張 芳，溫超凱，張 林，王 軍

(1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.廣東生之源數(shù)碼電子股份有限公司，廣東 佛山 528000；3.中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著建筑物高層、大跨度、輕量化，使高性能混凝土的開發(fā)和應(yīng)用得到快速發(fā)展，對混凝土的性能也提出了越來越高的要求.吳中偉院士認為，高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)配制而成.其以耐久性作為設(shè)計的主要指標，同時還要保證工作性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟性[1].在配制混凝土?xí)r，加入一定量礦物摻合料不僅可以節(jié)約水泥，節(jié)約成本，而且由于摻合料的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，對改善混凝土的工作性能，改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和提高混凝土的力學(xué)性能有著顯著的作用[2-6].通常使用的摻合料多為活性礦物摻合料，由于它能夠改善混凝土拌合物的和易性，或能夠提高混凝土硬化后的密實性、抗?jié)B性和強度等，因此目前較多的土木工程中都或多或少地應(yīng)用活性礦物摻合料[7].特別是隨著預(yù)拌混凝土、泵送混凝土技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，以及環(huán)境保護的要求，在混凝土中使用礦物摻合料將愈加廣泛.如粒化高爐礦渣、火山灰質(zhì)材料、粉煤灰和硅灰等.

本文研究最常用的礦物摻合料—礦粉對水泥凈漿稠度、凝結(jié)時間、流動度和力學(xué)性能的影響.礦粉選用超細礦粉和普通礦粉，對比研究超細礦粉和普通礦粉對水泥凈漿及混凝土性能的影響.

1 實驗

1.1 原料

水泥：水泥為華新水泥廠產(chǎn)P.O42.5普通硅酸鹽水泥，密度3.14 g/cm3，勃氏比表面積3 320 cm2/g，化學(xué)成分見表1，主要技術(shù)指標見表2.

表1 42.5普通硅酸鹽水泥的化學(xué)成分

表2 42.5硅酸鹽水泥的性能

礦粉：中建商品混凝土公司生產(chǎn)S95級礦粉，其燒失量0.71%，Cl-質(zhì)量分數(shù)0.032%，SO3質(zhì)量分數(shù)0.18%，流動度比101%，密度2.8 g/cm3，7 d活性指數(shù)71，28 d活性指數(shù)96，勃氏比表面積4 600 cm2/g.

超細礦粉：天津市漁陽超細礦粉加工有限公司，其燒失量0.81%，Cl-質(zhì)量分數(shù)0.003%，密度2.9 g/cm3，勃氏比表面積9 200 cm2/g，細度范圍0.13～14.01 μm.

表3 粒度特征參數(shù)

砂：細度模數(shù)2.58，含泥質(zhì)量分數(shù)1.0%，泥塊質(zhì)量分數(shù)0%，表觀密度2 700 kg/m3.

石：顆粒粒級5～25 mm，含泥質(zhì)量分數(shù)1.0%，泥塊質(zhì)量分數(shù)0.1%，壓碎指標4.1%.

減水劑：中建商品混凝土有限公司生產(chǎn)聚羧酸減水劑.

1.2 試驗配合比

試驗用超細礦粉和普通礦粉對水泥凈漿標準稠度、凝結(jié)時間影響的配比見表4；超細礦粉和普通礦粉對水泥凈漿和混凝土抗壓強度影響的配比分別見表5和表6.

表4 水泥凈漿標準稠度、凝結(jié)時間各原材料配比Table 4 The raw materials ratio of cement paste’s normal consistency and setting time

表5 水泥凈漿抗壓強度各原材料配比Table 5 The raw materials ratio of cement paste compressive strength test

表6 混凝土抗壓強度各原材料配比Table 6 The raw materials ratio of concrete compressive strength test

2 結(jié)果與討論

2.1 超細礦粉和普通礦粉對水泥標準稠度和凝結(jié)時間的影響

普通礦粉和超細礦粉的摻入對水泥凈漿標準稠度的影響如圖1(a)所示，從圖1(a)可以看出：a.普通礦粉等量取代水泥，隨著普通礦粉取代量的增大，水泥漿體標準稠度需水量減小，當(dāng)普通礦粉的取代量達到30%時，繼續(xù)增大普通礦粉的取代量到50%，水泥漿體標準稠度需水量不再改變，普通礦粉的摻入，雖然可以在一定程度上減小水泥漿體標準稠度需水量，但效果并不明顯；b.超細礦粉等量取代水泥后，增大水泥漿體的標準稠度需水量，且隨超細礦粉取代量的增大，水泥漿體標準稠度需水量越大.

