高爐礦渣粉對混凝土性能的影響研究

隋 偉,陳 良,肖 陽*,熊靖宇

(1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 桂平 537200)

礦渣粉，即磨細水淬高爐礦渣粉，其英文縮寫為GGBS或GGBFS，是由煉鐵高爐排出的熔融態(tài)礦渣經(jīng)水淬、粒化后再進行干燥、磨細加工而得到的一種粉末狀產(chǎn)品，其主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3和CaO，與普通硅酸鹽水泥相近，具有自身水化硬化的特點[1]。

高爐礦渣粉作為礦物摻合料，可等量取代水泥，在降低混凝土水化熱的同時，可顯著改善混凝土的工作性能[2]，提高混凝土的強度[3-4]，適量的礦渣粉也可提升混凝土的早期抗凍能力[5]和抗氯離子滲透能力[6]。高爐礦渣粉作用效果的發(fā)揮主要依賴于“三重效應(yīng)”，即形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和化學(xué)活性效應(yīng)。高爐礦渣粉顆粒細小且接近球形，在混凝土內(nèi)部可起到“滾珠作用”，進而改善混凝土的和易性能，同時高爐礦渣粉可填充水泥石與骨料間界面或水泥石的部分孔隙，顯著提升混凝土結(jié)構(gòu)的整體密實度，在一定程度上改善混凝土的界面結(jié)構(gòu)并且減少水泥水化初期產(chǎn)物的相互搭接[7]，進一步改善混凝土的力學(xué)及耐久性能。高爐礦渣粉具有極高的化學(xué)活性，其可與Ca(OH)2反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)更為致密的水化硅酸鈣凝膠，進而再次改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)，顯著提升混凝土的各項性能。

1 試驗原材料及測試方法

1.1 試驗原材料

a)水泥。選用中熱硅酸鹽P.MH42.5級水泥，其性能檢驗結(jié)果見表1、2。

表1 水泥物理性能檢驗成果

表2 水泥化學(xué)分析檢驗成果

b)高爐礦渣粉。選用S95礦渣微粉，其性能檢驗結(jié)果見表3。

表3 S95礦渣微粉性能檢驗成果

c)細骨料。人工砂細度模數(shù)為2.7；飽和面干表觀密度為2 610 kg/m3；飽和面干吸水率為0.8%；石粉含量為17%；堅固性為2%。

d)粗骨料。5～20、20～40、40～80 mm連續(xù)級配，粗骨料性能指標檢驗成果見表4，所檢指標均滿足SL 677—2014《水工混凝土施工規(guī)范》要求。

表4 粗骨料性能檢驗成果

e)減水劑。選用XYQ-SPH型聚羧酸高性能減水劑，減水率為27%。

f)引氣劑。選用YQ-AE型混凝土引氣劑，減水率為10%，含氣量為5.0%。

1.2 測試方法

混凝土拌合物性能、立方體抗壓強度、抗沖磨、抗凍性、抗?jié)B性、熱學(xué)性能及自生體積變形等試驗均按照SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》開展，涉及的主要儀器包括微機控制電液伺服壓力試驗機(YAW-2000)、混凝土抗?jié)B儀(HS-4)、混凝土鋼球沖磨儀(ST-16J)、混凝土快速凍融機(CDR3)、混凝土熱物理參數(shù)測定儀(HR-3)、差動電阻測量儀(PRM-1)等。試驗過程涉及的混凝土試件均采用標準尺寸。

2 試驗結(jié)果與分析

結(jié)合大藤峽水利樞紐工程混凝土的技術(shù)要求，試驗研究選用高爐礦渣粉的摻量為25%、35%，高爐礦渣粉摻量變化時應(yīng)始終保持混凝土配合比的其他參數(shù)不變，試驗圍繞高爐礦渣粉對和易性能、力學(xué)性能、抗沖磨性能、熱學(xué)性能、體積穩(wěn)定性、抗凍性能及抗?jié)B性能的影響規(guī)律開展，在一定程度上揭示了高爐礦渣粉對混凝土各項性能的作用效果，混凝土配合比的主要參數(shù)見表5。

表5 混凝土配合比的主要參數(shù)

