矿渣微粉在水泥混凝土中应用的概述

蒋家奋

(苏州混凝土水泥制品研究院215004)

摘要:对用作混凝土掺合料的矿渣微粉的主要技术条件与矿渣微粉混凝土的主要性能特征作了简要的介绍。对矿渣微粉用于混凝土中的工作机理进行了探讨。最后提出矿渣微粉在水泥制品生产中应得到开发应用。

关键词:矿渣;矿渣微粉;混凝土;水泥制品

Abstracr:The main technical requ iremen t of granu lated b lat s furnace slag u sed in concrete as add itive and the main performan ce of gran u-lated slag concrete are in troduced in thi s paper.The mechanism of granu lated slag u sed in concrete is dicussed.Finally,sugges t that granu lated slag is worth ful to develop an d app ly in manufacture of concrete products.

K e y W ords:Blast furmace slag;Gran ulated blast furnace slag;Concrete;Con crete produ cts

中图分类号:TU528文献标识码:A文章编号:1000-4637(2002)03-03-04

0前言

由于现代工程建筑对混凝土的性能和质量不断提出新的、更高的技术要求,继化学外加剂在混凝土工程上普遍应用以后,活性矿物细掺合料日益在国内外材料与工程界引起广泛的关注与重视,甚至将之称为混凝土的第六组分,成为当今混凝土技术进步的一个重要途径与措施。

活性矿物细掺合料主要有以下三类[1]:

(1)有胶凝性或称潜在活性。

(2)有火山灰活性,即其本身并不具有或只有极小的胶凝性,但其粉态物质能与Ca(O H)2和水在常温条件下产生水化反应而生成具有胶凝性的水化产物。

(3)同时具有胶凝性和火山灰活性。

分别属于这三类的矿物细掺合料有许多种,但较为理想的活性矿物细掺合料当属粒化水淬高炉矿渣,因其兼具胶凝性与火山灰活性[1],因此,近年来矿渣微粉在水泥与混凝土中的应用取得了很大的进展。

矿渣微粉是将粒化水淬高炉矿渣经过粉磨后达到规定细度的一种粉体材料。在水泥与混凝土中的应用,既可作为水泥的混合材,也可作为混凝土的掺合料。其作用与现在水泥厂生产的按水泥国家标准规定允许掺有20%~70%高炉矿渣的矿渣硅酸盐水泥有很大的区别。在矿渣硅酸盐水泥生产过程中,水泥熟料与矿渣是在一起混磨的;而矿渣的易磨性比水泥熟料差,当水泥熟料已粉磨到规定的细度时,矿渣的细度以比表面积表示比水泥约小60m2/kg~80m2/kg,矿渣的细度仅为250m2/k g左右。由于在矿渣硅酸盐水泥中的矿渣颗粒较粗,其潜在活性难以发挥,因此矿渣硅酸盐水泥的早期强度较低,并且容易产生泌水现象。现在德、法、日等国家已开始应用将水泥熟料与矿渣分磨的技术来生产矿渣硅酸盐水泥。资料表明因纯硅酸盐水泥中掺入50%细度达到450m2/kg的磨细矿渣后,这种矿渣硅酸盐水泥的3d、7d与28d的抗压强度均高于不掺矿渣的硅酸盐水泥[2]。

我国近些年来也已研究开发了新型的矿渣硅酸盐水泥,采用了矿渣微粉作为水泥的混合材,研制成功了525#早强低热高掺量矿渣水泥[3]和高性能混凝土矿渣复合混合材[4],且均已通过了技术鉴定。

矿渣微粉作为掺合料在混凝土中的应用,起始于20世纪50年代末期,南非的工程技术人员将矿渣磨细后作为一个组分材料掺入混凝土中,发现具有很好的技术性能。而后国外在配制高性能混凝土和高强混凝土时,比较广泛地采用了矿渣微粉与其他矿物细掺合料。例如1987年加拿大多伦多市的Scotia广场大厦采用了水泥用量为315kg/m3、矿渣微粉为137kg/m3、硅灰为36kg/m3,水胶比为0.30的混凝土建成了这座大楼,混凝土的28d抗压强度为83MPa,90d抗压强度为93MPa[2]。

