1、-1-矿粉在高标号混凝土中的应用单位： 作者： 摘要：本文介绍了高标号混凝土的应用情况，并分析了矿粉的物理化学性能，并通过试验和实验数据说明了矿粉对混凝土的强度和和易性的改良作用，又进一步从经济分析和环保两方面阐明超细矿粉对混凝土的有利影响。关键字：矿粉、混凝土、成本1 引言随着集团公司战略目标的转移，市政公司应运而生，在越来越多的项目中标之后，公司的业务不断增加，在高速公路、市政工程中，C50 等高标号混凝土的用量和用途也是越来越多，桥梁梁板不管是预制还是现浇基本全部都是采用 C50 混凝土来保证桥梁的强度和稳定性。例如我阳五高速 A1-2 合同段中桃河特大桥上部结构的 C50 混凝土数量就
2、将近 20000m3。在保证混凝土质量的前提下，控制其成本，是项目成本控制的一个重要环节。粉煤灰的应用技术已经非常成熟，但其强度发展慢，在掺量上又有严格的限制，很难再有潜力可挖。理论上通过使用高效减水剂和矿物掺合料降低单方水泥用量，矿粉与水泥存在一定的价差，等量取代后经济效益是显而易见的。而矿粉胶凝系数高、强度发展比粉煤灰快，可改善混凝土拌合物性能和长期性能。国外大量重大工程建设项目，如香港青马大桥、丹麦瑞典厄勒海峡工程、沙特阿拉伯巴林的法赫德国王跨海堤桥等的成功典范，充分显示了活性矿物掺合料矿粉在混凝土中应用的巨大前景。由此可见，矿粉已成为理想的掺合料逐渐被人们采用。对此我阳五高速 A1-2
3、 合同段项目部试验室在 C50 混凝土拌和中掺用矿粉方面作了一些试验工作，有了一些实际的经验。-2-2 技术角度分析2.1 混凝土强度控制C50 高标号混凝土强度控制和和易性控制尤为关键。影响混凝土抗压强度的主要因素是水泥强度和水灰比，要控制好混凝土质量，最重要的是控制好水泥和混凝土的水灰比两个主要环节。此外，影响混凝土强度还有其它不可忽视的因素。粗骨料对混凝土强度也有一定影响，当石质强度相等时，碎石表面比卵石表面粗糙，它与水泥砂浆的粘结比卵石强，当水灰比相等或配合比相同时，两种材料配制的混凝土，碎石的混凝土强度比卵石强。因此，控制好水泥及其用量，再加上试拌来调整混凝土的和易性，高标号混凝土配
4、制也成为可能。2.2 试验用原材料分析2.2.1 矿粉：太原钢铁（集团）有限公司生产，S95 级，其性能见表 1表 1 矿粉性能主 要 化 学 成 分 活 动 指 数SiO2 Al2O3 CaO MgO比 表面 集(m2/kg）密 度(g/cm3)烧 失 量 /%Cl /% SO3/% 流 动度 比 /%7d 28d33.2 15.88 36.91 11.12 448 2.88 -0.38 0.007 0.07 105 76.2 1082.2.2 水泥：山西亚美建筑工程材料有限公司，P.O42.5，其性能见表 2表 2 水泥主要物理性能抗折强度 /MPa 抗压强度 /MPa标准稠度用水量/%
5、安定性3d 28d 3d 28d28.0 合格 4.7 8.5 25.6 49.3-3-2.2.3 粉煤灰：阳泉光源电力实业总公司生产级灰，其主要性能见表 3表 3 粉煤灰性能细度（45 m 筛子）/% 烧失量 /% 需水量比 /% SO3 /%14.22 6.64 95 0.442.2.4 砂：河北正定水洗砂，其主要性能见表 4表 4 砂的主要性能细度模数 含泥量 /% 泥块含量 /% 表观密度 g/m32.8 0.9 0 26072.2.5 碎石：黑土岩 5mm20mm 连续级配碎石，其主要性能见表 5表 5 碎石的主要性能含泥量 /% 泥块含量 /% 压碎指标/%针片状颗粒含量/%表观密
6、度 g/m30.4 0 12.9 3.3 27002.2.6 外加剂：北京鑫宏光建材有限公司生产的 WDN 聚羧酸高效减水剂，掺量为 1.3%时，减水率为 22%。3 矿粉性能分析3.1 矿粉细度( 比表面积) 及其对混凝土强度的影响磨细矿渣微粉磨到一定细度(比表面积)，才能充分参与水化反应提高活性。矿粉细度大小直接影响矿粉的增强效果，原则上矿粉细度越大则效果越好，但-4-要求过细则粉磨困难，成本大幅度增加。综合考虑矿粉的细度以 400m2/ kg600m 2/ kg 为佳，从表 2 中的试验数据分析矿粉的细度也应为 400m2/ kg 600m 2/ kg。但实际应用中，由于矿渣较难磨细，考
