汪 晗 ，劉望生 ，張英英，畢 愿 ，高金鋒 ，薛 俊*，2，曹 宏 ，2

1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；

2.國(guó)家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074

我國(guó)露天儲(chǔ)存的冶煉廢渣沒(méi)有得到充分利用，其堆存占用了大量土地，且污染環(huán)境，嚴(yán)重影響人類健康和生態(tài)環(huán)境［1-6］。其中礦渣是選礦和冶煉過(guò)程中的副產(chǎn)物，具有很高的火山灰活性，可以與氫氧化鈣反應(yīng)從而成為膠凝材料的一部分，有利于混凝土早期強(qiáng)度的形成；另外，礦渣還能部分取代水泥配制高性能混凝土，既減少了對(duì)自然環(huán)境的污染，也降低了生產(chǎn)混凝土的消耗和成本［7-15］。礦渣活性礦物摻和料在混凝土實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用有廣闊的發(fā)展前景。目前，關(guān)于礦渣對(duì)水泥膠砂性能影響的報(bào)道有很多，但關(guān)于礦渣在實(shí)際生產(chǎn)中的選用研究，包括摻量、比表面積、使用條件等卻鮮有報(bào)道，因此本文測(cè)定了礦渣的化學(xué)成分和物理性能，并將機(jī)械球磨得到的S95級(jí)和S105級(jí)礦渣分別部分取代水泥配制水泥膠砂，對(duì)摻礦渣后得到的水泥試件活性指數(shù)、凝結(jié)時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和流動(dòng)度等性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比分析了S95級(jí)和S105級(jí)礦渣作為活性摻和料制備水泥膠砂的研究，不但可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢渣的合理利用，開發(fā)高性能混凝土的技術(shù)途徑，而且為實(shí)際施工中選用的摻雜的礦渣種類以及摻雜的具體配比提供了較為有意義的指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

水泥選用華新P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，礦渣采用武漢武新建材工業(yè)礦渣，其中將礦渣機(jī)械球磨并篩分選出S95級(jí)（比表面積463.3 m2/kg）和S105級(jí)（比表面積568.8 m2/kg）礦渣，砂采用市購(gòu)石英砂，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選取過(guò)篩后顆粒粒度在250 μm～830 μm之間的石英砂。礦渣化學(xué)成分分析如表1所示，水泥、S95級(jí)和S105級(jí)礦渣的物理性能見(jiàn)表2。

表1 礦渣粉的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of slag powder （%）

表2 水泥、S95級(jí)和S105級(jí)礦渣粉的物理性能Tab.2 Physical properties of cement，S95 and S105 slag powder

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

膠砂的質(zhì)量配合比為1份水泥、3份標(biāo)準(zhǔn)砂和0.5份水，m（膠）∶m（砂）=1∶3，m（水）∶m（膠）=0.5∶1，在對(duì)照組中，膠即為水泥，在S95級(jí)和S105級(jí)礦渣組中，膠為水泥和礦渣的混合物。一鍋水泥膠砂制成尺寸規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm的3條棱柱試體，每鍋實(shí)驗(yàn)材料的配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

按照GB/T 17671－1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行水泥膠砂活性指數(shù)的測(cè)定，按GB/T 50080－2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)水泥膠砂的凝結(jié)時(shí)間，按照GB/T 1346－2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》測(cè)試水泥膠砂的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，依據(jù)GB/T 2419－2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)試方法》測(cè)定水泥膠砂的流動(dòng)度。

表3 實(shí)驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)Tab.3 Design of experimental mixture proportion

2 結(jié)果與討論

2.1 礦渣的摻入對(duì)活性指數(shù)的影響

抗折強(qiáng)度以1組6個(gè)棱柱體上得到的6個(gè)抗折結(jié)果的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，抗折測(cè)定值中有1個(gè)超出平均值的±10%，就應(yīng)剔除這個(gè)結(jié)果，以剩下的5個(gè)抗折測(cè)定值的平均值為結(jié)果；如果剩下測(cè)定值中還有超過(guò)其平均值的±10%的，該組結(jié)果作廢，需重新做此組實(shí)驗(yàn)。抗壓強(qiáng)度的測(cè)試、選取結(jié)果與抗折的原理一致，其中抗壓強(qiáng)度選取的是1組6個(gè)棱柱體上得到的12個(gè)抗壓結(jié)果，最多有2個(gè)抗壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能出現(xiàn)誤差或差錯(cuò)，否則結(jié)果作廢。另外，所有試體的抗折、抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值都記錄至0.1 MPa。摻S95級(jí)和S105級(jí)礦渣后水泥膠砂試體7 d和28 d的抗折、抗壓強(qiáng)度以及活性指數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 摻礦渣粉水泥膠砂強(qiáng)度及活性指數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of strength and activity index of cement mortar adding slag powder

