工业矿渣废料在混凝土中的应用

范海波

陕西省土地工程建设集团有限责任公司宝鸡分公司

1 工业矿渣粉在混凝土中的应用历史

在工业生产过程中，高炉矿渣经过研磨以后，得到的一种水淬粒化的粉末状材料，就是矿渣粉，如图1 所示。该类材料自1862年，德国人发现并应用于水泥混合材料后，工业矿渣粉就被广泛应用于建筑材料的性能改善中[1]。

总结来看，2000年以前对于矿渣粉的使用，国内外存在较大的差别。国外将矿渣和水泥熟料混合研磨，用于生产矿渣水泥。此外，还将矿渣单独进行研磨，作为掺合料使用。相比之下，国内则主要将矿渣与水泥熟料混合研磨使用。从研磨的角度看，工业矿渣相比水泥熟料更难为研磨。一般情况下，水泥的研磨细度可以控制在300m2/kg,而工业矿渣细度只能达到200m2/kg～250m2/kg左右。因此，这种研磨细度下的矿渣粉的活性受限，掺和量过高时还会导致水泥的性能降低。

图1 高炉矿渣粉末

进一步地研究表明，矿粉在生产高强度混凝土的过程中可以发挥更大的价值。自上世纪80年代开始，我国对高炉矿渣粉的性质和特点进行了大规模的研究。先后取得了《高强度混凝土设计与施工指南》、《混凝土和砂浆用粒化高炉矿渣微粉》、《粒化高炉矿渣微粉在混凝土中应用技术规程》等一大批应用成果。这些成果表明，工业矿渣矿粉在混凝土工业领域具有广阔的应用价值和前景。

随着矿渣研磨技术的不断改良，如今矿渣研磨细度可以达到400m2/kg 以上。我国的商用混凝土生产工艺，特别是商品混凝土胶凝材料体系的生产工艺正由“水泥”、“水泥+粉煤灰”向“水泥+粉煤灰+矿粉”体系转变。然而，对于掺和了矿渣粉的混凝土在应用过程中，表现出来的各项性能指标，还需要进一步地去研究。

2 工业矿渣粉对混凝土性能的改善

我们在收集一些实验数据的基础上，考察矿渣粉对混凝土耐久性的改善程度。这些性能包括：对混凝土的工作性能和力学影响、对混凝土抗渗性的影响、对水泥的水化热影响、对混凝土抗冻性的影响等[2]。

2.1 矿渣混凝土工作性能和力学性能

我们发现掺入矿渣后，对混凝土的工作性能和力学影响主要表现在两个方面。

2.1.1 掺入矿渣后会对水泥胶砂的流动性和凝结时间产生影响

同样水量的情况下，随着矿渣的加入，水泥胶砂的流动性会发生明显增大的现象，从而水泥的凝结时间也会变长。由于其的流动性提高，对应的施工过程中的工作性能也发生了较明显地改善。对于大体积混凝土的浇筑过程而言，凝结时间的延长，使得热量不会集中释放，这对于混凝土最终强度的形成都是十分有利的。

2.1.2 掺入矿渣后会水泥胶砂的强度产生影响

对于掺入矿渣后的混凝土强度性能，我们从表1中的实验结果中可以分析出，随着高炉矿渣粉掺入量的增加，混凝土的3d抗压强度会明显地降低。同样的，7d强度也在下降。但是，28d和56d的强度基本没有太大的变化。事实上，结合本章中对于流动性和凝结时间的阐述，我们容易推测，高炉矿渣的加入会影响混凝土的工作性和凝结时间，从而明显影响到混凝土的初凝强度。

表1 C40混凝土掺入矿渣粉后的力学强度变化

2.2 矿渣混凝土抗渗性能

进一步地，我们考察矿渣混凝土抗水性能及特点。我们在考察一组实验数据的基础上，总结掺杂有矿渣的混凝土表现出来的抗渗特性。

分析以上的实验数据，我们发现，无论是粉煤灰与矿粉混合掺入混凝土，还是矿粉单独加入混凝土，混凝土的抗渗等级都会明显地提高。结合相关的物理化学知识，我们认为当混凝土中掺入了矿粉或粉煤灰等掺合料时，他们会进一步地促使水泥的二次水化反应，进一步地水化反应导致了混凝土的空隙变得更加密集，混凝土的密实度提高，进而大幅度地提升了混凝土的抗渗性能。

表2 矿粉对混凝土的抗水渗性能的影响

结合以往的工程经验，对于掺入矿粉的粒径，对混凝土的抗渗性能改善程度，有如下经验。

（1）当3mm～5mm 的透水混凝土孔隙率为45%的情况下，5mm～10mm 的透水混凝土孔隙率为16%时，矿渣的掺入量达到7.5%，可以满足抗压强度20MPa，抗弯折强度2.5MPa的要求。矿粉的添加方式为内渗法，对透水混凝土的抗压强度会有小幅度的提升。

（2）当采用库仑电量方法评价时，矿粉、粉煤灰和引气剂他们能够使得混凝土的渗透性降低。矿粉越细、掺量越大，特别是矿粉与粉煤灰和引气剂复合使用时，能够显著降低混凝土的渗透性。

（3）对于高强度的混凝土，例如C50 的混凝土，矿粉及其与粉煤灰的复合掺和料，特别是引气剂均能显著降低混凝土的渗透性。

2.3 矿渣混凝土的水化热

混凝土硬化过程中，由于水泥的水化作用会释放大量的热。混凝土本身的热阻较高，短时间内不能够将热量释放给环境。这就会导致热量在混凝土结构内部的聚集，由于结构内外的温度差，会使结构产生不均匀地温度变形和温度应力。这些应力的聚集最终会导致微裂纹的产生，甚至扩展成为宏观裂缝，这是导致混凝土早期开裂的主要原因。

