矿渣粉配制耐久性混凝土试验研究.pdf

第 3 7卷第 6期 2 0 1 1 年 1 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 9 9 矿渣粉配制耐久性混凝土试验研究 王丽玫 ， 梁隽 ( 1 廊坊师范学院建筑工程学院， 河北 廊坊0 6 5 0 0 0 ； 2 廊坊市交通局公路工程质量监督处， 河北 廊坊0 6 5 0 0 0 ) 摘要： 矿渣粉作为综合性能最为优良的人造矿物原料， 为确定其作为活性掺合料在耐久性混凝土中的作用， 通过选择不同 掺量进行试验， 测定混凝土的和易性、 泌水、 坍落度损失及 7 d和2 8 d强度， 并对实验效果比较好的掺量进行抗冻融试验和抗 渗试验， 证明合理应用矿渣粉不仅可以改善混凝土的和易性、 提高混凝土的抗渗性及抗冻性 ， 同时可以提高混凝土的抗裂和 耐腐蚀性能。 关键词： 矿渣粉； 耐久性混凝土； 掺量； 抗冻融 ； 抗渗性能 中图分类号： T U 5 2 8 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 61 9 9 0 3 S l a g p o wd e r i n d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e a p p l i c a t i o n WAN G L i me i L I ANG J u n ( 1 I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r e C i v i l E n g i n e e r i n g ， L a n g f a n g T e a c h e r s C o l l e g e ， L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0， C h i n a ； 2 H i g h w a y E n gi n e e r i n g Q u a l i t y Mo n i t o ri n g D e p a r t m e n t o f L a n g f a n g C i t y T r a f fi c B u r e a u ， L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： S l a g p o w d e r a s t h e mo s t c o mp r e h e n s i v e p e r f o r ma n c e o f s y n t h e t i c ma t e r i als ， g o o d f o r t h e mi n e r al a d mi x t u r e a c t i v i t y a s t h e r o l e i n t h e d u r a b i h t y o f c o n c r e t e w i t h d i ff e r e n t c o n t e n t d e t e r mi n a t i o n o f e x p e ri me n t s ， t h e c o n c r e t e w o r k a b i l i t y ， l a c t a t i o n， s l u mp a n d w a t e r l o s s a n d 7 a n d 2 8 d a y s ， a n d t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s t r e n g t h a r e r e l a t i v e l y g o o d d o s a g e f r e e z i n g t h a w i n g r e s i s t i n g t e s t i n g a n d p e rm e a b i l i t y t e s t p r o v e d r a t i o n al a p p l i c a t i o n o f s l a g p o w d e r ， n o t o n l y c a n i mp r o v e t h e c o n c r e t e w o r k a b i l i t y ， i mp r