7、虑到磨机效率，矿渣磨细到 400m2/ kg500m 2/ kg 已经比较好了。从颁布执行的 GB/ T18046 - 2000 标准来看，只要将矿渣比表面积控制在 420m2/ kg450m 2/ kg 即可满足标准中 S95 级要求。另外，仅用比表面积作为矿渣粉的质量指标是不够严谨的，因为不同粉磨系统制备的磨细矿渣，即使比表面积相同，其活性指数(特别是 7d 龄期时) 也不一定相同。表 6 不同比表面积的矿粉对混凝土强度的影响抗压强度/MPa水泥/% 矿粉/% 矿粉比表面积/（m 2/kg）7d 28d 90d100 0 38.5 51.6 64.350 50 400 24.1 59.5
8、77.950 50 405 34.5 69.1 91.150 50 485 41.1 71.5 91.650 50 538 43.2 72.4 92.250 50 578 32.1 71.1 90.250 50 674 60.2 74.5 87.43.2 矿粉对混凝土耐久性的影响3.2.1 矿粉降低水泥的水化热混凝土在硬化过程中，水泥水化反应产生大量水化热。由于混凝土热阻很大，热量聚集在内部不易散发，而表面散热较快，致使在混凝土内部和表面形成较大温差。这样会导致不均匀温度变形和温度应力， 一旦拉应力超过混凝土即时抗拉强度，就会在混凝土内部或表面产生裂缝。这种温度裂缝是混凝土早-5-期开裂的主要
9、因素之一，往往是贯穿性的有害裂缝，对混凝土的耐久性十分不利。应用 42.5 普通硅酸盐水泥及矿粉和粉煤灰进行试验，试验结果列于表 7 中。表 7 矿粉对水泥水化热的影响矿粉 水化热（j/g）编号 水泥掺量/%细度/（m 2/kg）掺量/%粉煤灰掺量/%3d 实测值百分比/ %7d 实测值百分比/%1 100 0 0 298 100 319 1002 70 30 0 224 75 311 973 50 50 0 205 69 269 844 3043070 0 192 64 226 71由表 7 中可以看出，混凝土中掺加矿粉可降低浆体的水化热，单掺量小于50%时，水化热降低不明显。当达到 70%
10、掺量时，3d、7d 的水化热明显降低；矿粉和粉煤灰复配，可显著降低浆体 3d、7d 的水化热。对要求严格控温的大体积混凝土，矿粉和粉煤灰复配是理想的矿物掺合料，可有效减少混凝土早期温缩裂缝。3.3 矿粉提高混凝土抗渗性能超细矿粉对混凝土抗渗性的改善主要取决于它的两个综合效应：一是火山灰效应，二是微集料效应。火山灰效应：矿渣改变了胶结料与集料的界面粘结强度，普通混凝土的浆体与集料的界面粘结受水化产物 Ca(OH)2 定向排列的影响而强度降低。矿渣微粉吸收水泥水化时形成的 Ca(OH) 2，并进一步水化生成更多有利的 CSH 凝胶，使界面区的 Ca (OH) 2 晶粒变小，改善了混凝土的微观结构，
11、使水泥浆体的孔隙率明显下降，强化了集料界面粘结力，从而使混凝土的抗渗性能提高。微集料效应：混凝土体系可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-6-的间隙则由更细的颗粒填充。矿渣微粉可起到填充水泥颗粒间隙的微集料作用，从而改善了混凝土的孔结构，降低了孔隙率，并减少了最大孔径的尺寸，使混凝土形成了密实充填结构和细观层次的自紧密堆积体系，大幅度提高了混凝土的抗渗性能，同时也防止了泌水、离析。3.4 矿粉和粉煤灰复掺对混凝土工作性能及力学性能的影响为保证混凝土的可泵送性，混凝土要求有很好的流动性，混凝土初始坍落度，一般控制在 180mm 以上，泵送
