矿渣微粉在商品混凝土中的应用研究

近年来高性能混凝土的快速发展，带动了矿物掺合料的大量应用，特别是在商品混凝土中，矿物掺合料已成为不可缺少的一种组分。矿物掺合料大多是工业废料，加入混凝土中，不仅可以降低成本，改善混凝土的工作性、耐久性等性能，还能变废为宝，保护环境，成为有利于混凝土行业可持续发展的一项措施。目前用于混凝土的矿物掺合料主要有粉煤灰、矿渣微粉、硅灰等。但是由于石家庄地区商品混凝土发展较晚，目前掺合料主要还是粉煤灰，人们对矿渣微粉还缺乏认识，因此，本文主要研究矿渣微粉在商品混凝土中的应用情况及其对混凝土的性能影响。

1 矿渣微粉对混凝土性能的影响

1.1 矿渣微粉细度(比表面积)对混凝土强度的影响

矿渣微粉细度大小直接影响矿渣微粉的增强效果，原则上矿渣微粉细度越大则效果越好，但要求过细则粉磨困难，成本大幅度增加。

表1为不同细度的矿渣微粉对混凝土强度的影响:经综合考虑矿渣微粉的细度以400～550m2/kg为佳。

1.2 矿渣微粉对混凝土耐久性的影响

1.2.1 矿渣微粉可以降低水泥的水化热

混凝土在硬化过程中，水泥水化反应产生大量水化热。由于混凝土热阻很大，热量聚集在内部不易散发，而表面散热较快，致使在混凝土内部和表面形成较大温差。这样会导致不均匀温度变形和温度应力，一旦拉应力超过混凝土抗拉强度，就会在混凝土内部或表面产生裂缝。这种温度裂缝是混凝土早期开裂的主要因素之一，往往是贯穿性的有害裂缝，对混凝土的耐久性十分不利。而在混凝土中掺加矿渣微粉后可降低浆体的水化热，有关试验表明单掺量小于30%时，水化热降低不明显。当达到50%掺量时，3d、7d的水化热明显降低；矿渣微粉和粉煤灰复配，可显著降低浆体3d、7d的水化热。对要求严格控温的大体积混凝土，矿渣微粉和粉煤灰复配是理想的矿物掺合料，可有效减少混凝土早期温缩裂缝。

1.2.2 矿渣微粉可以提高混凝土抗渗性能

矿渣微粉对混凝土的抗渗改善原理主要取决于本身的两个综合效应；一是火山灰效应，二是微集料效应。火山灰效应；矿渣微粉改变了胶结料与集料的界面粘结强度，普通混凝土的浆体与集料的界面粘结受水化产物Ca(OH)2定向排列的影响而强度降低。矿渣微粉吸收水泥水化时形成的Ca(OH)2，并进一步水化生成更多有利的C-S-H凝胶，使界面区的Ca(OH)2晶粒变小，改善了混凝土的微观结构，使水泥浆体的孔隙率明显下降，强化了集料界面粘结力，从而使混凝土的抗渗性能提高。

微集料效应:混凝土体系可理解为连续级配的颗粒堆积体系，粗集料间隙由细集料填充，细集料间隙由水泥颗粒填充，水泥颗粒之间的间隙则由更细的颗粒填充。矿渣微粉可起到填充水泥颗粒间隙的微集料作用，从而改善了混凝土的孔结构，降低了孔隙率，并减少了最大孔径的尺寸，使混凝土形成了结构密实的自紧密堆积体系，大幅度提高了混凝土的抗渗性能，同时也防止了泌水、离析。

我们采用42.5级普通硅酸盐水泥及矿渣微粉进行了抗渗试验，混凝土强度等级为C30，试验结果见表2。

从表2结果可以看出，混凝土中掺加矿渣微粉后，发挥了掺合料的微集料效应和二次水化反应，可以使混凝土孔径细化，连通孔减少，混凝土密实性提高，从而大幅度提高了混凝土的抗渗性能。