2.1 和易性能試驗

高爐礦渣粉顆粒形狀接近球形，物理性能相對較穩(wěn)定，進而一定程度上減少新拌混凝土物料之間的摩擦，增大混凝土的坍落度，改善混凝土的和易性能[8]，同時高爐礦渣粉顆粒細小，比表面積相對較大，摻入量過高，也可能會造成混凝土離散性增大，從而對和易性產(chǎn)生負面影響，因此高爐礦渣粉應(yīng)用時，應(yīng)重點關(guān)注其比表面積，盡量與水泥顆粒形成良好的級配，摻入比例不宜過大[9]。不同配制參數(shù)、不同組分混凝土的坍落度、含氣量及凝結(jié)時間(初凝、終凝)隨水膠比的變化關(guān)系分別見圖1—3。試驗結(jié)果如下。

圖1 坍落度隨水膠比的變化關(guān)系

a)單方用水量、水膠比相同時，未摻礦渣粉混凝土的坍落度相對較小，摻25%、35%礦渣粉混凝土的坍落度相差不大，由此可見，礦渣粉的摻入在一定程度上可以增大坍落度。

b)單方用水量、水膠比相同時，不摻礦渣粉混凝土的含氣量相對較高，摻35%礦渣粉混凝土的含氣量最小，這可能是因為礦渣粉顆粒細小，表面吸附氣泡的能力較強，因而摻量越高吸附的氣泡越多，進一步表現(xiàn)為混凝土的含氣量相對較低。

c)單方用水量、水膠比相同時，不摻礦渣粉混凝土的凝結(jié)時間最短，摻35%礦渣粉混凝土的凝結(jié)時間相對較長，這可能是礦渣粉活性較水泥活性低的宏觀表現(xiàn)之一。

圖2 含氣量隨水膠比的變化關(guān)系

圖3 凝結(jié)時間隨水膠比的變化關(guān)系

2.2 立方體抗壓強度試驗

不同配制參數(shù)、不同組分混凝土的3、7、28 d立方體抗壓強度隨水膠比的變化關(guān)系見圖4。試驗結(jié)果表明：單方用水量、水膠比相同時，隨著礦渣粉摻量的增加，混凝土的3、7 d抗壓強度逐漸降低，但28 d抗壓強度卻呈現(xiàn)出增長的趨勢，由此可見，在摻量合理的條件下，礦渣粉摻量越高，混凝土后期的強度增長率也越高。該現(xiàn)象可能是礦渣粉“化學(xué)活性效應(yīng)”的宏觀表現(xiàn)，礦渣粉的摻入有效降低了混凝土孔隙率，增大了結(jié)構(gòu)密實度，同時礦渣粉可與水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成硅酸鈣凝膠，進一步改善孔結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)，宏觀表現(xiàn)為抗壓強度相對較高。

圖4 立方體抗壓強度隨水膠比的變化關(guān)系

2.3 抗沖磨試驗

混凝土抗沖磨試驗采用水下鋼球法，試驗操作依據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進行。該部分試驗僅對二級配混凝土開展，通過測定不同組分混凝土累計沖磨72 h后的抗沖磨強度及磨損率評價混凝土的抗沖磨性能。不同配制參數(shù)、不同組分混凝土的抗沖磨強度及磨損率隨水膠比的變化關(guān)系見圖5。

由圖5可以看出：礦渣粉的摻入在一定程度上可以改善混凝土的抗沖磨性能[10]，且摻量越大改善效果越顯著。與未摻礦渣粉的混凝土相比，摻入25%、35%礦渣粉混凝土的抗沖磨強度分別提高了1.61%、2.65%，磨損率分別降低了4.73%、6.51%。

圖5 抗沖磨強度及磨損率隨水膠比的變化關(guān)系

2.4 抗凍及抗?jié)B性試驗

混凝土抗凍性能試驗采用快凍法，抗?jié)B性試驗采用逐級加壓法，試驗操作依據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進行，不同配制參數(shù)、不同組分混凝土的抗?jié)B等級均高于W6，抗凍性試驗成果見表6。

表6 抗凍性試驗成果

由表6可以看出：水膠比、單方用水量相同時，相比于未摻礦渣粉的混凝土，摻25%、35%礦渣粉混凝土的抗凍等級明顯較高，摻入礦渣粉后混凝土的抗凍等級最低為F200，最高可達F400以上，由此可見，一定摻量的礦渣粉可顯著改善混凝土的抗凍性能。有學(xué)者[11-12]通過研究不同礦渣粉摻量對混凝土抗凍性能的影響規(guī)律得出：當?shù)V渣粉摻量為30%～40%時，改善混凝土抗凍性的效果最為顯著，這也與本次試驗的研究成果不謀而合。高爐礦渣粉對混凝土抗凍性、抗?jié)B性的改善效果主要依賴于化學(xué)活性效應(yīng)，高爐礦渣粉可與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)更為致密的水化硅酸鈣凝膠，降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，優(yōu)化了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)，宏觀表現(xiàn)為混凝土抗凍及抗?jié)B能力的提升。

