礦渣粉在商品混凝土中的應(yīng)用

　　一、礦渣粉及其在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況

　　礦渣粉是水淬?；郀t礦渣經(jīng)粉磨后達(dá)到規(guī)定細(xì)度的一種粉體材料。自從1862年德國(guó)人發(fā)現(xiàn)水淬?；郀t礦渣具有潛在活性后，礦渣長(zhǎng)期作為水泥混合材使用。2000年以前，礦渣在作為水泥混合材使用上國(guó)內(nèi)外存在差異，國(guó)外除將礦渣和水泥熟料混磨生產(chǎn)礦渣水泥外，還有將礦渣單獨(dú)磨細(xì)，然后與磨細(xì)后的熟料混合，生產(chǎn)礦渣水泥，而國(guó)內(nèi)只是通過(guò)混磨生產(chǎn)礦渣水泥。由于礦渣較熟料難磨細(xì)，混磨時(shí)水泥中礦渣的細(xì)度較熟料小的多，水泥細(xì)度控制在300m²/kg左右的情況下，礦渣粉的細(xì)度僅能達(dá)到200～250m²/kg左右，因而不但水泥中礦渣粉的活性不能充分發(fā)揮，而且礦渣用過(guò)高時(shí)，使混凝土的粘聚性很差，混合料容易離析和泌水，混凝土抗?jié)B性能降低。這樣礦渣在水泥中的摻量受到了較大限制，一般不超過(guò)30%。

　　隨著國(guó)際上對(duì)礦粉研究的不斷深入和大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用，我國(guó)20世紀(jì)80年代改革開(kāi)發(fā)的力度不斷加大，預(yù)拌混凝土的崛起與發(fā)展以及政府日益注重環(huán)境保護(hù)，自 20世紀(jì)90年代起，我國(guó)開(kāi)始了礦粉的特點(diǎn)及應(yīng)用研究。清華大學(xué)對(duì)礦粉在高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用進(jìn)行了研究，在其編寫(xiě)的《高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工指南》一書(shū)中，特別提出礦粉在配制高強(qiáng)混凝土方面的巨大潛力。冶金部建筑研究總院在搜集大量國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料，尤其是在日本資料的基礎(chǔ)上，立項(xiàng)進(jìn)行礦粉成套技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究工作，在產(chǎn)品性能、礦粉混凝土性能等方面獲得了大量數(shù)據(jù)，完成了“寶鋼高爐礦渣微粉在混凝土中應(yīng)用研究”課題的第一階段工作，上海建筑材料科學(xué)研究院和上海寶鋼企業(yè)開(kāi)發(fā)總公司共同完成了該課題。此課題的完成為1998年上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《混凝土和砂漿用粒化高爐礦渣微粉》，1999年《?；郀t礦渣微粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的制定頒布創(chuàng)造了條件。2000年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土的?；郀t礦渣粉》（GB18046-2000）頒布實(shí)施。

　　隨著礦渣磨細(xì)技術(shù)的不斷發(fā)展，礦渣被磨至相應(yīng)細(xì)度的能耗越來(lái)越低，并且細(xì)度也很容易達(dá)到400m²/kg以上，為礦渣粉的大量應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。2000年11月上海寶鋼率先從日本引進(jìn)的年產(chǎn)60萬(wàn)噸礦粉立磨生產(chǎn)線(xiàn)投產(chǎn)。隨后的幾年內(nèi)，武鋼、鞍鋼、寶鋼二線(xiàn)、唐鋼、首鋼、安徽朱家橋等大型礦粉立磨生產(chǎn)線(xiàn)相繼投產(chǎn)，另外還有不少生產(chǎn)線(xiàn)在建。這樣礦粉的應(yīng)用已在全國(guó)范圍內(nèi)廣泛展開(kāi)。因此我國(guó)混凝土，特別是商品混凝土膠凝材料體系正由“水泥”、“水泥+粉煤灰”向“水泥+粉煤灰+礦粉”體系轉(zhuǎn)變，由于理論研究和應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)都存在著不足之處，大量應(yīng)用勢(shì)必出現(xiàn)這樣或那樣的問(wèn)題，特別是我國(guó)地域遼闊，應(yīng)用環(huán)境存在很大差別，技術(shù)水平也很不均衡，業(yè)內(nèi)人士加強(qiáng)定期交流，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)，少走歪路是非常必要的。

