不同掺量的矿渣粉对混凝土和易性及强度的影

1前言

矿渣粉是粒化高炉矿渣粉的简称，是炼铁厂在高炉冶炼生铁时所得到的以硅铝酸钙为主要成分的熔融物，经水淬成粒后所得的工业固体废渣。我国是钢铁生产大国，通常情况下，每生产1t生铁将产生约kg粒化高炉矿渣。大量实验研究及生产实践表明，矿渣粉是一种混凝土掺合料。在当前商品混凝土行业中，矿渣粉和粉煤灰作为用量最大的两大矿物掺合料，被广泛应用在各等级和各工程的主体结构混凝土中。粒化高炉矿渣主要成分为玻璃体和硅酸二钙，其组成与水泥接近。同时，矿渣粉具备需水量比水泥低，密度比水泥小，滚珠效应和火山灰效应优良等特点。用于混凝土中不仅可以有效减少工业废渣，而且可以有效改善混凝土工作性能，适当比例的掺入还可以起到提高混凝土早期强度的效果。

由于矿渣粉是由矿渣废料经粉磨生产出来的，随着比表面积增加，粉磨难度和能源消耗上升明显。故而找到矿渣粉细度对混凝土和易性及强度的影响不仅有利于对矿渣粉合理的利用，更加有助于节约成本，降低生产能耗。

本文将根据自身材料特点设计参数区间，通过试验结果分析不同细度和掺入量对混凝土的和易性，早期强度等影响。

2试验原材料

2.1水泥

本次试验所选用的水泥为市面上使用量较大、性能相对稳定、价格相对低廉且供应比较充裕的P.Ⅱ42.5R级水泥，水泥比表面积为m2/kg、密度为3.12g/cm3；初凝时间实测min、终凝时间实测为min；标准稠度用水量为26.4%；3d抗压强度为31.4MPa、抗折强度为6.7MPa；28d抗压强度为53.3MPa、抗折强度为9.0MPa；三氧化硫含量为2.58%、氧化镁含量为1.36%。水泥各项指标均符合规范要求。

2.2粉煤灰

本次试验所选用的粉煤灰为二级粉煤灰。细度（0.mm筛余）为18.5%、需水量比为%；烧失量为3.24%，三氧化硫含量为0.91%、游离氧化钙含量为0.30%；7d活性为64%、28d活性为76%。各项指标均符合规范要求。

2.3矿渣粉

本次试验所对比的矿渣粉原始样品为某牌粒化高炉矿渣粉，密度2.90g/cm3、比表面积为m2/kg，活性指数7d为81%、28d为%，三氧化硫含量为0.16%、氯离子含量为0.%。各项指标均符合标准要求，为对比不同细度矿渣粉对混凝土影响，本次试验对样品矿渣粉进行二次粉磨，分别得到m2/kg、m2/kg、m2/kg和m2/kg，5个细度等级的样品。并分别对5个样品重新归类检测，出细度以外，其他各项化学指标和物理指标基本未出现较大变化。

2.4砂

本次试验所用砂，细度模数为2.7、级配区间为Ⅱ区；表观密度为kg/m3、堆积密度为kg/m3；含泥量为0.5%，氯离子含量为0.%，坚固性为5%。各项指标均符合规范要求。

2.5碎石

本次试验所选用碎石为花岗岩碎石。岩石抗压强度为MPa、压碎指标为8.0%；表观密度为kg/m3、堆积密度为kg/m3；含泥量为0.2%，针片状含量为4%。各项指标均符合规范要求。

2.6外加剂

本次试验所用外加剂为缓凝型聚羧酸高性能减水剂。含固量为23.22%、密度为1.；减水率为28%，pH值为4.7，氯离子含量为0.02%。各项指标均符合规范要求。

3研究思路和方案

3.1研究思路

矿渣粉作为部分取代水泥的矿物掺合料掺入到混凝土中，由于其自身性能，对混凝土和易性，力学性能及耐久性能会产生不同影响。矿渣粉密度较水泥低，单位重量矿渣粉的分量较水泥多，加上矿渣粉的良好的减水效应，适量掺入能有效改善混凝土的流动性和粘聚性。与此同时，矿渣粉自身电荷作用，能有效改善水泥中亲水基与水接触环境，降低混凝土水化热，保证混凝土的后期强度增长。但随着混凝土中矿渣粉用量的增大，混凝土的保水性和粘聚性会逐渐下滑，混凝土易出现沉降和泌水离析现象，同时，由于矿渣粉毕竟不能全部取代水泥，水化效果也不及水泥明显，所以，掺量的增高对混凝土的后期强度增长也会产生不利的影响，故而，找到一个合适的矿渣粉掺入量，使矿渣粉在混凝土中积极作用最大化，是十分必要的。