2.5 熱學(xué)性能試驗

熱學(xué)性能主要指混凝土產(chǎn)生或者散失熱量的性能，其是分析大體積混凝土內(nèi)部溫度、溫度應(yīng)力及溫度變形規(guī)律的主要依據(jù)，主要試驗參數(shù)包括導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)及線膨脹系數(shù)。結(jié)合拌合物性能、立方體抗壓強度、抗沖磨及抗凍性等試驗成果，確定最優(yōu)礦渣粉摻量為35%，進一步優(yōu)選編號DKZ335-2、DKZ335-4、DKZ335-5、DKZ335-7、DKZ235-1混凝土開展熱學(xué)性能試驗，以便為工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。熱學(xué)性能試驗成果見表7。

表7 熱學(xué)性能試驗成果

由表7可以看出：高爐礦渣粉摻量選定為35%時，不同骨料級配、不同組分混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)的最大差異分別為0.000 149 m2/h、0.590 9 kJ/(m·h·℃)、0.50×10-6/℃，總體上來看，上述熱學(xué)試驗參數(shù)隨水膠比、膠凝材料用量、骨料用量的變化不大，未體現(xiàn)出明顯的趨勢或規(guī)律。

2.6 自生體積變形試驗

混凝土在恒溫絕濕和無外荷載的條件下，僅僅由于膠凝材料的水化作用引起的體積變形[13-14]，一般稱為自生體積變形，主要影響因素為水泥品種、礦物摻合料品種以及骨料種類與含量等。有學(xué)者基于某工程優(yōu)選不同混凝土原材料開展自生體積變形試驗，得到：混凝土原材料對自生體積變形影響效果的優(yōu)先順序為：水泥>粉煤灰>>骨料>外加劑[15]。

結(jié)合拌合物性能、立方體抗壓強度、抗沖磨及抗凍性等試驗成果，確定最優(yōu)礦渣粉摻量為35%，進一步優(yōu)選編號DKZ235-1、DKZ335-7、DKZ335-5、DKZ335-4、DKZ335-2混凝土開展自生體積變形試驗，以便為工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。自生體積變形隨試驗周期的變化關(guān)系見圖6。

圖6 自生體積變形隨試驗周期的變化關(guān)系

由圖6可以看出，摻35%礦渣粉的混凝土自生體積變形均呈現(xiàn)先膨脹后收縮的發(fā)展趨勢，收縮值隨著膠凝材料總量的增加而逐漸增大，編號DKZ335-7混凝土的365 d收縮值最大，為53.20×10-6。

3 結(jié)論

a)在試驗摻量范圍內(nèi)，礦渣粉的摻入可以改善混凝土的和易性能，且摻量越大，改善效果越明顯，相比于未摻、摻25%礦渣粉的混凝土，摻35%礦渣粉混凝土的和易性明顯較好；同時礦渣粉的摻入，將會延長混凝土的凝結(jié)時間，工程應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)材料特性、施工及設(shè)計技術(shù)要求適當摻入。

b)在試驗摻量范圍內(nèi)，單方用水量、水膠比相同時，隨著礦渣粉摻量的增加，混凝土的3、7 d抗壓強度逐漸降低，28 d抗壓強度逐漸增大，同時抗沖磨強度逐漸增大，磨損率逐漸減小，由此可見，礦渣粉的摻入可以顯著改善混凝土的后期抗壓強度及抗沖磨性能，礦渣粉摻量為35%時，作用效果最佳，可考慮作為工程應(yīng)用摻量。

c)高爐礦渣粉的摻入可以顯著改善混凝土的抗凍性能。在試驗摻量范圍內(nèi)，單方用水量、水膠比相同時，礦渣粉的摻量越大，抗凍性改善效果越顯著，以水膠比為0.33的混凝土為例，不摻礦渣粉混凝土的抗凍等級為F350，摻35%礦渣粉混凝土的抗凍等級可達到F400以上，由此可見，礦渣粉對混凝土抗凍性能有一定的增益作用。

d)結(jié)合試驗成果可知，高爐礦渣粉的最優(yōu)摻量為35%，文中對該摻量下混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)及自生體積變形等參數(shù)進行了測試，給出了相應(yīng)的試驗成果，可為工程的設(shè)計、施工提供技術(shù)依據(jù)，也可為高爐礦渣粉在其他工程中的應(yīng)用提供技術(shù)參考。