前言
我国水泥工业向地球大气层累计排放了75亿t的CO2，占全世界排放量的1/2，对环境影响很大，故未来的水泥工业必须严格限制硅酸盐水泥熟料的掺量。矿渣粉是一种绿色环保建筑材料，生产矿渣粉的原材料“矿渣”为炼铁过程的副产品，其生产过程中所产生的碳排放量仅为普通硅酸盐水泥的5%～10%，每应用1t粒化高炉矿渣粉可以减少863kg的CO2排放。粒化高炉矿渣粉作为一种高性能混凝土掺和料已在商品混凝土中得到广泛应用，并且取得了良好的效果，如减少水化热、降低成本、增加耐久性等。目前混凝土中矿粉掺量一般在40%以下，但从活性分析上来看矿粉在混凝土中的取代量应该还可以增大。笔者以矿粉、粉煤灰、水泥组成复合胶凝材料，首先研究了矿粉掺量对胶凝材料基本性能的影响，确定合适的胶凝材料搭配比例；然后以此种胶凝材料进行C30混凝土的配制试验。
1原材料及试验方法
1.1原材料
1.1.1矿粉采用武汉武新新型建筑材料有限公司生产的S95级矿粉，其主要技术指标见表1。1.1.2水泥采用湖北亚东水泥有限公司生产的P•O42.5水泥，其水泥性能见表2。1.1.3粉煤灰武汉阳逻电厂生产的粉煤灰，其粉煤灰主要性能指标见表3。1.1.4减水剂武汉源锦建材科技有限公司生产的聚羧酸盐高效减水剂，减水率为21.2%，固含量为10.4%。1.1.5砂采用河砂作为细集料，细度模数为2.15，含泥量为2.4，其颗粒级配见表4。1.1.6石子所用石子的含泥量为0.2%，其颗粒级配见表5。
1.2试验方法
1.2.1试验设计首先研究了矿粉掺量对混凝土中胶凝材料体系基本性能的影响，并据此确定胶凝材料的组成；参照搅拌站常用的C30混凝土配合比配制混凝土并测试新拌混凝土性能及不同龄期的强度。1.2.2参照标准本研究主要试验参照的标准分别为：《水泥与减水剂相容性试验方法》（JC/T1083-2008）；《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB50080-2002）；《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB50081-2002）；《混凝土强度检验评定标准》（GB50107-1010）；《水泥标准稠度用水量凝结时间安定性检验方法》（GB/T1346-2011）；《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T17671-1999）；《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T2419-2005）。
2试验数据及分析
2.1胶凝材料体系的研究
2.1.1矿粉掺量对水泥标准稠度用水量的影响从图1中可以看到，水泥的标准稠度用水量随矿粉掺量的增加而减少，但当矿粉掺量增大至60%后，标准稠度用水量减少的趋势增加，这是矿粉的颗粒形貌以及颗粒级配等综合作用的结果[1]。矿粉与水泥的颗粒级配是互补的[2~3]。矿粉中小于3m的颗粒含量、大于32m的颗粒含量均小于相应的水泥中的颗粒含量，而3m～32m的颗粒含量则高于水泥。由此得出，矿粉的掺入可以使胶凝材料体系的孔隙率降低，减少填充水量。2.1.2矿粉掺量对水泥凝结时间的影响图2给出了不同矿粉掺量对复合胶凝材料浆体的凝结时间影响。水泥从加水开始到失去流动性，即从可塑状态发展到固体状态所需要的时间称为水泥的凝结时间。水泥的凝结时间分为初凝和终凝两种。初凝是指从水泥加水拌和到水泥浆达到人为规定的某一可塑状态所需的时间。初凝表示水泥浆开始失去可塑性并凝聚成块，此时不具有机械强度。终凝是指从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，达到人为规定的某一较致密的固体状态所需的时间。终凝表示胶体进一步紧密并失去其可塑性，产生机械强度，并能抵抗一定外力。从图2可以看到，随着矿粉掺量的增加，复合胶凝材料的初凝时间有增加趋势，而终凝时间却有减少的趋势。这说明该矿粉掺量增加后，使得复合胶凝材料浆体具有可塑状态的时间延长，而失去可塑性产生力学强度的时间则缩短。2.1.3矿粉掺量对水泥胶砂流动度的影响图3给出了矿粉掺量对胶砂流动度的影响规律。从图3可以看到，在相同胶砂比（1∶3）、水胶比（0.50）的条件下，随着矿粉掺量的增加，胶砂流动度有不断增长的趋势。