同时，上文提到，矿渣粉的比表面积增大在一定程度上对混凝土的和易性和强度有一定积极影响。但随着矿渣粉比表面积的增大，集料粉磨难度增大明显，加工成本直线上涨，而用到混凝土中效果增长不及成本，终会导致得不偿失的结果。因此，找到一个合适的比表面积，使矿渣粉的各项性能表现最大化，同时又不至于因加工能耗过大而造成资源浪费。故而，需要进行各项比表面积对混凝土性能对比。

3.2研究方法

针对矿渣粉自身各项性能及混凝土不用标号特点，本次试验决定针对不同比表面积及对不同掺量矿渣粉与不同标号混凝土进行综合对比，以确定：

⑴以不同比表面积矿渣粉根据固定比例掺入混凝土中，试验对比其和易性及强度增长的影响；

⑵以相同比表面积矿渣粉，试验对比不同掺入比例下矿渣粉对混凝土和易性及强度的增长的影响；

⑶实验对比高低标混凝土中最佳矿粉掺量是否一致，其中存在什么关系。

4实验主要内容

4.1混凝土配合比设计方案

本次试验分别选择C30和C60两个标号混凝土配合比作为研究对象。主要考虑因素是目前商品混凝土行业中，使用量较大的主体结构配方为C30，而C60作为高标，在主体承重结构中应用也是最多的。故而C30和C60两个标号最具有代表性。

C30选用水灰比为0.47，外加剂掺量为1.0%；其配合比为：水泥:煤灰:砂:碎石:水:外加剂=1:0.39:3.05:4.03:0.65:0.。对比时矿渣粉等量取代一定比例的水泥。结合以往生产试配经验，暂定其取代比例分别为10%、20%、30%、40%、50%、70%、90%。C60选用水灰比为0.27，外加剂掺量为1.50%；其配合比为：水泥:煤灰:砂:碎石:水:外加剂=1:0.23：1.21:2.35:0.33:0.。对比时矿渣粉等量取代一定比例的水泥。结合以往生产试配经验，暂定其配合比分别为:10%、20%、30%、40%、50%、70%、90%。

4.2混凝土性能检测项目

⑴试验均检测混凝土初始坍落度/扩展度、1小时经时损失、压力泌水率及容重，并对比评价混凝土和易性；

⑵试验均检测一次成型2组试块，分别检测7d、28d抗压强度；

4.3混凝土检测方案

混凝土拌合物相关性能检测依据GB/T《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》相关规程执行；混凝土强度检测依据GB/T《普通混凝土物理学性能试验方法标准》相关规程执行。

4.4相同比表面积下不同掺入量矿渣粉对混凝土和易性及强度影响实验数据

为使实验有效，先行确定其他参数不变。本次试验强度。

表1是C30和C60两个标号混凝土不同矿渣粉掺量下对和易性及抗压强度的影响，各项试验结果可以看出，对C30混凝土而言：

⑴掺入10%矿渣粉的混凝土与20%矿渣粉掺量的混凝土对比，20%掺量矿渣粉的混凝土坍落度/扩展度更大，1h经时损失更小，混凝土包裹性流动性改善明显，混凝土泌水率正常，和易性有明显改善。7d、28d强度更高；

⑵20%矿渣粉掺量混凝土与30%矿渣粉掺量混凝土对比，30%掺量矿渣粉混凝土坍落度减小，扩展度增大，中间有对帽子迹象。1小时经时损失扩大，流动性变小，粘聚性和包裹性变差，混凝土泌水率偏高，混凝土和易性有变差迹象。混凝土7d和28d强度有下降趋势。

