低品位矿粉对混凝土性能的影响★

张旭飞 何 娟

(1.西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安 710055； 2.云南省建设投资控股集团有限公司，云南 昆明 650021)

1 概述

用于混凝土中的矿粉一般是指粒化高炉矿渣粉[1,2]。高炉矿渣是高炉炼铁时，由铁矿石中的次要组分、夹杂物与焦炭燃烧后的残渣，以及熔炼时必须加入的石灰石或白云石形成的[2,3]。高炉矿渣的化学组成随炼铁方法和铁矿石种类的变化而不同，可以用CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元相图来表示[4]。慢冷矿渣的胶凝性很弱或者没有胶凝性，采取快速冷却熔融的矿渣以提高其胶凝性[5]。矿渣是结晶相和玻璃相(约占90%)的聚合体[4]，前者是惰性组分，而后者是活性组分，故玻璃相组分越多，矿渣的活性就越大；而对于玻璃相而言，玻璃网络体的聚合度越小，其水硬活性越高[6-8]。

高品位的粒化高炉矿渣粉作为矿物掺合料已经广泛应用到混凝土中，应用其可以优化胶凝材料的颗粒级配，改善混凝土的界面结构，提高混凝土的后期强度和耐久性。由于高品位矿粉的价格较高，寻求质优价廉的矿物掺合料在所难免。为降低混凝土的生产成本，提高矿粉的使用效率，本文以低品位矿粉为对象，研究了其掺量对混凝土工作性和力学性能的影响，以期对矿粉在混凝土中的应用提供理论支撑。

2 试验

2.1 原材料

水泥为云南国资水泥红河有限公司开远水泥厂生产的P.O42.5等级，其主要物理力学性能指标如表1所示。

表1 水泥主要物理力学性能指标

矿粉为玉溪三和新型建材技术有限公司生产，其主要物理力学性能指标见表2。

表2 矿粉主要物理力学性能指标

粉煤灰为云南恒阳实业有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰，其主要物理力学性能指标见表3。

表3 粉煤灰主要物理力学性能指标

碎石采用5 mm～25 mm连续级配，砂采用机制砂和山砂混合，砂级配混合调整后为Ⅱ区中砂。外加剂使用上海三瑞高分子材料股份有限公司VIVID-500聚羧酸系外加剂，固含量12%，减水率25%。水采用自来水。

2.2 试验方案

试验中选用四组水胶比，分别为0.56,0.49,0.41和0.36，每组水胶比，对应三种矿粉掺量，在胶凝材料总量的16%～30%之间波动，等量取代水泥。粉煤灰的掺量固定，分别为胶凝材料总量的27%，22%，19%和14%。混凝土配合比如表4所示。每组配合比研究混凝土拌合物的工作性和3 d,7 d,28 d与56 d龄期的抗压强度。

表4 试验配合比

3 结果及讨论

3.1 混凝土的工作性能

不同配合比混凝土的工作性如表5所示。

从表5可以看出，不同水胶比混凝土拌合物的工作性能均比较良好。水胶比从0.56变化到0.36时，胶凝材料总量由330 kg增加到490 kg，减水剂由1.6%增加到2.3%，坍落度从190 mm增加到240 mm，扩展度从430 mm增加到630 mm。从混凝土配合比可以看出，胶凝总量增加，粉煤灰稍有减少，而矿粉略有增加，所以胶凝总量增加主要来源于水泥用量的增加，可以认为坍落度和扩展度的增加主要是由于减水剂用量的增加。

同时，从表5还可以看出，同一水胶比，同一胶凝材料与减水剂用量时，矿粉掺量对混凝土工作性能的影响不是很明显。例如水胶比为0.41时的混凝土，矿粉掺量由110 kg变化到70 kg时，坍落度在220 mm～230 mm之间，扩展度在560 mm～570 mm之间；而水胶比为0.56时，矿粉掺量由100 kg变化到60 kg时，坍落度在190 mm～200 mm之间，扩展度在430 mm～440 mm之间。从表2可以看出矿粉的比表面积虽然大于水泥的比表面积，但不属于超细粉的范畴，活性不高，28 d活性指数小于75%，属于低品位的矿粉。所以矿粉对于混凝土早期水化程度的影响较弱，可以增加混凝土拌合物的流动性，改善混凝土拌合物的保水性和黏聚性。

