矿渣微粉品质差别及其对混凝土性能的影响

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摘 要： 通过试验研究了不同品种矿渣微粉对水泥胶砂和混凝土质量的影响情况， 在此基础上对作为掺合料使用的几种矿渣微粉的品质进行了分析及评述， 指出矿渣微粉中外加的一些活性组分虽然能提高其检验时的某些指标值， 但会对混凝土的质量造成不利影响， 因此， 从质量控制的角度来说， 混凝土用户应该采用不掺其他组分的矿渣微粉。

关键词： 矿渣微粉； 颗粒级配； 混凝土耐久性

0 前言

矿渣微粉是近年来新兴的混凝土矿物掺合料。等量或超量取代水泥时， 不仅有较好的经济效益， 还能显著地改善新拌混凝土的工作性、降低混凝土水化温升速率， 并可提高混凝土的抗腐蚀、抗渗透等耐久性能。

鉴于其优异的技术经济性能， 目前在长三角地区，矿渣微粉的生产和应用发展迅速， 已成为商品　混凝土市场不可或缺的重要原料。自2002 年至2005 年， 仅供应上海地区市场的矿渣微粉生产企业已增加到十几家。这其中有大型的专业矿渣微粉生产企业， 也有从原小水泥厂闲置的粉磨设备转产而来的小型矿渣微粉粉磨站。但是， 由于各生产企业的原料来源、工艺和设备的水平、生产能力、技术力量等差别很大， 造成了市场上流通的矿渣微粉产品质量参差不齐。当前， 矿渣微粉生产企业一般采用国标GB/T 18046- 2000 进行质量控制， 而在实际应用的过程中， 某些矿渣微粉生产企业为片面追求经济效益， 在矿渣微粉中掺入其他未经试验研究及标准许可的外掺料、激发剂等， 使这些掺杂的“矿渣微粉”在按照国家标准进行检测时， 可以获得“优良”的检测结论， 但实际应用时往往会造成混凝土强度波动大， 新拌混凝土工作性能异常等问题， 特别是混凝土后期强度出现倒缩及伴随而生的混凝土开裂，对混凝土结构的安全性和耐久性带来了很大的隐患，使用户的最终利益在不知情的情况下受到损害， 严重影响了矿粉优异性能的发挥及其在商品混凝土中的推广应用。本文研究了不同矿粉的品质差别及其对混凝土性能的影响， 旨在为各混凝土搅拌站合理选择矿粉时提供帮助， 以避免不必要的损失。

1 原料

矿渣微粉 选用上海及周边市场销售的不同矿渣微粉产品， 品种及主要物理性质见表1。表2 为各矿粉的主要化学成分。

水泥 宝山水泥厂42．5 级普通硅酸盐水泥。

　　　　

　　　　
2 试验内容

2.1 矿粉活性指数

　　采用矿渣微粉： 硅酸盐水泥=1： 1 的比例， 按照GB/T18046 进行水泥胶砂强度试验， 用同龄期掺矿渣微粉水泥和纯水泥胶砂强度的百分比表征矿粉活性指数，比较不同矿粉的品质差别。

2.2 混凝土试验

　　以表3 的混凝土配合比为基准， 用不同矿粉等量替代部分水泥 进行混凝土试验。测定各混凝土的坍落度、不同龄期 抗压强度， 研究不同矿粉对混凝土施工性能以及早中期强度的影响。同时， 分别用ASTMC1202 电通量法测定各混凝土的抗氯离子渗透性能； 用平板法测定混凝土的当量裂缝长度， 评价不同矿粉对混凝土耐久性的影响。 　

2.3 微观检测

用XRD 分析不同矿粉的矿物组成， 用SEM观察掺矿粉水泥浆体的水化相形貌变化， 分析不同矿粉的品质差别及其对混凝土性能产生影响的内在原因。

3 试验结果和讨论 3.1 不同矿粉的品质差别

活性指数

表4 为不同矿粉的活性系数测定结果。可以看到，S1、S2、S3、S6 矿渣微粉综合活性指数较好， 胶砂强度发展比较均衡， 特别是后期强度， 掺入矿渣微粉的水泥胶砂表现出比纯水泥胶砂更好的性能。而对于S4、S5矿渣微粉， 尽管其早期胶砂强度发展较快， 超过了S1的强度增长速度， 但是在28d 天后， 强度上升就变慢甚至出现强度倒缩现象， 说明其质量异常， 推断其中可能掺有早强作用组分。

图1 为矿粉S1、S4、S5 的XRD 图谱， 可发现， S1 矿渣微粉X 射线衍射图谱的特点是仅出现一个较缓的过渡峰， 这和正常矿渣微粉的图谱是一致的。而S4、S5 图谱中出现了结晶矿物的特征衍射峰， 其中S4 矿渣微粉中存在着明显的碳酸钙峰， 可初步判断其中混和有少量磨细石灰石粉。S5 矿渣微粉中则同时存在少量的石膏峰和硅酸钙峰， 以及部分石英成分， 判断其中掺入了石膏、硅酸盐熟料等活性组分， 这与活性系数试验结果一致。 　

