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摘要：近几年来，随着原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏，人们逐渐认识到：过早破坏的原因不是由于强度不足，而是由于混凝土耐久性不良。从建筑物的“百年大计”来讲，混凝土的耐久性应比强度更为重要。研究表明，磨细矿渣粉的使用既减少混凝土中的水泥用量，降低混凝土生产成本，又变废为宝、化害为利，更大发挥高性能混凝土的优势，改善混凝土的工作性、耐久性和物理力学性能。取得更大的环保与技术经济效益，值得大量推广。
关键词：矿渣粉；颗粒群参数；混合水泥性能
引言：随着粉磨技术以及混凝土技术的发展，矿渣微粉已成为水泥和混凝土的重要组成部分。为了规范矿渣微粉的生产和使用，我国制定了《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》国家标准。本文以混合材料的填充效应和微集料效应为基础，利用矿渣微粉和矿渣粗粉制备了不同于正常矿渣粉颗粒分布的样品，并就样品对水泥性能的影响进行了试验研究。
一、细度及颗粒群参数
1.1混合矿渣粉
本试验研究配料用的矿渣粗粉、矿渣粉产品、矿渣微粉和水泥样品的细度参数见表1。其中，矿渣粗粉为在矿渣粉生产线直接抽取的粗粉样品；矿渣粉产品为同一生产线生产的成品；矿渣微粉1为矿渣粉产品经试验室统一小磨细磨的样品；矿渣微粉2为矿渣粉产品加7%的石灰石经试验室统一小磨细磨的样品，以提高微粉的含量；水泥为琉璃河P?O42.5水泥。
利用矿渣粗粉、矿渣粉和矿渣微粉配置的混合矿渣粉的颗粒群参数见表2和表3。颗粒群参数中，筛余按GB/T1345—2005进行，比表面积按GB/T8074—2008进行，颗粒分布由MASTERSIZER激光颗粒仪测定，介质为无水乙醇。混合水泥颗粒参数根据配料
比例计算得到。其中，KF1～KF4为矿渣粗粉、矿渣粉和矿渣微粉1三者混合后的混合矿渣粉，其比表面积与矿渣粉一致；KF5～KF7为矿渣粉和矿渣微粉1混合（其比表面积保持一致，为442m2/kg），然后和矿渣粗粉混合形成比表面积各异的样品；KF8～KF11为矿渣粗粉和矿渣微粉1按比例混合的混合矿渣粉样品；KF12为矿渣粗粉和矿渣微粉2各50%配制的混合矿渣粉样品。
从表2看出，随着矿渣粗粉比例的提高，混合矿渣粉中的45μm和80μm筛余逐步提高，而比表面积则因微粉的用量不同而不同。从表3看出，随着配料方案的不同，混合矿渣粉的颗粒分布也随之变化。矿渣粗粉比例越高，混合矿渣粉中的粗颗粒越多；矿渣微粉的比例越高，混合矿渣粉中的微粉颗粒含量越大。与之相应地，混合矿渣粉的颗粒分布均匀性系数由矿渣粉产品的1.52逐渐下降为0.78，矿渣粉的颗粒分布显著变宽。但采用三组分配料时，矿渣粉中的微粉含量与矿渣粉产品相比变化不大；而采用两组分配料时，矿渣粉的颗粒群向两端集中，即微粉和粗粉含量同时增加。特别是KF12，由于内掺7%的石灰石共同粉磨，虽然混合矿渣粉的比表面积没有明显增加，但矿渣粉中小于3μm和大于32μm的颗粒含量明显增加。
从表3还看出，矿渣粉产品的颗粒分布基本与配用水泥相似，其微粉的含量还要少于水泥，比水泥的颗粒分布还要宽。在利用矿渣粗粉、矿渣粉和矿渣微粉配料后（KF1～KF7），颗粒分布范围有所改善，虽然粗粉含量增加，但微粉的含量大多数还是少于水泥；在利用粗粉和微粉配料后（KF8～KF11），混合矿渣粉中的微粉含量随微粉比例的提高而提高，多于或接近水泥；KF12由于采用了添加石灰石的微粉配料，所以其微粉含量显著增加，远远超过水泥。
1.2混合水泥
混合矿渣粉配制水泥的颗粒群参数见表4、表5和图1。从表4和表5看出，混合水泥的颗粒群参数变化规律与混合矿渣粉一致。特别是K12样品的颗粒分布与Fuller曲线最为接近（见图1）。
二、水泥性能试验及方法
标准稠度用水量按GB/T1346—2001进行；Marsh时间按JC/T1083—2008进行，基准减水剂掺量0.8%；水泥胶砂强度按GB/T17671—1999进行。部分混合水泥的使用性能结果见表6，混合水泥的强度结果见表7。不同配料混合矿渣粉的3d、7d和28d抗压强度比见表8。
从表6看出，对矿渣粉的颗粒组成进行调整后，即拓宽矿渣粉的颗粒分布，能够改善水泥的使用性能，水泥标准稠度用水量降低6%，水泥浆体初始Marsh时间和60minMarsh时间减少32%。即使比表面积比KF0高出近60m2/kg的KF5，用其配制水泥的使用性能也优于用KF0配制的水泥。在矿渣粉的比表面积相同时（KF0、KF3、KF4），随矿渣粉中粗粉和微粉的增加，水泥的标准稠度用水量降低，Marsh时间减少。采用矿渣粉两元配料时（KF8和KF9），水泥的使用性能明显好于三元配料（KF5和KF6）。