1.3 矿渣微粉和粉煤灰复掺对混凝土工作性能及力学性能的影响

为保证混凝土的可泵送性，商品混凝土要求有很好的流动性，混凝土初始坍落度，一般控制在180mm以上，泵送时坍落度一般控制在110mm。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物相互搭接的隔离作用，因此，使坍落度经时损失也有所改善。在同样混凝土配合比及掺用同样高效减水剂的情况下，矿渣混凝土的坍落度经时损失比普通混凝土小，有利于商品混凝土的泵送施工。另外，矿渣微粉会使混凝土凝结时间有所延长。

矿渣微粉和Ⅰ级粉煤灰复合掺加，两种材料的火山灰效应、形态效应和微集料效应相互叠加，形成“工作性能互补效应\"和\"强度互补效应”，使混凝土具有良好的抗渗性和可泵性。

1.3.1 混凝土“工作性能互补效应”

粉煤灰中富含的球状玻璃体对浆体起到“润滑作用”，增大了拌合料的流动性，减小泵送阻力，改善由于矿渣微粉的掺入所导致的混凝土粘聚性提高、泌水性增加的趋势，使新拌混凝土得到最佳的流动性和粘聚性。

1.3.2 混凝土“强度互补效应”

粉煤灰等量取代水泥时，28d强度基本都比空白混凝土强度低，而矿渣微粉在合适的掺量下会使混凝土的28d强度稍有提高，因此，二者有较好的\"强度互补效应\"。二者复合使用还可兼顾混凝土早期强度与后期强度，早期发挥矿渣微粉的火山灰效应，改善浆体和集料的界面结构，弥补由于粉煤灰的火山灰效应滞后于水泥熟料水化，从而使得火山灰反应生成物和水泥水化生成的凝胶数量不足导致与未反应的粉煤灰之间界面粘结不牢引起的早期强度损失；后期发挥I级粉煤灰的火山灰效应所带来的孔径细化作用以及未反应的粉煤灰颗粒的\"内核作用\"，使混凝土后期强度持续得到提高。

2 矿渣微粉在商品混凝土中的应用

2.1 应用矿渣微粉和粉煤灰复合配制商品混凝土

磨细矿渣微粉取代混凝土中的部分水泥，能够提高混凝土的强度，改善混凝土的工作性能，降低温升，延缓凝结时间，提高耐久性。表3为某搅拌站矿渣微粉和粉煤灰复合配制的混凝土配合比。

2.2 矿渣微粉在商品混凝土应用时需注意的问题

2.2.1 使用球磨矿渣微粉时应加强检测，严格控制矿渣微粉的细度

大型立磨矿渣微粉生产线生产的矿渣微粉细度均控制在400～500m2/kg的范围内。由于其先进的生产工艺，矿渣微粉的细度非常稳定。而球磨矿渣微粉的细度较难达到400m2/kg以上，如果通过延长磨细时间，勉强达到400m2/kg以上，也难以长期稳定。一旦矿渣微粉细度大幅度降低，会给混凝土带来很多问题，如:粘聚性下降，出现离析和泌水；凝结时间延长；早期强

度降低，甚至28d强度也会不同程度降低等。因此，在使用球磨矿渣微粉时应加强检测，严格控制矿渣微粉的细度。

2.2.2 注意矿渣微粉的掺量

单掺矿渣微粉时，以30%～40%为宜。大体积混凝土可增至50%以上，以达到明显降低水化热的目的。复掺时，总取代量不宜超过50%。粉煤灰控制在20%以内，矿渣微粉控制在30%以内。初期使用时，最好粉煤灰控制在10%以内，矿渣微粉控制在20%以内，大体积混凝土可适当放宽。