矿渣微粉作为混凝土的掺合料,不仅能等量取代水泥,具有较好的经济效益,而且还能显著地改善、提高混凝土的综合性能,诸如:改善混凝土的工作性、降低水化热的温升、改善混凝土的内部结构、提高混凝土的抗腐蚀能力和耐久性、增长混凝土的后期强度等等。由于矿渣微粉对混凝土性能具有良好的技术效果,

6月C HINA CONC RETE AND CE MENT PRODUCTS June

表1矿渣微粉技术指标

矿渣微粉品级

S 115S 105S95活性指数

95 8070 28d

115 105 95流动度比/%>90>95>95比表面积/(m 2

/k g)

>580

>480

>380

因此,国外也有将之称为辅助胶凝材料,不仅将之作为组分材料来配制高强、高性能混凝土,也十分适用于中强混凝土、大体积混凝土以及处于严酷环境有耐久性要求等混凝土工程。

我国关于矿渣微粉的生产与应用起始于1996年,先后已有几项科研成果通过了技术鉴定。矿渣微粉的生产工艺,通过球磨机的技术改造、采用超细磨,现在已有几家企业引进了国外进口的立式磨,建立了现代化的大规模生产线,大幅度降低了电耗,从而降低了成本。产品质量也有了提高和保证。矿渣微粉已成为国内建材资源的一个新品种投放市场。1996年就曾在湖南、广东省的一些建筑工程上得到了应用。上海的一些高校和科研院所已取得了用矿渣粉等量取代水泥30%~70%配制C30~C80的矿渣微粉混凝土的科技成果。许多商品混凝土搅拌站已采用了此项技术,并在上海一些重要的工程上得到了应用,例如:上海教育电视台综合楼工程(混凝土强度等级为C40的矿渣微粉混凝土)、上海明天广场工程(混凝土强度等级为C80的泵送矿渣微粉混凝土)

[5~6]

。上海市技术监督

局于1998年已发布了地方标准混凝土和砂浆用粒化高炉矿渣微粉 (DB31/T35-1998)。上海市建设委员会于1999年批准实施推荐性规范粒化高炉矿渣微粉在水泥混凝土中应用技术规程 (DG/TTJ08-501-1999),并明确该规程适用于各类预拌混凝土、现场搅拌混凝土以及混凝土制品和构件。

至于矿渣微粉在混凝土制品生产上的应用,至今还未得到充分的开发。1996年铁道部株洲桥梁厂曾用C60矿渣微粉混凝土生产了型预应力混凝土轨枕

[4]

。1998年上海江扬混凝土公司曾用C35矿渣微粉混

凝土生产了预制钢筋混凝土桩[3],均取得了较好的技术经济效果。1

应用于混凝土的矿渣微粉主要技术要求与品级高炉矿渣的主要化学成分是CaO 、SiO

、Al 2O

以及M g O 、MnO 、Fe 2O 3等氧化物。各钢铁企业的高炉矿渣,其化学成分虽大致相同,但各氧化物的含量并不一致,因此矿渣有碱性、中性、酸性之分,以矿渣中碱性氧化物和酸性氧化物含量的比值M 大小来区分:

(CaO +M g O +Al 2O 3)%

SiO 2%

M>1为碱性矿渣;M<1为酸性矿渣;M=1为中性矿渣。酸性矿渣的胶凝性差,而碱性矿渣的胶凝性好。因此,矿渣微粉应选用碱性矿渣,其M 值愈大,反

映其活性愈好。

根据我国的水泥国家标准GB203-94,可用质量系数K 来评定矿渣的质量:

