高炉矿渣粉作高性能混凝土掺合料的研究和应用

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1　前言

粒化高炉矿渣作水泥混合材生产矿渣水泥在我国已有近五十年历史。数量之大利用之广是公认的。矿渣水泥具有良好的物理力学性能和耐久性能在混凝土工程实践中得到肯定。随着粉磨工艺的发展及商品混凝土的兴起，粒化高炉矿渣粉作水泥混合材和高性能混凝土掺合料得到更广泛地利用。八十年代以来, 美、日、英、法、加拿大、奥地利等国家相继制订了国家标准。

从90年代开始，冶金部建筑研究总院工业渣处理利用研究室等科研单位研究工业渣粉作高性能混凝土掺合料取得成功，尔后，冶建总院试验厂生产了近万t掺合料，用于首都机场扩建工程和北京的其它建筑工程，取得了良好的技术经济效果。引起了混凝土界高度重视，成为一项高新技术成果，业已制定了国家标准。

2　高性能混凝土掺合料是21世纪混凝土发展的关键

混凝土自诞生以来，在世界范围内被广泛采用。过去由于过多重视混凝土的强度而忽视耐久性能， 造成许多混凝土建筑工程早期破坏，致使投入大量资金重建或维修。美、英等国家建筑专家自90年代以来提出高性能混凝土的新概念。

因此，我国水泥和混凝土专家也开始对高性能混凝土进行系统的研究。高性能混凝土是21世纪我国建筑业的主要结构材料。高性能混凝土是指具有强度高、耐久性好，同时具有良好的工作性能的混凝土。强度高是指强度等级在C60以上。耐久性能好是指耐磨性、水化热、胀缩性、脆性、韧性、疲劳强度、抗冻性、抗侵蚀性、抗碳化性、抗碱集料反应及抗钢筋锈蚀等性能好。良好的工作性是指混凝土拌合物应具有良好的施工性能，如粘聚性、不泌水性、可泵性等。随着高层建筑和超高层建筑、大跨度桥梁、高速公路等工程建设的快速发展，强度等级在C60以上的混凝土就用量增大。以前配制高强混凝土依赖于高标号水泥和外加剂，但是只用高标号水泥配制的混凝土水化热高，易产生裂缝，导致混凝土强度降低。采用降低混凝土的水灰比，减少混凝土的孔隙率，增加密实度的方法，其后果是不能保证施工时的大流动度的要求，同时水灰比降至0.3～0.2时, 必然有大量的水泥颗粒得不到充分水化，影响混凝土的后期耐久性。

因此，在配制高性能混凝土时要采用外加剂，以降低水灰比，保证混凝土能满足施工要求的流动度。同时要掺入掺合料以提高混凝土的强度，改善其耐久性能。这在特种混凝土, 如抗渗混凝土、抗冻混凝土、大体积混凝土的相关规程中都有所规定。从国内外文献资料可知，作高性能混凝土掺合料的品种有粒化高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰。其中由于硅灰量少价高等原因，因此，利用粒化高炉矿渣粉作高性能混凝土掺合料成为主要研究课题。

3　高性能混凝土掺合料的组份

该掺合料是以粒化高炉矿渣为主要原材料掺入部分其它组份，经超细粉磨而成的一种活性材料。

4　化学成份(% )

SiO2：31.24～39.61；A l2O3：7.84～16.66

Fe2O3：0.28～3.88；CaO ：30.59～45.38

MgO ：1.94～ 12.79；MnO ：0.21～1.45

TiO2：0.28～ 2. 77；S：0.34～1. 44

碱性系数：0. 78～1.13；质量系数：1.38～1.91。

5　物理性能

比表面积：m2/kg 大于400

活性指数：% 7d 大于75

　　　　　 28d 大于95

流动度比：% 大于95

含水率：% 小于1.0

三氧化硫：% 小于4.0

6　掺合料掺入量与混凝土强度的关系

在配制混凝土时，掺合料与水泥同时加入。一般掺合料的掺入量为水泥重量的20%～50% ，掺合料等量取代水泥。现以某厂掺合料的性能试验举例如下：

(1) 采用425号普通水泥，水泥用量为260kg/m3，掺合料用量为140kg/m3，其混凝土7d抗压强度为37.5MPa，28d 为62MPa。

(2) 同上水泥，水泥用量为325kg/m3，掺合料用量为175kg/m3，其混凝土7d抗压强度为49MPa，28d为72MPa。

(3) 采用525 号P. Ê水泥，水泥用量为358 kg/m3，掺合料用量为192 kg/m3，其混凝土7d抗压强度为kg/m3，28d为kg/m3。

7　混凝土性能

(1) 坍落度

在水灰比相同时，掺入掺合料，其坍落度增大值在10cm以上。混凝土的初凝时间比未掺的推迟1～2h，工作性能保持良好。坍落度和扩展度在3h 内损失不大于10% ，有利于混凝土泵送施工。

