史若昕，於林鋒，王林

（1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.上海寶田新型建材有限公司，上海 200032）

0 引 言

鋼礦粉作為一種礦物復(fù)合摻合料，因原材料本身含有大量的Si、Al 質(zhì)，其活性與礦粉相近[1-2]，且原材料量大、來源分布較廣，若將鋼礦粉用于現(xiàn)代混凝土材料中，不僅可以充分利用固體廢棄物，提高工業(yè)固廢的附加值，達(dá)到節(jié)約能源消耗與減輕環(huán)境污染的目的，還對促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有十分重要的意義[1]。

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下礦物摻合料相關(guān)性能的研究已有不少[3-4]，而蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝常用于現(xiàn)今混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中，因?yàn)槠涔に嚭唵巍⒊杀据^低、操作方便，能夠在較短時(shí)間內(nèi)加快水泥基材料的水化速率，提高混凝土早期強(qiáng)度，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。一些學(xué)者也研究了蒸汽條件對水泥體系中水化反應(yīng)的影響規(guī)律，周萬良和方坤河[5]使用礦粉分別制備膠砂與混凝土，并進(jìn)行強(qiáng)度測試，發(fā)現(xiàn)摻入礦渣后，體系中水泥的早期水化過程加快，并且養(yǎng)護(hù)溫度較高時(shí)可提高礦渣在體系中的反應(yīng)程度。張建綱等[6]使用SEM、熱分析等方法測試不同摻合料在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下的水化反應(yīng)，結(jié)果表明，在高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，礦粉和粉煤灰能部分消耗掉水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2，因此導(dǎo)致體系具有較高的抗壓強(qiáng)度。閻培渝和崔強(qiáng)[7]在不同養(yǎng)護(hù)制度下對高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件，其強(qiáng)度發(fā)展基本能反映實(shí)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部混凝土長齡期的狀態(tài)。從上述研究結(jié)果可知，養(yǎng)護(hù)條件對材料強(qiáng)度的影響與內(nèi)部的活化效應(yīng)有直接關(guān)系。

鑒于上述研究，為探究礦物摻合料在不同養(yǎng)護(hù)條件下的活化效應(yīng)，選取鋼渣粉與S95 礦粉制備鋼礦粉摻合料，分別將鋼礦粉摻合料進(jìn)行膠砂與混凝土試驗(yàn)，探究鋼礦粉摻合料在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下膠砂的活性指數(shù)與混凝土強(qiáng)度的變化規(guī)律，并引入膠凝系數(shù)K 來分析養(yǎng)護(hù)條件對摻合料混凝土強(qiáng)度的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：上海金山南方水泥有限公司生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5水泥，其物理力學(xué)性能見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

（2）鋼礦粉摻合料：參考GB/T 20491—2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》、GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》對所用鋼渣粉及S95 礦粉的主要性能進(jìn)行測試，結(jié)果見表2。鋼渣粉及S95 礦粉的主要化學(xué)成分見表3，XRD 圖譜見圖1、圖2。

表2 鋼渣粉和S95 礦粉的主要性能指標(biāo)

表3 鋼渣粉和S95 礦粉的主要化學(xué)成分 %

圖1 鋼渣粉的XRD 圖譜

圖2 S95 礦粉的XRD 圖譜

（3）激發(fā)劑：上海某公司提供的無水石膏和生石灰，以及上海天愷硅粉材料有限公司生產(chǎn)的普通硅灰，二氧化硅含量為94.9%，比表面積為19.2 m2/g。