⑶当矿渣粉掺量到40%时，混凝土边沿泌浆，中间对帽子现象更加明显，混凝土泌水率上升明显。拌合物呈偏离析状，混凝土和易性明显变差，7d、28d强度下降明显。

⑷当矿渣粉掺量到50%以上时，混凝土出现严重离析现象，无法完成坍落度检测，混凝土容重明显增大，泌水率上升，和易性变差。混凝土强度下降明显。

对C60混凝土而言，其矿渣粉掺入量逐渐增大后，各项数据也出现了一个峰值。只是这个峰值较C30的20%左右而言，靠后一点，在30%左右，期间或许有某种影响因素在作用。对比发现，当混凝土中单方水泥用量的增大时，混凝土的粘聚性和包裹性改善，黏滞系数增大，当矿渣粉用量增大时，可以很好降低混凝土的黏滞系数，在混凝土包裹性不变的同时增大混凝土的流动使用C30和C60两个基准配方，试验使用基准矿渣粉进行检测，通过掺入不同比例的矿渣粉，对比混凝土的坍落度/扩展度、1h经时损失、压力泌水率（B）和容重，已经成型××标养试件2组检测混凝土后期性。故而有此现象。

从图1～图3与表1结合检测数据可以看出，C30混凝土矿渣粉最佳掺入量为20%左右，C60混凝土矿渣粉最佳掺入量为30%左右。由此类推，其他各标号应随标号增加（亦即单方胶凝材料使用总量），矿渣粉呈逐渐增加趋势。低于C30标号，矿渣粉掺量在20%以下随标号降低呈下降趋势，高于C60标号混凝土矿渣粉掺量在30%以上呈随标号增高呈上升趋势。

4.5相同掺量不同比表面积对混凝土强度的影响

上面试验中，确定了C30混凝土最佳矿渣粉掺量为20%，本次试验即以20%为基准掺量。分别对不同比表面积的矿渣粉进行和易性和强度对比，分析其中规律，找到最佳且经济的细度，使得混凝土在此细度之下，和易性和强度达到最佳。

将表2中各项检测数据可以看出。随着掺入矿渣粉比表面积的增大，混凝土坍落度/扩展度逐渐变小，经时损失逐渐增大。混凝土泌水率逐渐减小，容重无明显变化，混凝土和易性开始变差，混凝土在矿渣粉比表面积为m2/kg时达到峰值。将矿渣粉细度与混凝土强度绘制成折线图，见图4。

由表2和图4可以看出，当混凝土中掺入比表面积为m2/Kg矿渣粉时，混凝土和易性略有下降，强度达到最高值。由此可以判定，矿渣粉细度在m2/Kg左右时，对混凝土和易性和强度增长最为有利。

5主要结论

本次试验主要针对不同细度和不同掺量矿渣粉对混凝土和易性及强度产生的影响，试验对比了C30和C60作为代表的低标和高标两种混凝土中，不同掺量矿渣粉对混凝土的影响及C30混凝土不同细度的影响。得出了以下结论：

⑴同一标号下，随着矿渣粉掺量的逐渐增加，混凝土包裹性和粘聚性逐渐下降，流动性逐渐增大，混凝土强度在达到峰值后，呈明显下降趋势，C30标号，混凝土最佳矿渣粉掺量为20%左右，C60标号，混凝土最佳矿渣粉掺量为30%左右；

⑵矿渣粉最佳掺量受到各个方面因素的影响，比如说混凝土配合比中胶凝材料总量的增加与矿渣粉用量的增加正相关，混凝土骨料体系中0.07mm和0.15mm以下粉体含量与矿渣粉的用量也是正相关。本次试验只针对正常砂石分量情况下得出最佳矿粉掺量的最佳比例，在使用机制砂，人工砂石或者石粉等其他材料时，矿渣粉用量可能会出现较大变化；

⑶C30混凝土中矿渣粉掺量为20%时，随着矿渣粉比表面积的增大，混凝土的粘聚性和保水性逐渐变好，混凝土的流动性又变差迹象。混凝土7d、28d强度在m2/kg时达到最佳，再往上强度有所下降。这与混凝土体系粉体总比表面积增加，混凝土需水量增加相关。

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