矿粉在商品混凝土中的应用.docx
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矿粉在商品混凝土中的应用
矿粉在商品混凝土中的应用
钮明琴
[摘要]本文介绍了矿粉在商品混凝土中的试验和应用情况，并分析了矿粉对混凝土性能的影响，说明采用矿粉取代部分水泥，可改善混凝土拌合物性能、保证中长期力学性能、提高抗渗性能。
同时介绍了矿粉在商品混凝土应用过程中应注意的问题。
[关键词]商品混凝土；抗压强度；矿粉；活性指数
0前言
近年来，随着东园西区创建、房地产开发以及城市基础设施建设的全面发展，苏州市商品混凝土行业快速发展，但竞争非常激烈。
要想在这一市场中占得一席之地，第一，必须确保混凝土的质量并提供优质的服务，树立企业品牌形象，扩大市场影响力；第二，在保证质量的前提下，控制产品的成本，理论上可通过使用高效减水剂和矿物掺合料降低单方水泥用量。
但就目前情况而言，聚羧酸盐类等高效减水剂价格昂贵，且商品混凝土中C25~C40中低强度等级占绝大多数，使用后成本反而提高；粉煤灰的应用技术已经非常成熟，但其强度发展慢，在掺量上又有严格的限制，很难再有潜力可挖，而矿粉胶凝系数高、强度发展比粉煤灰快，可改善混凝土拌合物性能和长期性能，同时，矿粉与水泥存在一定的价差，等量取代后经济效益是显而易见的。
因此，矿粉已成为理想的掺合料逐渐被广大混凝土企业采用。
我们在矿粉的应用方面作了一些试验工作，并通过工程应用得到一些体会，本文就此方面情况作以介绍。
1试验用原材料
1.1矿粉：
南京梅宝新型建材有限公司生产，S95级，其性能见表1
表1矿粉性能
主要化学成分
比表面积（m2/kg）
密度
（g/cm3）
烧失量
/%
Cl–
/%
SO3
/%
流动度比
/%
活动指数
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
7d
28d
32.9
15.36
37.04
10.52
436
2.90
-0.38
0.007
0.07
105
76.2
107
1.2水泥：
苏州天山水泥有限公司生产，普通42.5级，其性能见表2
表2水泥主要物理性能
标准稠度用水量
/%
安定性
抗折强度/MPa
抗压强度/MPa
3d
28d
3d
28d
28.6
合格
6.0
8.7
28.4
56.0
1.3粉煤灰：
苏州望电粉煤灰分选厂生产Ⅰ级灰，其主要性能见表3
表3粉煤灰性能
细度（45μm筛子）/%
烧失量/%
需水量比/%
SO3/%
9.6
4.72
95
0.14
1.4砂：
天然河砂，其主要性能见表4
表4砂的主要性能
细度模数
含泥量/%
泥块含量/%
表观密度g/m3
2.5
0.5
0
2630
1.5碎石：
湖州5mm~31.5mm连续级配碎石，其主要性能见表5
表5碎石的主要性能
含泥量/%
泥块含量/%
压碎指标/%
针片状颗粒含量/%
表观密度g/m3
0.2
0
5.2
6.3
2680
1.6外加剂：
苏州工业园区同盛新材料有限公司生产的TS301高效减水剂，掺量为c×1.5%时，减水率为18%
2试验方法
配合比设计参照JGJ55-2000并结合经验进行；拌合物坍落度及和易性观察根据GB/T50080-2002进行；抗压强度测定根据GB/T50081-2002进行；耐久性测定根据JGJ82-85进行。
3混凝土配合比及性能试验
3.2混凝土配合比（粉煤灰掺加比例固定）及部分性能试验，详见表6及图1~图4，分析如下：
3.1.1水胶比较大时（本试验中为0.60,0.52,0.42），矿粉等量取代部分水泥，随着矿粉掺量的增加，3天、7天强度近似线性降低；28天、60天强度，当掺量为30%以下时，变化不大，随着掺量的增加略有上升，至30%时最高。