普通礦粉等量取代水泥后，由于普通礦粉的細度比水泥顆粒細，普通礦粉的填充作用和微集料效應(yīng)使普通礦粉填充在水泥顆粒的空隙中，置換出中間的水分，因而使拌合物的表面水量相應(yīng)增加，增加了水泥顆粒的潤滑作用，促進了漿體流動性的改善.所以普通礦粉取代等量水泥，減小標準稠度需水量.超細礦粉的比表面積比較大，在取代等量的水泥后，超細礦粉之間的摩擦比較大，細度過小增大對水的需要量.達到標準稠度需水量比較大，從而增大標準稠度的需水量.

圖1 礦粉對水泥凈漿標準稠度和凝結(jié)時間的影響Fig.1 Effect of slag on the normal consistency and setting time of cement paste

圖1(b)為兩種礦粉對水泥漿體凝結(jié)時間的影響，從圖1(b)可以看出：a.兩種礦粉的摻入都增大水泥漿體的初凝時間和終凝時間，隨著兩種礦粉摻量的增加，水泥漿體的凝結(jié)時間逐漸增加；b.超細礦粉比普通礦粉對水泥漿體凝結(jié)時間的影響略大，但兩種礦粉對水泥漿體的初凝和終凝時間的影響都較小.

2.2 超細礦粉和普通礦粉對水泥凈漿流動度的影響

從表7可以看出，隨著普通礦粉摻量的增大，水泥漿體的流動度逐漸增大.在30 min時，摻入普通礦粉水泥漿體的流動度出現(xiàn)下降，在60 min時，水泥漿體的流動度略有回升.由于普通礦粉的比表面積大，顆粒較小，在水泥膠凝體系中，水泥顆粒之間存在一定的空隙，這部分空隙需要一定量的水來填充，用礦粉取代一定量的水泥后，礦粉將填充在水泥顆粒之間的空隙中，釋放出水泥顆粒之間包裹的自由水，從而增大水泥漿體中的自由水，對水泥顆粒之間起到一定的潤滑作用，從而增大水泥漿體的流動度.

超細礦粉的摻入使水泥漿體的流動度大幅減小，摻量越大，水泥漿體的流動度越低.隨時間的延長水泥漿體的流動度逐漸降低.超細礦粉的比表面積大，顆粒相對水泥顆粒小很多，對水具有比水泥顆粒較大的吸附能力，超細礦粉摻入后，由于超細礦粉吸附較多的水和減水劑.另外超細礦粉是具有膠凝性的無定性顆粒， 顆粒間的滑動阻力較大，對水泥漿體的流動度起主要作用，隨超細礦粉摻量的增加，超細礦粉之間的摩擦力逐漸增大，水泥漿體的流動度逐漸減小.所以普通礦粉可以改善水泥漿體的流動度，超細礦粉減小水泥漿體的流動度.

表7 礦粉對水泥凈漿流動度的影響Table 7 Effect of slag on the fluidity of cement paste

2.3 超細礦粉和普通礦粉對水泥凈漿力學(xué)性能的影響

礦粉等量取代水泥后，會造成水泥體系發(fā)生一些變化，從而導(dǎo)致強度發(fā)生變化.圖2為礦粉對水泥漿體強度的影響.

圖2可以看出，摻入兩種礦粉水泥凈漿的7 d抗壓強度均低于純水泥體系.水泥的凝結(jié)硬化主要取決于水泥熟料的主要礦物成分及其含量，普通礦粉取代等量的水泥后，造成水泥凈漿中C3S的含量相對降低，因為C3S的水化速率快，對水泥的早期強度起到主要作用.隨著水化的進行，礦粉的火山灰活性和微填充效應(yīng)逐漸發(fā)揮，普通礦粉的摻入可以改善水泥凈漿的微觀結(jié)構(gòu)，使水泥漿體更加密實，促進水泥漿體后期抗壓強度的提高[8].圖2(a)為普通礦粉對水泥凈漿強度的影響.普通礦粉的28 d抗壓強度普遍高于純水泥體系.

