磨細(xì)礦渣簡(jiǎn)介
2006-07-26 00:00
編者按：
礦渣是工業(yè)廢渣中利用最好的一種，我國(guó)90年代礦渣利用率已經(jīng)高達(dá)80％。美國(guó)高爐礦渣被稱為“全能工程骨料”廣泛用于筑路、機(jī)場(chǎng)、混凝土工程等。自50年代以來(lái)，已100%利用。俄羅斯等東歐各國(guó)主要用高爐水渣來(lái)生產(chǎn)水泥，并生產(chǎn)礦棉和骨料，此外還生產(chǎn)礦渣磚、陶瓷、鑄石和微晶玻璃等。在各種礦渣制品中，礦渣水泥、礦渣鑄石和礦渣微晶玻璃的經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高。
1.礦渣簡(jiǎn)介
高爐礦渣是高爐煉鐵過(guò)程中，由礦石中的脈石，燃料中的灰分和助熔劑（石灰石）等爐料中的非揮發(fā)組分形成的廢物。主要有高爐水渣和重礦渣之分。高爐水渣是煉鐵高爐排渣時(shí)，用水急速冷卻而形成的散顆粒狀物料，其活性較高，目前這類礦渣約占礦渣總量的85%左右。重礦渣是指在空氣中自然冷卻或極少量水促其冷卻形成容重和塊度較大的石質(zhì)物料。
高爐礦渣的主要成分是由CaO、MgO、Al2O3、MgO、SiO2、MnO、Fe2O3等組成的硅酸鹽和鋁酸鹽。SiO2和MnO主要來(lái)自礦石中的脈石和焦碳的灰分，CaO和MgO主要來(lái)自熔劑。上述四種主要成分在高爐礦渣中占90%以上。根據(jù)鐵礦石成分、熔劑質(zhì)量、焦碳質(zhì)量以及所煉生鐵種類不同，一般每生產(chǎn)1噸生鐵，要排出0.3～1.0噸廢渣，因此它也是一種量大面廣的工業(yè)廢渣。
?；郀t礦渣是一種具有良好的潛在活性的材料，它已成為水泥工業(yè)活性混合材的重要來(lái)源。水泥企業(yè)使用粒化高爐礦渣可以擴(kuò)大水泥品種、改善水泥性能（抗蝕性）。?；郀t礦渣的活性以質(zhì)量系數(shù)K=(CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+MnO+TiO2)來(lái)衡量，系數(shù)大則活性高。高爐礦渣的活性與化學(xué)成分有關(guān)，但更取決于冷卻條件。慢冷的礦渣具有相對(duì)均衡的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，主要礦物為鈣鋁黃長(zhǎng)石、鎂黃長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石、硫化鈣、硅酸二鈣等。除硅酸二鈣具有緩慢水硬化性外，其他礦物成分常溫下水硬性很差。水淬急冷阻止了礦物結(jié)晶，因而形成大量的無(wú)定形活性玻璃體結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有較高的潛在活性。在激發(fā)劑的作用下，其活性被激發(fā)出來(lái)，能起水化硬化作用而產(chǎn)生強(qiáng)度。
在利用高爐礦渣前，需要進(jìn)行加工處理，根據(jù)用途不同，通常是把高爐礦渣加工成水渣、礦渣碎石、膨脹礦渣和膨脹礦渣珠等形式加以利用。其中水渣可用于生產(chǎn)水泥、磚和混凝土制品，而礦渣碎石、膨脹礦渣和膨脹礦渣珠則多用作骨料來(lái)制耐熱、輕質(zhì)混凝土。
水渣具有潛在的水硬性膠凝性能，在水泥熟料、石灰、石膏等激發(fā)劑作用下，可顯示出水硬膠凝性能，是優(yōu)質(zhì)的水泥原料。水渣既可以作為水泥混合料使用，也可以制成無(wú)熟料水泥。
2.礦渣在水泥中的應(yīng)用
礦渣微粉作為摻合料在混凝土中的應(yīng)用，起始于20 世紀(jì)50 年代末期，南非的工程技術(shù)人員將礦渣磨細(xì)后作為一個(gè)組分材料摻入混凝土中，發(fā)現(xiàn)具有良好的技術(shù)性能。而后英、美、加、日和奧地利等國(guó)也先后單獨(dú)用磨細(xì)的?；郀t礦渣微粉取代一定數(shù)量的水泥生產(chǎn)砼。
進(jìn)入20 世紀(jì)60 年代，隨著預(yù)拌混凝土工業(yè)的興起和發(fā)展，礦渣微粉作為混凝土的獨(dú)立組分得到了廣泛的應(yīng)用。例如英國(guó)于1969 年開(kāi)始生產(chǎn)摻有礦渣微粉的商品混凝土，并用于世界上最長(zhǎng)的Hum2ber 橋的主塔混凝土工程.