　　二、礦粉對(duì)混凝土性能的影響

　　礦粉對(duì)混凝土性能的影響的研究可以由“礦粉+水泥漿體”到“礦粉+水泥膠砂”再到“礦粉混凝土”逐步進(jìn)行。但對(duì)于普通應(yīng)用單位，如商品混凝土攪拌站，就不必遵循此規(guī)律，可借鑒有關(guān)研究成果，直接進(jìn)行混凝土試驗(yàn)，找出特定條件下的合理配合比。

　　1. 礦粉對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響

　　1）礦粉比表面積在430m²/kg～520m²/kg之間，摻量在30%～40%范圍，增強(qiáng)效應(yīng)表現(xiàn)得最為顯著。

　　2）單摻礦粉會(huì)使混凝土的粘聚性提高，凝結(jié)時(shí)間有所延長(zhǎng)，泌水量有增大的跡象，可能對(duì)混凝土泵送帶來(lái)一定的不利影響；

　　3）礦粉和Ⅰ級(jí)粉煤灰復(fù)配配制混凝土，可以充分發(fā)揮二者的“優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)效應(yīng)”，使混凝土的坍落度增加，和易性好，粘聚性好，泌水得到改善。同時(shí)混凝土成本可顯著降低。

　　4）針對(duì)水泥-粉煤灰-礦粉膠凝材料體系，在等量取代的前提下，粉煤灰的摻量以不超過(guò)20%為宜，粉煤灰和礦粉摻量以不超過(guò)40%為宜，同時(shí)建議采用60d或90d強(qiáng)度作為混凝土評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，以充分利用混凝土的后期強(qiáng)度。

　　2. 礦粉對(duì)混凝土耐久性的影響

　　1）混凝土水化熱。摻加礦粉，可降低漿體水化熱，單摻量小于50%時(shí)，水化熱降低不明顯。當(dāng)達(dá)到70%摻量時(shí)，3d和7d水化熱分別降低約36%和29%；礦粉和粉煤灰復(fù)配，可顯著降低漿體3d、7d水化熱，采用20%礦粉和20%粉煤灰復(fù)配，漿體3d和7d水化熱分別降低38%和20%，對(duì)要求嚴(yán)格控溫的大體積混凝土，礦粉和粉煤灰復(fù)配是理想的礦物摻合料組合，可以有效減少混凝土早期溫縮裂縫的危險(xiǎn)。

　　2）抗?jié)B性能?；炷林袚郊拥V粉或礦粉和粉煤灰復(fù)配，發(fā)揮摻合料的微集料效應(yīng)和二次水化反應(yīng)，可以使混凝土孔徑細(xì)化，連通孔減少，混凝土密實(shí)性提高，從而大幅提高混凝土的抗?jié)B性能。采用庫(kù)侖電量方法評(píng)價(jià)，礦粉、粉煤灰和引氣劑均能降低混凝土的滲透性，礦粉越細(xì)、摻量越大，特別是礦粉與粉煤灰和引氣劑復(fù)合使用時(shí)，均能顯著降低混凝土的滲透性；采用NEL方法評(píng)價(jià)，對(duì)于C30的混凝土，礦粉摻量、細(xì)度、復(fù)摻等措施均不能顯著降低混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，適當(dāng)?shù)囊龤鈩﹦t能明顯降低混凝土的滲透性。對(duì)于C50的混凝土，礦粉及其與粉煤灰的復(fù)合摻和料，特別是引氣劑均能顯著降低混凝土的滲透性。

　　3）抗碳化能力。在達(dá)到相同強(qiáng)度的條件下?lián)降V粉混凝土和普通硅酸鹽水泥混凝土具有相同的抗碳化作用能力。

　　4）抗凍融能力。摻加礦粉，對(duì)混凝土的抗凍融性能有一定的改善作用，隨混凝土標(biāo)號(hào)的不同提高的幅度在25～50次范圍。礦粉混凝土和普通硅酸鹽水泥混凝土在強(qiáng)度和含氣量相同的條件下抗凍融能力基本相同；適當(dāng)摻加引氣劑，適當(dāng)?shù)暮瑲饬亢烷g距系數(shù)對(duì)混凝土的抗凍融十分必要。礦粉混凝土含氣量達(dá)到3-4%，混凝土抗凍融循環(huán)次數(shù)可達(dá)250次以上，而且用礦粉取代部分普通硅酸鹽水泥，并不影響引氣劑效率，無(wú)須增加引氣劑的摻量。