（4）細(xì)骨料：天然河砂，連續(xù)級配的中砂，細(xì)度模數(shù)2.5；粗骨料：5～10 mm 和5～20 mm 連續(xù)級配的天然石。

（5）外加劑：早強(qiáng)型聚羧酸減水劑，含固量16%，減水率30%。

1.2 試驗(yàn)方法

參照GB/T 18046—2017 膠砂活性指數(shù)測試方法，調(diào)節(jié)鋼渣粉與S95 礦粉的比例，激發(fā)劑以不同的摻量內(nèi)摻取代S95 礦粉，制備鋼礦粉摻合料并測試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下[在溫度（20±1）℃、相對濕度≥90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24 h 后脫模，放入水溫為（20±1）℃的養(yǎng)護(hù)池中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期]膠砂的7 d、28 d 活性指數(shù)。同時(shí)，參照建華建材有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/JHJC 00 1010—2019《用于混凝土中的高性能復(fù)合摻合料》，以同樣的摻合料，測試蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下[在溫度為（20±1）℃、相對濕度不小于90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)12 h，然后放入溫控蒸養(yǎng)箱以（95±2）℃的溫度養(yǎng)護(hù)6 h 后取出，在室內(nèi)冷卻后直至規(guī)定齡期]膠砂的1 d 和3 d 蒸養(yǎng)活性指數(shù)。

（2）參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中普通混凝土抗壓試驗(yàn)方法和實(shí)際生產(chǎn)中免壓蒸管樁混凝土蒸養(yǎng)制度，制備鋼礦粉摻合料混凝土并測試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下[20 ℃室內(nèi)靜置24 h 后拆模放入溫度為（20±2）℃、相對濕度98%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室]的1 d、3 d 抗壓強(qiáng)度，以及蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下（20 ℃室內(nèi)靜置4 h 后放入溫控蒸養(yǎng)箱以80 ℃的溫度養(yǎng)護(hù)6 h 后取出，在室內(nèi)冷卻后直至齡期）的1 d、3 d抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 養(yǎng)護(hù)條件對鋼礦粉摻合料膠砂活性的影響

將S95 礦粉和鋼渣粉以不同比例進(jìn)行復(fù)配，并以不同摻量的無水石膏、生石灰及硅灰作為復(fù)合激發(fā)劑制備鋼礦粉摻合料（具體配比見表5），在分別經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)后，其膠砂活性測試結(jié)果如表6 所示。

表5 鋼礦粉摻合料的配比 %

表6 不同養(yǎng)護(hù)條件下鋼礦粉摻合料的膠砂活性測試結(jié)果

由表6 可見，相比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，蒸養(yǎng)后鋼礦粉摻合料膠砂的強(qiáng)度和活性指數(shù)顯著提高。如A2 組，經(jīng)過蒸汽養(yǎng)護(hù)后1 d 活性指數(shù)可達(dá)115%，3 d 活性指數(shù)高達(dá)130%，遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下7 d 甚至28 d 的活性。已有研究表明，礦粉作為一種具有較高水硬強(qiáng)度的活性物質(zhì)，若養(yǎng)護(hù)溫度越高，基體的強(qiáng)度發(fā)展就越快[8]。因此，在蒸汽養(yǎng)護(hù)的高溫與無水石膏、生石灰等復(fù)合激發(fā)劑的雙重作用下，膠砂中的水泥水化反應(yīng)迅速，早期反應(yīng)過程中形成大量的Ca（OH）2，使得漿體內(nèi)部形成堿性環(huán)境，這進(jìn)一步促使礦粉水解形成大量的Ca（OH）+、AlO45-等離子，同時(shí)生石灰、無水石膏和硅灰作為激發(fā)劑，為水化反應(yīng)中分別提供了Ca2+、SO42-和SiO42-等離子，促進(jìn)生成C-S-H 和C-A-S-H凝膠，從而形成內(nèi)部更穩(wěn)定更致密的水泥石結(jié)構(gòu)[9-10]，使膠砂的蒸養(yǎng)強(qiáng)度穩(wěn)步提高。

Ca、Si 等物質(zhì)的量決定了礦物摻合料潛在的火山灰活性大小，鋼渣粉作為一種惰性物質(zhì)，自身活性較低，水化速度較慢，其活性Ca、Si 物質(zhì)含量比礦粉小得多，因此在和S95 礦粉復(fù)配成礦物摻合料后，在蒸汽養(yǎng)護(hù)的高溫和復(fù)合激發(fā)劑的共同作用下，才能激發(fā)出更好的活化效應(yīng)。綜上所述，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比，高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)條件更有利于激發(fā)鋼礦粉摻合料的活性，這也是相同的鋼礦粉摻合料在經(jīng)過高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)后其活性指數(shù)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的原因。