20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，英、美、法、加、日等國(guó)相繼制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外研究者對(duì)礦渣微粉作為混凝土摻合料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)礦渣微粉具有明顯的增強(qiáng)效果，從而成為研究熱點(diǎn)。例如1987 年加拿大多倫多市的Scotia 廣場(chǎng)大廈采用了水泥用量為315 kg/ m2 、礦渣微粉為137 kg/ m2 、硅灰為36kg/ m2 、水膠比為0。30 的混凝土建成了這座大樓，混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度為83 MPa ，90 d 抗壓強(qiáng)度為93 MPa .
20 世紀(jì)90 年代后，開(kāi)始在東南亞及我國(guó)的臺(tái)灣和香港地區(qū)得到了大力推廣，高性能混凝土的研究與應(yīng)用開(kāi)始了新的高潮。
2.1 礦渣硅酸鹽水泥
礦渣硅酸鹽水泥是用硅酸鹽水泥熟料與?；郀t礦渣在加入3%～5%的石膏混合磨細(xì)或者分別磨后再加以混合均勻而制成的。水渣在磨細(xì)前必須烘干，但烘干溫度不可太高（不應(yīng)超過(guò)600℃），否則會(huì)影響水渣的活性。礦渣硅酸鹽水泥簡(jiǎn)稱為礦渣水泥。
在磨制礦渣水泥時(shí)，隨著高爐礦渣的摻量的增加，水泥的抗壓強(qiáng)度稍有降低，但總的影響不大，而對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響更小，所以其摻入量可以加入到占水泥重量的20%～85%，這樣對(duì)于提高水泥質(zhì)量，降低水泥生產(chǎn)的成本是十分有利的。
從礦渣硅酸鹽水泥的硬化過(guò)程的特點(diǎn)和新生成物的性質(zhì)來(lái)看，它具有良好的安定性。通常造成水泥安定性不好的原因，主要是由于水泥中游離CaO在水泥石結(jié)硬后遇水消解而發(fā)生體積膨脹。但在礦渣硅酸鹽水泥中，熟料水化時(shí)所產(chǎn)生的Ca(OH)2被礦渣吸收，因而不會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象。
這種水泥與普通水泥比較有如下特點(diǎn)：
第一，礦渣硅酸鹽水泥在硬化過(guò)程中放熱量比硅酸鹽水泥少得多，因?yàn)楣杷猁}水泥中鋁酸三鈣、硅酸三鈣水化時(shí)放熱量最大，而硅酸二鈣放熱量較小。礦渣中多為低堿度的硅酸鹽，水化時(shí)放熱量很小，由于這個(gè)特性，這種水泥適用于大體積混凝土構(gòu)筑物中。
第二，礦渣硅酸鹽水泥具有較強(qiáng)的抗溶出性硫酸鹽侵蝕性能，通過(guò)試驗(yàn)表明，硅酸鹽水泥在硫酸鹽溶液的侵蝕下，其試件經(jīng)過(guò)6～12個(gè)月后崩潰，而礦渣硅酸鹽水泥非但沒(méi)有被破壞，強(qiáng)度反而有所提高。同時(shí)礦渣硅酸鹽水泥的抗溶出性硫酸鹽侵蝕性能是隨著礦渣摻量的增加而提高，故礦渣硅酸鹽水泥能適用于水上工程、海港及地下工程等，但在酸性水及含鎂鹽的水中，礦渣水泥的抗侵蝕性較普通水泥差。
第三，耐熱性較強(qiáng)，使用在高溫車間及高爐基礎(chǔ)等容易受熱的地方比普通水泥好。
第四，礦渣硅酸鹽水泥早期強(qiáng)度低，而后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率高，所以在施工時(shí)應(yīng)注意早期養(yǎng)護(hù)。此外。在循環(huán)受干濕或凍融作用條件下，其抗凍性不如硅酸鹽水泥，所以不適宜用在水位時(shí)常變動(dòng)的水工混凝土建筑中。
2.2 石膏礦渣水泥
石膏礦渣水泥是將干燥的水渣和石膏、硅酸鹽水泥熟料或石灰按照一定的比例混合磨細(xì)或者分別磨細(xì)后在混合均勻所得到的一種水硬性膠凝材料。
在配制石膏礦渣水泥時(shí)，高爐水渣是主要的原料，一般配入量可高達(dá)80%左右，石膏在石膏礦渣水泥中是屬于硫酸鹽激發(fā)劑，它的作用在于提供水化時(shí)所需要的硫酸鈣成分，激發(fā)礦渣中活性，一般石膏的加入量以15%為宜。
少量硅酸鹽水泥熟料或石灰，系屬于堿性激發(fā)劑，對(duì)礦渣堿性起到活化作用，能促進(jìn)鋁酸鈣和硅酸鈣的水化。在一般情況下，如用石灰作堿性激發(fā)劑，其摻入量宜在3%以下，最高不得超過(guò)5%，如用普通水泥熟料代替石灰，摻入量在5%以下，最大不超過(guò)8%。
