礦物摻合料在水泥及混凝土中的應用研究

李保亮，劉志強

（1. 淮安市建筑工程檢測中心有限公司， 江蘇 淮安 223001；2. 濰坊山水水泥有限公司， 山東 濰坊 261000）

“十二五”期間，國家要發展低碳經濟，走可持續發展之路，需要混凝土企業進一步降低高能耗原料——水泥的用量[1]，充分利用礦物摻合料的潛在活性，提高混凝土的耐久性。作為礦物摻合料的粉煤灰、礦粉、石粉等工業副產品在水泥混凝土中的應用除了減少能源、資源消耗、降低成本外，還可以減輕粉煤灰、礦渣排放對環境帶來的負荷[2]，然而礦物摻合料的使用在節能降耗的同時，也給混凝土帶來了早強低、與外加劑適應性不良、碳化嚴重[3]等一系列問題。特別是在預拌混凝土生產過程中，為改善混凝土的性能，降低混凝土生產成本，在原本已有各種助劑（助磨劑、早強劑等）的水泥中，又二次摻加一定比例的礦物摻合料，使得使水泥與外加劑的適應性變差，混凝土坍落度損失增加，給商品混凝土生產供應帶來困難。本文提供了一種礦物摻合料混凝土的制備方法，即在強度等級號（以 C30 為例）混凝土中，利用 P·I52.5 水泥及一部分礦粉、粉煤灰代替 P·O42.5 水泥，研究其對水泥及混凝土性能的影響、出現的問題及解決方法，以期指導生產。

1 原材料

（1）水泥：海螺 P·O42.5 水泥及 P·I52.5 水泥，其各項物理性能如表1 所示，其中 P·O42.5 水泥熟料與各混合材比例為熟料∶石膏∶粉煤灰∶礦粉石粉＝76∶5∶5∶10∶4，P·I52.5 水泥中熟料與石膏比例為 96∶4。

表1 水泥物理性能

（2）細集料：中砂，細度模數 2.6，含泥量 2.0%。

（3）粗集料：碎石，規格 5～31.5 mm，含泥量 0.4%。

（4）水：使用自來水。

（5）粉煤灰：使用 Ⅱ 級灰，45μm 方孔篩篩余量18%，燒失量 5.2%，需水量比 97%，28d 活性指數 74%。

（6）礦渣微粉：S95 級，需水量比 98%，28d 活性指數103%。

（7）減水劑：緩凝型減水劑減水率 16%。

（8）激發劑：復合激發劑（Na2SO4、TEA 等成分）。

（9）砂：ISO 標準砂。

2 試驗方法

試驗在保證成本降低的條件下，用 P·I52.5 水泥摻少量礦物摻合料代替 P·O42.5，其水泥、礦粉、粉煤灰具體比例如表2 所示，其中 A1 用 P·O42.5水泥，A2～A9 用 P·I52.5 水泥。試驗方法參照 GB/T 1346—2001《水泥標準稠度、凝結時間、安定性檢驗方法》、GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》、GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法》和 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學試驗方法》的有關規定進行，測試的項目包括水泥凝結時間，水泥膠砂流動度、抗折、抗壓強度，混凝土的坍落度及1小時坍落度經時損失和抗壓強度。

3 實驗結果及分析

3.1 P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥對水泥性能的影響

3.1.1 對水泥凝結時間的影響

按照表2 中的比例將水泥、礦粉、粉煤灰混合均勻，在水灰比為 0.3 的條件下測試各組凝結時間的變化，詳見表3。由表3 可見，P·I52.5 水泥混合部分礦粉、粉煤灰后，水泥的初凝時間及終凝時間均比 P·O42.5 水泥 (A1) 要長，且水泥越少礦物摻合料越多，水泥凝結越長，這是膠凝材料中膠凝礦物減少的原因。而當水泥量固定，將礦粉含量依次增加、粉煤灰含量依次減少時，A2～A5 組試樣中由于礦粉中鋁酸鹽礦物、硅酸鹽礦物等膠凝材料的作用，水泥凝結逐漸變短。

3.1.2 對水泥膠砂性能的影響

（1）對水泥膠砂流動度的影響

P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥對水泥膠砂流動度的影響如表3 所示。其中 B1 用 P·O42.5 水泥，B2～B9 用 P·I52.5 水泥。由于 P I52.5 水泥需水量較低，以及礦粉和粉煤灰的逐級填充、滾珠潤滑等作用，P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥后水泥膠砂流動度有了明顯的改觀，基準 B1 水泥膠砂流動度僅為205mm 而 B2 水泥膠砂流動度達到了 245mm，當礦物摻合料摻量繼續增多時，水泥膠砂流動度變化不大，礦粉增多粉煤灰含量減少的 B2～B5 水泥膠砂流動度變化較小。

表2 水泥、礦粉、粉煤灰比例

（2）對水泥膠砂強度的影響

結果見表3。其中 C1 用 P·O42.5 水泥，C2～C9 用P·I52.5 水泥。從表3 中可以看出，用 P·I52.5 水泥摻少量礦物摻合料代替 P·O42.5 水泥后，水泥 3d、28d 抗折、抗壓強度均比 P·O42.5 水泥略有提高，滿足 GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》水泥強度要求，且后期 28d 抗折強度富余較多。當礦物摻合料較多時，如表3 中 C8、C9 水泥膠砂早期 3d、7d抗壓強度相比基準 C1 有所降低，但是后期 28d 強度仍可滿足要求。

