结构基础辅导:论超细矿渣粉在混凝土中的应用

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超细矿渣粉(或超细粒化高炉矿渣粉)系指符合国家标准《用于水泥中粒化高炉矿渣》GB/T203—1994规定的粒化高炉矿渣经干燥、粉磨(或添加少量石膏一起粉磨)达到相当细度且符合相应活性指数的粉体。

从1969年起,英国、德国等发达国家就开始了超细矿渣粉在混凝土中作为矿物掺合料的应用。自上世纪90年代起,我国开始了超细矿渣粉的应用研究工作。2000年,国家标准《用于水泥和混凝土的粒化高炉矿渣粉》GB/T18046—2000正式颁布。2020年,国家标准《高强、高性能混凝土用矿物外加剂》颁布实施。在该标准中,正式将超细矿渣粉命名为“矿物掺合料”,纳入混凝土第六组分。从此,超细矿渣粉作为一个独立的新产品横空出世,并立即被广泛地接受和应用。

2020年,山西彤阳炉料有限公司正式投产。其主要产品—“彤阳”牌S105级超细矿渣粉,以山西海鑫钢铁集团高炉矿渣为主料,严格按照优于国家标准的企业标准进行生产。我山西海鑫海天混凝土公司经过一年多的应用实践表明:掺入“彤阳”牌S105级超细矿渣粉的混凝土具有改善拌合物和易性、高强度、高抗渗性、高抗冻性、高抗裂性、高耐腐蚀性、降低水泥用量和水化热等特性,极大地改善了混凝土的拌合物性能、力学性能和长期耐久性能。

一、超细矿渣粉在混凝土中的作用

首先,我先介绍一下总的指导思想。

我们认为,除了原材料的质量以外,混凝土结构中最为薄弱的环节(或部位)主要有两个:一是骨料与水泥石的过渡区。二是水泥水化产物(或二次水化产物)之间的空隙。那么,凡是能够改善混凝土结构薄弱环节(或部位)的措施,都能够改善混凝土的性能。

我们所论述的超细矿渣粉在混凝土中的应用,正是由于改善了混凝土结构中“水泥水化产物(或二次水化产物)之间的空隙”的薄弱环节(或部位),混凝土的各种性能(拌合物性能、力学性能和长期耐久性能等)自然能够得以改善。

1、改善混凝土的微结构。

主要是通过改善混凝土细微颗粒的级配,即改善粉体材料在混凝土中的粒度分布,产生密实堆积填充效应,使混凝土的孔结构优化(即大孔数量减少,小孔数量增加,平均孔径降低,分布更为合理),空隙率降低(特别是水泥水化产物之间的空隙),微结构更为密实。

2、降低混凝土的拌合用水量。(特别是游离态有害水的含量)

我们知道,水泥的完全水化仅仅需要一小部分水,混凝土中的大部分水是为了满足其工作性而引入的。我们称之为游离态有害水。在混凝土施工和硬化中仅仅有一小部分游离态有害水可能会通过空气蒸发和模板渗出,但是大部分游离态有害水会在混凝土硬化后形成较大的空隙,从而给混凝土结构造成了永久的伤害。当混凝土的孔结构优化,空隙率降低时,其游离态有害水的含量即可相应降低。

3、改善混凝土拌合物的和易性。

由于超细矿渣粉是细微球状体,其表面光滑,且性能稳定,在混凝土中能够起到一种类似于轴承的微珠润滑作用,减少了摩擦阻力,即有效地改善了混凝土拌合物的和易性(即流动性、黏聚性、保水性等)。混凝土拌合物的和易性好,则坍落度经时损失小,工作性好(可泵性等)。

4、提高混凝土的强度。

其一是改善混凝土的微结构,增加密实度,以提高混凝土的强度。

其二,超细矿渣粉中含有丰富的活性SiO2等,能够与水泥的水化产物Ca(OH)2进行二次水化反应,生成密实度更高的硅酸凝胶。

(1)、试验原材料

水泥:海鑫P.S42.5矿渣硅酸盐水泥。

矿粉:彤阳S105级矿渣粉。

密度(g/cm3)

比表面积(m2/Kg)

活性指数(%)

流动度比(%)

三氧化硫(%)

氯离子

(%)

烧失量

(%)

2.9

460

117

93

1.0

0.017

0.2

粉煤灰:河津Ⅱ级粉煤灰。

砂:杨徐砂,Ⅱ区中砂,颗粒级配基本符合规定。

碎石:岭西东碎石,5mm-26.5mm连续级配。

外加剂:郭锁稳高性能泵送剂(粉剂)。凝结时间:14-16小时。

(2)、试验及试验结果

试验1、水泥胶砂超细矿渣粉掺量试验

水泥(g)

超细矿渣粉(g)

掺量(%)

28天抗压强度(Mpa)

450

0

0

54.4

427.5

22.5

5

54.3

405

45

10

60.6

360

90

20

62.5

315

135

30

63.4

270

180

40

66.6

225

225

50

62.4

180

270

60

50.1

试验2、混凝土超细矿渣粉掺量试验

混凝土试验用配合比

编号

掺量

水泥

矿渣

外加剂

01

0

600

0

580

1008

160

2.7

02

5

570

30

580

1008

160

2.7

03

10

540

60

580

1008

160

2.7

04

20

480

120

580

1008

160

2.7

05

30

420

180

580

1008

160

2.7

06

40

360

240

580

1008

160

2.7

07

50

300

300

580

1008

160

2.7

08

60

240

360

580

1008

160

2.7

混凝土和易性、坍落度及抗压强度

编号

和易性

坍落度(mm)