2.2 養(yǎng)護(hù)條件對鋼礦粉摻合料混凝土強(qiáng)度的影響

將S95 礦粉與鋼渣粉以不同比例復(fù)配，并加入無水石膏、生石灰和硅灰作為復(fù)合激發(fā)劑制備鋼礦粉復(fù)合摻合料，參考預(yù)制管樁C80 混凝土配比，用復(fù)合摻合料取代混凝土中30%的水泥（摻合料混凝土配合比見表7），進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)下鋼礦粉摻合料混凝土強(qiáng)度的測試，結(jié)果如表8 所示。

表7 鋼礦粉摻合料混凝土的配比 kg/m3

表8 不同養(yǎng)護(hù)條件下鋼礦粉摻合料混凝土的抗壓強(qiáng)度

由表8 可見，相比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，鋼礦粉摻合料混凝土在經(jīng)過蒸汽養(yǎng)護(hù)后有著非常顯著的強(qiáng)度優(yōu)勢。如B2 組，蒸汽養(yǎng)護(hù)后1 d 抗壓強(qiáng)度可以比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)提高104%，3 d 抗壓強(qiáng)度也提高了37%。作為國內(nèi)混凝土預(yù)制管樁生產(chǎn)中常用的養(yǎng)護(hù)工藝，蒸汽養(yǎng)護(hù)能夠極大地促進(jìn)混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展，節(jié)省養(yǎng)護(hù)時(shí)間，提高預(yù)制混凝土構(gòu)件的生產(chǎn)效率[11]。隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，水泥中的主要礦物成分比如硅酸鹽和鋁酸鹽溶解加快，Ca、Al 等活性物質(zhì)變得越來越多，混凝土中水泥水化反應(yīng)隨之加快。有研究表明[12]，在80 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，混凝土中水化反應(yīng)速度相比20 ℃時(shí)提高了約5 倍，當(dāng)溫度升高至100 ℃時(shí)可提高約9 倍。此外，礦粉作為提供活性物質(zhì)的來源之一，養(yǎng)護(hù)溫度的提高有利于提升礦粉在混凝土中的反應(yīng)程度[13]，礦粉中的活性成分SiO2和Al2O3更容易被溶出，有利于與激發(fā)劑中的OH-、SO42-等離子發(fā)生活化反應(yīng)，從而促進(jìn)漿體中礦物結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移和水化產(chǎn)物的生成[14]，大大提升混凝土的早強(qiáng)抗壓強(qiáng)度。

2.3 不同養(yǎng)護(hù)條件下鋼礦粉摻合料對混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)

不少學(xué)者對礦物摻合料在混凝土中的強(qiáng)度貢獻(xiàn)進(jìn)行了大量的研究[15]，以分析不同的養(yǎng)護(hù)條件下，礦物摻合料對混凝土中的活化效應(yīng)的促進(jìn)程度。本文也借鑒相似的方法[16]，引入膠凝系數(shù)K 來研究膠凝材料在混凝土中的強(qiáng)度貢獻(xiàn)。膠凝系數(shù)K 可定量分析在一定的養(yǎng)護(hù)條件下，礦物摻合料對水泥漿體抗壓強(qiáng)度的影響效應(yīng)，其定義為某一單位礦物摻合料在一定養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度貢獻(xiàn)與單位水泥強(qiáng)度貢獻(xiàn)之比。假設(shè)某養(yǎng)護(hù)條件下單位水泥的強(qiáng)度貢獻(xiàn)為σc，單位礦物摻合料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)為σm，則膠凝系數(shù)K 計(jì)算公式為：

同時(shí)，假設(shè)某養(yǎng)護(hù)條件下?lián)接械V物摻合料的混凝土抗壓強(qiáng)度為σ，由單位礦物摻合料強(qiáng)度σm貢獻(xiàn)乘以其摻量α 之積，以及單位水泥強(qiáng)度貢獻(xiàn)σc乘以水泥含量（1-α）之積的和構(gòu)成的，即：

