蒋威，孙天洋，张士萍，张智雅，贾思宁，汤杰

（南京工程学院建筑工程学院 江苏 南京 211167）

0 引言

高炉矿渣是在炼铁过程中经由高炉产生的副产品。熔融状态下的高炉矿渣经过水冷处理后会呈现颗粒状，从而就有了粒化高炉矿渣。粒化高炉矿渣是由90%的SiO2、Al2O3、Fe2O3等氧化产物和少量的MgO 和硫化物组成。其化学成分和普通硅酸盐水泥相近，且具有一定的活性。由于粒化高炉矿渣具有这些特性使其能够适量代替硅酸盐水泥制成矿渣混凝土，而且粒化高炉矿渣具有二次水化的能力，使得混凝土的性能在后期能有进一步的提高。同时，粒化高炉矿渣各项物理性能与天然砂相近，使得其能够适量代替砂石制成矿渣代砂混凝土。5~20 目的矿渣代替天然砂石，300~400 目的矿粉代替硅酸盐水泥，掺入其中可使制成的混凝土性能达到最佳。然而国内对不同粒径的矿渣分别取代硅酸盐水泥和砂石掺入混凝土的研究还处于摸索阶段，主要对此进行归纳总结，综述矿渣混凝土的研究现状，提出一些待解决的问题以及对未来的展望。

1 研究背景及意义

由于当今中国经济的快速发展，人们对住房的需求越来越高，必然导致混凝土需求量的增加。天然砂作为混凝土中的细骨料对混凝土的力学性能起着重要的作用。众所周知，天然砂形成周期长，可以说天然砂称得上是不可再生资源。随着天然砂的不断开采，部分地区河床的塌落，更重要的是环境遭到严重污染，这与可持续发展是相违背的。因此，很多地方限制开采。面对如此大的供需，机制砂被用来替代天然砂，然而机制砂和易性较差无法保证施工质量。

我国是钢铁出口大国，钢铁的生产量居全球前列。冶炼生铁必然地会产生大量的粒化高炉矿渣。如此庞大数量的粒化高炉矿渣既浪费土地堆放又不可避免地污染环境。早前高炉矿渣被用来铺设道路，利用仍算不上最大化。若矿渣取代部分天然砂作为细集料参与混凝土的形成，既缓解了天然砂的使用紧张情况又实现了绿色建筑这一理念。同时，300~400 目矿渣粉的价格相比水泥便宜不少，如果矿渣粉可作为胶凝材料取代水泥，而且力学性能以及耐久性能不会受到太大的影响，这样每方混凝土便可节约一定的成本，有利于促进经济发展。综上所述，研究大掺量不同粒径的矿渣混凝土是具有重大意义的。

2 国内粒化高炉矿渣发展进程

2.1 矿渣部分取代水泥

黄成华等[1]研究了矿渣等量取代以及超量取代水泥对混凝土性能的影响，试验发现，随着矿渣掺量的不断增加，混凝土7d 强度呈线性下降；28d 以及60d 强度相较于不掺矿渣均有不同程度的增长。综合表明：当矿渣掺量为30%时，相较于基准混凝土，矿渣等量取代水泥混凝土的强度提升最高。矿渣超量取代且超代系数为1.3 时，对混凝土早期的强度提升最多，相较于矿渣等量取代，混凝土的强度能够有更大的提升。无论是矿渣等量还是超量取代，在合理的掺量下其抗氯离子渗透性以及抗气体渗透性都能得到改善。

卫蕊艳等[2]对矿渣取代普通混凝土以及矿渣水泥混凝土进行了研究，大量试验验表明矿渣等量取代时，混凝土的塌落度会得到明显的改善。在水灰比＜0.45 时，2 种取代方式下的混凝土早期强度相较于素混凝土都会有所下降；水灰比＞0.45时，矿粉取代矿渣水泥混凝土的早期强度随取代量的增加而增加。最后得出结论：矿渣等量取代硅酸盐水泥，取代量在30%~40%为宜；矿粉等量取代矿渣水泥，最佳取代量在20%左右。

丁红霞[3]研究了大掺量矿渣混凝土的各项性能，研究结果表明:矿渣粉混凝土中加入少量减水剂早期强度能够得到保证，同时大掺量矿渣粉混凝土的抗氯离子渗透性较素混凝土有较好的提升，且得出最佳掺量在60%。由于替代部分硅酸盐水泥使得生成的氢氧化钙成分减少，从而抗碳化性能也相对减弱。

李志雄等[4]通过对矿渣粉等量取代硅酸盐水泥进行探究性实验，结果发现：新拌混凝土的塌落度增加，凝结时间也在增加。在一定程度上，随着取代率的增加，强度也随之提高。最后得出最佳取代率范在25%~35%。

刘波等[5]研究大掺量矿渣粉在大体积混凝土中的应用，试验发现：随着矿渣的掺入，大体积混凝土的水化热逐渐降低，与此同时掺入矿渣，混凝土的后期强度有所提高以及抗氯离子渗透性也有所增强，但矿渣粉的取代对混凝土的干缩性能没有明显提升。最后得出最佳掺量为50%左右。