　　5）混凝土收縮。按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，在配制C30標(biāo)號(hào)等級(jí)混凝土?xí)r，摻加40%細(xì)度為430m²/kg的礦粉混凝土的干縮值與基準(zhǔn)混凝土相比變化不大；而在配制C50標(biāo)號(hào)等級(jí)混凝土?xí)r，摻加40%細(xì)度為520m²/kg的礦粉，混凝土的干縮值有一定程度的增加，早期（3、7天）增幅較后期大。礦粉細(xì)度在430m²/kg～520m²/kg之間變化，對(duì)混凝土干縮值的影響不明顯。礦粉與粉煤灰復(fù)摻與礦粉單摻相比，明顯增加混凝土干縮值，混凝土標(biāo)號(hào)越高增加幅度越大?？紤]前3天的自收縮，無(wú)論是配制C30混凝土，還是配制C50混凝土，采用單摻礦粉，與基準(zhǔn)混凝土相比，收縮值均無(wú)明顯變化。

　　6）混凝土抗裂性能。礦粉與粉煤灰復(fù)摻改善抗裂性效果優(yōu)于礦粉單摻，這可能是由于復(fù)摻時(shí)的早期強(qiáng)度比單摻時(shí)低造成的?；炷猎缙趶?qiáng)度對(duì)混凝土早期抗裂性有重要影響，混凝土24小時(shí)強(qiáng)度越高，混凝土早期越易開(kāi)裂?；炷猎缙诳沽研耘c早期強(qiáng)度之間可能存在一個(gè)臨界值，小于該強(qiáng)度值，混凝土不易開(kāi)裂，大于該強(qiáng)度值，混凝土容易開(kāi)裂。該值與環(huán)境條件及約束狀態(tài)有關(guān)。

　　三、礦渣粉在商品混凝土攪拌站中的應(yīng)用

　　近兩年來(lái)，北京市礦粉在商品混凝土攪拌站中的應(yīng)用隨唐龍和首嘉兩大礦粉生產(chǎn)線(xiàn)的投產(chǎn)而迅速發(fā)展。為了更好地應(yīng)用礦粉，減少問(wèn)題，避免事故，在此談一些應(yīng)用體會(huì)，供大家參考。

　　1. 嚴(yán)格控制礦粉質(zhì)量，特別是礦粉的細(xì)度。

　　目前，大型立磨礦渣粉生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)的礦渣粉細(xì)度均控制在400～500m²/kg的范圍內(nèi)。由于其先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，礦渣粉的細(xì)度非常穩(wěn)定，給配制混凝土帶來(lái)了很大方便。而球磨礦粉的細(xì)度較難達(dá)到400m²/kg以上，即使通過(guò)延長(zhǎng)磨細(xì)時(shí)間，增加能耗，勉強(qiáng)達(dá)到400m²/kg以上，也難以長(zhǎng)期穩(wěn)定。一旦其細(xì)度大幅度降低，會(huì)給混凝土帶來(lái)諸多問(wèn)題，如：粘聚性下降出現(xiàn)離析和泌水；凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)；早期強(qiáng)度降低，甚至28d強(qiáng)度也會(huì)不同程度降低等。這也是為什么在立磨礦粉之前礦粉的應(yīng)用受到限制的原因之一。因此，在使用球磨礦粉時(shí)應(yīng)加強(qiáng)檢測(cè)。

