矿渣微粉在水泥混凝土中的应用
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梅宝矿渣微粉的特性及在混凝土中的应用
杨静1，王磊2，徐玲玲1
1 南京工业大学材料学院，南京，210009
2 南京梅宝新型建材有限公司，南京，
1 引言
矿渣及矿渣微粉的应用研究在国内外已有多年的历史，十九世纪在欧洲就得到了广泛的应用，但那时的应用主要是将矿渣用作水泥混合材，直到1958年，南非将水淬矿渣烘干磨细，克服了湿碾矿渣浆储存和运输的问题后，才首次将矿渣微粉用于商品混凝土。
到60年代，随着现拌混凝土的发展，矿渣微粉作为混凝土的一个独立组分得到了广泛应用。
在国内，矿渣在水泥混凝土中的利用一直是研究的热点，矿渣微粉可以直接掺入水泥中，也可以掺入混凝土中。
当用传统的熟料和矿渣一起粉磨时，由于矿渣的易磨性差，矿渣不能得到充分地粉磨，从而矿渣的活性不能得到充分地发挥，目前，矿渣大多经过超细粉磨，使其细度大大超过熟料的细度。
同时，在混凝土中掺加矿渣微粉具有更大的灵活性，可以容易地调整掺合料的配比，以达到混凝土的设计性能。
矿渣及矿渣微粉在水泥混凝土中的应用符合可持续发展的方针，据统计，全国每年生产生铁约1.6亿吨，每冶炼1吨生铁，大约产生矿渣0.3～1.0吨，且矿石品位越低，排渣量越大。
因此，全国每年的矿渣的产量大约在0.5～1.6亿吨之间，如果全部用来代替水泥，则可少生产至少1亿吨水泥，由此就可节省不可再生的石灰石资源、煤炭资源，减少向环境排放大量的二氧化碳1亿吨，并改善混凝土的耐久性，建筑物的寿命也可大大延长，使混凝土工程技术走上可持续发展的道路。
2. 梅宝矿粉的特性
2.1 化学组成
梅宝矿粉的化学组分如表1中所示，主要是CaO、SiO2和Al2O3，MgO的含量也较高，分别为CaO 36.50%、SiO2 32.43%、Al2O3 14.99％和MgO 11.00％。
表1 梅宝矿渣的化学组成
组成LOSS SiO2CaO MgO Al2O3Fe2O3TiO2SO3MnO 含量
-1.27 32.43 36.50 11.00 14.99 0.43 0.80 0.06 0.46 /%
2.2矿物组成
图1中的X－射线衍射分析图谱表明，矿渣微粉主要由玻璃体组成。
图1 梅宝矿粉的XRD图谱
2.3 颗粒形貌及粒径分布
扫描电子显微镜观察（见图2）可知，颗粒尺寸分布在10～40μm，颗粒比较圆滑，大颗粒及带尖锐棱角的颗粒少。
图3中激光粒度分析结果表明，矿粉的颗粒度主要分布在1～50μm，最可几分布粒径为10～30μm，与扫描电子显微镜观察到的相一致。
图2 梅宝矿粉的SEM照片
part
icular size (μm)
图2 梅宝矿粉的激光粒度分析
3 梅宝矿粉对水泥水化的影响
矿渣微粉在水泥混凝土中的作用有物理作用和化学作用。
物理作用主要是矿渣微粉的微集料效应。
微集料效应表现为自紧密堆积效应和形状因子效应。
混凝土体系可以理解为连续级配的颗粒堆积体系，粗集料间隙由细集料填充，细集料间隙由水泥颗粒填充，水泥颗粒之间的间隙，则需更细的颗粒来填充。
矿渣微粉的最可几粒径在10 m左右，可起到填充水泥颗粒间隙的微集料作用，使混凝土形成细观层次的自紧密体系。
实验结果表明，掺矿渣微粉混凝土容重较未掺加矿渣微粉的基准混凝土大。
而且，矿渣颗粒的形状和表面粗糙度对紧密堆积及界面粘结强度有密切的关系。
由XRD图谱可知，梅宝矿粉的主要矿物组成是无定型玻璃体，因此我们更重视其化学作用。
