李滢

(青海大学土木工程学院，青海西宁 810016)

1 概述

矿渣是高炉炼铁得到的以硅铝酸钙为主的熔融物，它具有较高的潜在活性，磨细后的矿渣粉作为混凝土的独立组分可以改善混凝土强度和耐久性［1］。以往对矿渣粉的研究多集中于研究其细度与活性之间的关系，虽然取得了良好的效果，但由于大大地增加了粉磨时间，提高了成本，不能大范围大掺量用于高性能混凝土工程中。另一方面，将矿渣粉加工成完全均一细度的细粉，没有形成级配，掺入混凝土中后不能充分发挥微观填充作用。如果考虑将不同细度的矿渣粉以不同的比例掺配到水泥浆体中，使浆体中粉体的颗粒形成一定的级配，从而能够紧密地填充，有效降低水泥浆体的空隙率，改善孔结构，势必对浆体的性能起到改善作用［2，3］。本文就在此方面做了一些尝试性工作，通过对比三种细度矿渣粉单掺以及复掺后取代一定量的水泥的胶砂试件的3 d，28 d抗折及抗压强度，探讨这三种矿渣粉单掺或复掺对水泥胶砂试件强度的影响，并从显微结构及颗粒级配上考察矿渣粉对水泥砂浆性能的影响。

2 原材料及试验方案

2.1 原材料及其性能指标

1)水泥：河北冀东水泥厂生产的32.5号普通硅酸盐水泥;

2)砂：北京昌平产河砂，细度模数为2.68，试验前过5 mm筛子;

3)矿物掺合料：矿渣粉SL1产自首钢，SL2产自Ssang Yong Cement Limited，SL3产自武汉钢铁公司，分别对其主要物理性能指标及化学成分进行测定，见表1，并且采用欧美克LS-POP(Ⅲ)型激光颗粒分析仪测定了三种掺合料的颗粒分布，结果如表2所示。根据表2的结果计算出SL1和SL3复合掺配时粉体材料颗粒级配的变化如表3所示。

表1 矿渣粉物理性能指标及化学成分

表2 水泥、矿渣粉的颗粒粒径分布

表3 矿渣粉复合掺配时粉体颗粒级配的变化

2.2 胶砂强度对比试验

将这三种矿渣粉单掺及以不同的比例复合掺配后根据国标GB/T 17671-1999成型水泥胶砂试件，水胶比为0.5，灰砂比为1∶3，以30%的矿物掺合料取代水泥，在水中养护至3 d，28 d后分别测其抗折及抗压强度。

2.3 水泥凝胶体微观结构试验

水化至一定龄期的水泥凝胶其内部微观结构和水化状态、水化产物形态采用KYKY-2800型扫描电镜进行测试。将水化至规定龄期的水泥胶砂试件压碎后两组试样，其一为胶砂成型后的7 d，其二为成型后的28 d。取样后至电子显微镜扫描观测之前，试样采用无水酒精浸泡以终止水泥的水化。

3 试验结果与分析

3.1 胶砂强度对比试验

矿渣粉的活性与其比表面积有着密切的关系，同时粉体的颗粒群特征对其活性的影响也是至关重要的。本研究中采用了三种不同细度的矿渣粉，分别将这三种矿渣粉以30%的比例单掺及复掺加入水泥浆体中，拌制砂浆。掺矿渣粉的砂浆配比设计如表4所示。

表4 胶砂试件配比

1)从图1，图2看，单掺矿渣粉的早期胶砂强度除了SL3均低于不掺的强度，其中单掺SL3的强度最高，SL2次之，SL1则为最低。因为我们知道，水泥熟料中小于10 μm的颗粒对早期强度有较大贡献，10 μm～30 μm的颗粒对7 d与28 d强度有较好的相关性，而大于60 μm的颗粒则基本不能水化。分析这三种矿物掺合料的粒径分布数据可以看出，SL3中小于10 μm的颗粒达到62.1%，SL2次之，为50.83%，SL1中的含量就要稍微低一些，为23.9%，但是仍然远高于水泥，故掺加了矿渣粉的试件在3 d就表现出较高的强度。随着龄期的增长，除了掺SL2的砂浆的28 d抗折强度外，其余的强度值均超过纯水泥砂浆。