3 工业矿渣粉在商用混凝土拌和站中的应用

从以上的分析中，我们看到高炉矿渣废料在混凝土中确实有诸多的好处，对于混凝土性能改善方面，效益显著。但是，从商用生产的角度来看，矿渣的使用需要特别注意一些问题。从而，严格把控混凝土产品的质量。具体来说包含以下几个方面。

3.1 严格把控矿粉的细度

目前，对于大多数的矿粉生产线而言，能够生产的矿粉细读的范围在400m2/kg～500m2/kg 的范围内。这个范围内的矿粉，在掺入混凝土后，性质稳定，表现出比较优良的性质。相反，当矿粉的研磨细度大幅度降低的时候，会出现诸多的问题。例如：不达标的矿粉掺入会导致混凝土的黏聚性降低，混凝土出现离析和泌水现象；凝结时间会延长，从而导致混凝土的早期强度降低。因此，矿粉的研磨工艺质量必须要保证，研磨后的产品质量必须加以检测和控制。

3.2 控制矿粉的掺入量，防止利益驱动下的盲目掺入

我们按照之前的分析，可以看到，矿粉的掺入，能够有效地降低生产成本。但是，并不是单纯的增加矿粉的掺入量，就能够提高混凝土的生产效益。

通过经验总结，结合一些商用混凝土生产工艺试验结果，得到的一些基本经验。

（1）当混凝土生产时，只掺入掺矿粉的条件下，掺入量以30%～40%为宜。大体积混凝土可以增加至50%以上，从而实现降低水化热的目的。

（2）当多种掺合料共同掺入时，例如矿粉和粉煤灰同时掺入的情况。在集料总量一定的情况下，总取代量不应当超过50%。同时要求，粉煤灰控制在20%以内，矿粉控制在30%以内。

（3）在商用生产中，刚开始使用时，建议粉煤灰的掺入量能够控制在10%以内，矿粉的使用量能够控制在20%以内。

进一步地总结实验数据，发现矿粉的掺入量在70%以内时，对混凝土的强度影响有限。然而实际生产过程中并不能完全依据实验室数据，实际生产和实验数据存在一定的偏差和问题，包括：混凝土的凝结时间问题。对于一般的混凝土施工而言，凝结时间过长，并不利于施工，竖向结构在长期的塑性状态下，容易收缩、沉降。此外，还有黏聚性的问题。一般而言，强度等级较低的混凝土，其黏聚性差。因此需要设法增加其黏度，减少混凝土自身离析泌水的可能。而相反，强度等级较高的混凝土黏聚性大，施工过程中需要降低其黏聚性。当有大体积混凝土浇筑的情况时，同时要求高强度的混凝土，考虑采用矿粉和可以降低混凝土黏度的优质Ⅰ级粉煤灰复合使用。

3.3 掺入矿粉后的混凝土对养护条件要求更为苛刻

就养护条件而言，掺入矿粉的混凝土在养护过程中，要求更高。我们收集实测数据，显示采用C40的混凝土浇筑，矿粉的掺入量为25%，Ⅱ级粉煤灰掺入量为15%，这些掺合料可以取代等比例的水泥。经过符合条件的养护后，28d 测得的回弹值很低。按照经验推断强度只有C30左右，且混凝土的表面碳化很严重，碳化的深度在1.5mm～2.5mm 之间，严重的地方高达4mm。抽芯检测发现混凝土强度很高，测得的强度实际值在47MPa～62MPa之间。

这些实验结果表明，矿粉或者粉煤灰掺入后，替代了水泥，但是其强度性能一般不受影响。然而，实际的养护条件等外在因素有极大地不确定性，混凝土最终的强度值是明显低于理论值的。

3.4 复掺时，针对不同等级粉煤灰，选择合适的复合比例

对于掺入的矿渣类别，一般采用粉煤灰和矿渣共同掺入。一方面，粉煤灰在价格上比矿渣更为便宜，且二者对混凝土性能的影响类似，为了降低成本，可以考虑混合掺入。另外一方面，我们要善于利用两种掺合料的自身特点和性能，充分做到“优势互补”，从而改善混凝土性能。因此，对于某些条件下的粉煤灰和矿渣复掺，我们应该根据实验结果，来确定实际施工过程中配置混凝土时的确切复合比例。

上述内容在矿渣掺入混凝土实际生产应用中，具有很明显地应用价值。对于商品混凝土搅拌站生产而言，应该积极探索上述因素对矿渣掺入混凝土生产过程中的实际影响，这将为商品混凝土的生产起到一定的实际指导作用。

4 结束语

本文通过详细论述矿渣废料在混凝土中掺入后的各项性能指标，以及商业化生产中存在的诸多问题。认为掺入矿渣后的混凝土在工作性能上表现出凝固时间变长，早期强度降低等特点；在抗渗性能上，因为矿粉的掺入，改变了混凝土原有的孔隙特性，使其结构变得更加密实，因此，有更好地抗渗性能。在水化热方面，会因矿粉的掺入，水化热降低。在抗冻性能方面，也会明显有所改善。但是，在实际商品混凝土生产中，掺入矿粉后，上述性能的改善，还需要具体的生产工艺、质量等来做保证。