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礦渣微粉
SLAP POWDER
礦渣又稱粒化高爐礦渣，是由高爐煉鐵熔融的礦渣急冷時(shí)，結(jié)晶而大部分形成的玻璃態(tài)物質(zhì)，其主要成分為氧化鈣、氧化硅和氧化鋁，具有較高的潛在活性，在激化劑的作用下，與水化合可生成具有水硬性的膠凝材料。
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●礦渣粉可以等量取代水泥摻入混凝土中。
根據(jù)混凝土的不同使用要求，礦渣粉可以等量取代30—70%的水泥，則每立方混凝土可以降低生產(chǎn)成本15—30元，其他外摻料是不能達(dá)到這個(gè)效益的。
●改善新拌混凝土的工作性。
由于礦渣粉的需水量比水泥小，摻入礦渣粉可降低混凝土的水膠比，減少混凝土泌水量，增加流動(dòng)性，提高和易性、可泵性，因此保持良好的工作性。
●降低混凝土的水化熱。
由于可等量取代30—70%的水泥，減少了水泥水化時(shí)的放熱，水化總熱量就會(huì)減少，從而減低混凝土的升溫，避免因混凝土的溫升過快而引起的混凝土開裂。
●調(diào)整實(shí)際構(gòu)件中混凝土強(qiáng)度的發(fā)展
在不改變水灰比的情況下，用30—70%的礦渣粉等量取代水泥，會(huì)使混凝土早期強(qiáng)度降低。但因礦渣粉需水量比水泥小，實(shí)際中可以降低水灰比，在達(dá)到相同坍落度的情況下，混凝土的早期強(qiáng)度實(shí)際上不會(huì)下降。在實(shí)際構(gòu)件中，由于內(nèi)部溫升的作用，會(huì)使水泥強(qiáng)度下降。但摻入礦渣粉后，混凝土中的溫升對(duì)強(qiáng)度發(fā)展有利，溫度越高強(qiáng)度發(fā)展越快，所以實(shí)際構(gòu)件中的早期強(qiáng)度可以提高，后期強(qiáng)度增長比純水泥混凝土更快，特別是60天、90天，甚至一年后混凝土的強(qiáng)度還有大幅增長。
●提高抗化學(xué)腐蝕的能力，增強(qiáng)混凝土耐久性。
摻入礦渣粉后，一方面減少了水泥用量，也就減少了受腐蝕的內(nèi)部因素：另一方面，礦渣粉由于顆粒比水泥更細(xì)，可以均勻分散到水泥漿體中，這些顆粒水化后填充在水泥石空隙中，改善了混凝土孔結(jié)構(gòu)，逐漸降低混凝土的參透性，有效抑制堿集料反應(yīng)，提高抗硫酸鹽性能，增強(qiáng)抗海水腐蝕性能。
礦渣微粉應(yīng)用 / Application
[摘要] 本文介紹了國內(nèi)外礦渣微粉的應(yīng)用情況，并分析了礦渣微粉對(duì)商品混凝土性能的影響，說明了將礦渣微粉與I 級(jí)粉煤灰復(fù)合配制商品混凝土可以發(fā)揮優(yōu)勢互補(bǔ)效應(yīng)，使混凝土的性能得到進(jìn)一步改善。闡述了礦渣微粉在商品混凝土應(yīng)用過程中應(yīng)注意的問題。
1 引言
礦渣作為水泥混合材在我國已有40 多年的歷史，但20 世紀(jì)90 年代以前，大多數(shù)是將礦渣和水泥熟料一起粉磨，屬粗放型應(yīng)用。由于礦渣與水泥熟料的易磨性相差很大，與熟料混磨后的礦粉較粗，其比表面積為300m2/ kg 左右，在水泥水化時(shí)礦渣的活性不能充分發(fā)揮。因此，摻混合材的水泥一般都是早期強(qiáng)度低，凝結(jié)時(shí)間長。如將礦渣經(jīng)過單獨(dú)粉磨得到礦渣粉，由于其比表面積達(dá)到400m2/ kg 以上，顆粒較細(xì)，則其活性可以得到充分發(fā)揮，這種顆粒細(xì)小的粉磨礦渣就是磨細(xì)礦渣( GGBFS) (礦渣微粉) 。
2 礦渣微粉在國內(nèi)外的應(yīng)用情況
1862 年德國人發(fā)現(xiàn)水淬礦渣具有潛在的活性后， 礦渣長期作為水泥混合材使用。1865 年德國開始生產(chǎn)石灰礦渣水泥。隨著礦渣硅酸鹽水泥良好的耐久性及應(yīng)用價(jià)值不斷為人們所認(rèn)識(shí)，19 世紀(jì)初在歐洲得到了廣泛的應(yīng)用。德國有關(guān)礦渣硅酸鹽水泥的研究資料比硅酸鹽水泥的還要多。1933 年出現(xiàn)了濕碾礦渣及濕碾礦渣混凝土技術(shù)，50 年代這一技術(shù)曾在大型混凝土和預(yù)制混凝土中應(yīng)用，因濕碾礦渣漿具有儲(chǔ)存和運(yùn)輸困難的缺點(diǎn)，該技術(shù)并未得到廣泛推廣。