矿渣微粉土在商品混凝土中应用技术简1.docx
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矿渣微粉土在商品混凝土中应用技术简1
矿渣微粉土在商品混凝土中应用技术简介
前言
砼（包括商品砼和预制砼）的第六组分矿物掺合料，用于砼中的优点：
1改善砼的施工性；2提高砼的强度；3在耐久性方面也有突出的贡献；4替代部分水泥后除降低成本外，主要是改善砼的水化热等;5突出优越性能是社会效益更为显著，节约资源、节省能源、保护地球环境。
砼掺合料大量的用于高强砼、高性能砼、大体积砼、免震砼（自密实砼）、耐腐蚀侵蚀的水下砼的实例：
97年矿粉应用于深圳大中华国际交易广埸C80高性能砼、广州63层、地铁（1至5号线）、上海东方明珠塔、88层的金茂大厦、黄埔大桥、深圳国贸大厦、赛格广场、沈阳的远吉大厦和富林大厦以及长江三峡大坝工程都大量的掺用了粉煤灰和矿渣，尤其跨海大桥和港口工程如:
东海大桥、杭州湾大桥耐久性100年的海工砼中掺合料总量占胶凝材料总量的60~70%。
一国内外掺合料生产状况
1上世纪30年代美国电力部门已开始对粉煤灰用于混凝土,并于48年在蒙大拿州的俄马坝工程大规模应用粉煤灰,我国50年代将粉煤灰用于大体积砼,广州市90年代已普及使用粉煤灰砼。
广东省在上世纪末大量使用粉煤灰，也是逐渐被人们所认识，但毕竟火力发电厂少，优质的Ⅰ、Ⅱ级灰少，再加上大量的搅拌站上马、新建、扩建。
因此每年年底粉煤灰非常紧缺，甚至于连Ⅲ级灰都达不到的粉煤灰也拉进站来用，岂不影响砼质量，不是塌落度损失快，就是强度达不到或到工地的料施工性很差，拌合料松散，耐久性就可想而知了。
影响粉煤灰品质的因素：
①锅炉型式、煤种、燃烧效率、灰渣收集方式等不同，粉煤灰品种和品质有明显的差异；②按收集方式分为湿式除尘器（收集的灰称为湿灰）；电气除尘器（粉尘带电，沉积在电性相反的电极上，可使灰分级）；袋式除尘器（除尘效率高但不能使灰分级）；③细灰：
（飞灰粒度在3～100μm:
小于10μm的颗粒约占20%～40%,大于40μm的颗粒约占60%～80%,），燃烧完全，活性高，需水量比小，颗粒形状好；粗灰：
燃烧不完全，活性差，需水量比大，含碳量大，对外加剂适应性差（因为碳粒吸水率达40%～70%）。
GB/T1596---2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》与1991相比,主要变化有15条,其中增加了C类灰,F类灰及相应的技术要求,还有将II级灰的细度由原来的20%改为25%。
2水淬高炉矿渣（简称矿渣）是炼铁时的副产品。
在炼铁高炉中，安放铁矿石焦炭及石灰石等为主要原料，从顶部吹入氧气，使炉内焦炭燃烧，发生还原气体（CO）使铁矿还原溶融，铁水和溶渣分离，溶渣比重小浮于铁水上表面。
溶渣的粘性低融点低脱硫能力高，这是生铁冶炼不可少的。
将溶渣排出，用水急冷，即有300kg的水淬矿渣。
1862年，德国的E.Langen发现能通过碱性激发发挥矿渣潜在的水硬性。
从此以后，主要在欧洲，把矿渣作为一种水硬性的材料进行研究与开发。
矿渣一直是一种贵重的资源，现在对其评价更高了。
除了利用其进一步生产与扩大应用矿渣水泥的同时，开发了超细矿渣粉，其可以进一步满足高性能要求的砼制品。
过去，矿渣的比表面积约在4000cm2/g左右，但现在很多研究成果证明，矿粉的比表面积在6000cm2/g以上作为混凝土的掺合料，使砼具有许多新的特性。
因此,超细矿粉高强混凝土的开发受到了广泛的注目。
水淬高炉矿渣磨细后作为砼掺合料使用是英国的Trief在1933年将高炉矿渣（含大量的水分）湿碾后作为砼掺合料，储备不方便。
