高界面之间的强度是有利的[1,9].因此矿粉的存在可以提高混凝土的强度.

3 结 语

综上所述，得到结论如下：

a.普通矿粉可以降低水泥浆体标准稠度需水量，未掺入矿粉时，标准稠度水灰比为0.253，普通矿粉掺量达到30%时，标准稠度水灰比为0.247，继续增大普通矿粉掺量，水泥标准稠度不变；超细矿粉增大水泥标准稠度需水量，当掺量达到50%时，标准稠度需水量达到0.317；超细矿粉和普通矿粉掺入都能增大水泥浆体的初凝和终凝时间，但影响不大；

b.在0.5水灰比下，普通矿粉可以改善水泥浆体的流动度，矿粉掺量增大到50%，流动度增大到270 mm；超细矿粉掺入使水泥浆体流动度降低，掺量越大，流动度越小，掺量到50%时，流动度降低到144 mm；

c.未掺加矿粉的水泥净浆7 d抗压强度为64 MPa，28 d抗压强度为85.6 MPa，掺入两种矿粉，7 d抗压强度普遍低于纯水泥体系，28 d抗压强度普遍高于纯水泥体系，普通矿粉和超细矿粉掺量在10%～30%效果最好，掺入超细矿粉28 d抗压强度达到102.8 MPa，掺入普通矿粉28 d抗压强度也达到93.8 MPa；

d.基准混凝土的7 d抗压强度为57.8 MPa，14 d抗压强度为63.9 MPa.掺入两种矿粉混凝土的7 d和14 d抗压强度普遍提高，对超细矿粉，掺量在10%～30%时效果最好，7d最高抗压强度达到73.4 MPa，14 d抗压强度达到79.4 MPa，继续增大掺量，混凝土强度降低；普通矿粉掺量10%～30%时效果最好，7 d最高抗压强度达到64.9 MPa，14 d抗压强度达到73.8 MPa；在最佳掺量范围内，掺入超细矿粉混凝土抗压强度大于掺入普通矿粉，普通矿粉和超细矿粉都能增大混凝土的抗压强度.

致 谢：

感谢国家自然科学基金委员会的资金资助.

参考文献：

[1] 吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999,73-95.

WU Zhong-wei,LIAN Hun-zhen.High performance concrete[M].Bei Jing:China Railway Publishing House,1999,73-95.(in Chinese)

[2] 潘钢华,孙伟,张亚梅.活性混合材微集料效应的理论和试验研究[J].混凝土与水泥制品,1997(6):23-25.

PAN Gang-hua, SUN Wei, ZHANG Ya-mei. Theoretical and experimental research on the Micro-aggregate effect of active admixture[J]. China Concrete and Cement Products. 1997(6):23-25. (in Chinese)

[3] 沈旦申,张荫剂.粉煤灰效应的探究[J].硅酸盐学报,1981,9(1):57-63.

SEN Dan-shen, ZHANG Yin-ji. A atudy of the effect of fly ash[J]. Journal of The Chinese Ceramic Society,1981,9(1):57-63. (in Chinese)

[4] WANG Ai-qin, ZHANG Cheng-zhi,SUN Wei. Fly ash effectsⅠ. The morphological effect of fly ash[J]. Cement and Concrete Research,2003,33(12):2023-2027.

[5] WANG Ai-qin,ZHANG Cheng-zhi,SUN Wei.Fly ash effectsⅡ：The Active Effect of Fly Ash[J]. Cement and Concrete Research,2004,34(12):2057-2060.

[6] WANG Ai-qin，ZHANG Cheng-zhi，SUN Wei.Fly ash effectsⅢ：The Microaggregate Effect of Fly Ash[J]. Cement and Concrete Research,2004,34(11):2061-2066.

[7] 张秀芝,孙伟.活性矿物掺合料对超高性能水泥基材料的影响[J].深圳大学学报:理工版,2008(10):338-340.

ZHANG Xiu-zhi, SUN Wei. Influence of reactive mineral admixtures on microstructure of ultra-high performance cementitious composites[J].Journal of Shenzhen University:Science and Engineering,2008(10):338-340. (in Chinese)

[8] 夏传亮.矿粉在混凝土中的应用研究[J].福建建材,2005(2):6-7.

XIA Chuan-liang. Study on application of slag to concrete[J]. Fujian Building Materials, 2005(2):6-7.(in Chinese)

[9] 杨雷,马保国,管学茂. 超细矿粉对高强混凝土抗渗性能的影响[J].商品混凝土,2007(2):52-54.

YANG Lei, MA Bao-guo, GUAN Xue-mao. Effect of ultrafine slag on impermeability of high concrete[J]. Ready-Mixed Concrete,2007(2):52-54. (in Chinese)