這種石膏礦渣水泥成本較低，具有較好的抗硫酸鹽侵蝕和抗?jié)B透性，適用于混凝土的水工建筑物和各種預(yù)制砌塊。
2.3 石灰礦渣水泥
石灰礦渣水泥是將干燥的?；郀t礦渣、生石灰或消石灰以及5%以下的天然石膏，按適當(dāng)?shù)谋壤浜夏ゼ?xì)而成的一種水硬性膠凝材料。
石灰的摻加量一般為10%～30%，它的作用是激發(fā)礦渣中的活性成分，生成水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣。石灰摻入量太少，礦渣中的活性成分難以充分激發(fā)；摻入量太多，則會(huì)使水泥凝結(jié)不正常，強(qiáng)度下降和安定性不良。石灰的摻入量往往隨原料中氧化鋁的含量的高低而增減，氧化鋁含量高或氧化鈣含量低時(shí)應(yīng)多摻石灰，通常石灰在12%～20%范圍內(nèi)配制。
石灰礦渣水泥可用于蒸汽養(yǎng)護(hù)的各種混凝土預(yù)制品，水中、地下、路面等的無(wú)筋混凝土和工業(yè)與民用建筑砂漿。
3.礦渣在混凝土中的應(yīng)用
3.1 作用機(jī)理
礦渣微粉用作混凝土的摻合料能改善或提高混凝土的綜合性能，其作用機(jī)理在于礦渣微粉在混凝土中具有微集料效應(yīng)、微晶核效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，而且還可以提高混凝土的抗?jié)B性，降低水化熱防止溫升裂縫。
(1) 微集料效應(yīng)
混凝土可視為連續(xù)級(jí)配的顆粒堆積體系，粗集料的間隙由細(xì)集料填充，細(xì)集料的間隙由水泥顆粒填充，而水泥顆粒之間的間隙則需要更細(xì)的顆粒來(lái)填充。按照Aim 和Goff 模型理論，當(dāng)把摻有超細(xì)礦物摻合料的水泥基材料系統(tǒng)看作多元系統(tǒng)，則在該系統(tǒng)中存在著一個(gè)最緊密堆積。其值取決于超細(xì)礦物摻合料顆粒與水泥顆粒的直徑比，該比值越小，最緊密堆積值越大。礦渣微粉的細(xì)度比水泥顆粒細(xì)，在取代了部分水泥以后，這些小顆粒填充在水泥顆粒間的空隙中，使膠凝材料具有更好的級(jí)配，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。同時(shí)還能降低標(biāo)準(zhǔn)稠度下的用水量，在保持相同用水量的情況下又可增加流動(dòng)度，因此改善了和易性。填充作用的另一好處是增加了粘聚性，防止了泌水離析，改善了可泵性。
(2) 微晶核效應(yīng)
礦渣微粉的膠凝性雖然與硅酸鹽水泥相比較弱，但它為水泥水化體系起到微晶核效應(yīng)的作用，加速水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程并為水化產(chǎn)物提供了充裕的空間，改善了水泥水化產(chǎn)物分布的均勻性，使水泥石結(jié)構(gòu)比較致密，從而使混凝土具有較好的力學(xué)性能。
(3) 火山灰效應(yīng)。
混凝土中摻入礦粉，在混凝土內(nèi)部的堿環(huán)境中，礦粉吸收水泥水化時(shí)形成的Ca (OH) 2 ，且能促進(jìn)水泥進(jìn)一步水化生成更多有利的CSH 凝膠，使集料接口區(qū)的Ca (OH) 2 晶粒變小，改善了混凝土微觀結(jié)構(gòu)，使水泥漿體的空隙率明顯下降，強(qiáng)化了集料接口粘結(jié)力，使混凝土的物理力學(xué)性能大大提高。
(4) 提高抗?jié)B性
在混凝土中摻入礦渣微粉后由于替代了部分水泥而減少了受侵蝕的內(nèi)因，同時(shí)當(dāng)?shù)V渣微粉均勻分散到水泥漿體中，形成了水化產(chǎn)物的核心。礦渣微粉摻入混凝土中能吸收部分Ca (OH) 2 產(chǎn)生二次水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物進(jìn)一步填充了結(jié)構(gòu)孔隙，使結(jié)構(gòu)更密實(shí)抗?jié)B透性更好。
(5) 降低水化熱防止溫升裂縫
在水泥水化初期，放熱集中，會(huì)造成坍落度損失。礦渣微粉加入后，由于它本身不能直接水化，只有在水泥水化的堿性條件下二次水化。因而它能延緩水化放熱，初始坍落度保持時(shí)間可以長(zhǎng)一些，減少了由于溫升帶來(lái)的溫度裂縫。