1958年南非首次采用将水淬高炉矿渣烘干后再磨细的工艺。
20世纪60年代，随着预拌砼工业的兴起和发展，磨细矿渣粉逐渐作为砼的一种组分得到推广和应用，20世纪80年代以来英、美、法、日、加、澳等发达国家相继制订了国标，使矿渣粉的应用正规化。
矿渣的化学成分与性能：
①矿渣的化学成分主要是SiO2、Al2O3、CaO、MgO等，这四种成分约占96%，还有少量的MnO、Fe2O3、TiO2、硫以及碱（K2O+Na2O）等。
矿渣以及普通水泥的化学成分见下表：
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
Fe2O3
MnO
SO3
Na2O
K2O
矿渣
粉煤灰
26-42
34-60
7-20
16.5-35
38-46
0.8-10.4
4-13
0.7-1.9
0.2-1
1.5-19.7
1-2
1.
1-2
0-1.1
1.20
0.2-1.1
1.31
0.6-2.9
普通水泥
21.6
5.1
63.7
1.70
3.0
---
2.0
---
---
②矿渣根据冷却方法不同，性能也不同。
在炼铁炉中矿渣处于1500℃以上的高温溶融状态。
缓慢冷却的矿渣称作“徐冷矿渣”，是块状的，是一种结晶态的化学稳定的结构；因此，徐冷矿渣几乎没有水硬性。
如果溶融状态的矿渣以大量的水急冷（每秒钟数百℃）时，由于急冷却器的粘度提高，原子还没有沿着结晶方向排列就被固结下来，变成玻璃质（非晶质）。
这称之为水淬矿渣，变成如砂一样的粒状产品。
水淬矿渣与徐冷矿渣相比，结构不稳定，也就是说，其化学反应活性高。
从这一点来看，两者的差别很大。
③评价水淬矿渣的方法，是通过矿渣化学成分来计算其碱度R；或者通过显微镜法；X射线方法测定其结晶化率，计算其玻璃化程度来进行判断。
R=
CaO+MgO+Al2O3
SiO2
水淬矿渣的碱度越大水化性能越好，适宜于用作矿渣砼的掺合料。
我国水淬矿渣的碱度在1.8以上，酸性矿渣的碱度R＜1，碱性矿渣的碱度R＞1，碱性越高活性越高。
根据粉煤灰的PH值可将粉煤灰分为酸性、中性和碱性三种。
还有根据粉煤灰的酸性模量将粉煤灰分为强碱性、碱性、中性、弱酸、酸性和强酸等六种：
粉煤灰的酸性模量=
SiO2+Fe2O3+Al2O3
CaO+MgO－0.75SiO2
当酸性模量＜1为强碱,1-2为碱性,2-3为中性,3-10为弱酸性,10-20为酸性,＞20为强酸性。
我国20世纪90年代开始将矿粉用于砼中。
首先在上海、北京、深圳、广州等地区推广和应用。
国家现行标准有GB/T18046—2000《用于水泥和砼中的粒化高炉矿渣粉》；GB/T18736—2002《高强高性能砼用矿物外加剂》。
该两标准的对应关系：
标准代码
GB/T18736-2002
标准代码
GB/T18046-2000
试验项目
磨细矿渣
项目
级别
I
II
III
S105
S95
S75
化学性能
MgO/%≤
14
SO3/%≤
4
SO3/%不大于
4.0
烧失量/%≤
3
烧失量/%不大于
3.0
Cl-/%≤
0.02
Cl-/%不大于
0.02
物理性能
比表面积/m2/kg≥
750
550
350
比表面积/m2/kg不小于
350
含水率/%≤
1.0
含水量/%不大于
1.0
密度/g/cm3不小于
2.8
胶砂性能
需水量比/%≤
100
流动度比/%不小于
85
90
95
活性指数
3d/%≥
85
70
55
活性指数
3d/%不小于
7d/%≥
100
85
75
7d/%不小于
95
75
55
