不同掺量矿粉对水工混凝土影响分析

缪 丹

（辽宁省汤河水库管理局有限责任公司，辽宁 辽阳 111000）

矿粉是指铁矿石中的杂质、燃料中的灰粉和石灰石助熔剂，在高炉炼铁1400～1500℃条件下熔融，用水快速冷却再经粉磨而形成的一种玻璃体散颗粒粉状物料[1]。由于矿粉结构潜在活性很大，一直处于不稳定高能状态，用于混凝土的活性掺合料或水泥的活性混合料具有比粉煤灰更高的活性。一般地，根据所炼生铁种类、焦炭质量、溶剂质量以及铁矿石成分不同，每生产1t 生铁要排出0.3～1.0t 废渣，这属于一种面广量大的工业废渣。因潜在活性较好，矿粉逐渐成为工业活性混合材的主要来源，可以用于改善水泥抗蚀性、水泥品种等。混凝土中的矿粉具有火山灰、微晶核和微集料效应，有利于增强混凝土抗渗性，减少水化热以及温升裂缝概率[2]。因此，掺矿粉掺合料可以改善混凝土整体性能。

目前，关于矿粉的研究应用主要集中于桥梁工程和商品混凝土等领域，研究内容以矿粉混凝土凝结时间、拌合物和易性、抗裂性、干缩变形和抗压强度等为主，不同试验所选用的原材料性能和配合比参数具有较大差异，配制的拌合物性能也不尽相同，但掺入矿粉会延长凝结时间，增强后期强度[3]。针对水工混凝土中矿粉的研究较少，如杨华全等试验研究了三峡工程大体积混凝土的极限拉伸值、抗压强度、水化热和胶砂强度，揭示了不同矿粉掺量对混凝土抗压强度的影响规律。

本文结合水工结构抗冲磨、耐久性等技术指标，通过室内试验探讨了28d 龄期不同矿粉掺量水工混凝土的工作性能、力学性能、抗冻抗渗、干缩变形以及抗冲磨性能，以期为水利工程中矿粉的应用提供一定支持。

1 原材料性能

1.1 水泥

采用辽东水泥集团生产的P·O 42.5 级中热硅酸盐水泥，经抽样检测水泥物理性能指标见表1。

表1 水泥物理性能指标

1.2 矿渣微粉

采用辽宁矿渣微粉有限责任公司生产S95 级矿粉，按照粒化高炉矿渣粉有关要求抽样检测矿粉品质，如表2 所示。

表2 矿渣品质抽样检测

依据检测结果，矿粉的含水量、烧失量、流动度比、密度和比表面积等性能指标均符合现行规范要求，7d 活性指数偏低小于75%，但28d 活性指数较高达到108%。早期活性指数偏低的原因是矿粉比表面积只有380m2/kg，虽然符合规范要求但处于下限范围，无法充分释放其早期活性，矿粉比表面积达到400m2/kg以上才能充分发挥其早期活性。

另外，活性指数、碱度系数、质量系数、碱度等参数主要从化学组成上分析矿粉活性，但矿粉活性既与化学组成有关，还与粉磨细度、冷却速度等因素有关，若将矿粉的工艺条件、微观结构、力学和其它物理参数结合起来分析，将会更加全面深入地认识矿粉的性能。

1.3 粗细骨料

采用小石∶中石=0.4∶0.6 混合而成的花岗岩碎石，表观密度2810kg/m3，空隙率40%，含泥量0.1%，压碎指标5.0%，针片状含量6.4%，堆积密度1560kg/m3；采用天然河砂，表观密度2670kg/m3，细度模数2.7，空隙率32%，含泥量1.5%，堆积密度1600kg/m3。

1.4 外加剂

试验选用苏博特PCA®-Ⅰ聚羧酸高效减水剂和北京西奥兴业生产的BK-16 高效引气剂，减水剂固含量45%，减水率28%。

2 试验方法与结果

2.1 新拌混凝土性能

试验方案：配制二级配混凝土，按小石∶中石=0.4∶0.6配备粗骨料级配，砂率32%，水胶比0.38，各组PCA®-Ⅰ减水剂掺量均取0.7%，设计0%、10%、20%、30%、40%五种矿粉掺量，与掺20%粉煤灰对比，控制15min 含气量4%～6%，15min坍落度7～9cm，试验结果见表3。

表3 不同矿粉掺量配合比及拌合物性能

通过控制新拌混凝土15min 含气量处于4%～6%，坍落度处于7～9cm 之间，结果显示随着矿粉掺量的增加混凝土单位用水量逐渐减小，未掺矿分组的单位用水量140kg/m3，而掺矿分组单位用水量处于132～135kg/m3范围，这表明矿粉发挥着一定的减水效应；随矿粉掺量的增加BK-16高效引气剂用量逐渐增大，从0.005%逐渐提高到0.007%；未掺粉煤灰组的初凝、终凝时间最短，粉煤灰掺量越高混凝土的初凝、终凝时间越长，掺量从0%增加到40%时，混凝土初凝时间从10.5%延长到20.1h，终凝时间从15.2 延长到25.7h。

2.2 力学性能

为了探讨水工混凝土力学性能受不同掺量矿粉的影响，按表3 中的配合比配制混凝土，试验检测各组试样力学性能，检测数据见表4。

表4 不同矿粉掺量的混凝土力学性能

1）纯水泥拌制组的早期强度均高于掺矿粉混凝土，并且矿粉掺量越高则试样强度越低；28d 龄期时，混凝土强度对比关系出现转变，纯水泥拌制组强度均低于掺20%～40%矿粉组，整体上掺30%矿粉组的强度最高；随着矿粉掺量的逐渐增大，30%矿粉组28d 龄期极限拉伸值和弹性模量最大。

