結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)輔導(dǎo):論超細(xì)礦渣粉在混凝土中的應(yīng)用

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超細(xì)礦渣粉(或超細(xì)粒化高爐礦渣粉)系指符合國家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥中?;郀t礦渣》GB/T203—1994規(guī)定的?;郀t礦渣經(jīng)干燥、粉磨(或添加少量石膏一起粉磨)達(dá)到相當(dāng)細(xì)度且符合相應(yīng)活性指數(shù)的粉體。
    從1969年起,英國、德國等發(fā)達(dá)國家就開始了超細(xì)礦渣粉在混凝土中作為礦物摻合料的應(yīng)用。自上世紀(jì)90年代起,我國開始了超細(xì)礦渣粉的應(yīng)用研究工作。2000年,國家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土的?;郀t礦渣粉》GB/T18046—2000正式頒布。2002年,國家標(biāo)準(zhǔn)《高強(qiáng)、高性能混凝土用礦物外加劑》頒布實(shí)施。在該標(biāo)準(zhǔn)中,正式將超細(xì)礦渣粉命名為“礦物摻合料”,納入混凝土第六組分。從此,超細(xì)礦渣粉作為一個(gè)獨(dú)立的新產(chǎn)品橫空出世,并立即被廣泛地接受和應(yīng)用。
    2006年,山西彤陽爐料有限公司正式投產(chǎn)。其主要產(chǎn)品—“彤陽”牌S105級(jí)超細(xì)礦渣粉,以山西海鑫鋼鐵集團(tuán)高爐礦渣為主料,嚴(yán)格按照優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)。我山西海鑫海天混凝土公司經(jīng)過一年多的應(yīng)用實(shí)踐表明:摻入“彤陽”牌S105級(jí)超細(xì)礦渣粉的混凝土具有改善拌合物和易性、高強(qiáng)度、高抗?jié)B性、高抗凍性、高抗裂性、高耐腐蝕性、降低水泥用量和水化熱等特性,極大地改善了混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能和長期耐久性能。
    一、超細(xì)礦渣粉在混凝土中的作用
    首先,我先介紹一下總的指導(dǎo)思想。
    我們認(rèn)為,除了原材料的質(zhì)量以外,混凝土結(jié)構(gòu)中最為薄弱的環(huán)節(jié)(或部位)主要有兩個(gè):一是骨料與水泥石的過渡區(qū)。二是水泥水化產(chǎn)物(或二次水化產(chǎn)物)之間的空隙。那么,凡是能夠改善混凝土結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)(或部位)的措施,都能夠改善混凝土的性能。
    我們所論述的超細(xì)礦渣粉在混凝土中的應(yīng)用,正是由于改善了混凝土結(jié)構(gòu)中“水泥水化產(chǎn)物(或二次水化產(chǎn)物)之間的空隙”的薄弱環(huán)節(jié)(或部位),混凝土的各種性能(拌合物性能、力學(xué)性能和長期耐久性能等)自然能夠得以改善。
    1、改善混凝土的微結(jié)構(gòu)。
    主要是通過改善混凝土細(xì)微顆粒的級(jí)配,即改善粉體材料在混凝土中的粒度分布,產(chǎn)生密實(shí)堆積填充效應(yīng),使混凝土的孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化(即大孔數(shù)量減少,小孔數(shù)量增加,平均孔徑降低,分布更為合理),空隙率降低(特別是水泥水化產(chǎn)物之間的空隙),微結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。
    2、降低混凝土的拌合用水量。(特別是游離態(tài)有害水的含量)
    我們知道,水泥的完全水化僅僅需要一小部分水,混凝土中的大部分水是為了滿足其工作性而引入的。我們稱之為游離態(tài)有害水。在混凝土施工和硬化中僅僅有一小部分游離態(tài)有害水可能會(huì)通過空氣蒸發(fā)和模板滲出,但是大部分游離態(tài)有害水會(huì)在混凝土硬化后形成較大的空隙,從而給混凝土結(jié)構(gòu)造成了永久的傷害。當(dāng)混凝土的孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化,空隙率降低時(shí),其游離態(tài)有害水的含量即可相應(yīng)降低。
    3、改善混凝土拌合物的和易性。
    由于超細(xì)礦渣粉是細(xì)微球狀體,其表面光滑,且性能穩(wěn)定,在混凝土中能夠起到一種類似于軸承的微珠潤滑作用,減少了摩擦阻力,即有效地改善了混凝土拌合物的和易性(即流動(dòng)性、黏聚性、保水性等)。混凝土拌合物的和易性好,則坍落度經(jīng)時(shí)損失小,工作性好(可泵性等)。
    4、提高混凝土的強(qiáng)度。
    其一是改善混凝土的微結(jié)構(gòu),增加密實(shí)度,以提高混凝土的強(qiáng)度。
    其二,超細(xì)礦渣粉中含有豐富的活性SiO2等,能夠與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2進(jìn)行二次水化反應(yīng),生成密實(shí)度更高的硅酸凝膠。