3.2礦渣對(duì)混凝土性能的影響
3.2.1磨細(xì)礦渣對(duì)硬化混凝土力學(xué)性能的影響
在低水膠比的情況下，礦渣對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響與高水膠比的情況顯著不同。由于礦渣的水化比純水泥要慢(需要水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣來(lái)激發(fā))，在高水膠比的情況下，絕大部分水泥的水化都能得到充足的水分供應(yīng)，因而表現(xiàn)為純水泥混凝土的早期強(qiáng)度比摻礦渣的混凝土早期強(qiáng)度高，但由于礦渣的潛在活性作用，礦渣在水泥水化后期(一般在28d以后)表現(xiàn)出增強(qiáng)作用，于是摻礦渣混凝土的后期強(qiáng)度常常高于不摻礦渣混凝土后期強(qiáng)度。而當(dāng)水膠比很低時(shí)，水泥因水分不足而難以充分水化，水泥用量大的混凝土，放熱量大，溫度升高，影響了強(qiáng)度的發(fā)展，使純水泥快速水化的優(yōu)勢(shì)無(wú)法表現(xiàn)出來(lái)，而當(dāng)水泥被一部分礦渣取代時(shí)，由于礦渣的活性較高，能夠提高水化產(chǎn)物的質(zhì)量，而且由于礦渣的水化比水泥慢，使水泥早期的水化比較充分。因此，摻礦渣混凝土后期強(qiáng)度比不摻礦渣混凝土高，而且早期強(qiáng)度就可以超過(guò)對(duì)比混凝土相應(yīng)強(qiáng)度。不過(guò)，也有研究表明[23]，在水膠比高達(dá)0.49時(shí)，即使磨細(xì)礦渣的摻量在40~50%范圍內(nèi)，水化7d后，礦渣混凝土的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土高出26.7％。
Miuar 等人研究了磨細(xì)礦渣比表面積與混凝土強(qiáng)度之間的關(guān)系[24]。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)磨細(xì)礦渣比表面積為400m2/kg時(shí)，隨著磨細(xì)礦渣摻量的增加，28d 的混凝土抗壓強(qiáng)度明顯下降，90d強(qiáng)度也略低；當(dāng)磨細(xì)礦渣比表面積為600m2/kg時(shí)，28d 強(qiáng)度仍有一定的下降幅度，但是60d后磨細(xì)礦渣混凝土抗壓強(qiáng)度高于未摻磨細(xì)礦渣的混凝土；而當(dāng)磨細(xì)礦渣比表面積達(dá)800m2/ kg 時(shí)，28d 的強(qiáng)度基本與未摻磨細(xì)礦渣的混凝土持平。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)磨細(xì)礦渣摻量直到80%仍顯現(xiàn)基本相同的規(guī)律。
3.2.2 磨細(xì)礦渣對(duì)硬化混凝土耐久性能的影響
由于磨細(xì)礦渣混凝土的漿體結(jié)構(gòu)較致密，且磨細(xì)礦渣能吸收水泥水化生成的氫氧化鈣而改善了混凝土的界面結(jié)構(gòu)。因此，磨細(xì)礦渣混凝土的抗?jié)B性十分顯著地優(yōu)于不摻磨細(xì)礦渣的普通混凝土，對(duì)一系列混凝土耐久性帶來(lái)了有利的影響。由于磨細(xì)礦渣混凝土的高抗?jié)B性而且磨細(xì)礦渣還具有較強(qiáng)的吸附氯離子的能力，因此能有效地阻止氯離子滲透或擴(kuò)散進(jìn)入混凝土，提高混凝土抗氯離子滲透能力，使磨細(xì)礦渣混凝土比普通混凝土在有氯離子環(huán)境中十分顯著地提高了護(hù)筋性[11，25]。
混凝土的抗硫酸鹽侵蝕主要取決于混凝土的抗?jié)B性和水泥膠凝材料中C3A 礦物相含量和堿度，而磨細(xì)礦渣混凝土材料中的C3A 礦物相與堿度均較低，且又具有高抗?jié)B性。因此，磨細(xì)礦渣混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能十分顯著地得到了提高。試驗(yàn)表明，在濃度為10%的Na2SO4溶液中浸泡30d 后，強(qiáng)度沒(méi)有絲毫降低。
摻入的礦粉能與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，使得混凝土中的堿度降低。 隨礦粉摻量的增加，碳化的深度和速度也增加，且當(dāng)?shù)V粉摻量超過(guò)50%時(shí)，碳化速率加快。