由表4可知，摻礦渣后水泥膠砂的28 d抗折強(qiáng)度較7 d有一定的增大，28 d抗壓強(qiáng)度較7 d均有顯著增大，這是由于當(dāng)養(yǎng)護(hù)的齡期從7 d持續(xù)到28 d時(shí)，會(huì)有越來(lái)越多的水泥水化產(chǎn)物生成，而且水泥水化還會(huì)形成越來(lái)越多的Ca（OH）2，它們會(huì)和礦渣中SiO2、Al2O3和Fe2O3發(fā)生二次水化反應(yīng)，形成越來(lái)越多的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和鐵鋁酸鈣［5］。另外，S95級(jí)礦渣組水泥膠砂試體7 d和28 d的活性指數(shù)均小于S105級(jí)礦渣組，這是因?yàn)镾105級(jí)礦渣比表面積更大，其相對(duì)活性更高，水化反應(yīng)更加完全，顆粒彼此間的連接得到加強(qiáng)，提高了水化產(chǎn)物的強(qiáng)度，但摻S95級(jí)和S105級(jí)礦渣后水泥膠砂試體活性指數(shù)均可達(dá)標(biāo)。

2.2 礦渣的摻入對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

水泥膠砂試體的凝結(jié)時(shí)間采用貫入阻力法來(lái)測(cè)定，分別對(duì)3組水泥膠砂試體的凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，如圖1所示。

圖1 摻礦渣粉水泥膠砂凝結(jié)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Results of setting time of cement mortar with slag powder added

由圖1看出，對(duì)照組水泥膠砂、S95級(jí)和S105級(jí)礦渣組水泥膠砂的初凝時(shí)間各為166 min、268 min和222 min，說(shuō)明S95級(jí)和S105級(jí)礦渣的摻入都較明顯地延長(zhǎng)了水泥膠砂的初凝時(shí)間。這是因?yàn)榈V渣在水化初期以填充加添作用為主，S95級(jí)和S105級(jí)礦渣的活性未被完全激發(fā)出來(lái)；當(dāng)S95級(jí)和S105級(jí)礦渣部分取代水泥時(shí)，降低了水泥在水泥膠砂中的含量，而礦渣的水化速度比水泥的慢，因此摻入礦渣后水泥膠砂凝結(jié)時(shí)間比對(duì)照組的更長(zhǎng)［5］。S95級(jí)礦渣組較S105級(jí)礦渣組凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)了，這是因?yàn)镾105級(jí)礦渣的顆粒更細(xì)、比表面積更大，相比S95級(jí)礦渣其反應(yīng)的接觸表面積也更大、火山灰反應(yīng)活性更高，而且反應(yīng)更完全，故S105級(jí)礦渣組凝結(jié)時(shí)間相對(duì)更短。

2.3 礦渣的摻入對(duì)用水量的影響

將水泥與礦渣按照質(zhì)量配比1∶1稱量500 g并放入水中，攪拌混合制成水泥凈漿。表5為摻礦渣后水泥膠砂試體用水量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表5 摻礦渣粉水泥膠砂標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of water consumption for standard consistency of cement mortar with slag powder added

由表5可以看出，水泥膠砂試體用水量從小到大為：對(duì)照組→S95級(jí)礦渣組→S105級(jí)礦渣組，但3組之間的差別很小。這是因?yàn)榧尤氲乃径家栏皆谒嗪偷V渣顆粒的表面，而S105級(jí)礦渣的比表面積較S95級(jí)礦渣的更大，需要更多的水潤(rùn)濕水泥和礦渣的表面，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量會(huì)有一定的增大。但是S95級(jí)和S105級(jí)礦渣部分取代水泥后，水泥膠砂標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量彼此之間的差別很小，對(duì)混凝土的工作性、力學(xué)性和耐久性等性能不會(huì)有較大的副作用。

2.4 礦渣的摻入對(duì)流動(dòng)度的影響

跳桌實(shí)驗(yàn)后，用卡尺測(cè)量膠砂底面互相垂直的2個(gè)方向的直徑，計(jì)算平均值，取整數(shù)，單位為mm，在測(cè)試中采用2個(gè)試模（試模由截錐圓模和模套組成），表6中第1組和第2組分別對(duì)應(yīng)2個(gè)不同的試模，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

從表6可以看出：摻S95級(jí)和S105級(jí)礦渣后水泥膠砂試體流動(dòng)度比都大于95%，其膠砂流動(dòng)度好，均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，添加S95級(jí)和S105級(jí)礦渣組水泥膠砂的流動(dòng)性和穩(wěn)定性也都能得到保證；S95級(jí)礦渣組水泥膠砂試體流動(dòng)度大于S105級(jí)礦渣組，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中礦渣摻量為12.5%，礦渣本身比表面積較大，而S105級(jí)礦渣的摻入使得膠砂吸附水的能力增強(qiáng)，而不再是簡(jiǎn)單的物理密實(shí)填充作用，從而使流動(dòng)度下降，這一結(jié)果與S95級(jí)和S105級(jí)礦渣組水泥膠砂標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響規(guī)律一致。

表6 摻礦渣粉水泥膠砂流動(dòng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of the fluidity of cement mortar adding with slag powder