o v e t h e an t i - p e rm e a b i l i t y a n d c o n c r e t e ， w h i l e i mp r o v i n g fro s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e c r a c k a n d c o r r o s i o n r e s i s t a n c e Ke y wo r d s ： s l ag p o wd e r ； d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e ； d o s a g e； f r e e z e t h a w r e s i s t a n c e ； i mp e rm e ab i l i t y 0 引 言 提高混凝土耐久性的技术途径之一。 目前， 耐久性混凝土在许多重要工程如高层建 筑 、 大跨度桥梁、 海上建筑 、 漂浮结构等中， 越来越显 示出其独特的优越性 。若耐久性不足 ， 将会产生极 严重 的后果。因此 ， 研究开发及应用耐久性混凝土 ， 对提升混凝土结构的整体水平具有十分重要的现实 意义 。 混凝土的耐久性包括抗渗 性 、 抗冻性 、 抗侵蚀 性 、 抗碳化及碱一骨料反应 。要提高混凝土的耐久 性 ， 必须降低混凝 土的孔隙率 ， 特别是毛细管孔 隙 率。 目前 ， 减少孔隙率的途径除掺人高效减水剂外 ， 掺入高效活性矿物掺料一矿渣粉 ， 也是减少孔隙率、 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 7 1 2 作者简介 ： 王丽玫( 1 9 7 1 一) ， 女 ， 河北廊坊人 ， 副院长 ， 副教授 ， 硕士 ， 研究方 向为结构工程。 基金项 目： 廊坊市科技局 2 0 0 8年科技支撑项 目( 2 0 0 8 0 5 5 1 0 1 ) E m a l l ： h b w a n g l i me i 1 6 3 c o n 1 矿渣粉的成分及作用 矿渣粉是水淬粒化高炉矿渣经粉磨后达到规定 细度的一种粉体材料。矿渣含有较多的 C a O( 3 5 4 5 ) ， 经水淬后的粒化高炉矿渣大部分为非晶 体 ， 具有玻璃质结构。这种玻璃体蕴藏有很高的结 晶性能量， 具有很好 的活性 J 。当矿渣粉以矿物掺 合料的形式配制混凝土时， 不仅可以大 比例地替代 硅酸盐水泥 ， 而且所配制的混凝土的力学性能优 良、 坍落度损失小、 水化热低、 耐腐蚀性能优 良 J 。可 以说 ， 矿渣粉是 目前综合性能最为优 良的人造矿物 原料。 矿渣粉 自身的需水量较少， 等量或超量替代水 泥后和粒度较粗的硅酸盐水泥配合， 可使混凝土胶 结材料的整体粒度分布得到优化， 有利于混凝土强 度的提高 ， 并且有利于提高混凝土的抗侵蚀性能 和耐久性能， 在工作性能方面， 有利于新拌混凝土的 流动性与稳定性的提高。其具体表现如下。 2 0 0 四川建筑科学研究 第 3 7卷 1 1 减小水化热， 减少裂缝 混凝土在硬化过程中， 水泥水化反应产生大量 水化热。热量聚集在内部不易散发 ， 而表面散热较 快 ， 混凝土内表温差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。这种温度裂缝往往是贯 穿性的有害裂缝 ， 对混凝土的耐久性十分不利。 通过试验发现， 随着矿渣粉细度的提高， 其二次 水化反应加速， 水化热显著降低。因此， 大掺量矿渣 粉混凝土可以减少水化热、 降低峰温、 延迟峰温出现 的时间， 有利于减少或避免温差裂缝的出现 。 1 2 提高混凝土抗渗性能 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， 使微结构更为 密实 ， 进而大幅度提高混凝土的抗渗性能。 1 3 改善混凝土的抗冻融性能 单掺矿渣粉矿粉对混凝土的抗冻融性能有一定 的改善作用。矿渣粉的微集料效应和二次水化作用 可以优化孔结构 、 提高密实度 ， 从而对混凝土抗冻融 能力带来一定 的改善 。但要提高掺矿渣粉混凝 土抗冻融性 ， 还必须掺加引气剂 ， 控制矿渣粉混凝土 含气量达到 3 4 ， 混凝 土抗冻融循环次数可达 2 5 0次以上 。 