高爐礦渣粉對混凝土性能的影響研究

隋 偉,陳 良,肖 陽*,熊靖宇

(1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2.廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司，廣西 桂平 537200)

礦渣粉，即磨細水淬高爐礦渣粉，其英文縮寫為GGBS或GGBFS，是由煉鐵高爐排出的熔融態礦渣經水淬、粒化后再進行干燥、磨細加工而得到的一種粉末狀產品，其主要化學成分為SiO2、Al2O3和CaO，與普通硅酸鹽水泥相近，具有自身水化硬化的特點[1]。

高爐礦渣粉作為礦物摻合料，可等量取代水泥，在降低混凝土水化熱的同時，可顯著改善混凝土的工作性能[2]，提高混凝土的強度[3-4]，適量的礦渣粉也可提升混凝土的早期抗凍能力[5]和抗氯離子滲透能力[6]。高爐礦渣粉作用效果的發揮主要依賴于“三重效應”，即形態效應、微集料效應和化學活性效應。高爐礦渣粉顆粒細小且接近球形，在混凝土內部可起到“滾珠作用”，進而改善混凝土的和易性能，同時高爐礦渣粉可填充水泥石與骨料間界面或水泥石的部分孔隙，顯著提升混凝土結構的整體密實度，在一定程度上改善混凝土的界面結構并且減少水泥水化初期產物的相互搭接[7]，進一步改善混凝土的力學及耐久性能。高爐礦渣粉具有極高的化學活性，其可與Ca(OH)2反應生成結構更為致密的水化硅酸鈣凝膠，進而再次改善混凝土的孔結構、界面結構，顯著提升混凝土的各項性能。

1 試驗原材料及測試方法

1.1 試驗原材料

a)水泥。選用中熱硅酸鹽P.MH42.5級水泥，其性能檢驗結果見表1、2。

表1 水泥物理性能檢驗成果

表2 水泥化學分析檢驗成果

b)高爐礦渣粉。選用S95礦渣微粉，其性能檢驗結果見表3。

表3 S95礦渣微粉性能檢驗成果

c)細骨料。人工砂細度模數為2.7；飽和面干表觀密度為2 610 kg/m3；飽和面干吸水率為0.8%；石粉含量為17%；堅固性為2%。

d)粗骨料。5～20、20～40、40～80 mm連續級配，粗骨料性能指標檢驗成果見表4，所檢指標均滿足SL 677—2014《水工混凝土施工規范》要求。

表4 粗骨料性能檢驗成果

e)減水劑。選用XYQ-SPH型聚羧酸高性能減水劑，減水率為27%。

f)引氣劑。選用YQ-AE型混凝土引氣劑，減水率為10%，含氣量為5.0%。

1.2 測試方法

混凝土拌合物性能、立方體抗壓強度、抗沖磨、抗凍性、抗滲性、熱學性能及自生體積變形等試驗均按照SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》開展，涉及的主要儀器包括微機控制電液伺服壓力試驗機(YAW-2000)、混凝土抗滲儀(HS-4)、混凝土鋼球沖磨儀(ST-16J)、混凝土快速凍融機(CDR3)、混凝土熱物理參數測定儀(HR-3)、差動電阻測量儀(PRM-1)等。試驗過程涉及的混凝土試件均采用標準尺寸。

2 試驗結果與分析

結合大藤峽水利樞紐工程混凝土的技術要求，試驗研究選用高爐礦渣粉的摻量為25%、35%，高爐礦渣粉摻量變化時應始終保持混凝土配合比的其他參數不變，試驗圍繞高爐礦渣粉對和易性能、力學性能、抗沖磨性能、熱學性能、體積穩定性、抗凍性能及抗滲性能的影響規律開展，在一定程度上揭示了高爐礦渣粉對混凝土各項性能的作用效果，混凝土配合比的主要參數見表5。

表5 混凝土配合比的主要參數

2.1 和易性能試驗

高爐礦渣粉顆粒形狀接近球形，物理性能相對較穩定，進而一定程度上減少新拌混凝土物料之間的摩擦，增大混凝土的坍落度，改善混凝土的和易性能[8]，同時高爐礦渣粉顆粒細小，比表面積相對較大，摻入量過高，也可能會造成混凝土離散性增大，從而對和易性產生負面影響，因此高爐礦渣粉應用時，應重點關注其比表面積，盡量與水泥顆粒形成良好的級配，摻入比例不宜過大[9]。不同配制參數、不同組分混凝土的坍落度、含氣量及凝結時間(初凝、終凝)隨水膠比的變化關系分別見圖1—3。試驗結果如下。