3天、7天强度与28天、60天强度结果比较，可见随着矿粉掺量的增加，强度增加幅度增大，即矿粉掺量对后期强度的影响逐渐变小。
3.1.2水胶比较小时（本试验中为0.35），矿粉掺量为0-30%时，随着矿粉掺量的增加，7天、28天强度递增，掺30%时最高，但掺30%时粘性较大，因为矿粉比表面积超过400m2/kg，在某合适掺量时，因为它的微集料效应具有一定的减水和增加流动性功能，但在高强度混凝土（低水胶比）中，掺量太大更增加了粘聚性，易造成泵送和施工困难。
3.1.3矿粉等量取代部分水泥配制混凝土，达到相同的坍落度时，比基准混凝土的需水量低，且置换率越大，需水量越小。
实际试验和应用中，为达到相同的坍落度，可调整用水量或外加剂用量。
在中低强度混凝土（较大水灰比）中，随着矿粉掺量的增加，调整用水量或减水剂用量，混凝土达到相同的坍落度时，流动性增大。
3.2抗渗性能试验
为了验证掺矿粉混凝土的抗渗性能，我们采用水胶比为0.42，矿粉掺量为0和25%的配合比各成型了一组6个混凝土抗渗标准试件，标养28天后进行抗渗试验，试验水压从0.1MPa开始，每隔8h增加0.1Mpa，逐级加压1.4Mpa并持压8小时后停机，此时两组试件顶面均无渗水现象，劈开后观察渗水情况，不掺矿粉的试件渗水高度在30mm-50mm之间，矿粉掺量25%的试件渗水高度在0-10mm之间。
说明用矿渣微粉配制的混凝土密实性好，抗渗透能力强，适用于钢筋混凝土防水结构。
表6混凝土配合比及性能
水胶比
矿粉掺量/%
水泥
矿粉
粉煤灰
水
TS301/%
坍落度/mm
和易性
混凝土抗压强度/MPa
R3
R7
R28
R60
0.60
0
249
-
59
185
1.1
180
粘聚性一般
17.2
24.1
33.2
-
20
201
60
57
180
1.1
185
14.2
21.6
36.6
-
30
171
90
57
180
1.1
190
12.6
20.8
37.2
-
40
141
120
57
180
1.0
180
11.4
19.6
36.4
-
0.52
0
295
-
61
185
1.5
180
和易性良好
-
30.7
41.6
45.5
15
235
52
59
180
1.5
180
-
28.7
41.8
47.0
20
220
69
57
180
1.5
190
-
28.1
40.9
44.8
25
196
84
57
175
1.5
180
-
27.7
40.9
45.2
30
179
101
57
175
1.5
185
-
25.8
43.2
46.0
35
162
118
57
175
1.5
195
-
24.8
38.7
43.8
40
145
135
57
175
1.4
185
-
23.6
38.5
42.7
50
112
168
57
175
1.4
195
-
22.0
38.0
42.1
0.42
0
378
-
62
185
1.8
190
和易性优，掺矿粉扩展度≥500mm
-
40.0
52.6
61.6
20
283
86
60
180
1.8
190
-
32.3
51.6
59.6
30
234
125
58
175
1.8
180
-
31.2
52.2
62.8
35
213
146
58
175
1.8
190
-
30.2
48.0
60.5
40
192
167
58
175
1.6
190
-
27.8
47.8
60.2
50
146
202
57
170
1.6
180
-
25.4
44.8
57.5
0.35
0
443
-
66
178
2.0
185
粘性大
40.1
51.2
65.4
-
20
329
98
64
172
2.0
200
不粘
37.6
51.0
64.1
-
25
298
120
62