2 矿渣粉在耐久性混凝土中的掺量 试 验 为确定矿渣粉作为活性掺合料在耐久性混凝土 中的作用 ， 选择不同掺量进行试验 ， 测定混凝土的和 易性 、 泌水 、 坍落度损失及 7 d和 2 8 d强度 ， 并对试 验效果比较好的掺量进行抗冻融试验和抗渗试验。 2 1 试验用原材料及其物理性能 水泥 ： 水泥采用唐山冀东水泥有 限公司生产的 P 0 4 2 5 R水泥 ， 水泥细度 0 4 ， 凝结时间及安定 性符合要求( 表 1 ) 。 表6 试验设计参数 Ta b l e 6 Ex p e r i me n t a l d e s i g n p a r a me t e r s 表 1 水泥 品质试验结果 T a b l e 1 Q u a l i t y o f t e s t r e s u l t s o f c e me n t 粗集料： 粗集料采用易县产 1 0 2 O mm及 5 1 0 m m 碎 石 ，比 例 为 1 02 0 ra m 7 0 5 1 0 m m3 0 ， 合成级配符合 桥涵施工规范 52 0 m m 级配要求( 表 2 ) 。 表 2 粗集料 品质试验结果 T a b l e 2 Co a r s e a g g r e g a t e q u a l i t y t est r e s u l t s 竺 竺 l O一2 0 mm 5 9 0 2 2 7 8 8 1 6 2l _ l7 2 = Q 里坠 ： 7 2 5 1 6 0 1 7 0 3 8 ， 0 1 2 细集料： 细集料采用易县产中砂( 表 3 ) 。 表 3 细集料 品质试验结果 Ta b l e 3 F i n e a g g r e g a t e q u a l i t y t e s t r e s ults 减水剂 ： 减水剂采用 B Z K一4高效缓凝减水剂 ( 粉剂) 。检验结果合格( 表4 ) 。 表 4 减水剂检验结果 Ta bl e 4 W a t e r r e du c e r t e s t r esult s 含气量 钢筋 锈蚀 无 矿渣粉 ： 矿渣粉采用唐山生产的精制矿渣粉 ， 检 验结果合格( 表5 ) 。 表5 矿渣粉检验结果 T a b l e 5 S l a g t e s t r e s ults 三氧化 活性指数 硫含量 7 d 2 8 d 0 O 8 8 4 9 7 2 2 试验配合比设计参数及结果 配合 比选用 C 4 0混凝土， 水 胶 比为 0 3 5 ， 砂率 4 0 ， 减水剂用量 1 ， 设计坍落度 9 01 3 0 mm， 按 照不同的矿渣粉掺量进行试验。试验设计参数见表 6 ， 试验结果见表 7 。 试验编号水胶此 减 掺量矿 掺量 水泥 砂 碎石 水 减水剂 矿渣粉 O1 0 3 5 4 0 1 0 0 4 7 7 7 2 2 1 08 4 l 6 7 4 7 7 0 0 2 0 3 5 4 0 1 O 2 5 3 5 8 7 2 2 1 08 4 1 6 7 4 7 7 1 l 9 O3 0 3 5 4 0 1 O 3 0 3 3 4 7 22 1 0 8 4 1 6 7 4 7 7 1 4 3 0 4 0 3 5 4 0 1 0 3 5 31 0 7 2 2 1 08 4 1 6 7 4 7 7 1 6 7 O5 O 3 5 4 0 1 0 4 0 28 6 7 2 2 1 0 8 4 1 6 7 4 7 7 1 91 06 0 3 5 4 0 1 0 4 5 2 6 2 7 2 2 1 0 8 4 I 6 7 4 7 7 21 5 翮 J蓥 度 l 。 密 王丽玫， 等： 矿渣粉配制耐久性混凝土试验研究 2 Ol 表 7 试验 结果 Tabl e 7 Te s t r e s I I l ts 燃 c m 度 妆聚 陛 编号 I h 坍落度 皇 竺 堡 垦 损失 7 d 2 8 d 5 0 4 0 2 5 2 5 3 2 4 3 0 5 4 5 3 5 4 3 7 5 5 8 3 0 4 3 0 5 4 1 3 O 4 2 2 5 4 8 2 8 4 1 6 5 4 0 表8 抗冻融试验、 抗渗试验结果 T a b l e 8 An t i f r e e z e t h a w t e s t 。 p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s 由表 7试验结果 中可以看出， 掺加矿渣粉提高 了混凝土的和易性和抗压强度， 但 随着矿渣粉替代 水泥的用量增加， 和易性有所降低， 抗压强度也有所 降低。