(CaO +M g O +Al 2O 3)%

(SiO 2+MnO )%

此K 值应 1.2。K 值愈大,则矿渣的质量愈好,活性愈高。

矿渣微粉根据上海市地方标准(DB31/T35-1998)按照矿渣微粉的活性指数、流动度比和比表面积可划分为三个品级:S95、S105与S115。其技术指标如表1。

活性指数是受检胶砂与基准胶砂标准养护至规定龄期的抗压强度比,用百分数表示。活性指数反映了矿渣微粉对硬化混凝土力学性能的影响。在标准中规定的胶砂配合比为:

基准胶砂:水泥540g 、标准砂1350g 、水238g 受检胶砂:水泥270g 、矿渣微粉270g 、标准砂1350g 、水238g

基准水泥为42.5强度等级的型硅酸盐水泥流动度比是受检胶砂与基准胶砂流动度之比值,用百分数表示。流动度比反映了矿渣微粉对新拌混凝土工作性的影响。胶砂配合比同活性指数。

比表面积按勃氏法检验。

矿渣微粉的细度对其活性有显著的影响。关于用作混凝土掺合料的矿渣微粉的最佳细度问题,国内外的学者和工程技术人员众说纷纭,有认为比表面积400m 2/k g ~500m 2/k g 为好,也有认为600m 2/k g ~800m 2/kg 为好。对此需进行综合分析:

首先,要考虑矿渣微粉参与水化反应的能力。矿渣是属于前言中所述的第一类活性矿物掺合料,矿渣在水淬时除形成大量玻璃体外还含有钙铝镁黄长石和少量的硅酸一钙或硅酸二钙等组分,因此具有微弱的自身水硬性。但当其粒径大于45 m 时,矿渣颗粒很难参与水化反应。因此,矿渣微粉的勃氏比表面积应超过

400m2/kg,才能比较充分地发挥其活性[1],以改善并提高混凝土的性能。

其次,要考虑混凝土的温升。矿渣微粉越细,其活性越高,掺入混凝土后,早期产生的水化热越大,不利于降低混凝土的温升。有资料[7]表明:矿渣微粉等量取代水泥用量30%的混凝土,细度为600m2/kg~ 800m2/kg的矿渣微粉,其混凝土的绝热温升比细度为400m2/k g的矿渣微粉混凝土有十分显著的提高。

其三,在配制低水胶比并掺有较大量的矿渣微粉的高强混凝土或高性能混凝土时,要考虑矿渣微粉的细度越细,混凝土产生早期的自收缩将更严重[8]。

最后,还不得不考虑矿渣微粉磨得越细,所耗电能也越大,成本将大幅度提高。此外,近期的研究工作发现矿渣微粉的活性指数与性能不仅仅取决于细度(比表面积),还和矿渣微粉的颗群形态诸如级配、粒形和粒径分布等有密切的关系[5]。

因此,矿渣微粉的细度应该在能充分发挥其活性和水化反应能力的基础上综合考虑所应用的工程的性质、对混凝土性能的要求以及经济分析等因素来确定,不能笼统地认为矿渣微粉越细越好。

2矿渣微粉混凝土的性能特征简介

混凝土技术进步的重要标志就是要对普通混凝土无论是在新拌状态还是硬化后的性能有较大的改善和提高。矿渣微粉作为混凝土的活性矿物掺合料并等量取代水泥所配制的矿渣微粉混凝土,经过较大量的试验研究,反映出它对混凝土性能的改进和提高具有显著的作用。因此,在国际上被认为是新世纪结构材料的高性能混凝土将矿渣微粉作为其主要组分之一。根据笔者所见的一些国内的试验研究资料[2,3,5,6]将有关矿渣微粉混凝土的性能特征简介如下:

2 1新拌混凝土性能

(1)矿渣微粉混凝土的初凝与终凝时间比普通混凝土有所延缓,但幅度不大。

(2)在掺用同样的减水剂和同样的混凝土配合比的情况下,矿渣微粉混凝土的坍落度得到明显的提高,且坍落度经时损失也得到有效的缓解。此一流动性的改善是由于矿渣微粉的存在延缓了水泥水化初期水化产物的相互搭接。还由于C3A矿物相的含量有所降低而与减水剂有更好的相容性。而且在达到相当细度的矿渣微粉也能具有一定的减水作用[1,4]。