12、时坍落度一般控制在 140mm 以上。在水泥水化初期，矿渣微粉分布并包裹在水泥颗粒的表面，起到了延缓和减少水泥初期水化物相互搭接的隔离作用。因此，使混凝土坍落度经时损失也有所改善。在同样混凝土配合比及掺用同样高效减水剂的情况下，矿渣混凝土的坍落度经时损失比普通混凝土小，有利于商品混凝土的泵送施工。另外，矿粉会使混凝土凝结时间有所延长。矿渣和 I 级粉煤灰复合掺加，两种材料的火山灰效应、形态效应和微集料效应相互叠加，形成“工作性能互补效应”和“强度互补效应”，使混凝土具有良好的抗渗性和可泵性。3.4.1 混凝土“工作性能互补效应” 对新拌混凝土，发挥粉煤灰的“形态效应”。粉煤灰中富含的球状玻璃体
13、对浆体起到“润滑作用”，增大了拌合料的流动性，减小泵送阻力，改善由于矿粉的掺入所导致的混凝土粘聚性提高、泌水性增加的趋势，使新拌混凝土得到最佳的流动性和粘聚性。3.4.2 混凝土“强度互补效应” 粉煤灰等量取代水泥时，28d 强度基本都比空白混凝土强度低，而矿粉在合适的掺量下会使混凝土的 28d 强度稍有提高，因此，二者有较好的“强度互补效应”。二者复合使用还可兼顾混凝土早期强度与后期强度，早期发挥矿粉的火山灰效应，改善浆体和集料的界面结构，弥补由于粉煤灰的火山灰效应滞-7-后于水泥熟料水化，从而使得火山灰反应生成物和水泥水化生成的凝胶数量不足导致与未反应的粉煤灰之间界面粘结不牢引起的早期强度
14、损失；后期发挥 I 级粉煤灰的火山灰效应所带来的孔径细化作用以及未反应的粉煤灰颗粒的“内核作用”，使混凝土后期强度持续得到提高。4 试验方法配合比设计参照 JGJ55-2000 并结合经验进行；拌合物坍落度及和易性观察根据 GB/T50080-2002 进行；抗压强度测定根据 GB/T50081-2002 进行；耐久性测定根据 JGJ82-85 进行。5 混凝土配合比及性能试验混凝土配合比(粉煤灰掺加比例固定)及部分性能试验，详见表 8，分析如下：表 8 混凝土配合比混凝土抗压强度/ MPa水胶比矿粉掺量/%水泥 矿粉 粉煤灰 水TS301/%坍落度/mm和易性R3 R7 R28 R600 2
15、49 - 59 185 1.1 180 17.2 24.1 33.2 -0.6020 201 60 57 180 1.1 185粘聚性一般 14.2 21.6 36.6 -8-30 171 90 57 180 1.1 190 12.6 20.8 37.2 -40 141 120 57 180 1.0 180 11.4 19.6 36.4 -0 295 - 61 185 1.5 180 - 30.7 41.6 45.515 235 52 59 180 1.5 180 - 28.7 41.8 47.020 220 69 57 180 1.5 190 - 28.1 40.9 44.825 196 8
16、4 57 175 1.5 180 - 27.7 40.9 45.230 179 101 57 175 1.5 185 - 25.8 43.2 46.035 162 118 57 175 1.5 195 - 24.8 38.7 43.840 145 135 57 175 1.4 185 - 23.6 38.5 42.70.5250 112 168 57 175 1.4 195和易性良好- 22.0 38.0 42.10 378 - 62 185 1.8 190 - 40.0 52.6 61.620 283 86 60 180 1.8 190 - 32.3 51.6 59.630 234 125
17、58 175 1.8 180 - 31.2 52.2 62.835 213 146 58 175 1.8 190 - 30.2 48.0 60.540 192 167 58 175 1.6 190 - 27.8 47.8 60.20.4250 146 202 57 170 1.6 180和易性优，掺矿粉扩展度500mm - 25.4 44.8 57.50 443 - 66 178 2.0 185 粘性大 40.1 51.2 65.4 -20 329 98 64 172 2.0 200 不粘 37.6 51.0 64.1 -25 298 120 62 168 2.0 200 稍粘 37.6 53
