S95級和S105級礦渣粉在實際生產(chǎn)中的選用研究

汪 晗 ，劉望生 ，張英英，畢 愿 ，高金鋒 ，薛 俊*，2，曹 宏 ，2

1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；

2.國家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074

我國露天儲存的冶煉廢渣沒有得到充分利用，其堆存占用了大量土地，且污染環(huán)境，嚴(yán)重影響人類健康和生態(tài)環(huán)境［1-6］。其中礦渣是選礦和冶煉過程中的副產(chǎn)物，具有很高的火山灰活性，可以與氫氧化鈣反應(yīng)從而成為膠凝材料的一部分，有利于混凝土早期強度的形成；另外，礦渣還能部分取代水泥配制高性能混凝土，既減少了對自然環(huán)境的污染，也降低了生產(chǎn)混凝土的消耗和成本［7-15］。礦渣活性礦物摻和料在混凝土實際生產(chǎn)過程中的應(yīng)用有廣闊的發(fā)展前景。目前，關(guān)于礦渣對水泥膠砂性能影響的報道有很多，但關(guān)于礦渣在實際生產(chǎn)中的選用研究，包括摻量、比表面積、使用條件等卻鮮有報道，因此本文測定了礦渣的化學(xué)成分和物理性能，并將機械球磨得到的S95級和S105級礦渣分別部分取代水泥配制水泥膠砂，對摻礦渣后得到的水泥試件活性指數(shù)、凝結(jié)時間、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和流動度等性能進行了實驗測試，對比分析了S95級和S105級礦渣作為活性摻和料制備水泥膠砂的研究，不但可以實現(xiàn)工業(yè)廢渣的合理利用，開發(fā)高性能混凝土的技術(shù)途徑，而且為實際施工中選用的摻雜的礦渣種類以及摻雜的具體配比提供了較為有意義的指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 原材料

水泥選用華新P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，礦渣采用武漢武新建材工業(yè)礦渣，其中將礦渣機械球磨并篩分選出S95級（比表面積463.3 m2/kg）和S105級（比表面積568.8 m2/kg）礦渣，砂采用市購石英砂，實驗過程中選取過篩后顆粒粒度在250 μm～830 μm之間的石英砂。礦渣化學(xué)成分分析如表1所示，水泥、S95級和S105級礦渣的物理性能見表2。

表1 礦渣粉的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of slag powder （%）

表2 水泥、S95級和S105級礦渣粉的物理性能Tab.2 Physical properties of cement，S95 and S105 slag powder

1.2 實驗方法

膠砂的質(zhì)量配合比為1份水泥、3份標(biāo)準(zhǔn)砂和0.5份水，m（膠）∶m（砂）=1∶3，m（水）∶m（膠）=0.5∶1，在對照組中，膠即為水泥，在S95級和S105級礦渣組中，膠為水泥和礦渣的混合物。一鍋水泥膠砂制成尺寸規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm的3條棱柱試體，每鍋實驗材料的配合比設(shè)計見表3。

按照GB/T 17671－1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行水泥膠砂活性指數(shù)的測定，按GB/T 50080－2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測水泥膠砂的凝結(jié)時間，按照GB/T 1346－2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》測試水泥膠砂的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，依據(jù)GB/T 2419－2005《水泥膠砂流動度測試方法》測定水泥膠砂的流動度。

表3 實驗配合比設(shè)計Tab.3 Design of experimental mixture proportion

2 結(jié)果與討論

2.1 礦渣的摻入對活性指數(shù)的影響

抗折強度以1組6個棱柱體上得到的6個抗折結(jié)果的平均值作為實驗結(jié)果，抗折測定值中有1個超出平均值的±10%，就應(yīng)剔除這個結(jié)果，以剩下的5個抗折測定值的平均值為結(jié)果；如果剩下測定值中還有超過其平均值的±10%的，該組結(jié)果作廢，需重新做此組實驗。抗壓強度的測試、選取結(jié)果與抗折的原理一致，其中抗壓強度選取的是1組6個棱柱體上得到的12個抗壓結(jié)果，最多有2個抗壓的實驗結(jié)果能出現(xiàn)誤差或差錯，否則結(jié)果作廢。另外，所有試體的抗折、抗壓強度實驗值都記錄至0.1 MPa。摻S95級和S105級礦渣后水泥膠砂試體7 d和28 d的抗折、抗壓強度以及活性指數(shù)的實驗結(jié)果見表4。

表4 摻礦渣粉水泥膠砂強度及活性指數(shù)的實驗結(jié)果Tab.4 Results of strength and activity index of cement mortar adding slag powder

由表4可知，摻礦渣后水泥膠砂的28 d抗折強度較7 d有一定的增大，28 d抗壓強度較7 d均有顯著增大，這是由于當(dāng)養(yǎng)護的齡期從7 d持續(xù)到28 d時，會有越來越多的水泥水化產(chǎn)物生成，而且水泥水化還會形成越來越多的Ca（OH）2，它們會和礦渣中SiO2、Al2O3和Fe2O3發(fā)生二次水化反應(yīng)，形成越來越多的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和鐵鋁酸鈣［5］。另外，S95級礦渣組水泥膠砂試體7 d和28 d的活性指數(shù)均小于S105級礦渣組，這是因為S105級礦渣比表面積更大，其相對活性更高，水化反應(yīng)更加完全，顆粒彼此間的連接得到加強，提高了水化產(chǎn)物的強度，但摻S95級和S105級礦渣后水泥膠砂試體活性指數(shù)均可達(dá)標(biāo)。