2.5不同礦渣對(duì)水泥膠砂性能的影響

綜上所述，S95級(jí)礦渣組水泥膠砂的用水量比S105級(jí)礦渣組略低，流動(dòng)度比和凝結(jié)時(shí)間均比S105級(jí)礦渣組大，在實(shí)際生產(chǎn)中可以適當(dāng)摻入S95級(jí)礦渣來(lái)配制具有相對(duì)長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間的混凝土；摻S95級(jí)和S105級(jí)礦渣后水泥膠砂試體活性指數(shù)均可達(dá)標(biāo)。雖然S105級(jí)礦渣組水泥膠砂的7 d、28 d活性指數(shù)分別比S95級(jí)礦渣組高21%、15%，但S95級(jí)礦渣球磨50 min就可以達(dá)到要求的比表面積463.3 m2/kg，而S105級(jí)礦渣球磨80 min以上才能達(dá)到要求的比表面積568.8 m2/kg。一方面球磨會(huì)消耗更多的能耗，另一方面球磨時(shí)間的延長(zhǎng)可能導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)施工效率的降低，因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，如果S95級(jí)礦渣部分取代水泥后，混凝土的強(qiáng)度性能能夠達(dá)到相關(guān)的施工標(biāo)準(zhǔn)，就沒(méi)有必要選擇使用S105級(jí)礦渣。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）添加S95級(jí)和S105級(jí)礦渣均可使摻礦渣水泥膠砂試體的活性指數(shù)達(dá)標(biāo)，但得到S105級(jí)礦渣耗能更多、生產(chǎn)效率更低，故在強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的情況下選擇使用S95級(jí)礦渣部分取代水泥。

2）添加S95級(jí)和S105級(jí)礦渣均可使摻礦渣水泥膠砂的初凝時(shí)間延長(zhǎng)，在實(shí)際生產(chǎn)中可以添加礦渣來(lái)配制具有需要相對(duì)較長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間的混凝土，其中摻S95級(jí)礦渣的水泥膠砂試體的初凝時(shí)間更長(zhǎng)。

3）摻S95級(jí)和S105級(jí)礦渣可使水泥膠砂試體的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增大、流動(dòng)度比達(dá)標(biāo)，但S95級(jí)礦渣組水泥膠砂試體的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量比S105級(jí)礦渣組略低、流動(dòng)度更大。

［1］ 蒲心誠(chéng)，王勇威.高效活性礦物摻料與混凝土的高性能化［J］.混凝土，2002（2）：3-6.

［2］ 李瑤.硅酸鹽水泥-硅灰復(fù)合膠凝材料低溫水化特征研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2016.

［3］ 張海姣，戴思芮，王棟民，等.兩性型聚羧酸減水劑與爐渣水泥相容性的研究［J］.新型建筑材料，2016，43（8）：45-48。

［4］ 薛翠真，申愛(ài)琴，郭寅川，等.建筑垃圾復(fù)合粉體材料對(duì)混凝土抗凍性能的影響［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2016，30（4）：121-125.

［5］ 張健.堿激發(fā)復(fù)合膠凝材料性能研究及應(yīng)用［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2014.

［6］ ZANNIH，CHEYREZY M，MARET V，et al.Investigation of hydration and pozzolanic reaction in reactive powder concrete（RPC） using Si NMR［J］.Cement and Concrete Research，1996，26（1）：93-100.

［7］ AHMAD S. Reinforcement corrosion in concrete structures，its monitoring and service life prediction a review［J］.Cement and Concrete Composites，2003，25（4/5）：459-471.

［8］ 劉寶舉，謝友均.礦渣細(xì)度及摻量對(duì)水泥凈漿及膠砂性能影響［J］. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，2（1）：25-29.

［9］ 劉望生，張英英，郭友歡，等.三種工業(yè)廢渣作為活性礦物摻合料的對(duì)比研究［J］. 混凝土，2015（9）：139-141.

［10］ 張秀芝，孫偉，戎志丹，等.活性礦物摻合料對(duì)超高性能水泥基材料的影響［J］.深圳大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2008，25（4）：338-344.

［11］ 楊惠芬.錳礦渣粉的活性效應(yīng)研究［J］.科技信息（學(xué)術(shù)研究），2008（18）：92-93，95.

［12］ BHANJA S，SNEGUPTA B.Modified water-cement ratio law for silica fume concretes［J］.Cement and Concrete Research，2003，33（3）：447-450.

［13］ 謝友均，劉寶舉，龍廣成，等.水泥復(fù)合膠凝材料體系密實(shí)填充性能研究［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2001，29（6）：512-517.

［14］ 馮勇，肖磊，多來(lái)提白克.吐爾，等.鋼渣混凝土梁與普通混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)對(duì)比研究［J］.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，37（6）：500-503.

［15］ 余保英，徐芬蓮.工業(yè)廢渣用于水泥基材的可行性試驗(yàn)研究［J］.粉煤灰，2013，25（4）：29-33.