不同矿渣微粉的组成及颗粒级配

由表1 数据可以知道， 一般矿渣微粉比表面积控制在400~430 m2/kg 之间， 而相对应的颗粒级配的特点是0~1μm 之间的颗粒占总体积的17%左右， 1~6μm之间的颗粒在25%左右波动， S4、S5 矿渣微粉在0~1μm 之间的颗粒占总体积分别达到29．8%和27．9%，1~6μm 之间的颗粒也分别达到31．2%和30．1%， 细粉含量明显偏高， 而上文XRD 分析已经发现S4、S5 中掺入了其他物质， 可进一步判断出其中加入的外掺料可能是一些易磨性较好的活性矿物。此外， 在表2 中， S4、S5 矿渣微粉CaO、SO2 含量偏高， 进一步证实了上述推断。

3.2 不同矿粉对混凝土性能的影响

表5 为不同品质矿渣微粉对混凝土工作性和耐久性的的影响。与基准混凝土相比， 采用S1、S2 等矿渣微粉时， 混凝土的坍落度得到了改善， 但是对于掺S4、S5矿渣微粉混凝土， 混凝土的坍落度反而下降了。 　　　　

掺入普通矿渣微粉的混凝土能大大改善其抵抗氯离子渗透的性能， 如掺S1、S2、S3 矿渣微粉， 氯离子渗透性能要比不掺矿渣微粉的混凝土低一半以上。但对于掺入早强组分的矿渣微粉如S4、S5 来说， 抗氯离子渗透性能不如未掺早强组分的矿渣微粉， 这可能和矿渣微粉中掺入的石灰石水化晶体较大， 微孔缺陷较多有关， 或者是与掺入的石膏组分造成的钙矾石膨胀引起缺陷增多有关。

对于混凝土的抗裂性能， 掺入S1、S2 等纯矿渣微粉成分的混凝土， 其当量裂缝的长度一般在300~500mm 之间， 说明掺入此类矿渣微粉能改善混凝土的抗裂能力。但掺S4 矿渣微粉混凝土的当量裂缝长度很大， 原因可能和S4 矿渣微粉中的石灰石成份有关。而掺S5 矿渣微粉的当量裂缝长度却大大地改善了， 原因可能和S5 中有石膏等成分在硬化过程中产生的微膨胀效应有关。

图2 为不同品质矿粉对混凝土各龄期抗压强度的影响。在混凝土早期， S1、S2 等矿渣微粉混凝土的强度发展较纯水泥混凝土慢， 但28d 强度特别是后期强度要逐渐高过纯水泥混凝土， 说明选取合理品质的矿渣微粉对混凝土最终力学性能有良好的影响； 而S4、S5矿渣微粉混凝土的早期强度， 如3d 和7d 强度发展十分迅速， 但是后期强度比普通矿渣微粉混凝土强度反而要低， 说明其强度发展的潜力被过早地激发了。结合上面对这两种矿渣微粉的组分及矿物分析， 可以认为这两种矿渣微粉所含的早强组分， 是混凝土后期强度产生倒缩的原因。此外， 结合混凝土坍落度试验结果，可以认为， 掺入含早强活性组分的矿渣微粉后， 混凝土早期强度虽然发展迅速， 但是由于水化速度提高导致需水量的增大， 因此会降低所配制的混凝土的工作性能。 　　　　 　

　为进一步分析矿渣微粉品质对混凝土性能影响的内在原因， 用SEM分别对掺S1、S4、S5 矿渣微粉的混凝土的浆体水化产物 进行了形貌分析， 如图3 所示。可以发现， S1 矿渣微粉和水泥的混合水化产物以致密的CSH 凝胶为主， 其致密效果要好于纯水泥石的表面形貌， 这可以解释上述掺入S1、S2 等矿渣微粉的砂浆、混凝土强度和耐久性能都得到改善的现象。而S4 由于矿渣微粉混合物中可能存在的石灰石组分对水化的促进作用， 因此水化产物中有水化碳硅酸钙存在， 其水化产物颗粒较大， 且水化产物中还有较多CH晶体， 这进一步解释了为什么S4 矿渣微粉混凝土早期强度好， 但是抗氯离子渗透性及抗裂性不好。S5 矿渣微粉水化产物中因有较多硫酸盐组分， 因而可以看到较多的钙矾石组分。所以其配制的砂浆和混凝土早期强度好， 早期抗裂性得以改善但是后期强度却出现倒缩。

4 结论

不同矿粉在水泥胶砂和混凝土中对强度发展的作用和该矿粉的比表面积、组分及颗粒级配有关。较高的比表面积、适当的化学组成及较好的颗粒级配对胶砂强度和混凝土强度均有好的贡献。

在矿粉中掺入能改善其早期强度的组分如石灰石粉、水泥膨胀剂或其他化学添加剂等， 在一定程度上可以改善矿粉的早期活性， 有助于产品通过质量验收， 但在后期很可能会产生强度倒缩及混凝土耐久性下降等问题， 因此， 单纯为了提高矿粉验收指标而在矿粉中加入活性早强组分可能会给混凝土中、后期质量带来严重的隐患。

由于不同组分矿粉对混凝土质量影响较大， 建议混凝土生产企业尽量使用不掺任何活性添加剂的“纯”矿粉， 以保证混凝土质量， 降低混凝土中后期质量风险。 　 原作者： 康 明 李建华