168
2.0
200
稍粘
37.6
53.1
68.7
-
30
268
141
61
165
2.0
185
粘性大
34.8
53.8
71.5
-
抗压强度MPa抗压强度MPa
矿粉掺量/%矿粉掺量/%
图1水胶比0.60图2水胶比0.52
抗压强度MPa抗压强度MPa
矿粉掺量/%矿粉掺量/%
图3水胶比0.42图4水胶比0.35
4．工程应用
某高层住宅，基础承台设计强度等级C40，结构厚1.8m，综合考虑（特别是水化热），混凝土掺用了30%的矿粉；地下室墙板至转换层梁板设计强度等级均为C50，主要考虑到粘聚性，混凝土掺25%的矿粉，配合比如表7。
表7
强度等级
水泥
矿粉
粉煤灰
水
TS301
C40
234
125
58
175
7.51
C50
303
122
63
166
9.76
混凝土具有良好的工作性能，物理力学性能和耐久性能，完全满足《混凝土结构工程施工质量验收规》GB50204-2002的要求。
同时，工程感观也非常好，受到使用方业主的好评。
5.矿粉在商品混凝土中应用时应注意的问题。
5.1注意矿粉掺量
矿粉等量取代部分水泥时，随着掺量的增加，混凝土早期强度几乎线性下降，而目前各工程工期紧、施工进度快是普遍现象，两者是一对矛盾。
另外，水胶比较小时，随着矿粉掺量的增加混凝土粘度增大甚至板结抓底；水胶比较大时，矿粉掺量过大，易产生离析。
因此实际使用时，应根据工程进度、强度等级、结构特点、气候状况等的不同，合理地确定矿粉掺量。
5.2加强矿粉复检工作
目前市场上供应的矿粉有大型立磨生产的，也有球磨机（部分为水泥球磨改造）生产。
相比而言，大型立磨由于其先进的生产工艺，矿粉的细度非常稳定，而球磨矿粉的细度难以达到要求，也难以长期稳定。
建议商品混凝土企业优先选用立磨矿粉。
矿粉一般需复检活性指数与流动度比，但这两项指标与检验用的水泥有很大的关系，同一矿粉采用不同对比水泥时，检验出的结果会有很大的不同；即使采用同一水泥，由于批次不同，结果有可能也不同。
所以商品混凝土企业应该用实际使用的水泥作对比，并且多试验多分析，特别是在选用不同厂家生产的水泥前，必须先用该水泥作对比水泥进行试验。
5.3注意调整混凝土的凝结时间
矿粉对混凝土的凝结时间与不掺矿粉的普通混凝土相比，具有一定缓凝效果。
因此，应注意调整混凝土的凝结时间，特别是日平均温度不足10℃时，应调整混凝土配合比，降低混凝土中矿粉掺量（甚至不掺）或改变外加剂的品种来调整凝结时间。
5.4注意混凝土的养护
矿粉、粉煤灰复掺混凝土对养护条件要求更为苛刻，应加强与施工方沟通，确保混凝土的养护条件和养护时间。
只有充分的养护才能发挥掺合料的作用。
6.结论
6.1矿粉取代部分水泥，能减少水化热，延缓凝结时间，改善混凝土的工作性能，提高抗渗性。
6.2矿粉取代部分水泥，混凝土早期强度与掺量有关，一般呈下降趋势，但对28天及长期强度的影响逐渐变小。
30%掺量时，28天强度最高。
6.3采用矿粉可以利用工业废料，保护环境，符合国家可持续发展的战略要求。
对企业来说，也是降低成本的一项有效措施。
C50混凝土配合比设计注意事项
一、原材料
混凝土是一种复杂的非匀质材料，配制C50混凝土的影响因素非常复杂，尤其在配制混凝土时选用不同原材料时强度的差异就会显现的更大。
配制C50混凝土的原材料包括水泥、碎石、砂、外加剂、及活性矿物材料（如粉煤灰、硅粉、矿渣、矿粉等），同时采用活性矿物材料代替部分水泥。
1、水泥
1.1水泥强度
水泥作为主要的胶结材料，是影响混凝土强度的主要因素。
同时混凝土的破坏常发生在水泥与骨料胶结的临界面处，因此，混凝土的强度主要取决于水泥与骨料的粘结力方面。
水泥不仅把骨料粘结成一体，而且本身又必须具有足够的承载能力，骨料能否充分发挥作用，与水泥本身的强度有很大关系。