28d/%≥
115
105
100
28d/%不小于
105
95
75
我国每年废渣排出8亿吨，其中粉煤灰8000多万吨，矿渣2亿多吨，钢渣1000多万吨。
上海年产磨细矿渣粉110多万吨，几乎用尽还从外地运入；广东省除韶关，番禺外，东莞华润集团公司下属水泥分公司目前投资新上了二条引进日本设备立式磨，年产可达100多万吨，足以供给广东省内各砼企业。
二、掺合料的作用机理：
目前常用的砼掺合料主要指FA、Sg、SiA等，它们含有无定形和的SiO2和Al2O3等。
能与水泥水化生成多余的薄弱的晶体Ca（OH）2，①进行二次火山灰反应；FA和Sg能与水泥水化生成多余的薄弱的晶体Ca（OH）2，生成水化硅酸钙凝胶C-S-H和水化铝酸钙凝胶C-A-H，削弱水泥的薄弱结构，起到密实砼。
化学反应式：
Ca（OH）2+SiO2+AL2O3+CaO+H2O+O2CaCO3+C-S-H+C-A-H;②粒形效应：
掺合料含有大量的微珠，漂珠是球状颗粒起润滑泵送作用；③微集料效应：
反应多余的细粉，比砂、水泥还细起填充密实砼的作用；④降低水化热效应：
掺合料置换水泥，每方砼降低10公斤水泥，温度可降低1℃，每公斤水泥放出50KJ的热量，通常水泥水化热在1~3天可释放50%的热量。
矿渣的置换率越多，水化热降低越多，特别是早期的水化热降低得更多。
当矿渣的置换率在70%以上，水化热降低更加明显类似低热水泥；⑤缓凝效应：
掺合料掺得越多，砼的凝结时间越长，相当于缓凝型外加剂的作用。
综合以上五大作用机理，砼中加入掺合料不仅增加砼的后期强度且改善砼和易性与耐久性、体积稳定性。
通常根据使用的环境、工程部位、技术要求以及掺合料的质量，建议掺量为15%~50%，其它火山灰掺合料如沸石粉在北方地区已使用，钢渣粉和煤矸石还处于研究开发阶段。
三、掺加矿渣粉对砼性能的影响：
1和易性得到改善，坍落度损失小、易振捣，对外加剂的适应性好。
分析：
对PII型水泥，因其混合材掺量少，矿粉掺量适中，这些性能更为突出。
对PO型水泥由于本身混合材掺量多，且混合材品种复杂。
虽然拌合物粘聚性有所改善，但流动性差。
对立窑水泥，大量取代水泥，等于降低C3A2含量，与A适应性有所改善，但拌合物料仍松散，流动性仍差。
2凝结时间延长、低温时更明显，掺量越多凝时更延长。
冬季施工应用非缓凝型减水剂。
3水化热和水化热释放速率降低
因为每千克水泥水化放出50KJ的热量，矿粉大量取代后，可大大降低水化热及水化放热速度。
因为矿粉含大量的CaO，类似C3S作用，粉煤灰含大量SiO2类似C2S作用，因此粉煤灰取代1%水泥只降低0.1%水化热，早期FA总量中只有8~10%的FA进行二次反应。
大量FA都在14天后甚至28天起增强后期强度作用。
4后期强度大幅度提高
只要用水量低，同时外加剂减水率高，早期也有明显比不掺的砼高，FA主要是后期R高，尤其60天、90天，可增加20Mpa左右，原C30可达到50Mpa～60MPa。
5较高的抗化学侵蚀性
这是矿渣硅酸盐水泥与粉煤灰硅酸盐水泥的共性：
可用于海港码头工程。
6大大提高砼的抗渗性及耐久性。
7大大降低每方砼成本。
达到相同的技术要求,每方砼可节约成本至少5元以上。
四、使用矿渣的注意事项
1矿粉掺量应根据工程部位、强度等级、水泥品种，气温、气候、砼结构（预应力结构以少掺为好）。
2矿粉除与水泥有适应性外，还与外加剂有适应性，所以应做适应性试验，才能确定矿粉适宜掺量。
3选用矿粉级别，建议路面砼，C50以下砼选用S95，比表面积在400m2/kg左右，C60以上可选用S105，≥C100可选用S115，比表面积＞500m2/kg，这样可增大矿粉掺量，降低水泥用量。
