矿渣粉和减水剂对混凝土性能影响的研究.docx
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矿渣粉和减水剂对混凝土性能影响的研究
唐山学院
毕业设计
设计题目：
矿渣粉和减水剂对混凝土性能影响的研究
环境与化学工程系
08无机非金属材料
（1）班
系别：
_________________________
王永辉
班级：
_________________________
朱晓丽
姓 名：
_________________________
指导教师：
_________________________
2012年6月8日
矿渣粉和减水剂对混凝土性能影响的研究
摘要
本文主要研究了矿渣粉和减水剂对混凝土强度、和易性和耐久性的影响。
首先对原材料进行了分析，然后进行混凝土和易性实验，试块的制备、养护与抗压强度，最后研究了矿渣粉对混凝土耐久性的影响。
实验研究了胶凝材料对混凝土性能的影响规律，矿渣粉和减水剂对混凝土塌落度和耐久性的影响规律，结果表明：
1.掺加矿渣粉可以提高混凝土的塌落度，掺量超过30%时出现泌水现象。
2.矿渣粉代替水泥后，混凝土的3d抗压强度明显降低，28d抗压强度基本不变。
3.少量矿渣粉替代水泥提高混凝土的耐冻性，当矿粉替代水泥比例超过30%时抗冻性低于基准混凝土。
4.矿渣混凝土的抗碳化性能随着矿渣粉掺量的增加而下降，当矿渣粉掺量大于40%时，混凝土的碳化深度值上升速率明显加大。
关键词：
矿渣粉塌落度泌水碳化
StudyontheEffectofSlagPowderandSuperplasticizerontheConcretePerformance
Abstract
Thispapermainlystudiesoninfluenceofsomecomponentsonconcretestrengthpeaceabilityanddurability.Firsttherawmaterialisanalysised,thenconcretepeaceabilityistested,theconcreteblockformed,maintenance,andcompressivestrengthtested.theconcretedurabilityistestedintheend.Theexperimentalstudythelawofcementitiousmaterialroleintheconcrete,slagandsuperplasticizerroleinconcretedurability.Theresultsshowthat:
1．slagpowderhasapositiveimpactintheslumpofconcrete,addedmorethan30%,concretewillemergebleedingphenomenon.
2．Whenslagpowderparticallyreplacecement,concretecompressivestrengthof3ddecreasedsignificantlyand28dunchanged.
3.Slagpowderreplacecementinsmallamounthasacontributiontotheconcretefrostresistance,whentheslagcementreplacementratiobeyond30%,slagconcretefrostresistancewillbelowbaselineconcretefrostresistance.
4.thecarbonationresistanceofconcreteisdeclineastheslagpowderdosageincreases,whentheamountofslagpowderisgreaterthan40%,therateofconcretecarbonationdepthsignificantlyincreased.