化学作用主要表现为矿渣微粉中的CaO、SiO2和Al2O3等组分与水泥水化产物Ca(OH)2反应形成C-S-Hgel等胶凝物质，不仅提高了硬化浆体中凝结物质的含量，而且形成的二次C-S-Hgel具有较低的硅钙比，水化产物更稳定，同时新形成的凝胶状水化产物可以填充水泥浆体中的毛细孔，降低孔隙率，并细化孔结构，这些都有利于水泥混凝土的力学强度和耐久性。
DSC定量分析结果还表明，矿渣微粉+水泥”体系的Ca(OH)2含量明显低于纯水泥体系。
SEM观察水化产物形貌，发现掺矿渣微粉的水泥石Ca(OH)2的晶体尺寸相对比较小。
但从表2中掺加不同量矿粉的水泥浆体的结合水量数据可以看出，其作用的发挥不在7d之前的早期，一般在28d后比较明显。
表3中掺加不同量矿粉的水泥净浆试体的抗压强度值也证实了这点，在水化早期（如1d和3d），随着矿粉掺加量的增加水泥净浆试体的抗压强度降低，但到7d以后，水泥的抗压强度受矿粉掺入量的影响很小。
表2掺加不同量矿粉的水泥的化学结合水量/%
试样1d 3d 7d 28d T15(100C) 11.60 16.77 20.15 23.10
T1(70C+30S) 7.47 14.54 17.62 21.74
T4(30C+70S) 7.46 11.13 13.57 19.30
表3 梅宝矿粉对硅酸盐水泥抗压强度的影响
试样水泥(%) 矿渣(%)
抗压强度(MPa)
1d 3d 7d 28d
T1 70 30 16.75 41.77 43.62 47.81 T2 60 40 15.18 39.65 42.30 45.90 T3 50 50 12.88 36.61 45.46 42.59 T4 40 60 11.99 31.21 41.26 44.10 T5 30 70 10.99 34.63 39.40 43.89
表4 混凝土的立方体抗压强度
等级
普通混凝土配合比
/kg/m3
矿渣
/kg/m3
外加剂
/kg/m3
坍落度
/mm
抗压强度
/MPa
抗压强度比
/%
W C S G 7d 28d 7d 28d
C30 225 450 656 1069 115 31.4 39.0 100 100 220 317 656 1069 135 (30%) 115 30.1 42.3 96 108 217 270 656 1069 180 (40%) 115 29.1 43.3 93 111
C50 155 500 621 1154 7 40 46.1 54.1 100 100 152 350 621 1154 150 (30%) 7 40 45.1 60.7 98 112 150 300 621 1154 200 (40%) 7 40 43.8 62.1 95 115
4 梅宝矿粉混凝土的配制
采用南京梅宝新型建材有限公司提供的天宝山牌P.O 42.5水泥（掺有11.28％的水渣）、梅宝矿粉配制混凝土，细集料为模数Mx=2.6的河砂，粗集料为5-20mm连续级配的石子，外加剂选用JM-VIII，配制混凝土强度等级分别为C30、C50的普通混凝土和掺加梅宝矿粉的混凝土（矿粉掺量分别为30%、40%），测定7d和28d的立方体抗压强度，结果列于表4。
从表4中数据可以看出，在普通混凝土中分别掺入30%和40%的矿渣后，混凝土的7d强度都比未掺矿粉混凝土的强度低，但是28d强度都比未掺矿粉混凝土的高。
28d龄期时，掺加30％和40％矿粉的C30混凝土的抗压强度分别是未掺矿粉混凝土的108％和111％；而对于C50混凝土，则分别为112％和115％。
可见，梅宝矿粉的掺加能有效地提高混凝土的抗压强度。
5 结束语
综上所述，梅宝矿粉具有较高的水硬活性，就试验用原材料配制的混凝土看，可以有效地提高混凝土的立方体抗压强度。
参考文献
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