矿渣微粉土在商品混凝土中应用技术简1资料

矿渣微粉土在商品混凝土中应用技术简介、八前言砼（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 6070%。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、H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，甚至于连皿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：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； 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）：细灰：（飞灰粒度在3100卩m:小于10卩m的颗粒约占 20%40%,大于40卩m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/T 1596-2005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：矿渣的化学成分主要是 SQ2、AI2O3、CaO、MgO等, 这四种成分约占96%，还有少量的MnO、Fe2O3、TQ2、硫以及碱（QO+NazO）等。 矿渣以及普通水泥的化学成分见下表：SiO2AI2O3CaOMgOFe2O3MnOSO3Na2OK20矿渣 粉煤灰26-427-2038-464-130.2-11-21-20. 200.3134-6016.5-350.8-10.40.7-1.91.5-19.70.0-1.10.2-1.10.6-2.9普通水泥21.65.163.71.703.0-2.0- 矿渣根据冷却方法不同，性能也不同。在炼铁炉中矿渣处于1500C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C） 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。 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。CaO+MgO+ Al 2O3R=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Rv 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：SiO2+Fe2O3+AI 2O3粉煤灰的酸性模量 二CaO + MgO - 0.75SiO2当酸性模量v 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/T180462000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/T 18736-2002标准代码GB/T 18046-2000试验项曰磨细矿渣项目级别IIIIIIS105S95S75MgO/%w14化学性能SO/%w4SO/%不大于4.0烧失量/%w3烧失量/%不大于3.0Cl-/%w0.02Cl-/%不大于0.022比表面积/m /kg7505503502比表面积/m /kg不小于350物理性能含水率/%w1.0含水量/%不大于1.0密度/g/cm不小于2.8需水量比/%w100流动度比/%不小于859095胶砂性能活性指数3d/%8570553d/%不小于7d/%1008575活性指数7d/%不小于95755528d/%11510510028d/%不小于1059575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A“03 等。能与水泥水化生成多余的薄弱的晶体 Ca(OH)2,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(0H)2+ SQ2+AL2O3+ CaO +H2O+O2 CaCQ 1+C-S-H+C-A-H ;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；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；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1C,每公斤水泥放出50KJ的热量，通常水泥 水化热在13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；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810%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50Mpa60MPa。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400*他左右， C60以上可选用S105,C100可选用S115,比表面积5OOm2/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 20C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65/ gJ里水用位单6055504511653/1 160 K 155 量150 水145 位140 单13511110350450500600矿粉细度（m2/Kg）图1矿粉细度与单位用水量的关系0305070矿粉置换率（）图2矿粉取代率与单位用水量及气温的关系350450500600矿粉细度(m2/kg)OOOOOOOOO 007 654321 )PJ强压抗图3矿粉细度与抗压强度关系350450500600矿粉细度(m2/kg)OOOOOOOOO 87654321)p_度强压抗图3矿粉细度与抗压强度关系8用于高性能砼中，W/B 0.4,W 95 80 7028d 115 105 95流动度比% 90 95 95密度（g/m3） 2.8 2.8 2.8比表面积（m?/kg） 580 480 380MgO(%)v 13.0SO3(%)V 4.0烧失量（%）v 3.0氯离子（%）v 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423矿渣粉掺量（%）矿渣粉规格S115S105S95上部结构砼w 50w 50w 50大体积砼一30705070地下、水下砼30703070w 50隧道砼30703070w 50抑制碱骨料反应407040604050道路、桥梁砼w 50w 50w 50素砼w 70w 70w 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w60%表424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/m ）3水泥用量（kg/m ）水胶比上部结构 300 200V 0.55大体积 270 110V 0.60地下、水下 300 150V 0.55隧道 300 180V 0.55抑制碱骨料反应 300 150V 0.55素砼 250 100V 0.70道路、桥梁、海水工程 300 200V 0.50有冻容、潮湿环境的中结构 300 200V 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/m3425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425选择采用。