这与前面矿粉掺量对水泥标准稠度用水量的影响规律相似，二者均说明了矿粉具有减水作用。2.1.4矿粉掺量对水泥胶砂力学性能的影响图4、图5给出了矿粉掺量对胶砂抗折、抗压强度的影响规律。从图4与图5可以看到，随着矿粉掺量的增加，3d/7d/28d的抗折强度、抗压强度均是降低的，且在矿粉掺量达到60%之后，降幅明显增加。从前面的标准稠度用水量结果中也可以看到，在矿粉掺量增加到60%之后，标准稠度用水量明显降低。这也说明了为何在相同胶砂比、水胶比的条件下，矿粉掺量达到60%之后，胶砂的强度明显下降。经过上述矿粉掺量对复合胶凝材料性能的影响分析，最后我们选择矿粉掺量为70%，其主要性能指标见表6。
2.2复合胶凝材料配制混凝土性能的研究
2.2.1混凝土配合比为便于和常规的商品混凝土对比，本次试验采用的混凝土配合比为搅拌站常用的C30混凝土配合比[4~5]，混凝土配合比见表7。2.2.2新拌混凝土性能图6反映了复合胶凝材料与P•O42.5水泥配制的混凝土的坍落度及经时损失情况。在初始状态P•O42.5水泥配制的混凝土坍落度好于复合胶凝材料配制的混凝土。这与水泥中减水剂的掺量较大有关。P•O42.5水泥配制的混凝土30min、1h的经时损失率分别为44%和78%；复合胶凝材料对应时间的经时损失率分别为41%和76%，比水泥低。掺有减水剂的混凝土坍落度经时损失的原因主要有两方面：首先从物理上来说，当高效减水剂掺入到水泥混凝土后，通过搅拌，水泥颗粒表面吸附高效减水剂分子，使得水泥粒子的Zeta电位提高。带电粒子之间存在静电斥力与范德华引力，阻止了水泥颗粒凝聚。水泥水化过程中，由于物理和化学的分散作用，液相中的粒子增多，分散的粒子由于布朗运动、重力、机械搅拌等，使粒子表面吸附的高效减水剂随时间增加而减少，从而两种水泥颗粒之间Zeta电位降低，相互间作用位能下降，产生凝聚，引起混凝土的坍落度经时损失。从化学方面来说，水泥浆流动度的经时变化与液相中高效减水剂的浓度有关。由于水泥初期水化反应，高效减水剂的消耗引起液相中高效减水剂浓度的降低，对水泥的分散作用减弱，造成混凝土坍落度的损失。另外，水泥水化产生CSH、Ca(OH)2等水化产物，会使新拌混凝土粘度增大，也是引起混凝土坍落度经时损失的原因之一。复合胶凝材料中水泥掺量较低[6]，而水化较为缓慢的矿粉掺量较高，水化进程缓慢是其经时损失较水泥低的原因。图7为两种胶凝材料配制的混凝土状态，其中a为复合胶凝材料配制的混凝土，b为普硅水泥配制的混凝土。从图中可以看出，复合胶凝材料对骨料的包裹性能更好，而水泥配制的混凝土出现了轻微的泌浆现象。2.2.3混凝土不同龄期强度图8反映了复合胶凝材料与水泥配制的混凝土不同龄期的强度状况。从图中可以看出，复合胶凝材料配制的混凝土早期强度低于水泥配制的混凝土。但复合胶凝材料后期强度增长率大于水泥，这导致了复合胶凝材料配制的混凝土28d强度反而高于水泥配制的混凝土[7~8]。表8列出了三组复合胶凝材料、水泥配制的混凝土的28d强度。由于试验过程采用的是100mm×100mm×100mm的模具，所以对强度进行了换算，乘以0.95的尺寸折算系数。结论（1）矿粉掺量增加可以降低复合胶凝材料的标准稠度用水量，增加胶砂的流动度，同时增加胶凝材料的初凝时间，降低终凝时间，但矿粉掺量增加对胶砂的力学性能特别是早期强度不利，但是矿粉掺量达到70%时仍能配制出性能满足P•O32.5性能要求的胶凝材料。（2）利用复合胶凝材料配制的混凝土对骨料的包裹性能比水泥好，复合胶凝材料对混凝土工作性能有利，可以增加坍落度，同时由于其早期水化速度较慢，故其坍落度经时损失率小于水泥。（3）复合胶凝材料配制的混凝土早期强度略低于水泥配制的混凝土，但后期强度能赶上甚至超过水泥配制的混凝土。利用这两种胶凝材料，按照常规C30配合比配制的混凝土都能满足《混凝土强度检验评定标准》（GB50107-2010）中非统计方法对C30混凝土的要求。（4）矿粉掺量增大，胶凝材料和混凝土的早期强度会降低。为完善以矿粉为主要胶凝材料的混凝土的理论体系，我们还应从矿粉与常见外加剂的相容性；矿粉对混凝土耐久性的影响；添加碱性激发剂，提高胶凝材料和混凝土的早期强度；针对大掺量矿粉的特点优化混凝土配合比等方面进行试验研究。
作者：高立 单位：武汉武新新型建材有限公司
