礦渣代砂混凝土和混摻礦渣粉混凝土研究現(xiàn)狀及發(fā)展

蔣威，孫天洋，張士萍，張智雅，賈思寧，湯杰

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院 江蘇 南京 211167）

0 引言

高爐礦渣是在煉鐵過程中經(jīng)由高爐產(chǎn)生的副產(chǎn)品。熔融狀態(tài)下的高爐礦渣經(jīng)過水冷處理后會呈現(xiàn)顆粒狀，從而就有了?；郀t礦渣。粒化高爐礦渣是由90%的SiO2、Al2O3、Fe2O3等氧化產(chǎn)物和少量的MgO 和硫化物組成。其化學(xué)成分和普通硅酸鹽水泥相近，且具有一定的活性。由于?；郀t礦渣具有這些特性使其能夠適量代替硅酸鹽水泥制成礦渣混凝土，而且?；郀t礦渣具有二次水化的能力，使得混凝土的性能在后期能有進(jìn)一步的提高。同時，?；郀t礦渣各項物理性能與天然砂相近，使得其能夠適量代替砂石制成礦渣代砂混凝土。5~20 目的礦渣代替天然砂石，300~400 目的礦粉代替硅酸鹽水泥，摻入其中可使制成的混凝土性能達(dá)到最佳。然而國內(nèi)對不同粒徑的礦渣分別取代硅酸鹽水泥和砂石摻入混凝土的研究還處于摸索階段，主要對此進(jìn)行歸納總結(jié)，綜述礦渣混凝土的研究現(xiàn)狀，提出一些待解決的問題以及對未來的展望。

1 研究背景及意義

由于當(dāng)今中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對住房的需求越來越高，必然導(dǎo)致混凝土需求量的增加。天然砂作為混凝土中的細(xì)骨料對混凝土的力學(xué)性能起著重要的作用。眾所周知，天然砂形成周期長，可以說天然砂稱得上是不可再生資源。隨著天然砂的不斷開采，部分地區(qū)河床的塌落，更重要的是環(huán)境遭到嚴(yán)重污染，這與可持續(xù)發(fā)展是相違背的。因此，很多地方限制開采。面對如此大的供需，機制砂被用來替代天然砂，然而機制砂和易性較差無法保證施工質(zhì)量。

我國是鋼鐵出口大國，鋼鐵的生產(chǎn)量居全球前列。冶煉生鐵必然地會產(chǎn)生大量的粒化高爐礦渣。如此龐大數(shù)量的?；郀t礦渣既浪費土地堆放又不可避免地污染環(huán)境。早前高爐礦渣被用來鋪設(shè)道路，利用仍算不上最大化。若礦渣取代部分天然砂作為細(xì)集料參與混凝土的形成，既緩解了天然砂的使用緊張情況又實現(xiàn)了綠色建筑這一理念。同時，300~400 目礦渣粉的價格相比水泥便宜不少，如果礦渣粉可作為膠凝材料取代水泥，而且力學(xué)性能以及耐久性能不會受到太大的影響，這樣每方混凝土便可節(jié)約一定的成本，有利于促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展。綜上所述，研究大摻量不同粒徑的礦渣混凝土是具有重大意義的。

2 國內(nèi)粒化高爐礦渣發(fā)展進(jìn)程

2.1 礦渣部分取代水泥

黃成華等[1]研究了礦渣等量取代以及超量取代水泥對混凝土性能的影響，試驗發(fā)現(xiàn)，隨著礦渣摻量的不斷增加，混凝土7d 強度呈線性下降；28d 以及60d 強度相較于不摻礦渣均有不同程度的增長。綜合表明：當(dāng)?shù)V渣摻量為30%時，相較于基準(zhǔn)混凝土，礦渣等量取代水泥混凝土的強度提升最高。礦渣超量取代且超代系數(shù)為1.3 時，對混凝土早期的強度提升最多，相較于礦渣等量取代，混凝土的強度能夠有更大的提升。無論是礦渣等量還是超量取代，在合理的摻量下其抗氯離子滲透性以及抗氣體滲透性都能得到改善。

衛(wèi)蕊艷等[2]對礦渣取代普通混凝土以及礦渣水泥混凝土進(jìn)行了研究，大量試驗驗表明礦渣等量取代時，混凝土的塌落度會得到明顯的改善。在水灰比＜0.45 時，2 種取代方式下的混凝土早期強度相較于素混凝土都會有所下降；水灰比＞0.45時，礦粉取代礦渣水泥混凝土的早期強度隨取代量的增加而增加。最后得出結(jié)論：礦渣等量取代硅酸鹽水泥，取代量在30%~40%為宜；礦粉等量取代礦渣水泥，最佳取代量在20%左右。

丁紅霞[3]研究了大摻量礦渣混凝土的各項性能，研究結(jié)果表明:礦渣粉混凝土中加入少量減水劑早期強度能夠得到保證，同時大摻量礦渣粉混凝土的抗氯離子滲透性較素混凝土有較好的提升，且得出最佳摻量在60%。由于替代部分硅酸鹽水泥使得生成的氫氧化鈣成分減少，從而抗碳化性能也相對減弱。

李志雄等[4]通過對礦渣粉等量取代硅酸鹽水泥進(jìn)行探究性實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：新拌混凝土的塌落度增加，凝結(jié)時間也在增加。在一定程度上，隨著取代率的增加，強度也隨之提高。最后得出最佳取代率范在25%~35%。

劉波等[5]研究大摻量礦渣粉在大體積混凝土中的應(yīng)用，試驗發(fā)現(xiàn)：隨著礦渣的摻入，大體積混凝土的水化熱逐漸降低，與此同時摻入礦渣，混凝土的后期強度有所提高以及抗氯離子滲透性也有所增強，但礦渣粉的取代對混凝土的干縮性能沒有明顯提升。最后得出最佳摻量為50%左右。

