矿物多元掺和料配制混凝土应用性能研究

　　摘要：对等单掺钢渣及粉煤灰混凝土和钢渣、粉煤灰不同掺量复合掺和料混凝土的工作性能与力学性能进行了对比研究，并从物相的组成和水化特性及反应等多方面进行了综合分析。研究结果表明钢渣与粉煤灰复合配制最佳比例为4：3，掺量为35％时具有良好的复合叠加效应。

　　关键词：钢渣； 粉煤灰； 混凝土； 复合叠加效应

　　作者简介：李世秋（1963-），男（汉族），湖南长沙人，研究员级高级工程师，博士研究生。

1前言

　　根据混凝土不同使用性能要求，在混凝土配制中掺和一定比例的粉煤灰、矿渣粉用来改善混凝土的工作性能与力学性能，满足混凝土的使用功能要求的研究和工程应用技术已经趋于成熟，工程应用已较广泛和普遍，但随着应用量的不断增加，资源的供给已逐渐凸现出日趋紧缺的现象.同时，粉煤灰在掺和过程中会对环境造成不同程度的影响，相比而言，磨细钢渣粉这种新开发的矿物掺和料，可与粉煤灰复合配制成新型钢渣－粉煤灰复合掺和料。由于磨细钢渣成本明显低于矿渣，较单掺矿渣混凝土的生产成本大为降低，工程应用效果更显优势。试验研究表明：磨细钢渣粉掺和料具有早期活性高，明显降低水泥水化热并显著改善混凝土长龄期氯离子渗透性能等优点。基于对钢渣水化生成的氢氧化钙可加强对粉煤灰的激活作用的理论分析，试验中发现在掺和量较高的条件下它可以在一定程度上弥补水泥水化产物氢氧化钙的不足，其效果可优于现在常用的矿渣－粉煤灰复合掺和料。因此，经筛选后，试验采用了在20％和35％两种掺量下，对比研究了钢渣两组合；钢渣、粉煤灰二元组合；粉煤灰两组合对混凝土性能的影响及规律，并从掺和料的水化、颗粒形状特征、稀释效应及体积效应角度对试验结果综合分析，其研究结果对于采用钢渣掺和料的混凝土工程具有一定的指导意义。

2试验材料及试验方法

　　2.1试验原材料

　　水泥：采用湘乡42.5普通硅酸盐水泥，其化学组成、矿物组成及物理力学性能见表1、表2。

　　磨细钢渣来自湘潭钢铁公司，其比表面积均控制在486m2/kg左右，粉煤灰采用株洲火电厂的Ⅱ级粉煤灰，其比表面积约为1750cm2/g，钢渣、粉煤灰的分类、化学组成及比重见表3。

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　　配制混凝土河卵石来自湘江，最大粒径为31.5mm，连续级配；中砂来自湘江，砂的模度细数为2.9，相关物理性能见表4。

　　为了有效而适当控制混凝土的泌水量，采用长沙黄腾外加剂厂，生产的黄腾牌VNF-3C高效减水剂，推荐掺入量1～1.5％。

　　2.2试验内容及方法

　　为考察不同水胶比和砂率波动对混凝土工作性能和力学性能的影响程度。在试验中我们选用了四种不同的水胶比和砂率，发现不同的水胶比和砂率对混凝土的工作性能和力学性能均有不同程度的影响，本例就其中最佳的一组配比进行叙述。

　　本试验将水胶比设定为0.43，砂率固定为43%，高效减水剂采用长沙黄腾外加剂厂生产的VNF-3C，掺量取1.5％，用水量设计为160kg/m3，掺和总量分别为20％和35％，钢渣与粉煤灰复合的比例为3：4 、1：1、4：3、5：3。

　　依据上述设计配合比基本参数进行混凝土配制，测试混凝土的工作性能及3d、7d、28d、60d、90d的抗压强度，其工作性能及力学性能参照GB50080-2002及GBT50081-2002进行。

3试验结果分析与求证讨论

　　矿物总掺和量为20％，35％时配制混凝土的工作性能及力学性能试验结果见表5、表6。

　　3.1对不同掺和料和掺量试验结果的工作性能分析

　　根据表5、表6试验结果分析各组工作性能发现，采用分别单掺20％、35％钢渣、粉煤灰配制的混凝土工作性能明显低于单掺粉煤灰配制的混凝土；而采用钢渣与粉煤灰二元复合配制，其工作性能与单掺粉煤灰有所下降，但与素混凝土相接近，且有随钢渣所占比例的提高使其工作性能下降的趋势，但始终优于单掺钢渣配制的混凝土和素混凝土。

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　　3.2对于不同掺和料和掺量试验结果的力学性能分析

　　从表5、表6所得试验结果分析各组力学性能可发现，单掺配钢渣混凝土的早期强度和后期强度均高于单掺配粉煤灰混凝土，但其抗渗等级相同。表明钢渣本身的活性高于粉煤灰，掺量为20％的钢渣与15％的粉煤灰复合掺配的混凝土3d和7d的强度低于掺量为35％单掺钢渣混凝土强度，而高于单掺35％的粉煤灰混凝土强度，随着时间的推移，其60d、90d的强度均高于单掺配的混凝土强度，说明具有较显著的复合叠加效应。当钢渣：矿渣比例为4：3时，可取得最好的力学性能，同时还可取得最佳的抗渗性能。

　　3.3钢渣、粉煤灰配制混凝土力学性能的讨论

　　从物相分析可知，钢渣的主要胶凝性能来源于钢渣中的硅酸盐相和少量硅酸盐相的水化，而粉煤灰胶凝性能主要来源于钙硅铝玻璃体及硅铝玻璃体与水泥水化产物氢氧化钙的二次水化，因此，钢渣在加水后能直接与水发生水化并生成水化产物，而粉煤灰只有在水泥水化生成足够的氢氧化钙形成一定的碱度后才能进行水化生成二次水化产物，这也就是钢渣的早期活性高于粉煤灰的原理所在。

　　当单掺钢渣为高掺量时，初始孔隙率较大且后期水化相对较慢，而钢渣与粉煤灰复合则提高了矿渣反应所需要的氢氧化钙浓度，另外，又降低了结构初始的孔隙率，故钢渣与粉煤灰复合配制可产生出良好的叠加效应，其最佳复合比例为4：3。

4结论

　　4.1钢渣粉和粉煤灰最佳掺量为35％，二者的最佳掺和比例为4：3。

　　4.2钢渣粉和粉煤灰复合掺和料为4：3的混凝土比普通混凝土及单掺钢渣混凝土工作性能明显得到改善，坍落度损失更易于控制。

　　4.3钢渣粉、粉煤灰复合的混凝土28d、60d立方体抗压强度比素混凝土和单掺配混凝土强度高，特别是后期强度得到了明显的提高。

　　4.4钢渣粉和粉煤灰复合掺配混凝土具有良好的抗渗性能，并优于素混凝土和单掺配混凝土。

　　参考文献：

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　　作者单位：

　　1.武汉科技大学
　　2.湖南金泰特种工程施工有限公司
　　3.湖南广播电视大学