由于磨細(xì)礦渣混凝土中的堿含量明顯降低了，因此，對(duì)預(yù)防和抑制混凝土的堿—集料反應(yīng)是十分有利的。
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礦渣是工業(yè)廢渣中利用最好的一種，我國(guó)90年代礦渣利用率已經(jīng)高達(dá)80％。美國(guó)高爐礦渣被稱為“全能工程骨料”廣泛用于筑路、機(jī)場(chǎng)、混凝土工程等。自50年代以來(lái)，已100%利用。俄羅斯等東歐各國(guó)主要用高爐水渣來(lái)生產(chǎn)水泥，并生產(chǎn)礦棉和骨料，此外還生產(chǎn)礦渣磚、陶瓷、鑄石和微晶玻璃等。在各種礦渣制品中，礦渣水泥、礦渣鑄石和礦渣微晶玻璃的經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高。
1.礦渣簡(jiǎn)介
高爐礦渣是高爐煉鐵過(guò)程中，由礦石中的脈石，燃料中的灰分和助熔劑（石灰石）等爐料中的非揮發(fā)組分形成的廢物。主要有高爐水渣和重礦渣之分。高爐水渣是煉鐵高爐排渣時(shí)，用水急速冷卻而形成的散顆粒狀物料，其活性較高，目前這類礦渣約占礦渣總量的85%左右。重礦渣是指在空氣中自然冷卻或極少量水促其冷卻形成容重和塊度較大的石質(zhì)物料。
高爐礦渣的主要成分是由CaO、MgO、Al2O3、MgO、SiO2、MnO、Fe2O3等組成的硅酸鹽和鋁酸鹽。SiO2和MnO主要來(lái)自礦石中的脈石和焦碳的灰分，CaO和MgO主要來(lái)自熔劑。上述四種主要成分在高爐礦渣中占90%以上。根據(jù)鐵礦石成分、熔劑質(zhì)量、焦碳質(zhì)量以及所煉生鐵種類不同，一般每生產(chǎn)1噸生鐵，要排出0.3～1.0噸廢渣，因此它也是一種量大面廣的工業(yè)廢渣。
?；郀t礦渣是一種具有良好的潛在活性的材料，它已成為水泥工業(yè)活性混合材的重要來(lái)源。水泥企業(yè)使用粒化高爐礦渣可以擴(kuò)大水泥品種、改善水泥性能（抗蝕性）。?；郀t礦渣的活性以質(zhì)量系數(shù)K=(CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+MnO+TiO2)來(lái)衡量，系數(shù)大則活性高。高爐礦渣的活性與化學(xué)成分有關(guān)，但更取決于冷卻條件。慢冷的礦渣具有相對(duì)均衡的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，主要礦物為鈣鋁黃長(zhǎng)石、鎂黃長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石、硫化鈣、硅酸二鈣等。除硅酸二鈣具有緩慢水硬化性外，其他礦物成分常溫下水硬性很差。水淬急冷阻止了礦物結(jié)晶，因而形成大量的無(wú)定形活性玻璃體結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有較高的潛在活性。在激發(fā)劑的作用下，其活性被激發(fā)出來(lái)，能起水化硬化作用而產(chǎn)生強(qiáng)度。
在利用高爐礦渣前，需要進(jìn)行加工處理，根據(jù)用途不同，通常是把高爐礦渣加工成水渣、礦渣碎石、膨脹礦渣和膨脹礦渣珠等形式加以利用。其中水渣可用于生產(chǎn)水泥、磚和混凝土制品，而礦渣碎石、膨脹礦渣和膨脹礦渣珠則多用作骨料來(lái)制耐熱、輕質(zhì)混凝土。
水渣具有潛在的水硬性膠凝性能，在水泥熟料、石灰、石膏等激發(fā)劑作用下，可顯示出水硬膠凝性能，是優(yōu)質(zhì)的水泥原料。水渣既可以作為水泥混合料使用，也可以制成無(wú)熟料水泥。
2.礦渣在水泥中的應(yīng)用
礦渣微粉作為摻合料在混凝土中的應(yīng)用，起始于20 世紀(jì)50 年代末期，南非的工程技術(shù)人員將礦渣磨細(xì)后作為一個(gè)組分材料摻入混凝土中，發(fā)現(xiàn)具有良好的技術(shù)性能。而后英、美、加、日和奧地利等國(guó)也先后單獨(dú)用磨細(xì)的?；郀t礦渣微粉取代一定數(shù)量的水泥生產(chǎn)砼。
進(jìn)入20 世紀(jì)60 年代，隨著預(yù)拌混凝土工業(yè)的興起和發(fā)展，礦渣微粉作為混凝土的獨(dú)立組分得到了廣泛的應(yīng)用。例如英國(guó)于1969 年開(kāi)始生產(chǎn)摻有礦渣微粉的商品混凝土，并用于世界上最長(zhǎng)的Hum2ber 橋的主塔混凝土工程.