从表7看出，对矿渣粉的颗粒组成进行调整后，混合水泥的力学性能因矿渣粉的颗粒组成不同而出现较大的差异。在矿渣粉的比表面积相同时（KF1～KF4），提高微粉的用量虽然能够提高水泥的早期强度，但提高的幅度很小，同时28d抗压强度基本不变。只有矿渣粉的
比表面积大幅度提高时（KF5、KF6），水泥的抗压强度才有较大的增加。而其中的KF7、KF11和KF12的比表面积虽然分别只有329、336和368m2/kg，但利用KF7、KF11制备的水泥抗压强度却与KF0的相当，而利用KF12制备的水泥3d抗压强度提高近5MPa，7d抗压强度提高8MPa，但28d抗压强度提高不明显。由表8看出，混合水泥的抗压强度比也表现出相应的变化规律。
三、影响矿渣粉活性和混合水泥使用性能的主要因素及规律分析
3.1影响混合水泥使用性能的主要因素及规律
3.1.1均匀性系数的影响
混合矿渣粉的均匀性系数对水泥使用性能的影响规律见图2。从图2看出，水泥浆体的Marsh时间和标准稠度用水量基本随均匀性系数的增加而提高。
3.1.3比表面积的影响
混合矿渣粉的比表面积对混合水泥使用性能的影响见图5。从图5中看出，如果剔除因颗粒分布过于集中造成水泥使用性能恶化的KF0点，则水泥浆体的Marsh时间和标准稠度用水量随比表面积的增加而增加，即使用性能下降。原因为比表面积的提高，增加了包覆颗粒形成水膜的用水量。
3.2影响混合矿渣粉活性的主要因素及规律
混合矿渣粉的均匀性系数对混合水泥抗压强度比的影响见图6。从图6中看出，混合水泥的3d、7d抗压强度比与矿渣粉的均匀性系数具有很好的相关性，而28d抗压强度相关性不明显。这是因为，虽然矿渣粉颗粒分布的拓宽能够提高混合水泥颗粒的堆积紧密程度，但不可能实现完全的紧密堆积，在水化硬化浆体间仍存在一定量的空隙，而这些不能通过颗粒物理堆积消除的空隙需要水泥水化产物的填充才能消除。但由于矿渣粉的活性低于熟料，基本要在7d后才能参与水泥的水化，因此在早期颗粒的物理填充作用效果明显，而后期在大量矿渣水化的情况下就不能显现出来，而图7混合矿渣粉＞3μm颗粒含量对抗压强度比的影响也证明了在大掺量矿渣情况下微粉填充效应的作用效果。从图7看出，矿渣粉的3d、7d抗压强度比基本随＞3μm颗粒含量的增加而降低，28d抗压强度比没有趋势性。同时，从图7中也可以看出，当矿渣粉中的＞3μm颗粒含量高于85%时，抗压强度比的降低幅度很小；但＞3μm颗粒含量低于85%时，矿渣粉的3d、7d抗压强度比随＜3μm颗粒含量的增加迅速提高，表明此时的微粉填充效应强烈，既发挥填充效应又快速水化以弥补填充效应后留下的颗粒空隙，使水泥强度的增长正常。
图8为混合矿渣粉比表面积对混合水泥抗压强度比的影响。从图中看出，3d、7d和28d抗压强度比与比表面积具有一定的相关性，抗压强度比随比表面积增加而提高，但28d的相关性要远远高于3d和7d。表明混合水泥28d抗压强度比与活性直接相关外，3d和7d的抗压强度比还与其他因素相关，与上面的分析一致。从抗压强度比随比表面积的增长幅度来看，7d的最高，28d次之，3d最低。
从结果分析可以得出，微粉填充效应主要对水泥的早期力学性能影响大，对后期影响不大，对水泥后期力学性能影响大的为水泥中的颗粒水化总量，或者说只有微粉填充效应使水泥颗粒堆积的紧密程度达到不需要太多的水化产物填充时才能影响后期力学性能。
四、结论
4.1矿渣粉颗粒分布的宽窄、颗粒粗大化所导致的颗粒堆积密度是影响混合水泥使用性能的根本原因；颗粒分布宽、粗大化有利于混合水泥使用性能的提高。
4.2矿渣粉颗粒分布的宽窄、颗粒粗大化所导致的颗粒堆积密度影响混合水泥抗压强度比的高低，但主要对早期作用明显。而后期的抗压强度比则与矿渣粉的比表面积直接相关。
4.3矿渣粉生产时，在保证其具有较高的比表面积的同时，应尽量提高矿渣粉中的微粉含量，使混合水泥的颗粒堆积紧密化，以全面提高混合水泥的性能。
结束语
随着现代建筑技术的发展和人们对居住环境的要求日益突出，虽然粉煤灰、矿渣粉等工业固废已广泛应用于各种普通干混砂浆的生产，但是掺粉煤灰、矿渣粉的砂浆，尤其是较大掺量的砂浆，其早期力学性能明显降低，严重制约了粉煤灰、矿渣粉在砂浆中的大规模应用。研究掺矿渣粉的高性能混凝土，对发展绿色环保建材，实现水泥混凝土工业资源优化配置和可持续发展具有重大的意义。
参考文献
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