Keywords:
slagpowderslumpbleedingcarbonation
目录
1引言1
1.1用于混凝土的粒化高炉矿渣1
1.1.1粒化高炉矿渣简介1
1.1.2粒化高炉矿渣对混凝土性能的影响1
1.2用于混凝土的减水剂4
1.2.1减水剂概述4
1.2.2减水剂对硬化混凝土性能的影响4
1.3矿渣粉和减水剂对混凝土性能影响研究的意义5
2试验7
2.1实验原料7
2.1.1砂子分析7
2.1.2石子分析7
2.1.3矿渣粉分析8
2.1.4水泥分析11
2.2矿渣粉和减水剂对混凝土塌落度的影响16
2.2.1实验目的16
2.2.2实验过程16
2.2.3结果与分析17
2.3矿渣粉和减水剂对混凝土强度的影响18
2.3.1实验目的18
2.3.2实验过程18
2.2.3结果与分析20
2.4矿渣粉对混凝土耐冻性的影响22
2.3.1实验目的23
2.3.2实验过程23
2.3.3实验结果与分析23
2.5矿渣粉对混凝土抗碳化性能的研究25
2.5.1实验目的25
2.5.2实验过程25
2.5.3试验结果与分析27
3谢辞30
参考文献31
附录32
外文资料33
1引言
1.1用于混凝土的粒化高炉矿渣
1.1.1粒化高炉矿渣简介
凡在高炉冶炼生铁时，所得以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后，即为粒化高炉矿渣。
它的矿相组成主要是含低钙的硅酸盐体系，C2S、C3S约占30~60％，化学组成主要是：
CaO、SiO2、AI2O3、MgO。
由于矿石成分、熔剂种类和所炼生铁种类不同，高炉矿渣的化学成分可以在很大范围内波动[1]。
1.1.2粒化高炉矿渣对混凝土性能的影响
粒化高炉矿渣由于具有大量的玻璃体和活性矿物相因此具有潜在的活性，当矿渣受激发剂激发时，活性才能显示出来，与水泥相比，矿渣粉活性激发时的水化热较小。
近年来矿渣微粉成为新兴的混凝土矿物掺合料，少量或等量取代水泥时，不仅达到较好的经济效益，而且还能显著地改善新拌混凝土的工作性能、降低混凝土水化热，提高混凝土的抗腐蚀、抗渗透等耐久性能[2-3]。
一、矿渣微粉品质差别及其对混凝土性能的影响
以混凝土配合比为基准,采用不同掺量矿粉替代水泥（替代率54.5%）进行混凝土试验。
测定各混凝土的坍落度、不同龄期（3d/7d、28d、90d）的抗压强度，研究了不同矿粉对混凝土施工性能以及早中期强度的影响。
结果表明从质量控制的角度来说，采用不掺其他组分的矿渣微粉的混凝土综合性能最佳[4]。
矿渣微粉的组成及颗粒级配对混凝土性能的影响
一般矿渣微粉比表面积控制在400~430m2/kg之间，相对应的颗粒级配的特点是0~1μm之间的颗粒占总体积的17%左右，1~6μm之间的颗粒在25%左右波动，当矿渣微粉0~1μm之间的颗粒占总体积分别达到29.8%和27.9%，1~6μm之间的颗粒也分别占到31.2%和30.1%时，细粉含量明显偏高，结果表明混凝土的强度明显提高，但是塌落度反而降低。
1）不同矿粉对混凝土性能的影响
掺入普通矿渣微粉的混凝土能大大改善其抵抗氯离子渗透的性能，掺矿渣微粉氯离子渗透性能（库仑值）要比不掺矿渣微粉的混凝土低一半以上。
但对于掺入早强组分的矿渣微粉来说，抗氯离子渗透性能不如未掺早强组分的矿渣微粉，这可能和矿渣微粉中掺入的石灰石水化晶体较大,微孔缺陷较多有关，或者是与掺入的石膏组分造成的钙矾石膨胀引起缺陷增多有关[5]。
2）不同品质矿粉对混凝土各龄期抗压强度的影响
在混凝土早期，矿渣微粉混凝土的强度发展较纯水泥混凝土慢，但28d强度特别是后期强度要逐渐高过纯水泥混凝土,说明选取合理品质的矿渣微粉对混凝土最终力学性能有良好的影响；而掺早强剂的矿渣微粉混凝土的早期强度,如3d和7d强度发展十分迅速，但是后期强度比普通矿渣微粉混凝土强度反而要低,说明其强度发展的潜力被过早地激发了[6]。