圖1 坍落度隨水膠比的變化關系

a)單方用水量、水膠比相同時，未摻礦渣粉混凝土的坍落度相對較小，摻25%、35%礦渣粉混凝土的坍落度相差不大，由此可見，礦渣粉的摻入在一定程度上可以增大坍落度。

b)單方用水量、水膠比相同時，不摻礦渣粉混凝土的含氣量相對較高，摻35%礦渣粉混凝土的含氣量最小，這可能是因為礦渣粉顆粒細小，表面吸附氣泡的能力較強，因而摻量越高吸附的氣泡越多，進一步表現為混凝土的含氣量相對較低。

c)單方用水量、水膠比相同時，不摻礦渣粉混凝土的凝結時間最短，摻35%礦渣粉混凝土的凝結時間相對較長，這可能是礦渣粉活性較水泥活性低的宏觀表現之一。

圖2 含氣量隨水膠比的變化關系

圖3 凝結時間隨水膠比的變化關系

2.2 立方體抗壓強度試驗

不同配制參數、不同組分混凝土的3、7、28 d立方體抗壓強度隨水膠比的變化關系見圖4。試驗結果表明：單方用水量、水膠比相同時，隨著礦渣粉摻量的增加，混凝土的3、7 d抗壓強度逐漸降低，但28 d抗壓強度卻呈現出增長的趨勢，由此可見，在摻量合理的條件下，礦渣粉摻量越高，混凝土后期的強度增長率也越高。該現象可能是礦渣粉“化學活性效應”的宏觀表現，礦渣粉的摻入有效降低了混凝土孔隙率，增大了結構密實度，同時礦渣粉可與水泥水化生成的Ca(OH)2發生二次水化反應，生成硅酸鈣凝膠，進一步改善孔結構和界面結構，宏觀表現為抗壓強度相對較高。

圖4 立方體抗壓強度隨水膠比的變化關系

2.3 抗沖磨試驗

混凝土抗沖磨試驗采用水下鋼球法，試驗操作依據SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》進行。該部分試驗僅對二級配混凝土開展，通過測定不同組分混凝土累計沖磨72 h后的抗沖磨強度及磨損率評價混凝土的抗沖磨性能。不同配制參數、不同組分混凝土的抗沖磨強度及磨損率隨水膠比的變化關系見圖5。

由圖5可以看出：礦渣粉的摻入在一定程度上可以改善混凝土的抗沖磨性能[10]，且摻量越大改善效果越顯著。與未摻礦渣粉的混凝土相比，摻入25%、35%礦渣粉混凝土的抗沖磨強度分別提高了1.61%、2.65%，磨損率分別降低了4.73%、6.51%。

圖5 抗沖磨強度及磨損率隨水膠比的變化關系

2.4 抗凍及抗滲性試驗

混凝土抗凍性能試驗采用快凍法，抗滲性試驗采用逐級加壓法，試驗操作依據SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》進行，不同配制參數、不同組分混凝土的抗滲等級均高于W6，抗凍性試驗成果見表6。

表6 抗凍性試驗成果

由表6可以看出：水膠比、單方用水量相同時，相比于未摻礦渣粉的混凝土，摻25%、35%礦渣粉混凝土的抗凍等級明顯較高，摻入礦渣粉后混凝土的抗凍等級最低為F200，最高可達F400以上，由此可見，一定摻量的礦渣粉可顯著改善混凝土的抗凍性能。有學者[11-12]通過研究不同礦渣粉摻量對混凝土抗凍性能的影響規律得出：當礦渣粉摻量為30%～40%時，改善混凝土抗凍性的效果最為顯著，這也與本次試驗的研究成果不謀而合。高爐礦渣粉對混凝土抗凍性、抗滲性的改善效果主要依賴于化學活性效應，高爐礦渣粉可與水泥水化產生的氫氧化鈣發生二次水化反應生成結構更為致密的水化硅酸鈣凝膠，降低了混凝土內部的孔隙率，優化了混凝土的孔隙結構和界面結構，宏觀表現為混凝土抗凍及抗滲能力的提升。

