低品位礦粉對(duì)混凝土性能的影響★

張旭飛 何 娟

(1.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西 西安 710055； 2.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650021)

1 概述

用于混凝土中的礦粉一般是指?；郀t礦渣粉[1,2]。高爐礦渣是高爐煉鐵時(shí)，由鐵礦石中的次要組分、夾雜物與焦炭燃燒后的殘?jiān)?，以及熔煉時(shí)必須加入的石灰石或白云石形成的[2,3]。高爐礦渣的化學(xué)組成隨煉鐵方法和鐵礦石種類的變化而不同，可以用CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元相圖來表示[4]。慢冷礦渣的膠凝性很弱或者沒有膠凝性，采取快速冷卻熔融的礦渣以提高其膠凝性[5]。礦渣是結(jié)晶相和玻璃相(約占90%)的聚合體[4]，前者是惰性組分，而后者是活性組分，故玻璃相組分越多，礦渣的活性就越大；而對(duì)于玻璃相而言，玻璃網(wǎng)絡(luò)體的聚合度越小，其水硬活性越高[6-8]。

高品位的?；郀t礦渣粉作為礦物摻合料已經(jīng)廣泛應(yīng)用到混凝土中，應(yīng)用其可以優(yōu)化膠凝材料的顆粒級(jí)配，改善混凝土的界面結(jié)構(gòu)，提高混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性。由于高品位礦粉的價(jià)格較高，尋求質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的礦物摻合料在所難免。為降低混凝土的生產(chǎn)成本，提高礦粉的使用效率，本文以低品位礦粉為對(duì)象，研究了其摻量對(duì)混凝土工作性和力學(xué)性能的影響，以期對(duì)礦粉在混凝土中的應(yīng)用提供理論支撐。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

水泥為云南國資水泥紅河有限公司開遠(yuǎn)水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5等級(jí)，其主要物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥主要物理力學(xué)性能指標(biāo)

礦粉為玉溪三和新型建材技術(shù)有限公司生產(chǎn)，其主要物理力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表2 礦粉主要物理力學(xué)性能指標(biāo)

粉煤灰為云南恒陽實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，其主要物理力學(xué)性能指標(biāo)見表3。

表3 粉煤灰主要物理力學(xué)性能指標(biāo)

碎石采用5 mm～25 mm連續(xù)級(jí)配，砂采用機(jī)制砂和山砂混合，砂級(jí)配混合調(diào)整后為Ⅱ區(qū)中砂。外加劑使用上海三瑞高分子材料股份有限公司VIVID-500聚羧酸系外加劑，固含量12%，減水率25%。水采用自來水。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中選用四組水膠比，分別為0.56,0.49,0.41和0.36，每組水膠比，對(duì)應(yīng)三種礦粉摻量，在膠凝材料總量的16%～30%之間波動(dòng)，等量取代水泥。粉煤灰的摻量固定，分別為膠凝材料總量的27%，22%，19%和14%?；炷僚浜媳热绫?所示。每組配合比研究混凝土拌合物的工作性和3 d,7 d,28 d與56 d齡期的抗壓強(qiáng)度。

表4 試驗(yàn)配合比

3 結(jié)果及討論

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。

從表5可以看出，不同水膠比混凝土拌合物的工作性能均比較良好。水膠比從0.56變化到0.36時(shí)，膠凝材料總量由330 kg增加到490 kg，減水劑由1.6%增加到2.3%，坍落度從190 mm增加到240 mm，擴(kuò)展度從430 mm增加到630 mm。從混凝土配合比可以看出，膠凝總量增加，粉煤灰稍有減少，而礦粉略有增加，所以膠凝總量增加主要來源于水泥用量的增加，可以認(rèn)為坍落度和擴(kuò)展度的增加主要是由于減水劑用量的增加。

同時(shí)，從表5還可以看出，同一水膠比，同一膠凝材料與減水劑用量時(shí)，礦粉摻量對(duì)混凝土工作性能的影響不是很明顯。例如水膠比為0.41時(shí)的混凝土，礦粉摻量由110 kg變化到70 kg時(shí)，坍落度在220 mm～230 mm之間，擴(kuò)展度在560 mm～570 mm之間；而水膠比為0.56時(shí)，礦粉摻量由100 kg變化到60 kg時(shí)，坍落度在190 mm～200 mm之間，擴(kuò)展度在430 mm～440 mm之間。從表2可以看出礦粉的比表面積雖然大于水泥的比表面積，但不屬于超細(xì)粉的范疇，活性不高，28 d活性指數(shù)小于75%，屬于低品位的礦粉。所以礦粉對(duì)于混凝土早期水化程度的影響較弱，可以增加混凝土拌合物的流動(dòng)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 混凝土的力學(xué)性能