尽管在试配时，矿渣微粉掺量在70%以内对混凝土强度影响不大，但过大的掺量在实际应用中却存在很多问题。一是混凝土凝结时间问题。掺量过高时，薄壁结构由于混凝土温度很快与环境温度相同，其混凝土的凝结时间会明显加长，不利于施工。对于竖向结构，由于混凝土长期处于塑性状态，会使混凝土发生较大沉降收缩，常常出现沿箍筋的环行裂缝。对于大体积混凝土，由于它能积聚水化热，凝结时间往往比试验要短的多。因此采用大掺量矿渣微粉或矿渣微粉与粉煤灰复配可降低水化热，延缓凝结时间，对大体积混凝土是比较有利的。另一个是混凝土粘聚性，随着混凝土强度等级提高，混凝土的粘聚性不断增加，这样就会给配制混凝土带来一定的困难。低强度等级混凝土粘聚性差，需要设法增加其粘度，减少混凝土离析泌水的可能；高强度等级混凝土粘聚性大，需要设法降低其粘度来保证施工性能。由于细度达到400m2/kg以上的矿渣微粉可增加混凝土粘度，因此它有利于低强度等级混凝土而不利于高强度等级混凝土配制。配制高强度混凝土时需要矿渣微粉和可以降低混凝土粘度的优质Ⅰ级粉煤灰复合使用。

2.2.3 复掺时，针对不同等级粉煤灰，选择合适的复合比例

矿渣微粉在商品混凝土中使用时，常与粉煤灰复合使用。这是因为粉煤灰比矿渣微粉更为廉价，单掺矿渣微粉对混凝土成本不利。虽然单掺粉煤灰可以大幅度降低成本，但掺量受到较大限制；另外，矿渣微粉和粉煤灰复配时能充分利用二者的“优势互补”，改善混凝土性能。

矿渣微粉与Ⅱ级粉煤灰复合使用时，粉煤灰的取代量宜控制在15%以内，矿渣微粉宜控制在30%以内。由于Ⅱ级粉煤灰较Ⅰ级粉煤灰供应量充足，因此在商品混凝土搅拌站大量使

用。但Ⅱ级粉煤灰的质量稳定性很差，给配制混凝土带来很多不便。矿渣微粉的质量稳定性远好于Ⅱ级粉煤灰，给我们配制混凝土带来了很好的选择，只要通过试验找出合适的复配比例及合适的掺量，就可以配制出和易性好而成本又无明显增加的混凝土。在条件允许的情况下，应尽可能多用矿渣微粉；降低Ⅱ级粉煤灰质量波动给混凝土带来的不利影响。另外，由于Ⅱ级粉煤灰和矿渣微粉同样具有增加混凝土粘度的趋势，因此不宜配制高强混凝土。

矿渣微粉与Ⅰ级粉煤灰复合使用应是最佳组合。粉煤灰可控制在20%以内，矿渣微粉可以控制在40%以内，它们之间的比例可以根据不同强度等级，不同技术要求进行调整。

2.2.4 注意调整混凝土的凝结时间

矿渣微粉对混凝土的凝结时间与不掺矿渣微粉的普通混凝土相比，具有一定的缓凝效果。混凝土的初凝、终凝时间比基准混凝土推迟1h～2h。因此，商品混凝土公司应注意调整混凝土的凝结时间，特别是冬季施工，应调整混凝土配合比，控制混凝土中的矿渣微粉掺量和使用早强型减水剂。

2.2.5 注意调整混凝土的用水量

矿渣微粉与高效减水剂复合使用时，具有辅助减水的功能，与只掺高效减水剂的普通水泥的混凝土相比，在保证混凝土初始坍落度相同的情况下，可以减少用水量。 3 结语

随着混凝土技术的发展，人们对混凝土的耐久性越来越重视，而配制耐久性混凝土的途径之一就是掺加包括矿渣微粉在内的矿物掺合料。随着矿渣微粉研究的不断深入，矿渣微粉的应用将会越来越大，从而将会改变以往仅以粉煤灰为主要掺合料的局面。同时，它还可以克服仅掺粉煤灰时取代水泥量有限的弱点，可以进一步降低水泥用量，改善混凝土耐久性，降低成本，节约能源，改善环境。