2.5 熱學性能試驗

熱學性能主要指混凝土產生或者散失熱量的性能，其是分析大體積混凝土內部溫度、溫度應力及溫度變形規律的主要依據，主要試驗參數包括導溫系數、導熱系數及線膨脹系數。結合拌合物性能、立方體抗壓強度、抗沖磨及抗凍性等試驗成果，確定最優礦渣粉摻量為35%，進一步優選編號DKZ335-2、DKZ335-4、DKZ335-5、DKZ335-7、DKZ235-1混凝土開展熱學性能試驗，以便為工程應用提供技術參考。熱學性能試驗成果見表7。

表7 熱學性能試驗成果

由表7可以看出：高爐礦渣粉摻量選定為35%時，不同骨料級配、不同組分混凝土的導溫系數、導熱系數、線膨脹系數的最大差異分別為0.000 149 m2/h、0.590 9 kJ/(m·h·℃)、0.50×10-6/℃，總體上來看，上述熱學試驗參數隨水膠比、膠凝材料用量、骨料用量的變化不大，未體現出明顯的趨勢或規律。

2.6 自生體積變形試驗

混凝土在恒溫絕濕和無外荷載的條件下，僅僅由于膠凝材料的水化作用引起的體積變形[13-14]，一般稱為自生體積變形，主要影響因素為水泥品種、礦物摻合料品種以及骨料種類與含量等。有學者基于某工程優選不同混凝土原材料開展自生體積變形試驗，得到：混凝土原材料對自生體積變形影響效果的優先順序為：水泥>粉煤灰>>骨料>外加劑[15]。

結合拌合物性能、立方體抗壓強度、抗沖磨及抗凍性等試驗成果，確定最優礦渣粉摻量為35%，進一步優選編號DKZ235-1、DKZ335-7、DKZ335-5、DKZ335-4、DKZ335-2混凝土開展自生體積變形試驗，以便為工程應用提供技術參考。自生體積變形隨試驗周期的變化關系見圖6。

圖6 自生體積變形隨試驗周期的變化關系

由圖6可以看出，摻35%礦渣粉的混凝土自生體積變形均呈現先膨脹后收縮的發展趨勢，收縮值隨著膠凝材料總量的增加而逐漸增大，編號DKZ335-7混凝土的365 d收縮值最大，為53.20×10-6。

3 結論

a)在試驗摻量范圍內，礦渣粉的摻入可以改善混凝土的和易性能，且摻量越大，改善效果越明顯，相比于未摻、摻25%礦渣粉的混凝土，摻35%礦渣粉混凝土的和易性明顯較好；同時礦渣粉的摻入，將會延長混凝土的凝結時間，工程應用時，應根據材料特性、施工及設計技術要求適當摻入。

b)在試驗摻量范圍內，單方用水量、水膠比相同時，隨著礦渣粉摻量的增加，混凝土的3、7 d抗壓強度逐漸降低，28 d抗壓強度逐漸增大，同時抗沖磨強度逐漸增大，磨損率逐漸減小，由此可見，礦渣粉的摻入可以顯著改善混凝土的后期抗壓強度及抗沖磨性能，礦渣粉摻量為35%時，作用效果最佳，可考慮作為工程應用摻量。

c)高爐礦渣粉的摻入可以顯著改善混凝土的抗凍性能。在試驗摻量范圍內，單方用水量、水膠比相同時，礦渣粉的摻量越大，抗凍性改善效果越顯著，以水膠比為0.33的混凝土為例，不摻礦渣粉混凝土的抗凍等級為F350，摻35%礦渣粉混凝土的抗凍等級可達到F400以上，由此可見，礦渣粉對混凝土抗凍性能有一定的增益作用。

d)結合試驗成果可知，高爐礦渣粉的最優摻量為35%，文中對該摻量下混凝土的導溫系數、導熱系數、線膨脹系數及自生體積變形等參數進行了測試，給出了相應的試驗成果，可為工程的設計、施工提供技術依據，也可為高爐礦渣粉在其他工程中的應用提供技術參考。