    (1)、試驗(yàn)原材料
    水泥:海鑫P.S42.5礦渣硅酸鹽水泥。
    礦粉:彤陽S105級(jí)礦渣粉。
    密度(g/cm3)
     比表面積(m2/Kg)
     活性指數(shù)(%)
     流動(dòng)度比(%)
     三氧化硫(%)
     氯離子
    (%)
     燒失量
    (%)
    2.9
     460
     117
     93
     1.0
     0.017
     0.2
    粉煤灰:河津Ⅱ級(jí)粉煤灰。
    砂:楊徐砂,Ⅱ區(qū)中砂,顆粒級(jí)配基本符合規(guī)定。
    碎石:嶺西東碎石,5mm-26.5mm連續(xù)級(jí)配。
    外加劑:郭鎖穩(wěn)高性能泵送劑(粉劑)。凝結(jié)時(shí)間:14-16小時(shí)。
    (2)、試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果
    試驗(yàn)1、水泥膠砂超細(xì)礦渣粉摻量試驗(yàn)
    水泥(g)
     超細(xì)礦渣粉(g)
     摻量(%)
     28天抗壓強(qiáng)度(Mpa)
    450
     0
     0
     54.4
    427.5
     22.5
     5
     54.3
    405
     45
     10
     60.6
    360
     90
     20
     62.5
    315
     135
     30
     63.4
    270
     180
     40
     66.6
    225
     225
     50
     62.4
    180
     270
     60
     50.1
    試驗(yàn)2、混凝土超細(xì)礦渣粉摻量試驗(yàn)
    混凝土試驗(yàn)用配合比
    編號(hào)
     摻量
     水泥
     礦渣
     砂
     石
     水
     外加劑
    01
     0
     600
     0
     580
     1008
     160
     2.7
    02
     5
     570
     30
     580
     1008
     160
     2.7
    03
     10
     540
     60
     580
     1008
     160
     2.7
    04
     20
     480
     120
     580
     1008
     160
     2.7
    05
     30
     420
     180
     580
     1008
     160
     2.7
    06
     40
     360
     240
     580
     1008
     160
     2.7
    07
     50
     300
     300
     580
     1008
     160
     2.7
    08
     60
     240
     360
     580
     1008
     160
     2.7
    混凝土和易性、坍落度及抗壓強(qiáng)度
    編號(hào)
     和易性
     坍落度(mm)
     快養(yǎng)抗壓強(qiáng)度(Mpa)
     28天抗壓強(qiáng)度(Mpa)
    01
     一般
     180
     53.9
     63.2
    02
     一般
     190
     54.8
     63.9
    03
     好
     200
     57.0
     75.8
    04
     好
     215
     57.9
     77.2
    05
     好
     235
     59.4
     78.8
    06
     良好
     240
     62.5
     83.3
    07
     良好
     255
     60.1
     78.0
    08
     良好
     260
     49.7
     60.6
    (3)、結(jié)論
    隨著超細(xì)礦渣粉摻量的增加,混凝土(水泥)各齡期的抗壓強(qiáng)度均有增長。但是,當(dāng)摻到50%時(shí),其快養(yǎng)和28天抗壓強(qiáng)度有緩慢的下降趨勢;當(dāng)摻到60%時(shí),其快養(yǎng)和28天抗壓強(qiáng)度已經(jīng)有比較明顯的下降趨勢。因此,我們必須確定其摻量。
    超細(xì)礦渣粉摻量的確定應(yīng)符合以下兩點(diǎn):
    ①、必須滿足各類工程和各種施工工藝的要求;
    ②、必須滿足混凝土的和易性、凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度的要求。
    根據(jù)以上兩點(diǎn),并結(jié)合水泥的品種、標(biāo)號(hào)、強(qiáng)度和大氣溫度以及超細(xì)礦渣粉的質(zhì)量確定其摻量。
    5、降低混凝土的水泥用量和水化熱。