快养抗压强度(Mpa)

28天抗压强度(Mpa)

01

一般

180

53.9

63.2

02

一般

190

54.8

63.9

03

200

57.0

75.8

04

215

57.9

77.2

05

235

59.4

78.8

06

良好

240

62.5

83.3

07

良好

255

60.1

78.0

08

良好

260

49.7

60.6

(3)、结论

随着超细矿渣粉掺量的增加,混凝土(水泥)各龄期的抗压强度均有增长。但是,当掺到50%时,其快养和28天抗压强度有缓慢的下降趋势;当掺到60%时,其快养和28天抗压强度已经有比较明显的下降趋势。因此,我们必须确定其掺量。

超细矿渣粉掺量的确定应符合以下两点:

①、必须满足各类工程和各种施工工艺的要求;

②、必须满足混凝土的和易性、凝结时间和强度的要求。

根据以上两点,并结合水泥的品种、标号、强度和大气温度以及超细矿渣粉的质量确定其掺量。

5、降低混凝土的水泥用量和水化热。

国家标准规定:混凝土中心温度与表面温度的温差不得超过25℃。在混凝土强度一定的情况下,掺加超细矿渣粉,可大幅降低水泥用量。同时可推迟热峰的出现时间。

6、提高混凝土的抗渗性。

采用上述编号为05、06的混凝土抗渗试件,分别在2.5Mpa压力下恒压48h。结果是其试件上端面无一渗水。劈开试件,测量其渗水高度。结果如下:

编号

渗水高度(cm)

05

3.0

06

1.8

从上表可知,在2.5Mpa的压力下,其试件上端面无一渗水,且渗水高度都较小。这充分说明掺入超细矿渣粉的混凝土有相当好的抗渗性。

7、提高混凝土的抗冻性。

大量研究表明:混凝土的胶凝材料用量、水胶比、引气性能等是影响混凝土抗冻性的主要因素。混凝土水胶比大时,其游离态有害水多,硬化后内部孔结构差、空隙率大,则受冻融循环破坏的几率大。当在混凝土中引入大量的、细微的、均匀的气泡时,这些细微气泡即细微空间可以作为体积膨胀的“缓冲阀”,降低和避免其他物理和化学反应引起的破坏。经试验表明,掺入超细矿渣粉的混凝土,其抗冻性明显高于普通混凝土。

8、提高混凝土的抗裂性。

混凝土在硬化过程中,由于化学减缩、冷缩和干缩等原因会引起体积收缩,其收缩值为自生体积的0.04%左右。这些收缩会给混凝土的体积稳定性带来很大的危害。经试验表明,掺入超细矿渣粉的混凝土,会产生适度的微膨胀。在钢筋和骨料的约束下,可产生一定的预压应力,以抵消混凝土在硬化过程产生的拉应力,补偿部分水化热引起的温度应力,减少和避免混凝土裂缝的产生。

9、提高混凝土的耐腐蚀性。

超细矿渣粉中含有丰富的活性SiO2等,能够与水泥的水化产物Ca(OH)2进行二次水化反应,从而降低了混凝土硬化后水泥胶体与SO42-反应生成钙矾石的机会,一定程度上抑制了SO42-等离子的侵蚀破坏。(这种钙矾石,由于体积膨胀产生的应力受到了硬化后混凝土的约束,因此,其破坏力。)另外,超细矿渣粉的掺加减少了水泥用量,即减少了水泥引入的碱含量,从而降低混凝土发生碱—集料反应的破坏可能性。

10、延长混凝土结构的使用寿命。

Mehta(美特)整体论模型指出:“一个不透水但存在微裂缝且多孔的混凝土→经侵蚀冷热循环、干湿循环→混凝土结构微裂缝增加、相连→水的渗入,有害物质侵蚀→混凝土膨胀、钢筋锈蚀、碱骨料反应、水结冰、硫酸盐侵蚀使混凝土强度和刚度降低→开裂破坏与整体性丧失。”

模型清楚地表明:混凝土的不透水性是任何物理、化学破坏过程中的第一道防线。因此,超细矿渣粉在混凝土中的应用对混凝土的可持续发展(即节约利用混凝土原材料,提高混凝土结构耐久性)有着非常重要的意义。

二、超细矿渣粉的应用范围

1、高强度等级混凝土

配制C50混凝土,采用目前的水泥有相当的难度。那么,配制C60、C70甚至C80混凝土,就必须掺加超细矿渣粉(以及高性能外加剂)才能够完成。

2、大体积混凝土

可以降低水泥用量和水化热,推迟热峰的出现时间,有效地防止诸如裂缝等问题。

3、除了上述应用范围以外,只要采用水泥、混凝土,都可以掺加不同掺量的超细矿渣粉。

总之,超细矿渣粉在混凝土中的应用,不仅是混凝土的质量问题,而且是关系到“建设节约型社会、走可持续发展道路”的大问题。

我们是很普通的试验员,但我们也和大多数试验员一样,是很有社会责任感的试验员。在做本文的时候,一方面是想介绍一下“彤阳”牌超细矿渣粉,让好产品派上好用场;另一方面,更重要的是想借此机会,向各位专家和同仁交流一下我们的一些学习思考的体会。

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