结果表明：
①不同矿粉在水泥胶砂和混凝土中对强度发展的作用和该矿粉的比表面积、组分及颗粒级配有关。
较高的比表面积、适当的化学组成及较好的颗粒级配对胶砂强度和混凝土强度均有好的贡献。
②在矿粉中掺入能改善其早期强度的组分如石灰石粉、水泥膨胀剂或其他化学添加剂等，在一定程度上可以改善矿粉的早期活性，有助于产品通过质量验收，但在后期很可能会产生强度倒缩及混凝土耐久性下降等问题，因此，单纯为了提高矿粉验收指标而在矿粉中加入活性早强组分可能会给混凝土中、后期质量带来严重的隐患。
③由于不同组分矿粉对混凝土质量影响较大，建议混凝土生产企业尽量使用不掺任何活性添加剂的“纯”矿粉，以保证混凝土质量，降低混凝土中后期质量风险。
矿渣作为水泥混合材在我国已有40多年的历史，但20世纪90年代以前，大多数是将矿渣和水泥熟料一起粉磨，属粗放型应用。
由于矿渣与水泥熟料的易磨性相差很大，与熟料混磨后的矿粉较粗，其比表面积为300m2/kg左右，在水泥水化时矿渣的活性不能充分发挥。
因此，掺混合材的水泥一般都是早期强度低，凝结时间长。
如将矿渣经过单独粉磨得到矿渣粉，由于其比表面积达到400m2/kg以上，颗粒较细，则其活性可以得到充分发挥[7]。
3）矿粉细度（比表面积）及其对混凝土强度的影响
磨细矿渣微粉磨到一定细度（比表面积）,才能充分参与水化反应提高活性。
矿粉细度大小直接影响矿粉的增强效果，原则上矿粉细度越大则效果越好，但要求过细则粉磨困难，成本大幅度增加。
综合考虑矿粉的细度以400m2/kg～600m2/kg为佳。
但实际应用中，由于矿渣较难磨细，考虑到磨机效率，矿渣磨细到400m2/kg～500m2/kg已经比较好了。
从颁布执行的GB/T18046-2000标准来看，只要将矿渣比表面积控制在420m2/kg～450m2/kg即可满足标准中S95级要求。
这样，即可满足预拌混凝土公司配制≤C60混凝土的要求。
除非需配制C80以上的混凝土，否则勿需耗费大量电能生产比表面积600m2/kg的磨细矿渣。
另外，仅用比表面积作为矿渣粉的质量指标是不够严谨的，因为不同粉磨系统制备的磨细矿渣，即使比表面积相同，其活性指数（特别是7d龄期时）也不一定相同。
矿粉降低水泥的水化热，混凝土在硬化过程中，水泥水化反应产生大量水化热。
由于混凝土热阻很大，热量聚集在内部不易散发，而表面散热较快，致使在混凝土内部和表面形成较大温差。
这样会导致不均匀温度变形和温度应力，一旦拉应力超过混凝土即时抗拉强度，就会在混凝土内部或表面产生裂缝。
这种温度裂缝是混凝土早期开裂的主要因素之一，往往是贯穿性的有害裂缝，对混凝土的耐久性十分不利[8]。
二、超细矿渣粉对混凝土性能影响的探究
1.改善混凝土的微结构。
主要是通过改善混凝土细微颗粒的级配，即改善粉体材料在混凝土中的粒度分布，产生密实堆积填充效应，使混凝土的孔结构优化，即大孔数量减少，小孔数量增加，平均孔径降低，分布更为合理；空隙率降低，特别是水泥水化产物之间的空隙，微结构更为密实。
2.降低混凝土的拌合用水量（特别是游离态有害水的含量）。
水泥的完全水化仅仅需要一小部分水，混凝土中的大部分水是为了满足其工作性而引入的。
我们称之为游离态有害水。
在混凝土施工和硬化中仅仅有一小部分游离态有害水可能会通过空气蒸发和模板渗出，但是大部分游离态有害水会在混凝土硬化后形成较大的空隙，从而给混凝土结构造成了永久的伤害。
当混凝土的孔结构优化、空隙率降低时，其游离态有害水的含量可相应降低。
3.改善混凝土拌合物的和易性。