2）掺20%粉煤灰组与掺10%矿粉组相比，掺粉煤灰组早期强度明显低于掺矿粉组，但28d 龄期相差不大；掺30%或40%矿粉组强度明显大于掺20%粉煤灰组，提高率达到10%以上。

3）通过对比分析，混凝土各项性能指标随着矿粉掺量的增加不具备单调特征，掺30%矿粉时出现极值，这是矿粉火山灰、微晶核和微集料效应共同作用的结果，掺30%矿粉时综合效应得到充分发挥，三大效应的叠加作用达到最优。

2.3 抗渗与抗冻性能

试验方案：配制二级配混凝土，按小石∶中石=0.4∶0.6配备粗骨料级配，砂率33%，水胶比0.42，各组PCA®-Ⅰ减水剂掺量均取0.7%，设计10%、20%、30%、40%四种矿粉掺量，引气剂掺量和单位用水量按15min 含气量4%～6%、15min 坍落度7～9cm 确定。水工混凝土抗渗、抗冻试件的配制成型严格执行《水工混凝土试验规程》流程，测试各组试样的抗渗和抗冻性能。试验采用一次加压法测试水工混凝土抗渗性能，该方法是维持恒定压力24h，通过计算相对渗透系数判定混凝土的抗渗性能，试验数据见表5。

表5 混凝土抗渗性能(一次加压法)和抗冻性能

从表5 可以看出，在相同水胶比条件下，矿粉掺量从10%逐渐提高到30%则相对渗透系数表现出逐渐减小趋势，矿粉掺量从30%提高到40%时相对渗透系数又快速增大，表明掺30%矿粉时混凝土抗渗性达到最优。

以质量损失率超过5%或相对动弹模量减小到原来的60%作为混凝土抗冻试件被破坏的判定标准。结果表明，相同冻融循环次数下，矿粉掺量从10%提高到30%，随矿粉掺量的增加混凝土质量损失表现出不断减小趋势，相对动弹模量表现出增大趋势，矿粉掺量从30%提高到40%时混凝土质量损失快速增大，相对动弹模量逐渐减小，表明掺30%矿粉组的抗冻性能最优。

2.4 抗冲磨性能

设计10%、20%、30%、40%四种矿粉掺量，按表3 配合比制备试样，采用《水工混凝土试验规程》推荐的圆环法和水下钢球法进行抗冲磨性能试验，试验结果见表6。

表6 混凝土抗冲磨性能

圆环法试验结果显示，随矿粉掺量的增大混凝土抗冲磨强度表现出增大趋势；水下钢球法试验结果显示，掺20%和30%矿粉时混凝土抗冲磨强度较高。因此，考虑力学性能试验数据设计抗冲磨混凝土配合比时，以30%矿粉掺量最为合理。

2.5 干缩变形对比

按表3 配合比制备试样，试验检测水工混凝土干缩变形性能，掺粉煤灰、纯水泥和不同矿粉掺量混凝土的干缩率如图1 所示。

图1 混凝土干缩率变化曲线

结果表明，相同水胶比情况下，干缩率最大的是纯水泥混凝土组，混凝土干缩率随矿粉掺量的增加不断减小，掺30%～40%矿粉组的干缩变形最小；掺20 粉煤灰与掺10%～20%矿粉组的干缩变形比较接近。总体而言，掺不同矿粉混凝土的28d 干缩率处于2.2×10-4～2.7×10-4范围，56d 干缩率处于2.8×10-4～3.5×10-4范围，84d 干缩率处于3.0×10-4～3.8×10-4范围。

2.6 抗裂性能对比

为探讨不同矿粉掺量的混凝土收缩开裂特点，设计10%、20%、30%、40%四种矿粉掺量，按表3 配合比制备试样，采用圆环开裂法检测混凝土抗裂性能。试验装置选用外径305mm、内径275mm的钢制圆环，混凝土成型圆环高140mm、外径375mm、内径305mm。采用圆环成型时将粒径超过5mm 的粗骨料剔除，室内静置24h 后拆除外模，并在表面涂刷一层水玻璃以防水分从上表面蒸发。将成型试样置于温度20±1℃、湿度50±5%环境中，按试验要求完成养护和观测。收缩过程中钢环外部的混凝土受到钢环约束会出现开裂，每隔12h用显微镜观察开裂情况，并记录裂缝宽度和开裂时间。开裂后定期观测裂缝的变化趋势，测试结果如图2 所示。

图2 混凝土开裂变化曲线

从图2 可以看出，相同水胶比条件下，混凝土裂缝出现时间随矿粉掺量的提高而缩短，矿粉掺量越高最终形成的裂缝宽度越小。因此，在满足施工和设计要求的情况下，应尽可能提高矿粉掺量，并重视混凝土施工养护控制。

3 结论

1）矿粉具有缓凝和减水作用，掺入适量的矿粉能够减少4%～5%单位混凝土用水量；混凝土初凝、终凝时间随着矿粉掺量的增大而延长，掺量从0%增加到40%时初、终凝时间会延长10h 左右。

2）掺20%～40%矿粉时，纯水泥组强度低于掺矿粉混凝土组；掺10%矿粉混凝土强度与掺20%粉煤灰相差不大，但掺30%或40%矿粉混凝土强度高于掺20%粉煤灰组，增大幅度为10%～12%。

3）水胶比相同情况下，混凝土干缩变形随矿粉掺量的提高而减小，矿粉掺量越高越有利于混凝土抗裂性能，相应的裂缝宽度也越小；掺30%矿粉时混凝土抗冲磨、抗渗抗冻、极限拉伸值、弹性模量和强度等性能指标最优，所以按30%矿粉掺量设计水工混凝土配合比科学合理。