2.2 礦渣的摻入對凝結(jié)時間的影響

水泥膠砂試體的凝結(jié)時間采用貫入阻力法來測定，分別對3組水泥膠砂試體的凝結(jié)時間進行測試，如圖1所示。

圖1 摻礦渣粉水泥膠砂凝結(jié)時間的實驗結(jié)果Fig.1 Results of setting time of cement mortar with slag powder added

由圖1看出，對照組水泥膠砂、S95級和S105級礦渣組水泥膠砂的初凝時間各為166 min、268 min和222 min，說明S95級和S105級礦渣的摻入都較明顯地延長了水泥膠砂的初凝時間。這是因為礦渣在水化初期以填充加添作用為主，S95級和S105級礦渣的活性未被完全激發(fā)出來；當(dāng)S95級和S105級礦渣部分取代水泥時，降低了水泥在水泥膠砂中的含量，而礦渣的水化速度比水泥的慢，因此摻入礦渣后水泥膠砂凝結(jié)時間比對照組的更長［5］。S95級礦渣組較S105級礦渣組凝結(jié)時間延長了，這是因為S105級礦渣的顆粒更細(xì)、比表面積更大，相比S95級礦渣其反應(yīng)的接觸表面積也更大、火山灰反應(yīng)活性更高，而且反應(yīng)更完全，故S105級礦渣組凝結(jié)時間相對更短。

2.3 礦渣的摻入對用水量的影響

將水泥與礦渣按照質(zhì)量配比1∶1稱量500 g并放入水中，攪拌混合制成水泥凈漿。表5為摻礦渣后水泥膠砂試體用水量的實驗結(jié)果。

表5 摻礦渣粉水泥膠砂標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的實驗結(jié)果Tab.5 Results of water consumption for standard consistency of cement mortar with slag powder added

由表5可以看出，水泥膠砂試體用水量從小到大為：對照組→S95級礦渣組→S105級礦渣組，但3組之間的差別很小。這是因為加入的水基本都依附在水泥和礦渣顆粒的表面，而S105級礦渣的比表面積較S95級礦渣的更大，需要更多的水潤濕水泥和礦渣的表面，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量會有一定的增大。但是S95級和S105級礦渣部分取代水泥后，水泥膠砂標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量彼此之間的差別很小，對混凝土的工作性、力學(xué)性和耐久性等性能不會有較大的副作用。

2.4 礦渣的摻入對流動度的影響

跳桌實驗后，用卡尺測量膠砂底面互相垂直的2個方向的直徑，計算平均值，取整數(shù)，單位為mm，在測試中采用2個試模（試模由截錐圓模和模套組成），表6中第1組和第2組分別對應(yīng)2個不同的試模，實驗結(jié)果如表6所示。

從表6可以看出：摻S95級和S105級礦渣后水泥膠砂試體流動度比都大于95%，其膠砂流動度好，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，添加S95級和S105級礦渣組水泥膠砂的流動性和穩(wěn)定性也都能得到保證；S95級礦渣組水泥膠砂試體流動度大于S105級礦渣組，這是因為實驗中礦渣摻量為12.5%，礦渣本身比表面積較大，而S105級礦渣的摻入使得膠砂吸附水的能力增強，而不再是簡單的物理密實填充作用，從而使流動度下降，這一結(jié)果與S95級和S105級礦渣組水泥膠砂標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響規(guī)律一致。

表6 摻礦渣粉水泥膠砂流動度的實驗結(jié)果Tab.6 Results of the fluidity of cement mortar adding with slag powder

2.5不同礦渣對水泥膠砂性能的影響

綜上所述，S95級礦渣組水泥膠砂的用水量比S105級礦渣組略低，流動度比和凝結(jié)時間均比S105級礦渣組大，在實際生產(chǎn)中可以適當(dāng)摻入S95級礦渣來配制具有相對長凝結(jié)時間的混凝土；摻S95級和S105級礦渣后水泥膠砂試體活性指數(shù)均可達(dá)標(biāo)。雖然S105級礦渣組水泥膠砂的7 d、28 d活性指數(shù)分別比S95級礦渣組高21%、15%，但S95級礦渣球磨50 min就可以達(dá)到要求的比表面積463.3 m2/kg，而S105級礦渣球磨80 min以上才能達(dá)到要求的比表面積568.8 m2/kg。一方面球磨會消耗更多的能耗，另一方面球磨時間的延長可能導(dǎo)致整個生產(chǎn)施工效率的降低，因此，在實際生產(chǎn)過程中，如果S95級礦渣部分取代水泥后，混凝土的強度性能能夠達(dá)到相關(guān)的施工標(biāo)準(zhǔn)，就沒有必要選擇使用S105級礦渣。

3 結(jié) 語

1）添加S95級和S105級礦渣均可使摻礦渣水泥膠砂試體的活性指數(shù)達(dá)標(biāo)，但得到S105級礦渣耗能更多、生產(chǎn)效率更低，故在強度達(dá)標(biāo)的情況下選擇使用S95級礦渣部分取代水泥。

2）添加S95級和S105級礦渣均可使摻礦渣水泥膠砂的初凝時間延長，在實際生產(chǎn)中可以添加礦渣來配制具有需要相對較長凝結(jié)時間的混凝土，其中摻S95級礦渣的水泥膠砂試體的初凝時間更長。

3）摻S95級和S105級礦渣可使水泥膠砂試體的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增大、流動度比達(dá)標(biāo)，但S95級礦渣組水泥膠砂試體的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量比S105級礦渣組略低、流動度更大。

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