矿粉的细度大，水化活性高，水泥早期强度增长快。
所矿粉细度对砼强度的影响很大，特别是早期强度，但后期强度增长率低。
4养护条件对掺矿粉砼的强度至关重要，不论置换率多少在水中养护的效果优于在空气中养护的。
成型后脱模放在20℃水中养护，早期强度略低但28天龄期的强度与空白对比的砼强度相同，3个月的强度远高于空白砼的强度。
但是，在空气中养护的砼则相反，不管哪一个龄期的强度。
掺矿粉砼的强度均比空白砼的强度低。
而且矿粉取代率越大，强度越低。
所特别要加强早期养护，尤其保温保湿，遇到高温、风大、干燥天气或表面系数大的板面结构，更要延长养护时间。
5掺矿粉后引起砼泌水，最好掺有适量粉煤灰或采用引气量较大的引气减水剂。
采用三掺（矿粉、粉煤灰和减水剂）一则可降低矿粉活性，防止砼早期开裂，另可增加和易性，粘聚性防止物料松散。
6配制高流态自密实砼和水下砼矿粉取代率可达40%以上，配以引气型高效缓凝减水剂抗离析性泵送性流动性都有改善。
7《矿粉细度与单位用水量的关系》见图1所示，《矿粉取代率与单位用水量和气温的关系》见图2所示，《矿粉细度与抗压强度关系》见图3所示。
8用于高性能砼中，W/B≤0.4,W≤165,浆体量在300～350L注意其中的W：
C：
（Sg+FA）的合适比例。
五、介绍上海应用矿粉情况
上海走在全国前列，相继于1992年和1999年制定了“DBJ08-27-92”《粉煤灰在砼和砂浆中应用技术规程》和“DG/TJ08-501-99”《粒化高炉矿渣微粉在水泥砼中应用技术规程》。
还制订了用于生产矿渣粉的粒化高炉矿渣、石膏助磨剂等原材料应符合DB31/T35《砼和砂浆用粒化高炉矿渣微粒》。
矿渣粉质量要求必须符合DB31/T35，技术规定如下：
表2.1.3矿渣粉技术要求
品质指标
S115
S105
S95
活性指标（%）
7d
≥95
≥80
≥70
28d
≥115
≥105
≥95
流动度比%
＞90
＞95
＞95
密度（g/m3）
＞2.8
＞2.8
＞2.8
比表面积（m2/kg）
＞580
＞480
＞380
MgO（%）
＜13.0
SO3（%）
＜4.0
烧失量（%）
＜3.0
氯离子（%）
＜0.02
注：
若矿渣粉磨过程中未掺加助磨剂，且所掺石膏则为二水石膏时，可免检氯离子项目。
表4.2.3矿渣粉掺量（%）
矿渣粉规格
S115
S105
S95
上部结构砼
≤50
≤50
≤50
大体积砼
—
30~70
50~70
地下、水下砼
30~70
30~70
≤50
隧道砼
30~70
30~70
≤50
抑制碱骨料反应
40~70
40~60
40~50
道路、桥梁砼
≤50
≤50
≤50
素砼
≤70
≤70
≤70
注：
1）为矿渣粉掺量大于50%时，应根据实际所用的水泥和矿渣粉掺量，进行胶凝材料强度和凝结时间试验，确认其满足施工设计要求；
2）当采用普通硅酸盐水泥时，矿渣粉最大掺量应≤60%。
表4.2.4矿渣粉砼的胶凝材料用量，水泥用量，水泥用量和水胶比
用途
胶凝材料用量（kg/m3）
水泥用量（kg/m3）
水胶比
上部结构
≥300
≥200
＜0.55
大体积
≥270
≥110
＜0.60
地下、水下
≥300
≥150
＜0.55
隧道
≥300
≥180
＜0.55
抑制碱骨料反应
≥300
≥150
＜0.55
素砼
≥250
≥100
＜0.70
道路、桥梁、海水工程
≥300
≥200
＜0.50
有冻容、潮湿环境的中结构
≥300
≥200
＜0.50
注：
上部结构中如采用硅酸盐水泥，最低水泥用量应为180kg/m3。