由于超细矿渣粉是细微球状体，其表面光滑，且性能稳定，在混凝土中能够起到一种类似于轴承的微珠润滑作用，减少了摩擦阻力，有效改善了混凝土拌合物的和易性（即流动性、黏聚性、保水性等）。
混凝土拌合物的和易性好，则坍落度经时损失小，工作性好（可泵性等）。
4.提高混凝土的强度。
其一是改善混凝土的微结构，增加密实度，以提高混凝土的强度。
其二，超细矿渣粉中含有丰富的活性SiO2等，能够与水泥的水化产物Ca（OH）2进行二次水化反应，生成密实度更高的硅酸凝胶[9]。
5.降低混凝土的水泥用量和水化热。
国家标准规定：
混凝土中心温度与表面温度的温差不得超过25℃。
在混凝土强度一定的情况下，掺加超细矿渣粉，可大幅降低水泥用量，同时可推迟热峰的出现时间。
6.提高混凝土的抗渗性。
采用试验编号为05、06的混凝土抗渗试件，分别在2.5MPa压力下恒压48h。
结果是其试件上端面无一渗水。
劈开试件，测量其最大渗水高度。
结果如下：
编号为05的试件最大渗水高度为3cm；编号为06的试件最大渗水高度为1.8cm。
7.提高混凝土的抗冻性。
大量研究表明：
混凝土的胶凝材料用量、水胶比、引气性能等是影响混凝土抗冻性的主要因素。
混凝土水胶比大时，其游离态有害水多，硬化后内部孔结构差、空隙率大，则受冻融循环破坏的几率大。
当在混凝土中引入大量的、细微的、均匀的气泡时，这些细微气泡即细微空间可以作为体积膨胀的“缓冲阀”，降低和避免其他物理和化学反应引起的破坏。
经试验表明，掺入超细矿渣粉的混凝土，其抗冻性明显高于普通混凝土。
8.提高混凝土的抗裂性。
混凝土在硬化过程中，由于化学减缩、冷缩和干缩等原因会引起体积收缩，其收缩值为自生体积的0.04%左右。
这些收缩会给混凝土的体积稳定性带来很大的危害。
经试验表明，掺入超细矿渣粉的混凝土，会产生适度的微膨胀。
在钢筋和骨料的约束下，可产生一定的预压应力，以抵消混凝土在硬化过程产生的拉应力，补偿部分水化热引起的温度应力，减少和避免混凝土裂缝的产生[10]。
9.提高混凝土的耐腐蚀性。
超细矿渣粉中含有丰富的活性SiO2等，能够与水泥的水化产物Ca（OH）2进行二次水化反应，从而降低了混凝土硬化后水泥胶体与SO42-反应生成钙矾石的机会，一定程度上抑制了SO42-等离子的侵蚀破坏。
这种钙矾石，由于体积膨胀产生的应力受到了硬化后混凝土的约束，因此，其破坏力最强。
另外，超细矿渣粉的掺加减少了水泥用量，即减少了水泥引入的碱含量，从而降低混凝土发生碱-集料反应的破坏的可能性。
10.延长混凝土结构的使用寿命。
Mehta整体论模型指出：
“一个不透水但存在微裂缝且多孔的混凝土→经侵蚀冷热循环、干湿循环→混凝土结构微裂缝增加、相连→水的渗入，有害物质侵蚀→混凝土膨胀、钢筋锈蚀、碱骨料反应、水结冰、硫酸盐侵蚀使混凝土强度和刚度降低→开裂破坏与整体性丧失。
”
1.2用于混凝土的减水剂
1.2.1减水剂概述
减水剂是混凝土外加剂中应用最广泛、效果最显著的一种掺拌材料，它的主要作用是改善混凝土拌和物的流变性能。
在混凝土中添加减水剂，能够减少用水量，提高混凝土强度，增大混凝土的流变性，同时还能节约水泥用量。
聚羧酸盐系高效减水剂是直接用有机化工原料通过接酯共聚反应合成的高分子表面活性剂，它不仅能吸附在水泥颗粒表面上，使水泥颗粒表面带电而互相排斥，而且还因具有支链的位阻作用，从而对水泥分散的作用更强、更持久.因此，聚羧酸盐系减水剂被认为是目前最高效的新一代减水剂。
萘系减水剂对混凝土凝结时间的影响因高效减水剂的品种而异，蔡萘磺酸甲醛缩合物和三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物基本上不影响混凝土的凝结时间;氨基磺酸盐甲醛缩合物和聚梭酸类高效减水剂则对混凝土有缓凝作用，能提高混凝土的抗渗抗冻融及耐腐蚀性，增强耐久性[11]。