20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，英、美、法、加、日等國(guó)相繼制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外研究者對(duì)礦渣微粉作為混凝土摻合料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)礦渣微粉具有明顯的增強(qiáng)效果，從而成為研究熱點(diǎn)。例如1987 年加拿大多倫多市的Scotia 廣場(chǎng)大廈采用了水泥用量為315 kg/ m2 、礦渣微粉為137 kg/ m2 、硅灰為36kg/ m2 、水膠比為0。30 的混凝土建成了這座大樓，混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度為83 MPa ，90 d 抗壓強(qiáng)度為93 MPa .
20 世紀(jì)90 年代后，開(kāi)始在東南亞及我國(guó)的臺(tái)灣和香港地區(qū)得到了大力推廣，高性能混凝土的研究與應(yīng)用開(kāi)始了新的高潮。
2.1 礦渣硅酸鹽水泥
礦渣硅酸鹽水泥是用硅酸鹽水泥熟料與?；郀t礦渣在加入3%～5%的石膏混合磨細(xì)或者分別磨后再加以混合均勻而制成的。水渣在磨細(xì)前必須烘干，但烘干溫度不可太高（不應(yīng)超過(guò)600℃），否則會(huì)影響水渣的活性。礦渣硅酸鹽水泥簡(jiǎn)稱為礦渣水泥。
在磨制礦渣水泥時(shí)，隨著高爐礦渣的摻量的增加，水泥的抗壓強(qiáng)度稍有降低，但總的影響不大，而對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響更小，所以其摻入量可以加入到占水泥重量的20%～85%，這樣對(duì)于提高水泥質(zhì)量，降低水泥生產(chǎn)的成本是十分有利的。
從礦渣硅酸鹽水泥的硬化過(guò)程的特點(diǎn)和新生成物的性質(zhì)來(lái)看，它具有良好的安定性。通常造成水泥安定性不好的原因，主要是由于水泥中游離CaO在水泥石結(jié)硬后遇水消解而發(fā)生體積膨脹。但在礦渣硅酸鹽水泥中，熟料水化時(shí)所產(chǎn)生的Ca(OH)2被礦渣吸收，因而不會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象。
這種水泥與普通水泥比較有如下特點(diǎn)：
第一，礦渣硅酸鹽水泥在硬化過(guò)程中放熱量比硅酸鹽水泥少得多，因?yàn)楣杷猁}水泥中鋁酸三鈣、硅酸三鈣水化時(shí)放熱量最大，而硅酸二鈣放熱量較小。礦渣中多為低堿度的硅酸鹽，水化時(shí)放熱量很小，由于這個(gè)特性，這種水泥適用于大體積混凝土構(gòu)筑物中。
第二，礦渣硅酸鹽水泥具有較強(qiáng)的抗溶出性硫酸鹽侵蝕性能，通過(guò)試驗(yàn)表明，硅酸鹽水泥在硫酸鹽溶液的侵蝕下，其試件經(jīng)過(guò)6～12個(gè)月后崩潰，而礦渣硅酸鹽水泥非但沒(méi)有被破壞，強(qiáng)度反而有所提高。同時(shí)礦渣硅酸鹽水泥的抗溶出性硫酸鹽侵蝕性能是隨著礦渣摻量的增加而提高，故礦渣硅酸鹽水泥能適用于水上工程、海港及地下工程等，但在酸性水及含鎂鹽的水中，礦渣水泥的抗侵蝕性較普通水泥差。
第三，耐熱性較強(qiáng)，使用在高溫車間及高爐基礎(chǔ)等容易受熱的地方比普通水泥好。
第四，礦渣硅酸鹽水泥早期強(qiáng)度低，而后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率高，所以在施工時(shí)應(yīng)注意早期養(yǎng)護(hù)。此外。在循環(huán)受干濕或凍融作用條件下，其抗凍性不如硅酸鹽水泥，所以不適宜用在水位時(shí)常變動(dòng)的水工混凝土建筑中。
2.2 石膏礦渣水泥
石膏礦渣水泥是將干燥的水渣和石膏、硅酸鹽水泥熟料或石灰按照一定的比例混合磨細(xì)或者分別磨細(xì)后在混合均勻所得到的一種水硬性膠凝材料。
在配制石膏礦渣水泥時(shí)，高爐水渣是主要的原料，一般配入量可高達(dá)80%左右，石膏在石膏礦渣水泥中是屬于硫酸鹽激發(fā)劑，它的作用在于提供水化時(shí)所需要的硫酸鈣成分，激發(fā)礦渣中活性，一般石膏的加入量以15%為宜。
少量硅酸鹽水泥熟料或石灰，系屬于堿性激發(fā)劑，對(duì)礦渣堿性起到活化作用，能促進(jìn)鋁酸鈣和硅酸鈣的水化。在一般情況下，如用石灰作堿性激發(fā)劑，其摻入量宜在3%以下，最高不得超過(guò)5%，如用普通水泥熟料代替石灰，摻入量在5%以下，最大不超過(guò)8%。