混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度如表6所示，抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律如圖1所示，7 d,28 d與56 d抗壓強(qiáng)度相對(duì)于3 d抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)率如圖2所示。

表6 混凝土抗壓強(qiáng)度 MPa

從表6和圖1可以看出，隨水灰比降低，各齡期混凝土強(qiáng)度均有增加，符合常態(tài)。同一水膠比，隨礦粉摻量的降低，各齡期抗壓強(qiáng)度均有增加。而且，水膠比降低引起強(qiáng)度的增加強(qiáng)于礦粉摻量降低引起強(qiáng)度的增加。例如3號(hào)和7號(hào)試樣，水膠比分別為0.56和0.41，礦粉摻量分別為60 kg和110 kg，分別占膠凝摻材料總量的18%與26%，而3 d，7 d，28 d與56 d的抗壓強(qiáng)度分別為11.6 MPa，20.9 MPa，16.5 MPa，30.5 MPa，24.9 MPa，44.5 MPa與34.0 MPa，49.2 MPa。因此，可以認(rèn)為，配合比設(shè)計(jì)合適，低品位礦粉可以用于混凝土中而不影響混凝土的強(qiáng)度發(fā)展，最大摻量應(yīng)該由試驗(yàn)來確定。

同一水膠比，礦粉用量對(duì)混凝土早期強(qiáng)度(3 d)的影響比較顯著，而后期隨著礦粉的二次水化，混凝土強(qiáng)度得以發(fā)展，礦粉用量對(duì)強(qiáng)度的影響降低。如果混凝土按照長(zhǎng)齡期強(qiáng)度評(píng)定驗(yàn)收，能大幅降低水泥用量，節(jié)約能源和成本。

從圖2可以看出，水膠比影響7 d,28 d與56 d相對(duì)于3 d抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)度增長(zhǎng)率。較高水膠比時(shí)(即序號(hào)1～3樣品的水膠比為0.56，4～6樣品的水膠比為0.41)，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率較大，28 d，56 d齡期表現(xiàn)得更顯著，而較低水膠比(即序號(hào)7～9樣品的水膠比為0.41，10～12樣品的水膠比為0.36)的強(qiáng)度增長(zhǎng)率較小一些。水膠比較大時(shí)，較多水分促進(jìn)水泥的充分水化，同樣多余水分有助于礦粉的二次水化，從而提高混凝土的后期強(qiáng)度。但是，從表6看出，水膠比大的混凝土早期強(qiáng)度較低，由于較多水分蒸發(fā)留下孔隙，而礦粉二次水化產(chǎn)物還沒來得及填充孔隙，所以早期強(qiáng)度較低，后期發(fā)展較快。所以使用低品位礦粉的混凝土建議采用60 d或更長(zhǎng)齡期的強(qiáng)度作為評(píng)定驗(yàn)收依據(jù)。

結(jié)合混凝土的工作性與力學(xué)性能，認(rèn)為只要配合比設(shè)計(jì)得當(dāng)，較高水膠比，較大低品位礦粉用量就可以制備出工作性良好，力學(xué)性能符合要求的混凝土。

4 結(jié)語

1)低品位礦粉對(duì)于混凝土早期水化程度的影響較弱，可以增加混凝土拌合物的流動(dòng)性，改善混凝土拌合物的保水性和黏聚性。

2)較高水膠比時(shí)，摻低品位礦粉混凝土的后期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率較大，而較低水膠比時(shí)，早期強(qiáng)度高，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率較小。配合比設(shè)計(jì)得當(dāng)，較高水膠比，較大低品位礦粉用量可以制備出工作性良好，力學(xué)性能符合要求的混凝土。

3)摻入低品位礦粉混凝土的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著，采用60 d或更長(zhǎng)齡期的強(qiáng)度作為評(píng)定驗(yàn)收依據(jù)，能大幅減少水泥用量，有效降低成本和能源消耗。

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