(3)矿渣微粉混凝土具有良好的粘聚性,因而显著地改善了混凝土的泌水性。

2 2硬化混凝土性能

(1)强度发展规律

在相同的混凝土配合比、强度等级与自然养护的条件下,矿渣微粉混凝土的早期强度比普通混凝土略低,但28d以及90d与180d的强度增长十分显著地高于普通混凝土。

(2)耐久性

由于矿渣微粉混凝土的浆体结构较致密,且矿渣微粉能吸收水泥水化生成的Ca(OH)2晶体而改善了混凝土的界面结构。因此,矿渣微粉混凝土的抗渗性十分显著地优于不掺矿渣微粉的普通混凝土,对一系列混凝土耐久性带来了有利的影响。

由于矿渣微粉混凝土的高抗渗性而且矿渣微粉还具有较强的吸附Cl-的能力,因此能有效地阻止Cl-渗透或扩散进入混凝土,提高混凝土抗Cl-渗透能力,使矿渣微粉混凝土比普通混凝土在有Cl-环境中十分显著地提高了护筋性。

混凝土的抗硫酸盐侵蚀主要取决于混凝土的抗渗性和水泥胶凝材料中C3A矿物相含量和碱度,而矿渣微粉混凝土材料中的C3A矿物相与碱度均较低,且又具有高抗渗性。因此,矿渣微粉混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能十分显著地得到了提高。试验表明,在浓度为10%的Na2SO4溶液中浸泡30d后,强度没有丝毫降低。

由于矿渣微粉混凝土的密实性提高了,因此,在同样混凝土配合比与强度等级的情况下,矿渣微粉混凝土的抗冻性也优于普通混凝土。

矿渣微粉混凝土的抗碳化性能:在矿渣微粉替代水泥的置换量低于50%时,其碳化性能不低于普通混凝土。

由于矿渣微粉混凝土中的碱含量明显降低了,因此,对预防和抑制混凝土的碱集料反应是十分有利的。

2 3混凝土硬化过程中的热学性能

对于大体积混凝土而言,要求混凝土的水化热低,并希望推迟水化热峰值的出现时间,以协调温度应力与混凝土的初始结构强度,不至于出现温差产生的裂缝。矿渣微粉混凝土中的水泥用量比普通混凝土降低了,因此,混凝土硬化过程的热学性能得到了显著的改善。

3矿渣微粉作用机理浅析

矿渣微粉用作水泥的混合材或混凝土的掺合料均能改善或提高混凝土的综合性能,其作用机理在于矿渣微粉在混凝土中具有微集料效应和微晶核效应,而

蒋家奋矿渣微粉在水泥混凝土中应用的概述

且改善了混凝土界面区的结构并减少了水泥初期水化产物的相互搭接。

(1)微集料效应

混凝土可视为连续级配的颗粒堆积体系,粗集料的间隙由细集料填充,细集料的间隙由水泥颗粒填充,而水泥颗粒之间的间隙则需要更细的颗粒来填充。矿渣微粉的细度比水泥颗粒细,在混凝土中起到了更细颗粒的作用,因而改善了混凝土的孔结构,降低了孔隙率并减小了最可几孔径的尺寸,使混凝土形成了密实充填结构和细观层次的自紧密堆积体系。从而有效地改善并提高了混凝土的综合性能,使混凝土不仅具有较好的物理力学性能还提高了耐久性的某些性能。

(2)微晶核效应[4]

矿渣微粉的胶凝性虽然与硅酸盐水泥相比是较弱的,但它能为水泥水化体系起到微晶核效应的作用,能加速水泥水化反应的进程并为水化产物提供了充裕的空间,改善了水泥水化产物分布的均匀性,使水泥石结构比较致密,从而使混凝土具有较好的力学性能。