這種石膏礦渣水泥成本較低，具有較好的抗硫酸鹽侵蝕和抗?jié)B透性，適用于混凝土的水工建筑物和各種預(yù)制砌塊。
2.3 石灰礦渣水泥
石灰礦渣水泥是將干燥的?；郀t礦渣、生石灰或消石灰以及5%以下的天然石膏，按適當(dāng)?shù)谋壤浜夏ゼ?xì)而成的一種水硬性膠凝材料。
石灰的摻加量一般為10%～30%，它的作用是激發(fā)礦渣中的活性成分，生成水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣。石灰摻入量太少，礦渣中的活性成分難以充分激發(fā)；摻入量太多，則會(huì)使水泥凝結(jié)不正常，強(qiáng)度下降和安定性不良。石灰的摻入量往往隨原料中氧化鋁的含量的高低而增減，氧化鋁含量高或氧化鈣含量低時(shí)應(yīng)多摻石灰，通常石灰在12%～20%范圍內(nèi)配制。
石灰礦渣水泥可用于蒸汽養(yǎng)護(hù)的各種混凝土預(yù)制品，水中、地下、路面等的無(wú)筋混凝土和工業(yè)與民用建筑砂漿。
3.礦渣在混凝土中的應(yīng)用
3.1 作用機(jī)理
礦渣微粉用作混凝土的摻合料能改善或提高混凝土的綜合性能，其作用機(jī)理在于礦渣微粉在混凝土中具有微集料效應(yīng)、微晶核效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，而且還可以提高混凝土的抗?jié)B性，降低水化熱防止溫升裂縫。
(1) 微集料效應(yīng)
混凝土可視為連續(xù)級(jí)配的顆粒堆積體系，粗集料的間隙由細(xì)集料填充，細(xì)集料的間隙由水泥顆粒填充，而水泥顆粒之間的間隙則需要更細(xì)的顆粒來(lái)填充。按照Aim 和Goff 模型理論，當(dāng)把摻有超細(xì)礦物摻合料的水泥基材料系統(tǒng)看作多元系統(tǒng)，則在該系統(tǒng)中存在著一個(gè)最緊密堆積。其值取決于超細(xì)礦物摻合料顆粒與水泥顆粒的直徑比，該比值越小，最緊密堆積值越大。礦渣微粉的細(xì)度比水泥顆粒細(xì)，在取代了部分水泥以后，這些小顆粒填充在水泥顆粒間的空隙中，使膠凝材料具有更好的級(jí)配，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。同時(shí)還能降低標(biāo)準(zhǔn)稠度下的用水量，在保持相同用水量的情況下又可增加流動(dòng)度，因此改善了和易性。填充作用的另一好處是增加了粘聚性，防止了泌水離析，改善了可泵性。
(2) 微晶核效應(yīng)
礦渣微粉的膠凝性雖然與硅酸鹽水泥相比較弱，但它為水泥水化體系起到微晶核效應(yīng)的作用，加速水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程并為水化產(chǎn)物提供了充裕的空間，改善了水泥水化產(chǎn)物分布的均勻性，使水泥石結(jié)構(gòu)比較致密，從而使混凝土具有較好的力學(xué)性能。
(3) 火山灰效應(yīng)。
混凝土中摻入礦粉，在混凝土內(nèi)部的堿環(huán)境中，礦粉吸收水泥水化時(shí)形成的Ca (OH) 2 ，且能促進(jìn)水泥進(jìn)一步水化生成更多有利的CSH 凝膠，使集料接口區(qū)的Ca (OH) 2 晶粒變小，改善了混凝土微觀結(jié)構(gòu)，使水泥漿體的空隙率明顯下降，強(qiáng)化了集料接口粘結(jié)力，使混凝土的物理力學(xué)性能大大提高。
(4) 提高抗?jié)B性
在混凝土中摻入礦渣微粉后由于替代了部分水泥而減少了受侵蝕的內(nèi)因，同時(shí)當(dāng)?shù)V渣微粉均勻分散到水泥漿體中，形成了水化產(chǎn)物的核心。礦渣微粉摻入混凝土中能吸收部分Ca (OH) 2 產(chǎn)生二次水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物進(jìn)一步填充了結(jié)構(gòu)孔隙，使結(jié)構(gòu)更密實(shí)抗?jié)B透性更好。
(5) 降低水化熱防止溫升裂縫
在水泥水化初期，放熱集中，會(huì)造成坍落度損失。礦渣微粉加入后，由于它本身不能直接水化，只有在水泥水化的堿性條件下二次水化。因而它能延緩水化放熱，初始坍落度保持時(shí)間可以長(zhǎng)一些，減少了由于溫升帶來(lái)的溫度裂縫。
3.2礦渣對(duì)混凝土性能的影響
3.2.1磨細(xì)礦渣對(duì)硬化混凝土力學(xué)性能的影響