2.2 礦渣部分取代砂石

石東升等[6]通過快凍法試驗，在正交分析理論的基礎(chǔ)上，利用極差分析理論對礦渣代砂混凝土進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)代砂率100%?；郀t礦渣混凝土相比于其他的混凝土，抗壓強度更好，抗凍融破壞的能力也更強。經(jīng)過凍融后普通混凝土和完全礦渣代砂混凝土有相差不大的質(zhì)量損失，綜合來看礦渣代砂混凝土的抗凍性良好。

於林鋒等[7]人研究了用礦渣代替天然砂對混凝土性能的影響，得出結(jié)論，無論多少取代率的礦渣代砂混凝土工作性能都相對較差，使得塌落度以及泌水率相比于素混凝土差別較大。同時，在一定限度內(nèi)，礦渣代砂混凝土的抗壓抗折強度隨著取代率的提高而增加。

朱蓓蓉等[8]人研究了?；郀t礦渣作為細(xì)骨料對混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，由于礦渣相比于天然砂存在著差異，導(dǎo)致新拌混凝土的用水量增加。礦渣代砂水泥砂漿在初期抗折強度相對降低，28d 后不同礦渣代砂率水泥砂漿抗折強度有所提高。相同齡期下，水泥砂漿的干縮率會相對降低；礦渣代砂混凝土在不同強度等級下抗壓強度均高于普通混凝土，而且與礦渣代砂率成一定正比。

賈青等[9]分析了礦渣代砂混凝土的應(yīng)用前景，研究發(fā)現(xiàn)：礦渣摻入特細(xì)砂中可減少水泥用量，而且強度不會損失。同時，礦渣代砂混凝土相比素混凝土保溫隔熱性能更好。

李明軒等[10]通過正交試驗和對比試驗對礦渣代砂混凝土進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)：對新拌混凝土流動性影響最大的是砂率，水膠比、礦渣摻量次之，且得出礦渣最佳取代率為40%。礦渣代砂混凝土力學(xué)性能方面：礦渣取代率提高，混凝土抗壓強度在一定摻量范圍內(nèi)是增加的，最后得出最佳取代率是60%。

馬政等[11]通過對比試驗研究了礦渣代砂混凝土的干縮性，實驗表明：無論是礦渣代砂混凝土還是素混凝土，隨著水膠比的降低干縮值也會隨之降低；水膠比一定時，干縮值隨齡期的增加而增加。

無論是礦渣取代水泥混凝土還是礦渣代砂混凝土相較于普通混凝土工作性能都較差，特別體現(xiàn)在保水性較差這個方面；力學(xué)性能方面，在一定取代范圍內(nèi)，對比普通混凝土大摻量礦渣混凝土的抗壓抗折強度均有一定程度的提高，但是早期強度均不如普通混凝土；耐久性能方面，礦渣取代水泥混凝土具有較好的抗?jié)B性以及相對較差的抗碳化性能。礦渣代砂混凝土突出表現(xiàn)在具有較好的保溫隔熱性、良好的干縮性以及抗凍性。

3 不同粒徑大摻量礦渣混凝土存在的問題

（1） 由于礦渣和天然砂石的物理性質(zhì)還存在著些許差異導(dǎo)致礦渣代砂混凝土的早期強度會普遍低于普通混凝土，如果施工時需要用到早強混凝土?xí)r則需要考慮礦渣是否能夠摻入。

（2） 礦渣具有火山灰活性，堿激發(fā)劑有助于激發(fā)其活性。但值得關(guān)注的是不同的堿激發(fā)劑對于礦渣混凝土的性能影響大不相同。因此考慮選用堿激發(fā)劑的時候一定要多做實驗進(jìn)行對比，選擇合理的堿激發(fā)劑，切記不要盲目使用。

（3） 大量實驗表明礦渣作為單一物質(zhì)取代砂石或者水泥對混凝土性能的提高還是可觀的。那么礦渣能不能既取代砂石又取代水泥形成混凝土，它的效果怎么樣有待進(jìn)一步考察。

（4） 大摻量礦渣混凝土適當(dāng)添加外加劑可有效改善混凝土的性能，但能使混凝土達(dá)到最佳狀態(tài)時外加劑的摻量具體值目前還需細(xì)致的研究。

4 結(jié)語

（1） 冶煉生鐵產(chǎn)生的粒化高爐礦渣可以有效利用，部分礦渣取代水泥減少水泥用量，部分礦渣取代天然砂緩解了當(dāng)前天然砂使用緊張的情況，同時廢物利用，降低了生產(chǎn)成本。

（2） 由于礦渣粉混凝土凝結(jié)時間長，且具有降低水化熱的作用，這樣由于溫度應(yīng)力引起的混凝土開裂問題就能得到緩解，保證工程質(zhì)量。因此，該類混凝土在大體積混凝土中有著較大的價值，例如大壩，水電站等。

（3） 礦渣作為摻合料取代水泥和砂石，有利于改善混凝土的和易性和保水性。由于這些性能的提升，使得礦渣混凝土適用于大流動性混凝土的泵送。

（4） 大摻量礦渣混凝土具有良好的抗氯離子滲透性，可應(yīng)用于跨海大橋橋墩的建設(shè)。

（5） 10~20 目的?；郀t礦渣摻和價格低廉的特細(xì)砂配置成中砂作為細(xì)骨料，雖然可能有諸多缺點和不足，但從經(jīng)濟實惠以及可持續(xù)發(fā)展的角度而言值得被開發(fā)應(yīng)用。