1.2.2减水剂对硬化混凝土性能的影响
1）对强度的影响
a.强度
而改善水泥的水化程度。
二者综合效果是显著提高混凝土各个龄期的强度。
掺高效减水剂的混凝土的抗压强度、抗弯强度和静态弹性模量较之空白混凝土都有不同程度的提高。
b.收缩和徐变
高效减水剂用于减少混凝土用水量而提高强度或节约水泥时，混凝土收缩值小于空白混凝土;用于增加坍落度而改善和易性时，收缩值略高于或等于空白混凝土，但也不会超过技术标准规定限值l×10-4。
高效减水剂对混凝土徐变的影响与对收缩影响的规律相同，只是当掺高效减水剂而不节约水泥，抗压强度明显提高时，徐变显著减小。
2）对混凝土耐久性的影响
a.冻融性
高效减水剂由于减水率高和微量的引气性，使得混凝土的抗冻融性有显著提高。
b.硫酸盐侵蚀
Brooks和Colepardi[12]研究了掺加了高效减水剂的混凝土和空白混凝土在硫酸镁溶液中放置800d后的某些性能（重量、长度、静态模量）变化，实验结果显示，塑化混凝土的抗硫酸盐侵蚀的能力与空白混凝土相比并不逊色。
3）对钢筋混凝土性能的影响
a.对钢筋和混凝土粘接力的影响
Collepardi和Corradi[13-14]研究了高效减水剂对钢筋和混凝土粘接力的影响，得出高效减水剂的加入可显著提高钢筋和混凝土间的粘接力，可使普通混凝土中直滑钢筋和混凝土7d的粘接力由1.2MPa提高到8.5MPa,弯曲钢筋和混凝土7d的粘接力由15.0MPa提高到27.5MPa。
b.对钢筋锈蚀的影响
将掺加高效减水剂的塑化钢筋混凝土在水中放置一年，然后在室外放置4年后，研究钢筋的锈蚀情况，实验结果显示高效减水剂的加人几乎抑制了钢筋的锈蚀[15]。
1.3矿渣粉和减水剂对混凝土性能影响研究的意义
混凝土的制备主要是搅拌站生产，另外也有人工配制的。
搅拌站配制是将水泥、砂子、石子、水、外加剂按照一定的配比混合拌制，制备出符合工程要求的混凝土，人工配制主要是有经验的工人按着粗略的配合比将各种组分混合拌制而成。
矿渣是炼钢过程中产生的固体废弃物，同时也是很好的混凝土掺合料，将矿渣大量运用于混凝土中即使钢厂节约了大量土地，也使搅拌站节约了成本。
减水剂是现代混凝土常用外加剂的一种，由于减水剂的成分多样性和水泥水化的特殊性，使得减水剂的加入不影响水泥的水化成为搅拌站考虑的一个问题，在我国减水剂与水泥相容性的研究相对较少，本文研究试图研究矿渣粉和减水剂与水泥的相容性，希望为搅拌站拌制混凝土有所帮助。
混凝土的耐久性和抗碳化性能是人们关注的重点，本文研究了矿渣粉的加入对混凝土耐久性和抗碳化性的影响规律，力求找到矿渣粉在混凝土的最佳加入比例，提高现在混凝土的耐久性和抗碳化性能。
由于水泥初凝与终凝的性质，使得新拌制的混凝土必须在一定的时间内用完，当新拌制的混凝土不符合客户要求被退回时，往往需要加入某种组分进行调灰，本文从矿粉的加入对混凝土性能的影响入手，揭示矿渣粉对混凝土强度和塌落度的影响，使搅拌站调灰有一定的参考。
2试验
2.1实验原料
2.1.1砂子分析
1.依据《建筑用砂》（GB/T14684）对砂子进行含泥量和颗粒级配的测定。
2.实验结果
砂子的含泥量如2-1表所示
表2-1砂子含泥量
名称
中砂
实验前质量/g
200
200
实验后质量/g
194.0
194.2
含泥量/%
2.9
3.0
平均值/%
3.0
砂子的颗粒级配如表2-2所示
表2-2砂子的颗粒级配
第一次筛分
筛孔直径
mm
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0
分记筛余
kg
0.091
0.660
0.702
4.250