1958 年南非將水淬礦渣烘干磨細(xì)，克服了濕碾礦渣漿儲(chǔ)存及運(yùn)輸困難的缺點(diǎn)，首次將礦粉用于商品混凝土。進(jìn)入60 年代，隨著預(yù)拌混凝土工業(yè)的興起和發(fā)展，礦粉作為混凝土的獨(dú)立組分得到了廣泛應(yīng)用，90 年代在東南亞、我國臺(tái)灣、香港地區(qū)也得到了廣泛的使用。目前，國外一些發(fā)達(dá)國家已將摻有礦粉的混凝土普遍用于各類建筑工程。西歐摻有礦粉的水泥約占水泥總用量的20 %；荷蘭礦粉摻量65 %～70 %的水泥約占水泥總銷量的60 % ，幾乎各種混凝土結(jié)構(gòu)都采用此種水泥;英國礦粉的每年銷售量已達(dá)到100 多萬噸;美國、加拿大現(xiàn)在也將礦粉摻入水泥中應(yīng)用于各種建筑工程;在日本、新加坡、東南亞地區(qū)礦粉普遍地應(yīng)用于商品混凝土和摻入水泥中。
美國1982 年發(fā)布了《混凝土和砂漿用的磨細(xì)?；郀t礦渣》標(biāo)準(zhǔn)(ASTM C989 - 82) ，并于1989 年進(jìn)行了修訂。澳大利亞、加拿大、英國等在1980 年- 1986 年期間也相繼制定了礦粉的材料標(biāo)準(zhǔn)。日本在1986 年由土木學(xué)會(huì)制定了《混凝土用礦渣粉》標(biāo)準(zhǔn)草案，于1995 年3 月正式修訂為日本的國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(J ISA6206 - 1995) ，日本1988 年還制定了《摻高爐礦渣粉的混凝土的設(shè)計(jì)與施工指南(草案)》。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施極大地推動(dòng)了礦粉混凝土技術(shù)的研究， 并促使礦粉混凝土技術(shù)得到了令人矚目的發(fā)展。在我國，礦渣運(yùn)用的歷史久遠(yuǎn)，但都是作為活性混合材添加在水泥熟料中，成為硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥。隨著國際上對(duì)礦粉研究地不斷深入和大規(guī)模地開發(fā)利用，我國20 世紀(jì)80 年代改革開放的力度不斷加大，預(yù)拌混凝土的崛起與發(fā)展以及政府日益注重的環(huán)境保護(hù)，自20 世紀(jì)90 年代起，我國開始了礦粉的特性及應(yīng)用研究工作。
1998 年上海市實(shí)施地方標(biāo)準(zhǔn)《混凝土和砂漿用粒化高爐礦渣微粉》，1999 年《?；郀t礦渣微粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》制定頒布。2000 年國家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土的粒化高爐礦渣粉》( GB18046 - 2000) 頒布實(shí)施，2002 年國家標(biāo)準(zhǔn)《高強(qiáng)、高性能混凝土用礦物外加劑》頒布，在該標(biāo)準(zhǔn)中正式將礦渣微粉命名為“礦物外加劑”納入混凝土第六組分。磨細(xì)礦渣作為一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品出現(xiàn)在建筑市場，廣泛應(yīng)用于商品混凝土中。礦粉的應(yīng)用逐漸成熟，并被廣泛接受和使用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)上海每年用于商品混凝土和摻加在水泥中的礦粉已達(dá)到80 萬噸。
3 礦渣微粉對(duì)混凝土性能的影響
3.1 礦粉細(xì)度( 比表面積) 及其對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響
磨細(xì)礦渣微粉磨到一定細(xì)度(比表面積) ，才能充分參與水化反應(yīng)提高活性。礦粉細(xì)度大小直接影響礦粉的增強(qiáng)效果，原則上礦粉細(xì)度越大則效果越好， 但要求過細(xì)則粉磨困難，成本大幅度增加。綜合考慮礦粉的細(xì)度以400m2/ kg～600m2/ kg 為佳，從表1 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析礦粉的細(xì)度也應(yīng)為400m2/ kg ～ 600m2/ kg。