(2) 可泵性

用混凝土粘度计时仪测定，流出时间8～30s，扩展度大于460mm 时，拌合物流动性能良好，便于泵送；流出时间在8～15s，扩展度在600～750mm时，拌合物的流动性、抗分离性、间隙通过性都很好，可填充到构筑物各部位自行密实。

(3) 抗渗性能

掺合料可提高混凝土的密实性和抗渗透能力，当水泥用量为325 kg/m3，掺合料用量为175 kg/m3，混凝土28d 抗压强度为71.9M Pa，抗渗试件水压至3.0M Pa，持续8h 后无渗水现象。

(4) 水化热

425号普通水泥3d水化热为235k j/kg，7d 为260 k j/kg，当掺入35% 的掺合料后，3d 水化热降至160k k j/kg，7d 降至206 k j/kg。

(5) 抗冻性

C40～C60 掺有掺合料的混凝土，在- 20℃下冻融200次，强度无损失。

8　生产工艺

掺合料生产工艺简单，流程如下：原材料烘干→配料→超细粉磨→储存→检验→出厂超细粉磨是工艺的技术关键。经多年研究实践认为采用水泥厂常用的管磨机需进行内部结构改造才可生产出合格产品，做到高产低耗的效果。

9　应用和市场展望

(1) 首都机场扩建工程是国家重点工程项目。其中航站楼、楼前路桥系统、停车楼的梁、板、柱、墙主体结构均采用掺入20%～ 40% (胶材总量) 矿渣粉的混凝土，混凝土的强度等级为C50、C60，坍落度为18～20cm，混凝土用量约10万m3。

(2) 粒化高炉矿渣粉在北京地铁复八线工程的混凝土中也被大量应用。

(3) 上海教育电视台综合楼基础承台，混凝土用量为3000m3，强度等级为C40，渣粉掺量为胶材总量的50%。

(4) 上海金帆大厦，混凝土用量为11600m3，强度等级为C40，渣粉掺量为胶材总量的40.2%。

(5) 上海明天广场工程，混凝土用量为3000 m3，强度等级为C80，渣粉掺量为胶材总量的20%。

(6) 在太原、天津、杭州等地也有采用矿渣粉配制混凝土的工程。

(7) 市场展望

以我国水泥年产量5.5亿t 计，混凝土中渣粉用量为20%时，市场需求掺合料数量为1.1亿t。目前该产品还未被大量推广使用，产量很低，远远不能满足市场需求，故该产品市场发展前景广阔。

10　技术经济效益

(1) 高性能混凝土掺合料可等量取代20%～50%高标号水泥，降低混凝土的成本，缩小混凝土构件断面尺寸，降低材料用量。

(2) 降低混凝土的水化热，避免产生热应力裂缝，提高混凝土的耐久性，延长混凝土构筑物的使用年限，节省维修费用。

(3) 改善混凝土的和易性，利于快速施工，可配制免振自密实混凝土，以保证工程质量。

(4) 可抑制混凝土的碱集料反应。

(5) 该产品成本低，经济效益高。

11　结语

(1) 高性能混凝土是具有强度高、耐久性好、工作性能好的建筑材料。21 世纪我国将大力发展高性能混凝土。

(2) 粒化高炉矿渣是一种活性材料，经过超细粉磨后，其活性显著提高。用作混凝土掺合料等量取代20%～50%水泥，可配制成高性能混凝土。

(3) 利用水泥厂的管磨机经过内部结构的改造，即可生产比表面积大于400m2/kg 的矿渣粉，配制高性能混凝土用于各种建筑工程。

(4) 粒化高炉矿渣粉作混凝土掺合料是高炉矿渣资源化利用的重要途径。生产该产品具有显著的社会、经济效益。