1.541
0.500
0.410
累计筛余
kg
0.091
0.751
1.453
5.703
7.244
7.744
8.154
百分含量
%
1.12
9.21
17.82
69.94
88.84
94.97
100
细度模数
2.8
第二次筛分
筛孔直径
mm
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0
分记筛余
kg
0.099
0.660
0.700
4.248
1.540
0.498
0.409
累计筛余
kg
0.099
0.751
1.453
5.703
7.244
7.744
8.154
百分含量
%
1.13
9.21
17.80
69.92
88.83
94.96
100
细度模数
2.8
细度模数平均值
2.8
2.1.2石子分析
1.依据《建筑用碎石卵石》（GB/T14685）对石子进行坚固性和颗粒级配的测定。
2.实验结果
石子的颗粒级配如表2-3
表2-3石子的颗粒级配
筛孔直径/mm
2.36
4.75
9.50
16.0
19.0
分记筛余/kg
0.010
1.720
8.179
3.302
2.229
累计筛余/kg
15.44
15.43
13.71
5.531
2.229
百分含量/%
0.06
11.1
52.97
21.4
14.4
石子的坚固性数据记录如表2-4
表2-4石子的坚固性
筛孔直径/mm
9.50
16.0
19.0
压前质量/kg
2.545
2.512
2.262
压后质量/kg
2.320
2.348
2.107
各级质量损失/%
8.8
6.5
6.9
试样总质量损失/%
7.9
2.1.3矿渣粉分析
一、矿渣的活性指数
1）实验仪器
电子天平型号LT5KA
行星式水泥胶砂搅拌机型号JJ-5
水泥胶砂成型振实台型号JT-96（ISO）4-R9
恒应力加荷压力试验机型号HY-200
2）实验样品
对比水泥
符合GB175规定的强度等级为42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
实验样品
由对比水泥和矿渣粉按比例1:
1组成。
3）实验方法及计算
①砂浆配比
对比砂浆和实验砂浆配比如表2-5所示。
表2-5矿粉活性指数配比
胶砂种类
对比水泥/g
矿渣粉/g
标准砂/g
水/mL
对比砂浆
450
—
1350
225
实验砂浆
225
225
1350
225
②砂浆搅拌程序
按GB/T17671进行。
③矿渣粉活性指数实验及计算
矿渣粉7d活性指数按式（A.1）计算，计算结果保留至整数：
式中：
A7—矿渣粉7d活性指数，%；
R07—对比胶砂7d抗压强度，单位为兆帕（MPa）；
R7—实验胶砂7d抗压强度，单位为兆帕（MPa）。
矿渣粉28d活性指数按式（A.2）式计算，计算结果保留至整数：
式中：
A28—矿渣粉28d活性指数，%；
R028—对比胶砂28d抗压强度，单位为兆帕（MPa）；
R28—实验胶砂28d抗压强度，单位为兆帕（MPa）。
④数据记录与处理
水泥强度实验数据如表2-6所示：
表2-6矿渣粉活性指数实验
对比砂浆
7天抗压强度/MPa
34.9
34.7
35.8
35.9
39.1
34.5
平均值/MPa
35.8
28天抗压强度/MPa
54.1
49.8
48.0
50.1
50.2
48.1
平均值/MPa
50.1
实验砂浆
7天抗压强度/MPa
30.5
30.0
31.1
32.1
31.5
31.0
平均值/MPa
31
28天抗压强度/MPa
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