图1 矿渣粉细度对砂浆抗折强度的影响

图2 矿渣粉细度对砂浆抗压强度的影响

2)从图1，图2的试验结果还可以发现，矿渣粉的活性与其比表面积之间并不是简单的线性关系。SL1的比表面积为300 m2/kg，SL2的比表面积为521 m2/kg，但是掺这两种矿渣粉的砂浆T-1，T-2的强度除了28 d抗折强度有较大差别之外，其余龄期的抗压及抗折强度的增长趋势基本接近，掺加SL2的砂浆的强度并没有比掺加SL1的砂浆表现出多大的优势。这时就得考虑矿渣粉的颗粒分布对其活性的影响。有学者通过灰色关联分析的方法得出，矿渣微粉中9.9 μm～20.0 μm颗粒含量与7 d，28 d(抗压)活性指数关联度最大，其次是0 μm～9.9 μm颗粒，而大于20.0 μm的颗粒含量与活性指数为负相关［4］。从这三种矿渣粉的颗粒分布数据可以看出，SL3中小于16 μm的颗粒占到85%，SL1中这部分颗粒只有35%，SL2中小于20 μm的颗粒有64.43%，所以表现出来SL3的活性最高。对比SL1与SL2可以发现，虽然SL2中小于20 μm的颗粒含量高于SL1，但是其微细颗粒的含量远低于SL1，其中SL2中小于4 μm的颗粒只有0.02%，而SL1中小于4 μm的颗粒就有15.1%，SL1中这部分微细颗粒可以起到良性的填充作用，改善胶凝材料粉体的颗粒级配，使水泥石结构致密，提高水泥砂浆的强度。并且SL1与SL3中大量的小于2 μm的颗粒在3 d即可反应，消耗于强度不利的CH晶体，并增加火山灰反应，从而增加C—S—H含量，且减少了毛细孔体积。

3)SL1和SL3的比表面积分别为300 m2/kg和700 m2/kg，细度上还是有很大差别，将它们复掺到水泥砂浆中后可以粗细搭配，改善胶凝材料粉体颗粒级配，具有一定的叠合效应。表3中列出了本组试验中所采用的三种配比的砂浆中胶凝粉体材料的颗粒粒径分布变化趋势。从该表中可以看出，以小于8 μm的颗粒为基准，这三种配比下随着SL3掺量的逐渐增加和SL1掺量的逐渐减少，粉体中小于8 μm的颗粒的含量也是逐渐增加，当掺配比例为SL1∶SL3=1∶4时，粉体中小于8 μm的颗粒占到33.11%，其他两种配比下的这部分颗粒比较接近。与此相对应，来看这三种配比制得的水泥砂浆的强度变化趋势如图3，图4所示，在水化到3 d的时候，由这三种配比配制出的水泥砂浆的抗折及抗压强度基本上接近，略低于纯水泥砂浆的3 d强度。到7 d的时候以SL1∶SL3=1∶4的比例掺配的水泥浆体的强度就比其他两种配比的要高。随着龄期的进一步延长，强度进一步增长，到28 d时还是这种配比的砂浆的强度最高，以28 d的抗压强度为例，当SL1与SL3以1∶4的比例掺配时得到的砂浆的强度达到41.4 MPa，比它们以4∶1，3∶2的比例掺配得到的砂浆的强度分别提高了8%和10%。