故此，配制C50混凝土时应采用组成合理、物理性质合格的高标号水泥，同时配制C50混凝土时选择水泥标号时，使水泥的标准抗压强度为混凝土的设计强度的0.9-1.5倍为宜。
一般选择P.O42.5R、P.O52.5R的硅酸盐水泥、普通水泥、高铝水泥、快硬高强水泥等。
1.2水泥用量
对于C50混凝土来说，水泥用量是至关重要的，它不但影响到水泥与骨料界面的粘结力，也影响到施工要求的和易性。
所以C50混凝土的水泥用量通常教普通混凝土的水泥用量要高一些，一般控制在500Kg/m3以内，水泥用量过高，会出现水化热释放速度过快和出现混凝土收缩过大的问题，水泥用量过低，会出现与骨料粘结力差，强度低的问题。
配制C50混凝土时可以采用掺加活性矿物材料替代水泥用量，以减少水泥用量，这对C50混凝土的技术方面是可行的，同时经济方面也更加合理化。
但水泥与活性材料的掺量的总量不宜大于600Kg/m3。
2、集料
混凝土中集料体积大约占混凝土体积的3/4，由于所占的体积相当大，所以集料的质量对混凝土的技术性能和生产成本均产生直接的影响，尤其在配制C50混凝土时，对集料的强度、级配、表面特征、颗粒形状、杂质的含量、吸水率等特别注重。
这样才能配制出满足技术性能要求的C50混凝土，同时又能降低混凝土的生产成本。
2.1粗集料
配制C50以上混凝土对粗集料的强度的选取是十分重要的，高强度的集料才能配制出高强度的混凝土。
应选取质地坚硬、洁净的碎石。
其强度可用岩石立方体强度或碎石的压碎指标值来测定，岩石的抗压强度应比配制的混凝土强度高50%。
一般用碎石的压碎指标值来间接判定岩石的强度是否满足要求。
粗集料的颗粒形状、表面特征对C50以上混凝土的粘结性能有着较大的影响。
应选取近似立方体的碎石，其表面粗糙且多棱角，针片状总含量不超过8%。
影响C50以上混凝土的强度重要因素有集料的强度、水泥石、水泥石与集料之间的粘结强度，而混凝土中最薄弱的环节是水泥石和集料界面的粘结。
由于粗集料的表面粗糙、粒径适中，这样提高了混凝土的粘结性能，从而提高了混凝土的抗压强度。
集料的级配是指各粒径集料相互搭配所占的比例，其检验的方法是筛分。
级配是集料的一项重要的技术指标，对混凝土的和易性及强度有着很大的影响。
配制C50混凝土最大粒径不超过31.5mm，因为C50混凝土一般水泥用量440~500kg/m3之间，水泥浆较富余，由于大粒径集料比同重量的小粒径集料表面积要小，其与砂浆的粘结面积相应要小，其粘结力要低，且混凝土的均质性差，所以大粒径集料不可能配制出高强度混凝土。
集料的级配要符合要求且集料的空隙要小，通常采用二种规格的石子进行掺配。
如5~31.5mm连续极配采用5~16mm和16~31.5mm二种规格的碎石进行掺配。
5~25mm连续级配采用5~16mm和10~25mm二种规格进行掺配。
集料中的泥土、石粉的含量要严格控制，其含量大，不但影响混凝土拌和物的和易性，而且降低混凝土的强度，影响混凝土的耐久性。
2.2细集料
砂材质的好坏，对C50以上混凝土的拌和物和易性的影响比粗集料要大。
优先选取级配良好的江砂或河砂。
因为江砂或河砂比较干净，含泥量少，砂中石英颗粒含量较多，级配一般都能符合要求。
山砂一般不能使用，山砂中含泥量较大且含有较多的风化软弱颗粒。
砂的细度模数宜控制在2.6以上，细度模数小于2.5时，拌制的混凝土拌和物显得太粘稠，施工中难于振捣，且由于砂细，在满足相同和易性要求时，增大水泥用量。
这样不但增加了混凝土的成本，而且影响混凝土的技术性能，如混凝土的耐久性、收缩裂缝等。
砂也不宜太粗，细度模数在3.3以上时，容易引起新拌混凝土的运输浇筑过程中离析及保水性能差，从而影响混凝土的内在质量及外观质量。
C50泵送混凝土细度模数控制在2.6~2.8之间最佳，普通混凝土控制在3.3以下。