　　2. 避免利益驅(qū)動(dòng)下盲目提高摻量

　　1）單摻礦粉時(shí)，以30%～40%為宜。大體積混凝土可增至50%以上，以達(dá)到明顯降低水化熱的目的。

　　2）復(fù)摻時(shí)，總?cè)〈坎灰顺^(guò)50%。粉煤灰控制在20%以?xún)?nèi)，礦粉控制在30%以?xún)?nèi)。

　　3）初期使用時(shí)，建議粉煤灰控制在10%以?xún)?nèi)，礦粉控制在20%以?xún)?nèi)，大體積混凝土可適當(dāng)放寬。

　　盡管在試配時(shí)，礦粉摻量在70%以?xún)?nèi)對(duì)混凝土強(qiáng)度影響不大，但過(guò)大的摻量在實(shí)際應(yīng)用中確存在很多問(wèn)題。其中兩個(gè)問(wèn)題特別值得關(guān)注，一是混凝土凝結(jié)時(shí)間問(wèn)題。摻量過(guò)高時(shí)，薄壁結(jié)構(gòu)由于混凝土溫度很快與環(huán)境溫度相同，其混凝土的凝結(jié)時(shí)間會(huì)明顯加長(zhǎng)，不利于施工。對(duì)于豎向結(jié)構(gòu)，由于混凝土長(zhǎng)期處于塑性狀態(tài)，會(huì)使混凝土發(fā)生較大沉降收縮，常常出現(xiàn)沿箍筋的環(huán)行裂縫。大體積混凝土的凝結(jié)時(shí)間則不然。由于它能積聚水化熱，凝結(jié)時(shí)間往往比試驗(yàn)要短的多。因此采用大摻量礦粉或礦粉與粉煤灰復(fù)配可降低水化熱，延緩凝結(jié)時(shí)間，對(duì)大體積混凝土是比較有利的。另一個(gè)是混凝土粘聚性問(wèn)題。我們知道，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高，混凝土的粘聚性不斷增加，這樣配制混凝土就存在著兩頭難的問(wèn)題。低強(qiáng)度等級(jí)混凝土粘聚性差，需要設(shè)法增加其粘度，減少混凝土離析泌水的可能；高強(qiáng)度等級(jí)混凝土粘聚性大，需要設(shè)法降低其粘度來(lái)保證施工性能。由于細(xì)度達(dá)到400m²/kg以上的礦粉可增加混凝土粘度，因此它有利于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土而不利于高強(qiáng)度等級(jí)混凝土配制。配制高強(qiáng)度混凝土?xí)r需要礦粉和可以降低混凝土粘度的優(yōu)質(zhì)Ⅰ級(jí)粉煤灰復(fù)合使用。

　　3. 復(fù)摻時(shí)，針對(duì)不同等級(jí)粉煤灰，選擇合適的復(fù)合比例。

　　礦渣粉在商品混凝土攪拌站使用時(shí)，常與粉煤灰復(fù)合使用。這是因?yàn)?，其一，粉煤灰比礦粉更為廉價(jià)，單摻礦粉對(duì)混凝土成本不利。雖然單摻粉煤灰可以大幅度降低成本，但摻量受到較大限制；其二，充分利用二者的“優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”，改善混凝土性能。

　　1） 礦渣粉與Ⅱ級(jí)粉煤灰復(fù)合。礦粉與Ⅱ級(jí)粉煤灰復(fù)合使用時(shí)，粉煤灰的取代量宜控制在15%以?xún)?nèi)，礦粉宜控制在30%以?xún)?nèi)。由于Ⅱ級(jí)粉煤灰的來(lái)源較Ⅰ級(jí)粉煤灰要廣，供應(yīng)量充足，因此在商品混凝土攪拌站大量使用。然而Ⅱ級(jí)粉煤灰的質(zhì)量穩(wěn)定性很差，使用Ⅱ級(jí)粉煤灰的攪拌站技術(shù)人員經(jīng)常為此而發(fā)愁。礦粉的質(zhì)量穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于Ⅱ級(jí)粉煤灰，給我們配制混凝土帶來(lái)了很好的選擇，只要通過(guò)試驗(yàn)找出合適的復(fù)配比例及合適的摻量，就可以配制出和易性好而成本有無(wú)明顯增加的混凝土。在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能多用礦粉，降低Ⅱ級(jí)粉煤灰質(zhì)量波動(dòng)給混凝土帶來(lái)的不利影響。其實(shí)這種配制混凝土的原則適應(yīng)于任何原材料。也就是說(shuō)，質(zhì)量差或質(zhì)量穩(wěn)定性差的原材料不得不用時(shí)，應(yīng)在充分試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在條件允許的前提下盡可能少用。另外，由于Ⅱ級(jí)粉煤灰和礦渣粉同樣具有增加混凝土粘度的趨勢(shì)，因此不宜配制高強(qiáng)混凝土。

　　2） 礦渣粉與Ⅰ級(jí)粉煤灰復(fù)合。礦粉與Ⅰ級(jí)粉煤灰復(fù)合使用應(yīng)是最佳組合。粉煤灰可控制在20%以?xún)?nèi)，礦粉可以控制在40%以?xún)?nèi)，它們之間的比例可以根據(jù)不同強(qiáng)度等級(jí)，不同技術(shù)要求進(jìn)行調(diào)整。從強(qiáng)度方面說(shuō)，粉煤灰等量取代水泥時(shí)，28d強(qiáng)度基本都比空白混凝土強(qiáng)度低，而礦粉在合適的摻量下會(huì)使混凝土的28d強(qiáng)度稍有提高，這樣二者有較好的“強(qiáng)度互補(bǔ)效應(yīng)”。同時(shí)，二者復(fù)合使用兼顧混凝土早期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度，早期發(fā)揮礦粉的火山灰效應(yīng)，改善漿體和集料的界面結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)滯后于水泥熟料水化，從而使得火山灰反應(yīng)生成物和水泥水化生成的凝膠數(shù)量不足導(dǎo)致與未反應(yīng)的粉煤灰之間界面粘結(jié)不牢引起的早期強(qiáng)度損失（引自黃士元等編著《近代混凝土技術(shù)》）；后期發(fā)揮Ⅰ級(jí)粉煤灰的火山灰效應(yīng)所帶來(lái)的孔徑細(xì)化作用以及未反應(yīng)的粉煤灰顆粒的“內(nèi)核作用”，使混凝土后期強(qiáng)度持續(xù)得到提高。從混凝土粘聚性方面說(shuō)，礦粉有增加混凝土粘聚性和泌水的趨勢(shì)，Ⅰ級(jí)粉煤灰卻能明顯降低混凝土的粘聚性和減少混凝土泌水的趨勢(shì)，二者的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)更為明顯，適合于配制各種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。因此，條件允許的情況下，實(shí)際應(yīng)用中，建議采用礦粉和Ⅰ級(jí)粉煤灰復(fù)配配制混凝土，以充分發(fā)揮二者的“優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)效應(yīng)”，配制性能更為優(yōu)異同時(shí)成本更為經(jīng)濟(jì)的混凝土。

