粒化高爐礦渣粉摻量對混凝土性能影響分析

楊金

臺州市黃巖先科建設工程質量檢測中心有限公司 浙江 臺州 318020

引言

制作混凝土的主要原料之一是水泥，在水泥生產中排放的粉塵和有害氣體，同時，工業的發展造成的工業廢料排放堆積，極大的污染了環境。礦物外化劑作為混凝土的組分材料，在節能減排以及環保方面有著極大的作用，為人類做出極大的貢獻，也因此被廣泛關注，特別是近幾年來，將礦渣微粉作為外加劑在混凝土中的伴隨工藝已經在不斷完善。特別是粉煤灰和粒化高爐礦渣粉等是來源于工業廢料，以及其在混凝土中的應用有極大的優勢。各混凝土公司所關心的成本問題，得到了解決，具有極大的經濟效益。研究表明在混凝土中單獨摻入粉煤灰和礦渣微粉能夠對混凝土的工作性和耐久性加以改善，但單獨摻入粉煤灰時混凝土的強度會降低，單獨摻入粒化高爐礦渣粉會使其細顆粒表面吸收過多的水分，導致降低混凝土坍落度，而不利施工。為了在大摻量粉煤灰和粒化高爐礦渣粉雙摻的情況下，研究混凝土的性能。依據國家的有關文件的規則規范，搜集和瀏覽的大量的相關文獻，參考前人的研究結果，結合實踐結果，對大摻量礦物外加劑粒化高爐礦渣粉與粉煤灰雙摻混凝土進行了實驗研究，希望可以給綠色可持續發展提供一個研究論述。

1 相關概述

隨著全國城鎮化率越來越高，基礎設施建設規模越來越大，混凝土的用量也隨之增大。相較其他建筑結構材料，混凝土耐久性及耐火性較好，可塑造性強，生產過程“排碳”少，施工方式簡便，這些特點使得混凝土材料一直是建筑領域最重要的材料之一。在混凝土中，水泥是最重要的原材料之一，但水泥卻是一種高能耗、高碳排放產品，現階段我國每生產1kg水泥，要消耗大約0.235kg標準煤，會產生1.38kg二氧化碳當量排放。所以，在國家踐行“碳達峰、碳中和”的大背景下，必須有效控制并逐步減少水泥的用量。為了減少水泥的用量，現階段普遍有效的做法是合理的使用礦物摻合料，在現代混凝土技術中，礦物摻合料大摻量的應用成為可能，同時也使得在混凝土行業實施礦山尾礦資源綜合開發利用和環境保護成為可能。近十年來，粉煤灰已得到廣泛應用，價格也持續不斷上漲。粒化高爐礦渣粉，現階段的主要處理方式是堆棄填埋，但是這種方式會嚴重危害生態環境，所以其資源化和高質化利用一直是學者研究的一個重要方向。從其形成機理可知，在粒化高爐礦渣粉中存在一定數量的活性二氧化硅及活性氧化鋁組分，粉磨后具有一定的活性，不需要經過高溫煅燒，所以屬于“低碳”產品。國內對粒化高爐礦渣粉的研究一直沒有中斷，現有研究結果表明，在相同水膠比條件下，粒化高爐礦渣粉會降低砂漿的流動性，降低砂漿抗壓強度和抗折強度，并且隨著粒化高爐礦渣粉摻量的增加，混凝土的一系列耐久性能，如抗碳化性能、抗氯離子滲透性能和抗硫酸鹽侵蝕性能都會發生比較明顯的影響。因此，在行業中推廣粒化高爐礦渣粉具有很大的難度，需要專業的技術人員根據當地原材料的實際情況因地制宜進行處理[1]。