表425矿渣粉胶凝效率（k）掺量（%）S115S105S95 301.151.051.0031501.151.050.9551701.101.000.90426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、山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1 C80高强高抛自密实砼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/kg500 m2/kg，掺量为总胶凝材料的2530%;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 7570%。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220270mm扩展度在600700mm,粘滞度用倒流动度测定在 615秒；对不同 的砂石粒径和细度模数一共试配了上百组。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1400,内径800 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共16页，第10页从高位抛落下来。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 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PH 52.5R, 水泥刚进厂温度高达100C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、弓I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SL0mm28d15UNF-5AST3.2%华润 PII52.5R4301352518.88240650102.0420.23C80高抛混凝土试验汇总表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1KJ-B（氨）4.0华润 P H 52.5R40017523.00230/6201360.280.294.4泌浆气泡多2KJ-B（氨）3.540017520.13240/6301165.183.8103.43KJ-B（氨）3.5粤秀 P.H 42.5R40017520.13240/630858.878.095.74西卡（羧）2.5华润 P H 52.5R40017514.38240/6706.572.986.9106.7泌浆气泡多浮黑灰5西卡（羧）2.540017514.38230/6101273.888.7103.36西卡（羧）3.540017520.13230/6501474.785.6104.47西卡（羧）3.540017520.06220/6508.3568.484.793.6轻微泌浆8西卡（羧）3.540017520.06250/67010.271.887.1104.4含气量大9西卡（羧）3.5粤秀 P.n 42.5R40017520.13225/60014.272.288.7106.410上海（羧）2.540017514.38240/710968.281.8103.3其中0.5%A后掺11上海（羧）2.540017514.38240/6702265.983.6101.3板结12上海羧2-12.6华润 P n 52.5R40017514.90230/5001666.589.698.8堆场取样气泡多13上海羧2-22.440017513.75240/57010.567.588.0102.5化龙取样气泡少些14上海羧2-32.240017512.61240/6701060.386.998.2化龙取样气泡最多15上海羧2-32.240017512.61235/6101474.394.9107.1堆场取样16天津（氨）5.0粤秀 P.n 42.5R40017528.65250/60010.566.279.193.8其中1.0%A后掺17天津（氨）540017528.65230/57012.562.276.0101.7其中0.5%A后掺18天津（高浓）4.040017522.92245/6705.770.785.6101.0其中0.5%A后掺194.040017522.92240/6408.571.682.9101.1其中0.5%A后掺203.6华润 P n 52.5R40017520.63235/6808.671.882.4101.7213.642515020.70245/6509.173.180.7105.2223.740017022.02230/54025.070.084.2100.7233.740017022.02210/46015.573.386.9107.3243.840017521.77245/6101363.886.2103.9化龙取样好253.840017521.77220/4701063.783.8101.2堆场取样差2隧道局沉管专项砼;技术要求：C35P10,底板厚1.35m,顶板厚1.10m,壁板厚0.9m.属大体积砼，要求 入模温度为28C ;容重为2360+10或20Kg;做到三不（不渗、不裂、不）。10月1日生 产了 603m3, 10月31日生产了 750m3采用加冰和冰水满足客户的要求。生产配方如下表，矿物掺合料最大掺量达56%编号外加剂 掺量%每方混凝土材料用量水胶比砂率（%）水水泥粉煤灰膨胀剂ZY矿粉Dura砂石外加剂12.016024025351200.972410418.40.3841%22.0160255450120072410417.560.3841%3用于立窑水泥试验矿物掺合料最大掺量约50%,主要目的是改善和易性和坍落度损失。强度和成本接近和超过空白砼立窑水泥P.O32.5R与矿物掺合料的试验小结强度等级水泥品种矿物掺合料凝结时间坍落度标养强度(MPa)胶凝材料成本说明Sg%FA%用量用量初凝终凝扩展度3d7d28d元/m3P.O32.5RT级灰7:3011:0018035.242.657.3119.2生产配方01938090400P.O32.5R矿粉II级灰11:0014:0020033.348.255.9118.62S95/430 目3811C3523417650515P.O32.5R矿粉II级灰10:3013:3020035.348.257119.94S95/430 目291127813250450P.O32.5R矿粉II级灰7:4010:3020036.346.860.7121.26S95/430 目19113228850370P.O32.5R矿粉II级灰10:5014:1020031.545.753.3118.62S95/430 目381123417650500P.O32.5RT级灰8:3011:4519533.140.756.6117.76T级粉煤灰034308158380P.O32.5RT级灰7:1010:151953444.457119.46T级粉煤灰029330132410P.O32.5RT级灰7:4010:1020035.341.854.9121.16T级粉煤灰023352106430:P4 不同养护条件掺矿粉砼的试验-260元/T； T级灰180元仃；TT级灰 ：100元290 元仃；S95标养室外水池o o o o O0 0 0 0 05 4 3 2 1応ds鰹舉HOOCJ11(91 菖)肚6曰-w4曰共16页,第15页七、结束语综合矿物掺合料的优越性，结合市场 FA 的紧缺和质差。对 C20C50 砼，矿粉掺 量可取代水泥 2050%，可大大降低砼成本。这对老板们来说，谁先用得早、用得好、 用得多，谁就受益早、得益无穷。作为技术负责人来说，应考虑储备双掺或三掺系列 砼的配合比。