礦渣微粉品質差別及其對混凝土性能的影響
關鍵詞： 礦渣微粉； 顆粒級配； 混凝土耐久性
0 前言
礦渣微粉是近年來新興的混凝土礦物摻合料。等量或超量取代水泥時， 不僅有較好的經濟效益， 還能顯著地改善新拌混凝土的工作性、降低混凝土水化溫升速率， 并可提高混凝土的抗腐蝕、抗?jié)B透等耐久性能。
鑒于其優(yōu)異的技術經濟性能， 目前在長三角地區(qū)，礦渣微粉的生產和應用發(fā)展迅速， 已成為商品 混凝土市場不可或缺的重要原料。自2002 年至2005 年， 僅供應上海地區(qū)市場的礦渣微粉生產企業(yè)已增加到十幾家。這其中有大型的專業(yè)礦渣微粉生產企業(yè)， 也有從原小水泥廠閑置的粉磨設備轉產而來的小型礦渣微粉粉磨站。但是， 由于各生產企業(yè)的原料來源、工藝和設備的水平、生產能力、技術力量等差別很大， 造成了市場上流通的礦渣微粉產品質量參差不齊。當前， 礦渣微粉生產企業(yè)一般采用國標GB/T 18046- 2000 進行質量控制， 而在實際應用的過程中， 某些礦渣微粉生產企業(yè)為片面追求經濟效益， 在礦渣微粉中摻入其他未經試驗研究及標準許可的外摻料、激發(fā)劑等， 使這些摻雜的“礦渣微粉”在按照國家標準進行檢測時， 可以獲得“優(yōu)良”的檢測結論， 但實際應用時往往會造成混凝土強度波動大， 新拌混凝土工作性能異常等問題， 特別是混凝土后期強度出現倒縮及伴隨而生的混凝土開裂，對混凝土結構的安全性和耐久性帶來了很大的隱患，使用戶的最終利益在不知情的情況下受到損害， 嚴重影響了礦粉優(yōu)異性能的發(fā)揮及其在商品混凝土中的推廣應用。本文研究了不同礦粉的品質差別及其對混凝土性能的影響， 旨在為各混凝土攪拌站合理選擇礦粉時提供幫助， 以避免不必要的損失。
1 原料
?。?1） 礦渣微粉 選用上海及周邊市場銷售的不同礦渣微粉產品， 品種及主要物理性質見表1。表2 為各礦粉的主要化學成分。
?。?2） 水泥 寶山水泥廠42．5 級普通硅酸鹽水泥。
2 試驗內容
2.1 礦粉活性指數
采用礦渣微粉： 硅酸鹽水泥=1： 1 的比例， 按照GB/T18046 進行水泥膠砂強度試驗， 用同齡期摻礦渣微粉水泥和純水泥膠砂強度的百分比表征礦粉活性指數，比較不同礦粉的品質差別。
2.2 混凝土試驗
以表3 的混凝土配合比為基準， 用不同礦粉等量替代部分水泥（ 替代率54．5%） 進行混凝土試驗。測定各混凝土的坍落度、不同齡期（ 3d、7d、28d、90d） 抗壓強度， 研究不同礦粉對混凝土施工性能以及早中期強度的影響。同時， 分別用ASTMC1202 電通量法測定各混凝土的抗氯離子滲透性能； 用平板法測定混凝土的當量裂縫長度， 評價不同礦粉對混凝土耐久性的影響。
2.3 微觀檢測
用XRD 分析不同礦粉的礦物組成， 用SEM觀察摻礦粉水泥漿體的水化相形貌變化， 分析不同礦粉的品質差別及其對混凝土性能產生影響的內在原因。
3 試驗結果和討論 3.1 不同礦粉的品質差別
?。?1） 活性指數
表4 為不同礦粉的活性系數測定結果。可以看到，S1、S2、S3、S6 礦渣微粉綜合活性指數較好， 膠砂強度發(fā)展比較均衡， 特別是后期強度， 摻入礦渣微粉的水泥膠砂表現出比純水泥膠砂更好的性能。而對于S4、S5礦渣微粉， 盡管其早期膠砂強度發(fā)展較快， 超過了S1的強度增長速度， 但是在28d 天后， 強度上升就變慢甚至出現強度倒縮現象， 說明其質量異常， 推斷其中可能摻有早強作用組分。
圖1 為礦粉S1、S4、S5 的XRD 圖譜， 可發(fā)現， S1 礦渣微粉X 射線衍射圖譜的特點是僅出現一個較緩的過渡峰， 這和正常礦渣微粉的圖譜是一致的。而S4、S5 圖譜中出現了結晶礦物的特征衍射峰， 其中S4 礦渣微粉中存在著明顯的碳酸鈣峰， 可初步判斷其中混和有少量磨細石灰石粉。S5 礦渣微粉中則同時存在少量的石膏峰和硅酸鈣峰， 以及部分石英成分， 判斷其中摻入了石膏、硅酸鹽熟料等活性組分， 這與活性系數試驗結果一致。
?。?2） 不同礦渣微粉的組成及顆粒級配