另外还要注意砂中杂质的含量，比如云母、泥的含量过高，不但影响混凝土拌和物的和易性，而且影响混凝土的强度、耐久性，引起混凝土的收缩裂缝等其他性能。
3、外加剂
因C50混凝土的水泥用量比较大,水灰比低,强度要求高,混凝土拌和物较粘稠,这样给混凝土的施工提出了更高的要求,为了满足混凝土的性能及施工要求,改善混凝土的和易性及提高性能,同时降低水泥用量,减少工程成本,外加剂的选择尤为重要。
选用外加剂因着重从以下几个方面考虑：
延缓混凝土的初凝时间，提高混凝土的早期强度，增加后期强度，减少混凝土坍落度的损失，与水泥的相容性，外加剂的稳定性。
通常选用高效减水剂、高效缓凝减水剂，高效早强减水剂。
如NF、UNF、JC等。
高效减水剂同时具有增加混凝土强度和流动性。
掺高效减水剂的混凝土的坍落度损失一般较快，最好施工时采用后掺法，这样可使高效减水剂的减水作用增高，使混凝土的流动性增加。
在温度低于8~10℃时，高效减水剂虽能增加和易性，但增加强度的作用大大降低。
所以高效减水剂宜在春秋季节使用。
高效缓凝减水剂有利于控制早期水化，混凝土拌和物坍落度损失小。
一般来说，掺量大时凝结时间相应增长，但掺量过大时会降低早期强度。
根据施工季节来调节掺量。
宜在夏季或结构复杂配筋密集的构件中使用，这样可避免形成冷缝，方便施工的安排。
高效早强减水剂一般不用，除非对早期强度有特殊要求。
一般在冬季使用，来提高混凝土的早期强度，使用时要慎重，因为高效早强减水剂能加快早期强度的发展，但一般会降低混凝土的后期强度。
在试配时要认真做好验证工作。
4.活性材料
活性矿物材料一般有粉煤灰、硅粉、矿渣、矿粉等，这些材料的使用一方面能够替代水泥，减少水泥用量，节约成本；一方面可以改善混凝土的部分性能，降低混凝土的空隙，细化空隙结构，使混凝土硬化后更加密实，提高混凝土的强度、耐久性和施工和易性等。
同时掺加活性材料有利于降低水化热和推迟水化热出现高峰期的时间，也可以有效的减少碱—集料反应，避免混凝土收缩裂缝和膨胀裂缝的发生。
二、配合比的设计
2.1配合比的计算
2.1.1试配强度的确定 通常C50混凝土施工配制强度要求≥60MPa。
2.1.2水灰比的确定 C50混凝土宜采用以下0.30、0.32、0.34、0.36、0.38五个水灰比进行试拌，来确定最佳水灰比。
通常采用0.34作为基准水灰比。
2.1.3用水量的确定 根据石料的粒径，高效减水剂的减水率及掺量来确定，一般坍落度为70~90mm时，用水量宜控制在145~160Kg/m3。
2.1.4砂率 坍落度在75~90mm时，宜取0.28—0.33。
2.1.5砂、石用量 按绝对体积法计算。
2.2 试拌调整
使用试拌机前，应用与试配时混凝土配合比相同的水灰比及灰砂比进行涮膛，以免正式试拌时水泥砂浆粘附桶壁。
试拌量应不小于试拌机额定量的1/4，混凝土的搅拌方式及加料，宜与生产时使用的方法相同，特别是外加剂的掺法，是同时掺还是后掺。
混凝土拌和物坍落度的检验，应测定0min、30min、60min、90min的坍落度。
因拌出的混凝土要经过运输才入模，如果混凝土的坍落度损失过大，导致运至现场的混凝土无法入模浇注。
因此配合比设计时要认真考虑，混凝土在运输、泵送等施工工艺过程中的坍落度的损失，确保混凝土入模时的坍落度。
2.3配合比的确定
当拌和物实测密度与计算值之差的绝对值不超过计算值2%时，可不调整。
大于2%时按规定进行相应的调整。
C50混凝土配合比确定后，应对配合比进行6~8次的重复试验进行验证，其平均值不应低于配制的强度值，确保其稳定性，因有些因素对普通混凝土（C40以下）影响不大，但对C50混凝土（C50以上）的影响往往比较显著
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