4.2.5各种等级矿渣粉的胶凝效率（k）可根据实际使用的水泥和矿渣粉掺量，按照活性指数试验方法实测确定，当无条件实测时，要根据其掺量按表4.2.5选择采用。
表4.2.5矿渣粉胶凝效率（k）
掺量（%）
S115
S105
S95
≤30
1.15
1.05
1.00
31~50
1.15
1.05
0.95
51~70
1.10
1.00
0.90
4.2.6矿渣粉砼中允许掺用粉煤灰代替部分胶凝材料，但粉煤灰掺量不能大于矿渣粉。
粉煤灰的应用应按《粉煤灰砼应用技术规范》“GBJ146”，《粉煤灰在砼和砂浆中应用技术规范》“DBJ08-27”和《高钙粉煤灰砼应用技术规程》DBJ08—230的规定执行。
因为该两个应用技术规范中FA允许掺量按I、II、III级灰用于不同的工程部位，掺量最大不宜超过30%。
六、广东信强混凝土有限公司矿渣粉砼应用实例及试验记录介绍
1C80高强高抛自密实砼
⑴试验采用四个生产厂（番禺凤山、韶钢、广西柳钢、湖南）S95，比表面积400m2/kg～500m2/kg，掺量为总胶凝材料的25～30%；采用华润PII52.5R水泥，粤秀PII42.5R、金鹰PII42.5R、石井PII42.5R四种水泥掺量为总胶凝材料的75～70%。
外加剂采用了六种（柯杰氨基酸、瑞士西卡聚羧酸盐、上海花王聚羧酸盐、上海三瑞聚羧酸盐、天津雍阳氨基酸、天津雍阳高浓萘酸盐）。
28天强度都在100Mpa左右，塌落度在220～270mm,扩展度在600～700mm,粘滞度用倒流动度测定在6～15秒；对不同的砂石粒径和细度模数一共试配了上百组。
⑵实际应用于广州珠江新城的国际金融中心大厦，其工程部位为地下五层～地上五层总共供应了600多m3砼量C80砼。
钢管由六节高3.5米,外径Φ1400，内径Φ800的钢板圈空心筒焊成高为22米的钢管柱，然而砼拌合料从25m高度通过泵送不震捣从高位抛落下来。
由于输送泵管管道达200多米且有2个90度的直角造成泵压很大,后改为塔吊,每斗2m3直接高抛落下。
接着高抛C70、C60、C50、C40一直到180多米高止。
总共高抛砼量有5000多m3。
下面摘取一些试验记录及生产数据，仅供参考。
供应砼的第一天工是2005年5月17日采用泵送。
生产用材料为：
华润PⅡ52.5R，水泥刚进厂温度高达100℃左右。
外加剂决定采用天津雍阳高浓萘磺酸盐UNF-5AST（40%浓度），该外加剂缓凝稍长、引气小、泌水少、物料粘聚性好且坍落度损失小。
生产所用碎石为番禺化龙5-25mm,西江中砂,细度模数为2.6-3.0,生产时随时调整砂率保持工作性良好。
QC员在工地随时与调度员和施工人员沟通,配合取样,测SL和扩展度,测倒流动度、含气量和成型试件并记录生产中出现的情况。
因为高抛砼要求拌合物不能引气，粘聚性要良好，扩展度要大，所生产时各部门配合默契，供应顺利，一次性成功。
生产配方如下表：
取样组数
外加剂
水泥品种
材料用量（kg/m3）
坍落度/扩展度（取中间值）
抗压强度平均值（MPa）
砂率
水胶比
品种
掺量
水泥
矿粉
硅粉
外加剂
SL0
mm
28d
15
UNF-5AST
3.2%
华润PII52.5R
430
135
25
18.88
240
650
102.0
42
0.23
C80高抛混凝土试验汇总表2005年
2005年
编号
外加剂
水泥品种
材料用量（kg/m3）
坍落度/扩展度
抗压强度（MPa）
备注
品种
掺量
水泥
矿粉
外加剂
SL0
倒坍（秒）
3天
7天
28天
1
KJ-B（氨）
4.0
华润PⅡ52.5R
400
175
23.00
230/620
13
60.2
80.2