參考預(yù)制管樁C30 混凝土配比，選取78%S95 礦粉、10%鋼渣粉、8%無水石膏、2%生石灰與2%硅灰制備鋼礦粉復(fù)合摻合料，將摻合料分別以不同比例取代混凝土中的水泥（混凝土配合比見表9），分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下鋼礦粉復(fù)合摻合料混凝土強(qiáng)度的測試，并根據(jù)式（3）以及所得數(shù)據(jù)，可對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)1 d 齡期的鋼礦粉摻合料混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析，計(jì)算得到各組混凝土試件的膠凝系數(shù)K，結(jié)果如表10 所示。

表9 不同比例鋼礦粉摻合料混凝土配比 kg/m3

表10 不同養(yǎng)護(hù)條件下鋼礦粉摻合料混凝土的強(qiáng)度及膠凝系數(shù)

由表10 可知，同樣是1 d 齡期的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，鋼礦粉摻合料取代水泥的比例為0～80%條件下，蒸汽養(yǎng)護(hù)下鋼礦粉摻合料混凝土的膠凝系數(shù)都最高，這說明在蒸養(yǎng)條件下，鋼礦粉摻合料對混凝土中的水化反應(yīng)貢獻(xiàn)程度更大，促進(jìn)了漿體中水化產(chǎn)物的生成，使?jié){體內(nèi)部逐漸被更多的水化產(chǎn)物填充，結(jié)構(gòu)變得更為致密，從而有助于提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，并表現(xiàn)為較高的膠凝系數(shù)。值得注意的是，在蒸養(yǎng)條件下，隨著鋼礦粉摻合料取代水泥比例的增加，對應(yīng)的膠凝系數(shù)卻呈現(xiàn)降低的趨勢，這可能是因?yàn)轶w系中鋼礦粉摻合料過量，水化反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到飽和，活化效應(yīng)會(huì)逐漸減弱，導(dǎo)致?lián)胶狭蠈炷翝{體中相應(yīng)的強(qiáng)度貢獻(xiàn)慢慢降低，故表現(xiàn)為膠凝系數(shù)逐漸減小。

3 結(jié) 論

（1）鋼礦粉復(fù)合摻合料膠砂在蒸養(yǎng)條件下的活性指數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)要高得多，1 d 活性指數(shù)可達(dá)115%，3 d 活性指數(shù)可高達(dá)130%，這是因?yàn)楦邷卣羝B(yǎng)護(hù)條件下，礦粉與激發(fā)劑的雙重作用使膠砂中水化反應(yīng)迅速，早期反應(yīng)過程中形成大量水化產(chǎn)物，從而形成更穩(wěn)定更致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使膠砂的早期強(qiáng)度穩(wěn)步提高，活性指數(shù)大幅度增大。

（2）當(dāng)鋼礦粉摻合料用于混凝土中，相比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，蒸汽養(yǎng)護(hù)后也對早期強(qiáng)度表現(xiàn)有著非常明顯的優(yōu)勢，蒸汽養(yǎng)護(hù)后1 d 抗壓強(qiáng)度可以比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的提高104%，3 d 抗壓強(qiáng)度也提高了37%。這也是因?yàn)闇囟壬?，水泥中的主要礦物成分溶解加快，礦粉中的活性物質(zhì)更容易被溶解出，有利于與激發(fā)劑中的硫酸根等離子發(fā)生活性反應(yīng)，從而促進(jìn)漿體中礦物結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移和水化產(chǎn)物的生成。

（3）蒸養(yǎng)條件促進(jìn)了鋼礦粉摻合料在混凝土中的活化反應(yīng)，其膠凝系數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下高，說明蒸養(yǎng)后摻合料在混凝土中水化反應(yīng)更充分，對混凝土的強(qiáng)度貢獻(xiàn)更大。

（4）礦物摻合料的養(yǎng)護(hù)條件對其活性和強(qiáng)度表現(xiàn)有著重要的影響，在不同的應(yīng)用情況下應(yīng)當(dāng)采取合理的養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，這對保證材料性能，最大程度發(fā)揮礦物摻合料的活化效果有重要意義。