3.2 P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥對混凝土性能的影響

3.2.1 對混凝土工作性的影響

C30 混凝土基準配比如表4 中 C1 所示，P·I52.5 水泥按照表2 摻礦物摻合料比例等量取代 P·O42.5 后，混凝土配合比如表4 所示，其各項物理力學性能如表5 所示。

表4 混凝土配合比 kg/m3

表5 混凝土各項性能

由表5 可知，當 P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 后，混凝土坍落度并沒有像水泥膠砂流動度那樣有較大的改善，而是略有降低，而且混凝土 1h 坍落度損失也比較大。究其原因一是混凝土中加入了減水劑，且加入的是普通萘系與脂肪族系減水劑，此類減水劑的作用機理是減水劑分子定向吸附于水泥顆粒表面，使水泥顆粒表面帶有同一電荷而形成靜電排斥作用，使水泥顆粒相互分散，絮凝結構破壞，釋放出被包裹部分水參與流動從而有效地增加混凝土拌合物的流動性。P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 后，混凝土礦物摻合料增多，特別是礦渣的使用，使得混凝土普遍缺硫，硫含量較少的混凝土由于對減水劑強烈的吸附，減水劑有效濃度下降，導致混凝土流動性較小。而混凝土中加入復合激發劑之后，混凝土的初始坍落度及坍落度損失均有了很明顯的改善（見表6），這是因為混凝土中可溶性硫酸鹽含量增加，使混凝土對減水劑的吸附成準線性下降，提高了膠凝材料與水泥外加劑的適應性[4-5]。另外，由筆者以前的研究可知[6]，可溶性硫酸鹽的摻量不宜超過混凝土中膠凝材料總量的 0.6%。

3.2.2 對混凝土強度的影響

P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 后，當礦物摻合料較少時，C1～C7 混凝土后期 28d 強度均比 P·O42.5 基準混凝土強度C1要高，而早期 3d 強度略有降低。而當礦物摻和料摻量較大時，混凝土早期強度和后期強度均有所降低，如表5 中 C8、C9，早期和后期強度均降低 3MPa 左右。

而當摻入復合激發劑之后混凝土各項性能見表6，其中激發劑摻入比例 Na2SO4為膠凝材料量的 0.6%、三乙醇胺為膠凝材料量的 0.03%[7]，混凝土各齡期強度均比基準混凝土要高，原因是復合激發劑中 Na2SO4對水泥水化的促進作用以及對礦物摻合料的堿激發及硫酸鹽激發作用，混凝土早期 3d、7d 強度均有明顯的提高；復合激發劑中 TEA 的絡合作用，促進了鈣礬石在早期大量形成，消耗了 C3A，也就減少了 C3A水化物的數量，從而大大減弱了 C3A 水化物由非晶型向晶型轉化對強度產生的不利影響（結晶內應力）；另外，TEA 對C3S、C2S 的早期水化的抑制作用，使得水化產物在更合理的空間位置生長、分布，漿體結構更為完善、密實，保證了后期強度而且提高了礦物摻合料在混凝土中的摻量[4]。

表6 摻復合激發劑后混凝土各項性能

3.2.3 對混凝土成本的影響

從表6 中可以看出，用 P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥后，節約了混凝土的生產成本，未加激發劑的每方混凝土大約節省 3.9～11.6 元，加激發劑后每方混凝土節省 1.5～8.6元。

另外，在低強度等級 C30 混凝土中，使用 P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥后，由于摻合料的火山灰反應非常緩慢，即使標準養護至 28d，漿體的水化程度依然很低，此時漿體中孔隙較大，火山灰反應剛剛開始進行，火山灰反應產物對孔隙的細化也剛剛開始，成熟度遠低于純硅酸鹽水泥配制的混凝土，其碳化程度較大，因此大摻量礦物摻合料混凝土的早期濕養護十分重要。

4 結論

（1）P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥雖然提高了水泥抗折強度及水泥膠砂流動度，但是凝結時間有所延長、早期抗壓強度有所降低；

（2）P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥在低強度等級混凝土中應用，提高了礦物摻合料在混凝土中的摻量，但早期強度略有降低、混凝土坍落度有所降低、混凝土坍落度損失有所增加；

（3）加入復合激發劑，可以提高大摻量礦物摻合料混凝土早期強度，提高混凝土坍落度，降低坍落度損失；

（4）P·I52.5 水泥代替 P·O42.5 水泥在預拌混凝土中應用，可以節約混凝土成產成本。

[1]覃維祖.混凝土材料與結構在低碳經濟新形勢下的發展方向[J].施工技術， 2010, (3): 6-7.

[2]鄭克仁.礦物摻合料對混凝土疲勞性能的影響及機理[D].東南大學， 2005.

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[4] 田培，劉加平，王玲，等.混凝土外加劑手冊[M].北京：化學工業出版社，2009: 102～116、284-294.

[5] 張承志.商品混凝土[M].北京：化學工業出版社，2010:485-488.

[6]李保亮，徐洪偉，鄧明超.Na2SO4對低硫水泥及其混凝土性能的影響[J].商品混凝土， 2012 (3): 45-47.

[7]李保亮，徐洪偉，丁百湛，等.硫酸鈉型激發劑對混凝土性能影響研究[J].商品混凝土，2012 (10): 28-30.