由表1 數據可以知道， 一般礦渣微粉比表面積控制在400~430 m2/kg 之間， 而相對應的顆粒級配的特點是0~1μm 之間的顆粒占總體積的17%左右， 1~6μm之間的顆粒在25%左右波動， S4、S5 礦渣微粉在0~1μm 之間的顆粒占總體積分別達到29．8%和27．9%，1~6μm 之間的顆粒也分別達到31．2%和30．1%， 細粉含量明顯偏高， 而上文XRD 分析已經發(fā)現S4、S5 中摻入了其他物質， 可進一步判斷出其中加入的外摻料可能是一些易磨性較好的活性礦物。此外， 在表2 中， S4、S5 礦渣微粉CaO、SO2 含量偏高， 進一步證實了上述推斷。
3.2 不同礦粉對混凝土性能的影響
表5 為不同品質礦渣微粉對混凝土工作性和耐久性的的影響。與基準混凝土相比， 采用S1、S2 等礦渣微粉時， 混凝土的坍落度得到了改善， 但是對于摻S4、S5礦渣微粉混凝土， 混凝土的坍落度反而下降了。
摻入普通礦渣微粉的混凝土能大大改善其抵抗氯離子滲透的性能， 如摻S1、S2、S3 礦渣微粉， 氯離子滲透性能（庫侖值）要比不摻礦渣微粉的混凝土低一半以上。但對于摻入早強組分的礦渣微粉如S4、S5 來說， 抗氯離子滲透性能不如未摻早強組分的礦渣微粉， 這可能和礦渣微粉中摻入的石灰石水化晶體較大， 微孔缺陷較多有關， 或者是與摻入的石膏組分造成的鈣礬石膨脹引起缺陷增多有關。
對于混凝土的抗裂性能， 摻入S1、S2 等純礦渣微粉成分的混凝土， 其當量裂縫的長度一般在300~500mm 之間， 說明摻入此類礦渣微粉能改善混凝土的抗裂能力。但摻S4 礦渣微粉混凝土的當量裂縫長度很大， 原因可能和S4 礦渣微粉中的石灰石成份有關。而摻S5 礦渣微粉的當量裂縫長度卻大大地改善了， 原因可能和S5 中有石膏等成分在硬化過程中產生的微膨脹效應有關。
圖2 為不同品質礦粉對混凝土各齡期抗壓強度的影響。在混凝土早期， S1、S2 等礦渣微粉混凝土的強度發(fā)展較純水泥混凝土慢， 但28d 強度特別是后期強度要逐漸高過純水泥混凝土， 說明選取合理品質的礦渣微粉對混凝土最終力學性能有良好的影響； 而S4、S5礦渣微粉混凝土的早期強度， 如3d 和7d 強度發(fā)展十分迅速， 但是后期強度比普通礦渣微粉混凝土強度反而要低， 說明其強度發(fā)展的潛力被過早地激發(fā)了。結合上面對這兩種礦渣微粉的組分及礦物分析， 可以認為這兩種礦渣微粉所含的早強組分， 是混凝土后期強度產生倒縮的原因。此外， 結合混凝土坍落度試驗結果，可以認為， 摻入含早強活性組分的礦渣微粉后， 混凝土早期強度雖然發(fā)展迅速， 但是由于水化速度提高導致需水量的增大， 因此會降低所配制的混凝土的工作性能。 
為進一步分析礦渣微粉品質對混凝土性能影響的內在原因， 用SEM分別對摻S1、S4、S5 礦渣微粉的混凝土的漿體水化產物（ 7d） 進行了形貌分析， 如圖3 所示?？梢园l(fā)現， S1 礦渣微粉和水泥的混合水化產物以致密的CSH 凝膠為主， 其致密效果要好于純水泥石的表面形貌， 這可以解釋上述摻入S1、S2 等礦渣微粉的砂漿、混凝土強度和耐久性能都得到改善的現象。而S4 由于礦渣微粉混合物中可能存在的石灰石組分對水化的促進作用， 因此水化產物中有水化碳硅酸鈣存在， 其水化產物顆粒較大， 且水化產物中還有較多CH晶體， 這進一步解釋了為什么S4 礦渣微粉混凝土早期強度好， 但是抗氯離子滲透性及抗裂性不好。S5 礦渣微粉水化產物中因有較多硫酸鹽組分， 因而可以看到較多的鈣礬石組分。所以其配制的砂漿和混凝土早期強度好， 早期抗裂性得以改善但是后期強度卻出現倒縮。
4 結論
?。?1） 不同礦粉在水泥膠砂和混凝土中對強度發(fā)展的作用和該礦粉的比表面積、組分及顆粒級配有關。較高的比表面積、適當的化學組成及較好的顆粒級配對膠砂強度和混凝土強度均有好的貢獻。
?。?2） 在礦粉中摻入能改善其早期強度的組分如石灰石粉、水泥膨脹劑或其他化學添加劑等， 在一定程度上可以改善礦粉的早期活性， 有助于產品通過質量驗收， 但在后期很可能會產生強度倒縮及混凝土耐久性下降等問題， 因此， 單純?yōu)榱颂岣叩V粉驗收指標而在礦粉中加入活性早強組分可能會給混凝土中、后期質量帶來嚴重的隱患。
?。?3） 由于不同組分礦粉對混凝土質量影響較大， 建議混凝土生產企業(yè)盡量使用不摻任何活性添加劑的“純”礦粉， 以保證混凝土質量， 降低混凝土中后期質量風險。
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