但實(shí)際應(yīng)用中，由于礦渣較難磨細(xì)，考慮到磨機(jī)效率，礦渣磨細(xì)到400m2/ kg～500m2/ kg 已經(jīng)比較好了。從頒布執(zhí)行的GB/ T18046 - 2000 標(biāo)準(zhǔn)來看，只要將礦渣比表面積控制在420m2/ kg～450m2/ kg 即可滿足標(biāo)準(zhǔn)中S95 級(jí)要求。這樣，即可滿足預(yù)拌混凝土公司配制≤C60 混凝土的要求。除非需配制C80 以上的混凝土，否則勿需耗費(fèi)大量電能生產(chǎn)比表面積600m2/ kg 的磨細(xì)礦渣。另外，僅用比表面積作為礦渣粉的質(zhì)量指標(biāo)是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，因?yàn)椴煌勰ハ到y(tǒng)制備的磨細(xì)礦渣，即使比表面積相同，其活性指數(shù)(特別是7d 齡期時(shí)) 也不一定相同。
3.2 礦粉對(duì)混凝土耐久性的影響
(1) 礦粉降低水泥的水化熱
混凝土在硬化過程中，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生大量水化熱。由于混凝土熱阻很大，熱量聚集在內(nèi)部不易散發(fā)，而表面散熱較快，致使在混凝土內(nèi)部和表面形成較大溫差。這樣會(huì)導(dǎo)致不均勻溫度變形和溫度應(yīng)力， 一旦拉應(yīng)力超過混凝土即時(shí)抗拉強(qiáng)度，就會(huì)在混凝土內(nèi)部或表面產(chǎn)生裂縫。這種溫度裂縫是混凝土早期開裂的主要因素之一，往往是貫穿性的有害裂縫，對(duì)混凝土的耐久性十分不利。
(2) 礦粉提高混凝土抗?jié)B性能
超細(xì)礦粉對(duì)混凝土抗?jié)B性的改善主要取決于它的兩個(gè)綜合效應(yīng)；一是火山灰效應(yīng)，二是微集料效應(yīng)?；鹕交倚?yīng)；礦渣改變了膠結(jié)料與集料的界面粘結(jié)強(qiáng)度，普通混凝土的漿體與集料的界面粘結(jié)受水化產(chǎn)物Ca (OH) 2 定向排列的影響而強(qiáng)度降低。礦渣微粉吸收水泥水化時(shí)形成的Ca (OH) 2 ，并進(jìn)一步水化生成更多有利的C —S —H 凝膠，使界面區(qū)的Ca (OH) 2 晶粒變小，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，使水泥漿體的孔隙率明顯下降，強(qiáng)化了集料界面粘結(jié)力，從而使混凝土的抗?jié)B性能提高。
微集料效應(yīng)：混凝土體系可理解為連續(xù)級(jí)配的顆粒堆積體系，粗集料間隙由細(xì)集料填充，細(xì)集料間隙由水泥顆粒填充，水泥顆粒之間的間隙則由更細(xì)的顆粒填充。礦渣微粉可起到填充水泥顆粒間隙的微集料作用，從而改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，降低了孔隙率， 并減少了最大孔徑的尺寸，使混凝土形成了密實(shí)充填結(jié)構(gòu)和細(xì)觀層次的自緊密堆積體系，大幅度提高了混凝土的抗?jié)B性能，同時(shí)也防止了泌水、離析。
3.3 礦粉和粉煤灰復(fù)摻對(duì)混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響
為保證混凝土的可泵送性，商品混凝土要求有很好的流動(dòng)性，混凝土初始坍落度，一般控制在180mm 以上，泵送時(shí)坍落度一般控制在110mm。在水泥水化初期，礦渣微粉分布并包裹在水泥顆粒的表面，起到了延緩和減少水泥初期水化物相互搭接的隔離作用。
因此，使坍落度經(jīng)時(shí)損失也有所改善。在同樣混凝土配合比及摻用同樣高效減水劑的情況下，礦渣混凝土的坍落度經(jīng)時(shí)損失比普通混凝土小，有利于商品混凝土的泵送施工。另外，礦粉會(huì)使混凝土凝結(jié)時(shí)間有所延長。
礦渣和I 級(jí)粉煤灰復(fù)合摻加，兩種材料的火山灰效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)相互疊加，形成“工作性能互補(bǔ)效應(yīng)”和“強(qiáng)度互補(bǔ)效應(yīng)”，使混凝土具有良好的抗?jié)B性和可泵性。