圖2(b)為超細礦粉對水泥漿體強度的影響.超細礦粉摻入后，水泥凈漿早期抗壓強度比普通礦粉摻入的早期抗壓強度有所提高，但其7 d抗壓強度低于純水泥體系.28 d抗壓強度普遍大于純水泥體系.超細礦粉取代30%的水泥時，28 d抗壓強度最好.由于超細礦粉的潛在水硬性對水泥的水化起到微晶核作用，使超細礦粉的活性被激發(fā)，減少氫氧化鈣的含量，加速水泥的水化，使結(jié)構(gòu)更加密實.

圖2 礦粉對水泥凈漿力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of slag on the mechanical properties of cement paste

2.4 超細礦粉和普通礦粉對混凝土早期力學(xué)性能的影響

圖3為礦粉對混凝土強度的影響.由圖3(b)看出，摻入普通礦粉，混凝土的7 d抗壓強度在摻量為10%時最大，養(yǎng)護14 d時混凝土的抗壓強度在摻量為30%時最大.由圖3(a)看出，摻入超細礦粉，摻量30%時7 d抗壓強度最大，而摻量為10%的14 d抗壓強度最大.兩種礦粉都可增大混凝土的早期抗壓強度，7 d抗壓強度增長較快，14 d抗壓強度相對7 d抗壓強度則增長較慢.混凝土的早期抗壓強度增長快，后期抗壓強度增長緩慢.

圖3 礦粉對混凝土力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of slag on the mechanical properties of concrete

礦粉對混凝土強度的影響和對凈漿、砂漿強度的影響有一定的區(qū)別.礦粉作為摻合料在混凝土中，具有潛在水硬性、火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)[2]，與水泥組成二元復(fù)合膠凝材料，能提高水泥石與骨料界面粘結(jié)強度及改善水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)，在同時摻入高效減水劑后，在較低水膠比條件下，能制得密實性和強度較高的混凝土.

礦粉的加入可以改善水泥石和石子界面過渡層結(jié)構(gòu).由于石子和水泥石界面被認為是最薄弱的環(huán)節(jié)；因此，界面結(jié)構(gòu)的改善能提高混凝土的力學(xué)性能.界面過渡層中，靠近集料一邊的是Ca(OH)2，而Ca(OH)2在界面附近的存在對混凝土的強度是有害的.加入礦粉能夠使過渡層厚度減弱，并能以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水化物代替片狀結(jié)構(gòu)的Ca(OH)2，這對提高界面之間的強度是有利的[1,9].因此礦粉的存在可以提高混凝土的強度.

3 結(jié) 語

綜上所述，得到結(jié)論如下：

a.普通礦粉可以降低水泥漿體標準稠度需水量，未摻入礦粉時，標準稠度水灰比為0.253，普通礦粉摻量達到30%時，標準稠度水灰比為0.247，繼續(xù)增大普通礦粉摻量，水泥標準稠度不變；超細礦粉增大水泥標準稠度需水量，當(dāng)摻量達到50%時，標準稠度需水量達到0.317；超細礦粉和普通礦粉摻入都能增大水泥漿體的初凝和終凝時間，但影響不大；

b.在0.5水灰比下，普通礦粉可以改善水泥漿體的流動度，礦粉摻量增大到50%，流動度增大到270 mm；超細礦粉摻入使水泥漿體流動度降低，摻量越大，流動度越小，摻量到50%時，流動度降低到144 mm；

c.未摻加礦粉的水泥凈漿7 d抗壓強度為64 MPa，28 d抗壓強度為85.6 MPa，摻入兩種礦粉，7 d抗壓強度普遍低于純水泥體系，28 d抗壓強度普遍高于純水泥體系，普通礦粉和超細礦粉摻量在10%～30%效果最好，摻入超細礦粉28 d抗壓強度達到102.8 MPa，摻入普通礦粉28 d抗壓強度也達到93.8 MPa；

d.基準混凝土的7 d抗壓強度為57.8 MPa，14 d抗壓強度為63.9 MPa.摻入兩種礦粉混凝土的7 d和14 d抗壓強度普遍提高，對超細礦粉，摻量在10%～30%時效果最好，7d最高抗壓強度達到73.4 MPa，14 d抗壓強度達到79.4 MPa，繼續(xù)增大摻量，混凝土強度降低；普通礦粉摻量10%～30%時效果最好，7 d最高抗壓強度達到64.9 MPa，14 d抗壓強度達到73.8 MPa；在最佳摻量范圍內(nèi)，摻入超細礦粉混凝土抗壓強度大于摻入普通礦粉，普通礦粉和超細礦粉都能增大混凝土的抗壓強度.

致 謝：

感謝國家自然科學(xué)基金委員會的資金資助.

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