粒化高爐礦渣粉又稱礦渣粉，是煉鐵廠在高爐冶煉生鐵時所得到的以硅鋁酸鈣為主要成分的熔融物，經水淬成粒后所得的工業固體，礦渣粉越細，比表面積越大，活性越高，該材料是金屬冶煉產生的固體廢物。隨著國家基本建設的快速發展，作為重要的水泥添加劑的礦渣粉也得到了大量利用。隨著國家建設和環保的要求，礦渣粉產量逐步穩定，該產品科學應用研究在不斷深入。礦渣的化學成分有CaO、SiO2、Al2O3、MgO、MnO、Fe2O3等氧化物和少量硫化物如CaS、MnS等，一般來說，CaO、SiO2和Al2O3的含量占90%以上。礦渣是高爐煉鐵時產生的廢渣，是一種固廢物，同時也是一種膠凝材料。水淬礦渣（簡稱GBFS）是一種非晶態，并且這種非晶態玻璃體是一種分相玻璃體，其中分出的連續相是化學穩定性差的富鈣相。因此礦渣的分相玻璃體結構是礦渣活性的主要來源。由于水淬礦渣基本上是由玻璃體組成，礦渣在堿性溶液激發下的水化實質就是礦渣玻璃體在堿性溶液激發下的水化。

2 試驗原材料及配合比

2.1 原材料選擇

水泥規格型號為P·O42.5；粉煤灰規格型號為F類Ⅱ級；礦渣粉規格型號為S95級；天然砂，規格為中砂，顆粒級配為2區連續級配；碎石，顆粒級配為5～31.5mm連續級配；減水劑為緩凝高效型；混凝土拌合水為自來水；比表面積為454m2/kg，密度為2.84g/cm3，流動度比為98%，活性指數7d為90%，28d為101%，燒失量為2.3%，SiO2含量為67%。

2.2 試驗配合比

本文選用的配合比為混凝土攪拌站常用的C30配合比，將礦渣粉以不同摻量、水泥、粉煤灰、砂、石、水、減水劑，按配比用量配制成混凝土，測試混凝土的坍落度、擴展度、1h坍落度損失、1h擴展度損失、抗壓強度（28d、56d、90d）、碳化深度（28d、56d、90d）、抗氯離子滲透性能（28d、56d、90d），研究礦渣粉作為礦物摻合料在混凝土中應用的可行性。

3 實驗結果分析

大摻量粒化高爐礦渣粉與粉煤灰雙摻混凝土實驗進行材料選取，將材料的出處和價格進行數據記錄，不同的材料所具有的成分有所不同。對單加入的粒化高爐礦渣粉進行實驗研究，經過一部分的數據分析和收集，再對大摻量的粉煤灰單獨加入混凝土中進行實驗研究，得到一組數據，并對數據作分析處理，第三組實驗為將大摻量的粒化高爐礦渣粉和粉煤灰雙摻加入混凝土中，三組實驗分別進行力學性能、綜合性能、甚至經濟性能的對比，最后對得到的數據結果進行比對分析。注意這里的變量是粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、雙摻、大摻量，其他的量是不變的。因此，可以得到下面的分析結果[2]。

3.1 綜合性能分析

試驗過程經觀察發現，當水泥用量較大的時候，在單摻粉煤灰、單摻粒化高爐礦渣粉、粉煤灰與粒化高爐礦渣粉雙摻三組實驗中，單摻粉煤灰與單摻粒化高爐礦渣粉的混凝土，坍落度變化小，擴展度較小，可知其沒有流動性，但存在一定的泌水。相同的條件下，摻入大量礦物外加劑的雙摻混凝土時，擴展度較之前大，有流動性，沒有泌水發生，綜合性能好。由此可見，當大摻量粒化高爐礦渣粉和粉煤灰雙摻時會得到比其他兩種方法更好的綜合性能，是所發現混凝土的摻量變化的一個明顯優勢。