    國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:混凝土中心溫度與表面溫度的溫差不得超過25℃。在混凝土強(qiáng)度一定的情況下,摻加超細(xì)礦渣粉,可大幅降低水泥用量。同時(shí)可推遲熱峰的出現(xiàn)時(shí)間。
    6、提高混凝土的抗?jié)B性。
    采用上述編號(hào)為05、06的混凝土抗?jié)B試件,分別在2.5Mpa壓力下恒壓48h。結(jié)果是其試件上端面無一滲水。劈開試件,測量其滲水高度。結(jié)果如下:
    編號(hào)
     滲水高度(cm)
    05
     3.0
    06
     1.8
    從上表可知,在2.5Mpa的壓力下,其試件上端面無一滲水,且滲水高度都較小。這充分說明摻入超細(xì)礦渣粉的混凝土有相當(dāng)好的抗?jié)B性。
    7、提高混凝土的抗凍性。
    大量研究表明:混凝土的膠凝材料用量、水膠比、引氣性能等是影響混凝土抗凍性的主要因素?;炷了z比大時(shí),其游離態(tài)有害水多,硬化后內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)差、空隙率大,則受凍融循環(huán)破壞的幾率大。當(dāng)在混凝土中引入大量的、細(xì)微的、均勻的氣泡時(shí),這些細(xì)微氣泡即細(xì)微空間可以作為體積膨脹的“緩沖閥”,降低和避免其他物理和化學(xué)反應(yīng)引起的破壞。經(jīng)試驗(yàn)表明,摻入超細(xì)礦渣粉的混凝土,其抗凍性明顯高于普通混凝土。
    8、提高混凝土的抗裂性。
    混凝土在硬化過程中,由于化學(xué)減縮、冷縮和干縮等原因會(huì)引起體積收縮,其收縮值為自生體積的0.04%左右。這些收縮會(huì)給混凝土的體積穩(wěn)定性帶來很大的危害。經(jīng)試驗(yàn)表明,摻入超細(xì)礦渣粉的混凝土,會(huì)產(chǎn)生適度的微膨脹。在鋼筋和骨料的約束下,可產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力,以抵消混凝土在硬化過程產(chǎn)生的拉應(yīng)力,補(bǔ)償部分水化熱引起的溫度應(yīng)力,減少和避免混凝土裂縫的產(chǎn)生。
    9、提高混凝土的耐腐蝕性。
    超細(xì)礦渣粉中含有豐富的活性SiO2等,能夠與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2進(jìn)行二次水化反應(yīng),從而降低了混凝土硬化后水泥膠體與SO42-反應(yīng)生成鈣礬石的機(jī)會(huì),一定程度上抑制了SO42-等離子的侵蝕破壞。(這種鈣礬石,由于體積膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力受到了硬化后混凝土的約束,因此,其破壞力。)另外,超細(xì)礦渣粉的摻加減少了水泥用量,即減少了水泥引入的堿含量,從而降低混凝土發(fā)生堿—集料反應(yīng)的破壞可能性。
    10、延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。
    Mehta(美特)整體論模型指出:“一個(gè)不透水但存在微裂縫且多孔的混凝土→經(jīng)侵蝕冷熱循環(huán)、干濕循環(huán)→混凝土結(jié)構(gòu)微裂縫增加、相連→水的滲入,有害物質(zhì)侵蝕→混凝土膨脹、鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)、水結(jié)冰、硫酸鹽侵蝕使混凝土強(qiáng)度和剛度降低→開裂破壞與整體性喪失。”
    模型清楚地表明:混凝土的不透水性是任何物理、化學(xué)破壞過程中的第一道防線。因此,超細(xì)礦渣粉在混凝土中的應(yīng)用對(duì)混凝土的可持續(xù)發(fā)展(即節(jié)約利用混凝土原材料,提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性)有著非常重要的意義。
    二、超細(xì)礦渣粉的應(yīng)用范圍
    1、高強(qiáng)度等級(jí)混凝土
    配制C50混凝土,采用目前的水泥有相當(dāng)?shù)碾y度。那么,配制C60、C70甚至C80混凝土,就必須摻加超細(xì)礦渣粉(以及高性能外加劑)才能夠完成。
    2、大體積混凝土
    可以降低水泥用量和水化熱,推遲熱峰的出現(xiàn)時(shí)間,有效地防止諸如裂縫等問題。
    3、除了上述應(yīng)用范圍以外,只要采用水泥、混凝土,都可以摻加不同摻量的超細(xì)礦渣粉。
    總之,超細(xì)礦渣粉在混凝土中的應(yīng)用,不僅是混凝土的質(zhì)量問題,而且是關(guān)系到“建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、走可持續(xù)發(fā)展道路”的大問題。
    我們是很普通的試驗(yàn)員,但我們也和大多數(shù)試驗(yàn)員一樣,是很有社會(huì)責(zé)任感的試驗(yàn)員。在做本文的時(shí)候,一方面是想介紹一下“彤陽”牌超細(xì)礦渣粉,讓好產(chǎn)品派上好用場;另一方面,更重要的是想借此機(jī)會(huì),向各位專家和同仁交流一下我們的一些學(xué)習(xí)思考的體會(huì)。