　　4. 礦粉（或礦粉和粉煤灰復(fù)摻）混凝土對(duì)養(yǎng)護(hù)條件要求更為苛刻。因此商品混凝土攪拌站技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)與施工方溝通，確?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)條件。

　　受施工進(jìn)度、結(jié)構(gòu)形式、養(yǎng)護(hù)手段和人員素質(zhì)等方面因素的影響，混凝土的養(yǎng)護(hù)經(jīng)常得不到重視。特別是豎向結(jié)構(gòu)，如剪力墻、柱等，由于不便養(yǎng)護(hù)，一些單位常常是涂刷養(yǎng)護(hù)劑了事，而養(yǎng)護(hù)劑的效果很難在短期驗(yàn)證，使混凝土的養(yǎng)護(hù)出現(xiàn)不少問(wèn)題。在礦粉或礦粉和粉煤灰復(fù)合摻加的情況下，更需要加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，只有充分養(yǎng)護(hù)才能發(fā)揮摻合料的作用。養(yǎng)護(hù)不好對(duì)表面混凝土的影響很大，曾經(jīng)遇到過(guò)這樣一個(gè)問(wèn)題：C40墻體混凝土，礦粉取代水泥25%，Ⅱ級(jí)粉煤灰取代水泥15%，28d回彈值很低，推斷強(qiáng)度只有C30左右，表面碳化很?chē)?yán)重，一般在1.5～2.5mm之間，嚴(yán)重的高達(dá)4mm，而取芯檢測(cè)混凝土強(qiáng)度很高，強(qiáng)度值在47～62MPa之間。這說(shuō)明，盡管試驗(yàn)室的結(jié)果表明，礦粉或礦粉和粉煤灰復(fù)合摻加取代水泥在一定比例內(nèi)不會(huì)對(duì)混凝土的碳化產(chǎn)生較大影響，但實(shí)際應(yīng)用中由于養(yǎng)護(hù)條件等方面的影響，是否還能遵循這一規(guī)律就很值得懷疑。

　　當(dāng)然在施工中也見(jiàn)到過(guò)較好的養(yǎng)護(hù)方法，其實(shí)方法很簡(jiǎn)單，實(shí)際效果確很好，值得借鑒。由于豎向結(jié)構(gòu)不便蓄水養(yǎng)護(hù)，他們?cè)诓鹉：缶陀蓪?zhuān)人負(fù)責(zé)一遍又一遍地用噴霧器在墻上噴水，這樣既能長(zhǎng)期保持混凝土表面的濕度，又節(jié)約用水，還減少了因養(yǎng)護(hù)用水四處流淌影響施工。

　　綜上所述，大型立磨礦渣技術(shù)在我國(guó)的快速發(fā)展，使大量細(xì)度在400m²/kg的礦粉得到廣泛應(yīng)用。礦粉的大量應(yīng)用，改變以往僅以粉煤灰為主要摻合料的局面。對(duì)于商品混凝土攪拌站而言，這種礦粉的出現(xiàn)給我們配制混凝土帶來(lái)了很大的方便，隨著礦粉研究和應(yīng)用的不斷深入，混凝土質(zhì)量會(huì)逐步改善。同時(shí)，礦粉的應(yīng)用，可以克服僅摻粉煤灰時(shí)取代水泥量有限的弱點(diǎn)，可以進(jìn)一步降低水泥用量，不僅可以改善混凝土耐久性，同時(shí)降低混凝土成本，節(jié)約能源，改善環(huán)境。因此，我們應(yīng)在加大研究力度的同時(shí)，積極推廣應(yīng)用，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，使礦粉應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大。