3.2 力學性能分析

力學性能包括抗壓強度、軸拉強度、極限拉伸、抗凍性能以及干縮。粉煤灰本身的膠凝性是沒有的，其膠凝性是通過水泥的水化產品氫氧化鈣反應得到的，使得礦渣的膠凝性在堿性條件下被激發出來，因為堿性條件的環境有助于溶解礦渣，也幫助了水化物的產生，通過實驗的結果中就可以分析得到，混凝土的抗壓強度隨著粒化高爐礦渣粉量的增加而增長，隨水泥含量的減少而降低，隨著雙摻取代水泥的量的增加而增加，減少水泥量，混凝土的酸堿度較低，不方便礦渣進行水化這一步驟，而導致混凝土的強度降低了一定的數值[3]。

抽拉強度也是評判混凝土的一個重要方面，通過混凝土軸拉強度實驗，在過程中可以發現，90d混凝土的軸拉斷面比較平整，斷面的骨料被拉斷。由熱力學第二定理，裂縫沿著消耗能源最小的路徑走。骨料被拉斷說明雙摻粒化高爐礦渣粉和一級粉煤灰，能夠很好地改善混凝土界面的結構，使混凝土的抗拉性能得到明顯提高。而混凝土的極限拉伸值越大，證明混凝土的受拉變形性能及抗裂性能就越好。

混凝土在不飽和的空氣中失去內部毛細孔和凝膠孔的吸附水而發生的不可逆收縮，這種情況下的收縮就是干縮。相對濕度不滿時，混凝土會失水，體積收縮，隨著相對濕度的降低，干縮增大。混凝土的干縮值越大，混凝土在停止養護后的收縮開裂的危險性越高。針對混凝土在成型3d脫模后移入干縮室觀測。觀測的結果是，雙摻混凝土14d前干縮值比單摻混凝土大，而28d后雙摻混凝土的干縮值比單摻混凝土小，可知雙摻混凝土是在混凝土的早期干縮值增加，所以應加強雙摻混凝土的早期濕養，降低混凝土干縮危險[4]。

3.3 經濟性能分析

水泥在各個工業領域的應用量較大，目前的每噸水泥的生產綜合消耗為上百千克的標準煤，電量的消耗也極大，排放的粉塵就有幾十千克，但是現在經過新的技術將礦粉經過超細粉磨進行加工，耗電量減少了一半，粉煤灰成為其副產品，沒有任何的電量消耗，據相關資料記載，十年前我國的水泥產量為約為16億噸，如果能在混凝土的生產過程中，將所有的工藝運用為礦物外加劑雙摻技術，那么，可以節約2/3的水泥，節約的電量總數在500億度以上，這樣的成效讓人嘆為觀止，節能減排的效果也是非常明顯的。

同時，礦物外加劑也給生產的企業帶來了極大的經濟效益，客觀的進行分析可以知曉，目前的企業生產的過程每平方米混凝土的材料成本均價接近220元，然而數據顯示在采用大摻量礦物外加劑的生產方式，每平方米其他條件相同的情況下，材料成本均價在171元左右，每立方米的混凝土可以節約40元左右，如果假設公司的每月產量為兩萬方左右，那么，每個月能夠節約的資金就高達80萬左右。通過實際的研究可以清楚明顯的得到如此客觀的經濟效益，雙摻礦物外加劑對一家企業的經濟效益生產的重要程度[5]。

4 結束語

大摻量礦物外加劑加入雙摻技術，與之前的效果相比較，改善了混凝土的綜合性能，具有一定的經濟效益，提高了部分力學性能，力學性能比傳統水泥用量的混凝土要提高很多，混凝土結構更比之前的要緊密許多，這種技術的應用，使得雙摻技術的應用效果更加突出，可以節約大量的材料，減少資源的浪費，各方面的效果較好，實際應用以后會得到業界的認可。應用了大摻量礦物外加劑的雙摻技術以后，混凝土的成本也得到大范圍的降低，具有一定的經濟性，其經濟性會對生產混凝土的企業吸引力較大，通過上述雙摻的實驗分析，可以得知大摻量礦物外加劑進行雙摻，為混凝土的應用和發展甚至未來的各類工程領域發展提供了參考，雖然該項技術仍然是試用階段，但其顯著的效果，在未來定會解決更多的高難度問題。