在低水膠比的情況下，礦渣對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響與高水膠比的情況顯著不同。由于礦渣的水化比純水泥要慢(需要水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣來(lái)激發(fā))，在高水膠比的情況下，絕大部分水泥的水化都能得到充足的水分供應(yīng)，因而表現(xiàn)為純水泥混凝土的早期強(qiáng)度比摻礦渣的混凝土早期強(qiáng)度高，但由于礦渣的潛在活性作用，礦渣在水泥水化后期(一般在28d以后)表現(xiàn)出增強(qiáng)作用，于是摻礦渣混凝土的后期強(qiáng)度常常高于不摻礦渣混凝土后期強(qiáng)度。而當(dāng)水膠比很低時(shí)，水泥因水分不足而難以充分水化，水泥用量大的混凝土，放熱量大，溫度升高，影響了強(qiáng)度的發(fā)展，使純水泥快速水化的優(yōu)勢(shì)無(wú)法表現(xiàn)出來(lái)，而當(dāng)水泥被一部分礦渣取代時(shí)，由于礦渣的活性較高，能夠提高水化產(chǎn)物的質(zhì)量，而且由于礦渣的水化比水泥慢，使水泥早期的水化比較充分。因此，摻礦渣混凝土后期強(qiáng)度比不摻礦渣混凝土高，而且早期強(qiáng)度就可以超過(guò)對(duì)比混凝土相應(yīng)強(qiáng)度。不過(guò)，也有研究表明[23]，在水膠比高達(dá)0.49時(shí)，即使磨細(xì)礦渣的摻量在40~50%范圍內(nèi)，水化7d后，礦渣混凝土的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土高出26.7％。
Miuar 等人研究了磨細(xì)礦渣比表面積與混凝土強(qiáng)度之間的關(guān)系[24]。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)磨細(xì)礦渣比表面積為400m2/kg時(shí)，隨著磨細(xì)礦渣摻量的增加，28d 的混凝土抗壓強(qiáng)度明顯下降，90d強(qiáng)度也略低；當(dāng)磨細(xì)礦渣比表面積為600m2/kg時(shí)，28d 強(qiáng)度仍有一定的下降幅度，但是60d后磨細(xì)礦渣混凝土抗壓強(qiáng)度高于未摻磨細(xì)礦渣的混凝土；而當(dāng)磨細(xì)礦渣比表面積達(dá)800m2/ kg 時(shí)，28d 的強(qiáng)度基本與未摻磨細(xì)礦渣的混凝土持平。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)磨細(xì)礦渣摻量直到80%仍顯現(xiàn)基本相同的規(guī)律。
3.2.2 磨細(xì)礦渣對(duì)硬化混凝土耐久性能的影響
由于磨細(xì)礦渣混凝土的漿體結(jié)構(gòu)較致密，且磨細(xì)礦渣能吸收水泥水化生成的氫氧化鈣而改善了混凝土的界面結(jié)構(gòu)。因此，磨細(xì)礦渣混凝土的抗?jié)B性十分顯著地優(yōu)于不摻磨細(xì)礦渣的普通混凝土，對(duì)一系列混凝土耐久性帶來(lái)了有利的影響。由于磨細(xì)礦渣混凝土的高抗?jié)B性而且磨細(xì)礦渣還具有較強(qiáng)的吸附氯離子的能力，因此能有效地阻止氯離子滲透或擴(kuò)散進(jìn)入混凝土，提高混凝土抗氯離子滲透能力，使磨細(xì)礦渣混凝土比普通混凝土在有氯離子環(huán)境中十分顯著地提高了護(hù)筋性[11，25]。
混凝土的抗硫酸鹽侵蝕主要取決于混凝土的抗?jié)B性和水泥膠凝材料中C3A 礦物相含量和堿度，而磨細(xì)礦渣混凝土材料中的C3A 礦物相與堿度均較低，且又具有高抗?jié)B性。因此，磨細(xì)礦渣混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能十分顯著地得到了提高。試驗(yàn)表明，在濃度為10%的Na2SO4溶液中浸泡30d 后，強(qiáng)度沒(méi)有絲毫降低。
摻入的礦粉能與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，使得混凝土中的堿度降低。 隨礦粉摻量的增加，碳化的深度和速度也增加，且當(dāng)?shù)V粉摻量超過(guò)50%時(shí)，碳化速率加快。
由于磨細(xì)礦渣混凝土中的堿含量明顯降低了，因此，對(duì)預(yù)防和抑制混凝土的堿—集料反應(yīng)是十分有利的。
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