(1) 混凝土“工作性能互補(bǔ)效應(yīng)”
對(duì)新拌混凝土，發(fā)揮粉煤灰的“形態(tài)效應(yīng)”。粉煤灰中富含的球狀玻璃體對(duì)漿體起到“潤滑作用”，增大了拌合料的流動(dòng)性，減小泵送阻力，改善由于礦粉的摻入所導(dǎo)致的混凝土粘聚性提高、泌水性增加的趨勢，使新拌混凝土得到最佳的流動(dòng)性和粘聚性。
(2) 混凝土“強(qiáng)度互補(bǔ)效應(yīng)”
粉煤灰等量取代水泥時(shí)，28d 強(qiáng)度基本都比空白混凝土強(qiáng)度低，而礦粉在合適的摻量下會(huì)使混凝土的28d 強(qiáng)度稍有提高，因此，二者有較好的“強(qiáng)度互補(bǔ)效應(yīng)”。二者復(fù)合使用還可兼顧混凝土早期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度，早期發(fā)揮礦粉的火山灰效應(yīng)，改善漿體和集料的界面結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)滯后于水泥熟料水化，從而使得火山灰反應(yīng)生成物和水泥水化生成的凝膠數(shù)量不足導(dǎo)致與未反應(yīng)的粉煤灰之間界面粘結(jié)不牢引起的早期強(qiáng)度損失;后期發(fā)揮I 級(jí)粉煤灰的火山灰效應(yīng)所帶來的孔徑細(xì)化作用以及未反應(yīng)的粉煤灰顆粒的“內(nèi)核作用”，使混凝土后期強(qiáng)度持續(xù)得到提高。
4 礦渣微粉在商品混凝土中的應(yīng)用
由于礦渣微粉具有以上的性能，所以代替水泥的用量是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展路線的很好的途經(jīng)。全國每年生產(chǎn)生鐵約1.6 億噸，每冶煉一噸生鐵，大約產(chǎn)生礦渣0.3 噸～1.0 噸。因此，全國每年的礦渣的產(chǎn)量大約在0.5 億噸～1.6 億噸之間。如果全部用來代替水泥，則可少生產(chǎn)至少1 億噸水泥。少生產(chǎn)1 億噸水泥，就可節(jié)省不可再生的石灰石資源、煤炭資源，減少向環(huán)境排放大量的二氧化碳1 億噸，建筑物的壽命也可大大延長，因此礦渣微粉的應(yīng)用對(duì)水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重大的意義。
4.1 應(yīng)用礦渣微粉和粉煤灰復(fù)合配制商品混凝土
磨細(xì)礦渣取代混凝土中的部分水泥，能夠提高混凝土的強(qiáng)度，改善混凝土的工作性能，降低溫升，延緩凝結(jié)時(shí)間，提高耐久性。在我國該項(xiàng)技術(shù)的研究和實(shí)踐越來越多，北京每年的用量已接近20 萬噸，而上海每年用量已超過80 萬噸。秦皇島前幾年由于受磨細(xì)礦渣粉加工水平限制以及產(chǎn)量低等原因，使得磨細(xì)礦渣粉在商品混凝土中未得到推廣和使用，但隨著唐鋼60 萬噸生產(chǎn)線的建成，在產(chǎn)品的供應(yīng)上均得到了保證。秦皇島近兩年建成的混凝土攪拌站都增加了礦粉倉，摻加礦粉混凝土已在一些重點(diǎn)工程中應(yīng)用，例如，秦皇島濱海城車庫等，可以預(yù)見未來數(shù)年將掀起磨細(xì)礦渣微粉的使用高潮。
4結(jié)束語
隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，對(duì)混凝土的耐久性越來越重視，而配制耐久性混凝土的途徑之一就是摻加包括礦粉在內(nèi)的礦物摻合料。大型立磨礦渣技術(shù)在我國的快速發(fā)展，使大量細(xì)度在400m2/ kg 的礦粉得到廣泛應(yīng)用。礦粉的大量應(yīng)用，改變以往僅以粉煤灰為主要摻合料的局面。對(duì)于商品混凝土攪拌站而言，這種礦粉的出現(xiàn)給我們配制混凝土帶來了很大的方便， 隨著礦粉研究和應(yīng)用的不斷深入，混凝土質(zhì)量會(huì)逐步改善。同時(shí)，礦粉的應(yīng)用，可以克服僅摻粉煤灰時(shí)取代水泥量有限的弱點(diǎn)，可以進(jìn)一步降低水泥用量，不僅可以改善混凝土耐久性，同時(shí)降低混凝土成本，節(jié)約能源，改善環(huán)境。
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