94.4
泌浆气泡多
2
KJ-B（氨）
3.5
400
175
20.13
240/630
11
65.1
83.8
103.4
3
KJ-B（氨）
3.5
粤秀P.Ⅱ42.5R
400
175
20.13
240/630
8
58.8
78.0
95.7
4
西卡（羧）
2.5
华润PⅡ52.5R
400
175
14.38
240/670
6.5
72.9
86.9
106.7
泌浆气泡多浮黑灰
5
西卡（羧）
2.5
400
175
14.38
230/610
12
73.8
88.7
103.3
6
西卡（羧）
3.5
400
175
20.13
230/650
14
74.7
85.6
104.4
7
西卡（羧）
3.5
400
175
20.06
220/650
8.35
68.4
84.7
93.6
轻微泌浆
8
西卡（羧）
3.5
400
175
20.06
250/670
10.2
71.8
87.1
104.4
含气量大
9
西卡（羧）
3.5
粤秀P.Ⅱ42.5R
400
175
20.13
225/600
14.2
72.2
88.7
106.4
10
上海（羧）
2.5
400
175
14.38
240/710
9
68.2
81.8
103.3
其中0.5%A后掺
11
上海（羧）
2.5
400
175
14.38
240/670
22
65.9
83.6
101.3
板结
12
上海羧2-1
2.6
华润PⅡ52.5R
400
175
14.90
230/500
16
66.5
89.6
98.8
堆场取样气泡多
13
上海羧2-2
2.4
400
175
13.75
240/570
10.5
67.5
88.0
102.5
化龙取样气泡少些
14
上海羧2-3
2.2
400
175
12.61
240/670
10
60.3
86.9
98.2
化龙取样气泡最多
15
上海羧2-3
2.2
400
175
12.61
235/610
14
74.3
94.9
107.1
堆场取样
16
天津（氨）
5.0
粤秀P.Ⅱ42.5R
400
175
28.65
250/600
10.5
66.2
79.1
93.8
其中1.0%A后掺
17
天津（氨）
5
400
175
28.65
230/570
12.5
62.2
76.0
101.7
其中0.5%A后掺
18
天津（高浓）
4.0
400
175
22.92
245/670
5.7
70.7
85.6
101.0
其中0.5%A后掺
19
4.0
400
175
22.92
240/640
8.5
71.6
82.9
101.1
其中0.5%A后掺
20
3.6
华润PⅡ52.5R
400
175
20.63
235/680
8.6
71.8
82.4
101.7
21
3.6
425
150
20.70
245/650
9.1
73.1
80.7
105.2
22
3.7
400
170
22.02
230/540
25.0
70.0
84.2
100.7
23
3.7
400
170
22.02
210/460
15.5
73.3
86.9
107.3
24
3.8
400
175
21.77
245/610
13
63.8
86.2
103.9
化龙取样好
25
3.8
400
175
21.77
220/470
10
63.7
83.8
101.2
堆场取样差
2隧道局沉管专项砼；
技术要求：
C35P10，底板厚1.3
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