试验编号 O 2 ， 0 3 ， 0 4对应矿渣粉 2 5 ， 3 0 ， 3 5 的掺量下， 和易性和抗压强度的各项指标都比 较好， 决定选取这 3 个掺量引入抗冻融和抗渗指标， 进一步观察试验效果。抗冻融试验、 抗渗试验结果 见表 8 。 试验 编号 5 O次 1 0 0次 1 5 0次 2 0 0次 2 5 0次 3 0 0次 含气量 相对 而 寸 久性 福 动 耐 硅 相对动 丽久性 相对动 耐久性 相对动 耐欠匿 相对动 l久硅 弹性模 指数 弹性模 指数 弹性模 指数 弹性模 指数 弹性模 指数 弹性模 指数 量 量 量 量 量 量 3 0 0次 质量损 失率 4 5 5 0 4 8 抗冻融抗渗 等级 等级 0 2 4 5 9 4 6 1 5 8 9 2 O 3 0 7 8 6 6 4 3 3 8 2 7 5 5 I 7 7 I 6 4 2 5 8 2 5 8 2 0 3 4 6 9 5 7 1 6 0 9 2 2 3 0 7 8 8 0 4 4 0 8 6 0 5 7 3 7 9 6 6 6 3 5 8 9 5 8 9 0 4 4 7 9 4 2 1 5 7 9 o 3 3 0 1 8 6 2 4 3 1 8 3 0 5 5 3 7 6 3 6 3 6 5 8 5 5 8 5 D2 5 0 S 6 D2 5 0 S 8 D2 5 O S 8 通过综合比较， 试验编号 o 4也就是矿渣粉掺量 为3 5 ， 耐久性指数较高、 质量损失率较低、 抗渗等 级比较高， 应是比较合理的掺量。 3 试验结果分析 3 1 矿渣粉改善了混凝土的和易性 掺入矿渣粉能改善混凝土的和易性与工作性， 而当掺入较高量矿渣粉时， 混凝土离散性较大， 保水 性差， 和易性下降。所以， 合适的矿渣粉掺量能够使 混凝土更加密实 、 和易性得到改善 ； 当矿渣粉掺量较 大时， 矿粉颗粒比水泥较大， 从而使得取代后的混凝 土的密实性、 和易性等反不如取代前。 3 2 矿渣粉对混凝土有增强作用 矿渣等量取代水泥后， 其强度比仅使用水泥的 混凝土强度增长更大； 如果等量取代水泥量较大时， 其 7 d 强度偏低， 但2 8 d 强度变化不大， 如要解决早 期强度偏低的问题 ， 可以适当降低水胶 比、 适当增加 砂率和 t, J J n 剂用量， 以达到 目的。 3 3增加混凝土的抗冻融性和抗渗性 从试验结果可以看 出， 随着矿渣粉掺量的增加， 混凝土抗渗能力加大， 对混凝土的抗冻融性能也有 一 定的改善作用。但要提高掺矿渣粉混凝土抗冻融 性 ， 关键是必须掺加引气剂 ， 适当的含气量和间距系 数对混凝土的抗冻融十分必要。 4 结 论 矿渣粉的大量应用改变了以往仅以粉煤灰为主 要掺合料的局面， 对耐久性混凝土来说， 矿渣粉的应 用可以起到以下几点作用： 1 ) 改善混凝土拌合物 的和易性 ， 随着矿渣粉掺 量的增加， 粘聚性良好， 坍落度损失比较小。 2 ) 在一定掺量范围内， 能提高混凝土 7 d和2 8 d强度， 减小水泥用量， 降低水化热。 3 ) 提高混凝土的抗渗性及抗冻融性， 从而提高 混凝土的耐腐蚀性和耐久性， 延长混凝土结构的使 用寿命 。 同时掺加矿渣粉降低混凝土成本， 节约能源， 改 善环境。因此， 我们应在加大研究力度和推广应用 的同时， 不断总结， 使矿渣粉应用得到进一步提高。 参 考 文 献： 1 蒋亚清 混凝土外加剂应用基础 M j E 京 ： 化学工业出版社， 2 0 0 4 2 李志刚， 李家和。 张洪贵 粉煤灰与矿渣复合掺合料对混凝土 强度影响 J 低温建筑技术。 2 0 0 9 ( 4 ) 3 Y r G E 3 0 2 0 0 5公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 S 北 京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 5 4 于春江， 古景涛， 李广森 磨细矿渣粉在水运工程混凝土中的 应用 J 中国海湾建设， 2 0 0 8 ( 4 ) 5 乔艳静， 费治华， 田倩， 等 矿渣、 粉煤灰掺量对混凝土收缩、 开裂性能的研究 J 长江科学院院报， 2 0 0 8 ( 4 ) 6 弗朗索瓦 德拉拉尔( 法) 混凝土混合料的配合 M 北京： 化学工业出版社。 2 0 0 4 0 3 0 7 1 9 2 3 4 4 5 5 好 好 好 好 好 好 良 良 良 良 良 良 3 m 叭 乏 ； 嘶