(3)改善了混凝土中水泥浆体与集料间的界面结构,混凝土中水泥浆体与集料间的界面区由于富集了Ca(OH)2晶体而成为混凝土性能的薄弱环节。矿渣微粉掺入混凝土中能吸收部分Ca(OH)2产生二次水化反应,从而改善了界而区Ca(O H)2的取向度,降低了Ca(OH)2的含量,还减小了Ca(OH)2晶体的尺寸。不仅有利于混凝土力学性能的提高,对某些耐久性也能得到改善。

(4)减少了水泥初期水化产物的相互搭接[4]

在水泥水化初期,矿渣微粉分布并包裹在水泥颗粒的表面,起到了延缓和减少水泥初期水化产物相互搭接的隔离作用。因此也具有一些减水作用而增大混凝土的坍落度,并且使坍落度经时损失也有所改善。矿渣微粉还具有一定的保水性,能改善混凝土的粘聚性和泌水性。因此,矿渣微粉混凝土具有良好的和易性。

4矿渣微粉应在混凝土制品的生产中得到开发应用水泥工业是消耗能源大而且对环境污染严重的工业。因此,如何在混凝土工程和混凝土制品生产中,在保证、改善、提高混凝土的质量和性能的前提下,减少水泥用量是混凝土科技工作者当前的一个重要任务。高炉矿渣是钢铁工业生产中的一项废渣,经过磨细到适当细度作为混凝土的掺合料等量取代水泥能配制出性能良好、质量稳定的混凝土,国内已有研究、生产与应用的实践经验,不仅具有良好的技术效果,而且也取得了良好的经济效益。目前市场供应的商品矿渣微粉的价格已大幅度低于水泥的价格。生产矿渣微粉的企业仅上海就有数家,年产矿渣微粉已达数十万吨。

近年来,我国一些大城市的建筑工程应用矿渣微粉混凝土已在逐步展开,而且还在不断扩大,发展前景十分良好。但是,在混凝土制品的生产上却还处于待开发的状态。其实,矿渣微粉作为混凝土掺合料在混凝土制品上的应用可能是更为适当的。因为混凝土制品在生产中一般都有蒸汽养护工艺过程。众所周知,在我国生产的水泥品种中,都认为矿渣硅酸盐水泥对蒸汽养护有更好的适应性,不仅促进了混凝土的早期强度,还提高了混凝土的后期强度[9]。矿渣微粉掺入混凝土中,经过蒸汽养护后的效果应该比矿渣硅酸盐水泥更好。目前所见到的有关矿渣微粉混凝土的技术资料,因其用途是建筑工程,所以都局限在自然养护的条件。希望在蒸汽养护条件下对矿渣微粉混凝土开展系统、全面的试验研究工作,取得在混凝土制品生产应用中所需要的性能资料,使矿渣微粉混凝土能在混凝土制品生产中得到开发应用,从而取得良好的社会、经济、技术效益。

参考文献

1吴中伟,廉慧珍高性能混凝土中国铁道出版社,1999

2黄士元,蒋家奋,杨南如等近代混凝土技术陕西科学技术出版社,1998

3同济大学材料学院材料工程研究所 525#早强低热高掺量矿渣水泥(鉴定资料) 1998

4同济大学混凝土材料研究国家重点实验室与湖南韶峰水泥集团有限公司高性能混凝土矿渣复合混合材(鉴定资料) 1996

5朱稚石高炉矿渣微粉混凝土的研究、生产与应用 2001年矿渣微粉应用技术交流会论文集,2001年10月

6张荫济,朱稚石等宝钢高炉矿渣微粉混凝土的生产应用研究 2001年矿渣微粉应用技术交流会论文集,2001年10月

7冯乃谦高性能混凝土中国建筑工业出版社,1996

8蒋家奋浅析混凝土的自收缩混凝土与水泥制品,2001年第3期

9富文权混凝土快速硬化中国铁道出版社,1990

收稿日期:2002-03-02

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2002年第3期混凝土与水泥制品总第125期