2.2 矿渣部分取代砂石

石东升等[6]通过快冻法试验，在正交分析理论的基础上，利用极差分析理论对矿渣代砂混凝土进行分析，发现代砂率100%粒化高炉矿渣混凝土相比于其他的混凝土，抗压强度更好，抗冻融破坏的能力也更强。经过冻融后普通混凝土和完全矿渣代砂混凝土有相差不大的质量损失，综合来看矿渣代砂混凝土的抗冻性良好。

於林锋等[7]人研究了用矿渣代替天然砂对混凝土性能的影响，得出结论，无论多少取代率的矿渣代砂混凝土工作性能都相对较差，使得塌落度以及泌水率相比于素混凝土差别较大。同时，在一定限度内，矿渣代砂混凝土的抗压抗折强度随着取代率的提高而增加。

朱蓓蓉等[8]人研究了粒化高炉矿渣作为细骨料对混凝土力学性能的影响，结果表明，由于矿渣相比于天然砂存在着差异，导致新拌混凝土的用水量增加。矿渣代砂水泥砂浆在初期抗折强度相对降低，28d 后不同矿渣代砂率水泥砂浆抗折强度有所提高。相同龄期下，水泥砂浆的干缩率会相对降低；矿渣代砂混凝土在不同强度等级下抗压强度均高于普通混凝土，而且与矿渣代砂率成一定正比。

贾青等[9]分析了矿渣代砂混凝土的应用前景，研究发现：矿渣掺入特细砂中可减少水泥用量，而且强度不会损失。同时，矿渣代砂混凝土相比素混凝土保温隔热性能更好。

李明轩等[10]通过正交试验和对比试验对矿渣代砂混凝土进行研究。研究发现：对新拌混凝土流动性影响最大的是砂率，水胶比、矿渣掺量次之，且得出矿渣最佳取代率为40%。矿渣代砂混凝土力学性能方面：矿渣取代率提高，混凝土抗压强度在一定掺量范围内是增加的，最后得出最佳取代率是60%。

马政等[11]通过对比试验研究了矿渣代砂混凝土的干缩性，实验表明：无论是矿渣代砂混凝土还是素混凝土，随着水胶比的降低干缩值也会随之降低；水胶比一定时，干缩值随龄期的增加而增加。

无论是矿渣取代水泥混凝土还是矿渣代砂混凝土相较于普通混凝土工作性能都较差，特别体现在保水性较差这个方面；力学性能方面，在一定取代范围内，对比普通混凝土大掺量矿渣混凝土的抗压抗折强度均有一定程度的提高，但是早期强度均不如普通混凝土；耐久性能方面，矿渣取代水泥混凝土具有较好的抗渗性以及相对较差的抗碳化性能。矿渣代砂混凝土突出表现在具有较好的保温隔热性、良好的干缩性以及抗冻性。

3 不同粒径大掺量矿渣混凝土存在的问题

（1） 由于矿渣和天然砂石的物理性质还存在着些许差异导致矿渣代砂混凝土的早期强度会普遍低于普通混凝土，如果施工时需要用到早强混凝土时则需要考虑矿渣是否能够掺入。

（2） 矿渣具有火山灰活性，碱激发剂有助于激发其活性。但值得关注的是不同的碱激发剂对于矿渣混凝土的性能影响大不相同。因此考虑选用碱激发剂的时候一定要多做实验进行对比，选择合理的碱激发剂，切记不要盲目使用。

（3） 大量实验表明矿渣作为单一物质取代砂石或者水泥对混凝土性能的提高还是可观的。那么矿渣能不能既取代砂石又取代水泥形成混凝土，它的效果怎么样有待进一步考察。

（4） 大掺量矿渣混凝土适当添加外加剂可有效改善混凝土的性能，但能使混凝土达到最佳状态时外加剂的掺量具体值目前还需细致的研究。

4 结语

（1） 冶炼生铁产生的粒化高炉矿渣可以有效利用，部分矿渣取代水泥减少水泥用量，部分矿渣取代天然砂缓解了当前天然砂使用紧张的情况，同时废物利用，降低了生产成本。

（2） 由于矿渣粉混凝土凝结时间长，且具有降低水化热的作用，这样由于温度应力引起的混凝土开裂问题就能得到缓解，保证工程质量。因此，该类混凝土在大体积混凝土中有着较大的价值，例如大坝，水电站等。

（3） 矿渣作为掺合料取代水泥和砂石，有利于改善混凝土的和易性和保水性。由于这些性能的提升，使得矿渣混凝土适用于大流动性混凝土的泵送。

（4） 大掺量矿渣混凝土具有良好的抗氯离子渗透性，可应用于跨海大桥桥墩的建设。

（5） 10~20 目的粒化高炉矿渣掺和价格低廉的特细砂配置成中砂作为细骨料，虽然可能有诸多缺点和不足，但从经济实惠以及可持续发展的角度而言值得被开发应用。