18、.1 68.7 -0.3530 268 141 61 165 2.0 185 粘性大 34.8 53.8 71.5 -5.1 水胶比较大时（本试验中为 0.60,0.52,0.42），矿粉等量取代部分水泥，随着矿粉掺量的增加，3 天、7 天强度近似线性降低；28 天、60 天强度，当掺量为 30%以下时，变化不大，随着掺量的增加略有上升，至 30%时最高。3 天、7 天强度与 28 天、60 天强度结果比较，可见随着矿粉掺量的增加，强度增加幅度增大，即矿粉掺量对后期强度的影响逐渐变小。5.2 水胶比较小时（本试验中为 0.35），矿粉掺量为 0-30%时，随着矿粉掺量的增加，7 天、28 天强
19、度递增，掺 30%时最高，但掺 30%时粘性较大，因为矿-9-粉比表面积超过 400m2/kg，在某合适掺量时，因为它的微集料效应具有一定的减水和增加流动性功能，但在高强度混凝土（低水胶比）中，掺量太大更增加了粘聚性，易造成泵送和施工困难。5.3 矿粉等量取代部分水泥配制混凝土，达到相同的坍落度时，比基准混凝土的需水量低，且置换率越大，需水量越小。实际试验和应用中，为达到相同的坍落度，可调整用水量或外加剂用量。在中低强度混凝土（较大水灰比）中，随着矿粉掺量的增加，调整用水量或减水剂用量，混凝土达到相同的坍落度时，流动性增大。5.4 试验结果综合以上试配分析：只用 42.5 和 52.5 水泥进
20、行试配 C50，水泥用量太高，容易产生收缩裂缝，且混凝土和易性不佳；单掺粉煤灰进行试配 C50，水泥用量较高，和易性较好；但矿粉和粉煤灰复掺，混凝土强度高且和易性好。因此，确定试验室基准配合比为水泥:矿粉：粉煤灰：砂:石子:水：外加剂=387:95:45:607：1180：136：5.797。6 成本分析参照阳五高速公路施工现场材料价，我们会同项目部商务部针对两种配合比每方 C50 砼所需材料成本做了分析：单掺粉煤灰 C50 混凝土水泥 52.5 矿粉 粉煤灰 砂 石子 水 外加剂用量 价格 用量 价格 用量 价格 用量 价格 用量 价格 用量 价格 用量 价格合计Kg 元 Kg 元 Kg 元
21、 Kg 元 Kg 元 Kg 元 Kg 元319.79 433.00 210.01 48.10 2.45 563.00 29.28 1252.00 36.06 154.00 1.31 5.196 25.46 掺矿粉 C50 混凝土合计水泥 42.5 矿粉 粉煤灰 砂 石子 水 外加剂-10-上述数据表明，通过技术改良后，掺加矿粉的 C50 砼在材料价格同等条件下每方节约成本 42.31 元，就阳五高速公路项目而言，单单桃河特大桥就能节约成本 84.62 万元，可见，加掺矿粉改良混凝土带给企业的效益一目了然，相当可观。7 环保作用矿粉作为炼铁高炉排出的矿渣，用在高强混凝土中变废为宝，大大体现了现代
22、人注重环保，资源循环利用的一种可持续发展的观念。8 总结矿粉的大量应用，改变以往仅以粉煤灰为主要掺合料的局面。随着矿粉研究和应用的不断深入，混凝土质量会逐步改善。同时，矿粉的应用，可以克服仅掺粉煤灰时取代水泥量有限的弱点，可以进一步降低水泥用量，不仅可以改善混凝土耐久性，同时对混凝土抗渗性能也有很大提高。最关键的是，矿粉的加入大大降低了混凝土的成本，为企业“利润的最大化”添上了浓重的一笔。用量 价格 用量 价格 用量 价格 用量 价格 用量 价格 用量 价格 用量 价格Kg 元 Kg 元 Kg 元 Kg 元 Kg 元 Kg 元 Kg 元277.48 387.00 139.32 95.00 27.55 45.00 2.30 607.00 31.56 1180.00 33.98 136.00 1.16 5.797 28.41