表5 混凝土工作性能

3.2 混凝土的力学性能

混凝土不同龄期的抗压强度如表6所示，抗压强度发展规律如图1所示，7 d,28 d与56 d抗压强度相对于3 d抗压强度的增长率如图2所示。

表6 混凝土抗压强度 MPa

从表6和图1可以看出，随水灰比降低，各龄期混凝土强度均有增加，符合常态。同一水胶比，随矿粉掺量的降低，各龄期抗压强度均有增加。而且，水胶比降低引起强度的增加强于矿粉掺量降低引起强度的增加。例如3号和7号试样，水胶比分别为0.56和0.41，矿粉掺量分别为60 kg和110 kg，分别占胶凝掺材料总量的18%与26%，而3 d，7 d，28 d与56 d的抗压强度分别为11.6 MPa，20.9 MPa，16.5 MPa，30.5 MPa，24.9 MPa，44.5 MPa与34.0 MPa，49.2 MPa。因此，可以认为，配合比设计合适，低品位矿粉可以用于混凝土中而不影响混凝土的强度发展，最大掺量应该由试验来确定。

同一水胶比，矿粉用量对混凝土早期强度(3 d)的影响比较显著，而后期随着矿粉的二次水化，混凝土强度得以发展，矿粉用量对强度的影响降低。如果混凝土按照长龄期强度评定验收，能大幅降低水泥用量，节约能源和成本。

从图2可以看出，水胶比影响7 d,28 d与56 d相对于3 d抗压强度的强度增长率。较高水胶比时(即序号1～3样品的水胶比为0.56，4～6样品的水胶比为0.41)，抗压强度增长率较大，28 d，56 d龄期表现得更显著，而较低水胶比(即序号7～9样品的水胶比为0.41，10～12样品的水胶比为0.36)的强度增长率较小一些。水胶比较大时，较多水分促进水泥的充分水化，同样多余水分有助于矿粉的二次水化，从而提高混凝土的后期强度。但是，从表6看出，水胶比大的混凝土早期强度较低，由于较多水分蒸发留下孔隙，而矿粉二次水化产物还没来得及填充孔隙，所以早期强度较低，后期发展较快。所以使用低品位矿粉的混凝土建议采用60 d或更长龄期的强度作为评定验收依据。

结合混凝土的工作性与力学性能，认为只要配合比设计得当，较高水胶比，较大低品位矿粉用量就可以制备出工作性良好，力学性能符合要求的混凝土。

4 结语

1)低品位矿粉对于混凝土早期水化程度的影响较弱，可以增加混凝土拌合物的流动性，改善混凝土拌合物的保水性和黏聚性。

2)较高水胶比时，掺低品位矿粉混凝土的后期抗压强度增长率较大，而较低水胶比时，早期强度高，后期强度增长率较小。配合比设计得当，较高水胶比，较大低品位矿粉用量可以制备出工作性良好，力学性能符合要求的混凝土。

3)掺入低品位矿粉混凝土的后期强度增长显著，采用60 d或更长龄期的强度作为评定验收依据，能大幅减少水泥用量，有效降低成本和能源消耗。

[1] 高 立,陈美祝,高 博,等.大掺量矿粉配制C30混凝土的研究[J].新型建筑材料,2015,42(2):47-49，53.

[2] 王 盛,朱重键.采用立磨生产粒化高炉矿渣粉[J].混凝土,2004(12):47-51.

[3] 赵苏政.掺复合型掺合料混凝土的耐久性研究[D].南京：南京林业大学硕士学位论文,2008.

[4] 潘庆林,孙恒虎,吴绍军.粒化高炉矿渣的微观结构和物相分析[J].水泥,2004(5):4-7.

[5] 吴 蓬,吕宪俊,胡术刚,等.粒化高炉矿渣胶凝性能活化研究进展[J].金属矿山,2012(10):157-161.

[6] Zachariasen, WH.The atomic arrangement in glass[J].Jounal of the American Chemical Society,1932(54):38,41-51.

[7] 袁润章,高琼英.矿渣的结构特性对其水硬活性的影响[J].武汉建材学院学报,1982(1):7-13.

[8] 袁润章,高琼英,欧阳世翕.矿渣结构与水硬活性及其激发机理[J].武汉工业大学学报,1987(3):297-303.