图3 矿渣粉复掺对砂浆抗折强度的影响

图4 矿渣粉复掺对砂浆抗压强度的影响

3.2 胶凝材料级配对凝胶体微观结构的影响

图5，图6分别为掺加30%SL1，SL2，SL3的砂浆水化7 d，28 d的SEM图。由于SL1与SL3中存在大量的小于4 μm的颗粒，这部分颗粒在早期就能发生水化反应并有效的填充浆体内部的空隙，表现出来图5中掺加SL3的砂浆的7 d结构最为致密，可以看见大量的卷箔状的水化产物，掺加SL1的砂浆的结构次之，内部也是能看见大量的网络状的水化产物，而相比而言掺加SL2的砂浆的结构就有些疏松，矿渣颗粒只是随机的分散在浆体中，水泥浆体内部还是有许多孔隙。随着龄期的延长，矿渣粉的物理填充及水化活性作用得到进一步的发挥，水泥石的强度不断提高，如图6所示，砂浆的结构也变得非常致密。

图7是SL1与SL3分别以4∶1，1∶4的比例掺配后砂浆水化7 d的SEM图。在7 d的时候这二者的微观形貌差别不是很大，水泥浆体中的水化产物的聚集程度不是很高，浆体内部存在很多孔隙。到水化至28 d时，如图8所示，由于后者的粉体颗粒堆积紧密以及在SL3的含量较高的情况下SL3本身的水化活性作用的共同影响，使得水泥浆体的结构变得非常致密，几乎看不到有大的孔隙存在。而在SL1与SL3以4∶1的比例掺配得到的水泥砂浆水化28 d的SEM图中还可以看见有许多孔隙，水化产物的形貌也是主要以网状为主。这主要是因为在此配比下SL1的掺量居多，相比前面的情况就比较缺乏微细颗粒，故得到的水泥凝胶体的结构就没有前者那么致密。

图5 掺30%矿渣粉的砂浆水化7 d的SEM图

图6 掺30%矿渣粉的砂浆水化28 d的SEM图

4 结语

1)普通细度的矿渣粉加入水泥砂浆中后，对水泥的凝聚结构具有明显的分散作用，增加水泥粒子的水化空间，扩大了水化产物产生的场所，故掺加矿渣有利于水泥浆体早期强度的发展。随着龄期的增长，水泥水化产物Ca(OH)2不断析出，矿渣粉的活性逐渐发挥，生成更多的水化硅酸钙及水化铝酸钙凝胶填充水泥浆体内部孔隙，进一步改善了孔结构。一般随矿渣比表面积的增加，砂浆的强度相应增加，但比表面积增加与强度的增加幅度之间并不是简单的线性关系，还得考虑粉体颗粒级配的影响。

图7 不同细度矿渣粉复掺的砂浆水化7 d的SEM图

图8 不同细度矿渣粉复掺的砂浆水化28 d的SEM图

2)SL1与SL3是细度差别比较大的两种矿渣粉，SL3中含有大量微细颗粒，这是SL1所比较欠缺的。SL1与SL3复掺时就可以弥补这部分的不足之处，二者的粗细颗粒可以有机搭配，使得胶凝材料粉体的颗粒级配更加合理。故SL1与SL3复掺时表现出一定程度的叠合效应。这两种矿物掺合料复合掺配时SL3的掺量占主导地位时由于SL3掺量大时，粉体中的微细颗粒含量高，易于满足粉体材料紧密堆积时对微细颗粒的要求。故随着SL3的掺量增加，水泥浆体的密实度也是不断提高，故砂浆的强度得到提高。

［1］ 蒲心诚，王勇威.高效活性矿物掺料与混凝土的高性能化［J］.混凝土，2002(2)：3-6.

［2］ 李 滢，杨 静.胶凝材料颗粒级配对水泥凝胶体结构及强度的影响［J］.新型建筑材料，2004(3)：3-6.

［3］ Quanlin Niu，Naiqian Feng，Jing Yang，Xiao Yan Zheng.Effect of Superfine Slag Powder on Cement Properties［J］.Cement and Concrete Research，2002(32)：615-621.

［4］ 张永娟，张 雄，窦 竟.矿渣微粉颗粒分布与其活性指数的灰色关联分析［J］.建筑材料学报，2001(1)：44-48.