【分享】工業礦渣廢料在混凝土中的應用

摘 要：本文主要以工業礦渣廢料在混凝土中的生產應用 為主要的研究對象，介紹了工業廢渣在混凝土生產過程中的應 用歷史。在此基礎上，收集了實驗數據，說明礦渣摻入後，混凝 土的各項性能指標的改善。最後，提出了礦渣粉商業混凝土生 產過程中，應該嚴格把控的技術指標。本文結論為礦渣水泥的 生產、應用和普及，提供了可靠的參考，其結論具有實踐意義。

關鍵詞：工業礦渣；混凝土；礦渣粉；應用

1 工業礦渣粉在混凝土中的應用歷史

在工業生產過程中，高爐礦渣經過研磨以後，得到的一種水 淬粒化的粉末狀材料，就是礦渣粉，如圖 1 所示。該類材料自 1862年，德國人發現並應用於水泥混合材料後，工業礦渣粉就被 廣泛應用於建築材料的性能改善中。

總結來看，2000年以前對於礦渣粉的使用，國內外存在較大 的差別。國外將礦渣和水泥熟料混合研磨，用於生產礦渣水泥。此外，還將礦渣單獨進行研磨，作為摻合料使用。相比之下，國 內則主要將礦渣與水泥熟料混合研磨使用。從研磨的角度看， 工業礦渣相比水泥熟料更難為研磨。一般情況下，水泥的研磨 細度可以控制在300m2 /kg,而工業礦渣細度只能達到200m2 /kg~ 250m2 /kg左右。因此，這種研磨細度下的礦渣粉的活性受限，摻 和量過高時還會導致水泥的性能降低。

進一步地研究表明，礦粉在生產高強度混凝土的過程中可以發揮更大的價值。自上世紀80年代開始，我國對高爐礦渣粉的性質和特點進行了大規模的研究。先後取得了《高強度混凝土設計與施工指南》、《混凝土和砂漿用粒化高爐礦渣微粉》、《粒化高爐礦渣微粉在混凝土中應用技術規程》等一大批應用成果。

這些成果表明，工業礦渣礦粉在混凝土工業領域具有廣闊的應 用價值和前景。隨著礦渣研磨技術的不斷改良，如今礦渣研磨細度可以達 到400m2 /kg以上。我國的商用混凝土生產工藝，特別是商品混 凝土膠凝材料體系的生產工藝正由「水泥」、「水泥+粉煤灰」向 「水泥+粉煤灰+礦粉」體系轉變。然而，對於摻和了礦渣粉的混 凝土在應用過程中，表現出來的各項性能指標，還需要進一步地 去研究。

2 工業礦渣粉對混凝土性能的改善

我們在收集一些實驗數據的基礎上，考察礦渣粉對混凝土 耐久性的改善程度。這些性能包括：對混凝土的工作性能和力 學影響、對混凝土抗滲性的影響、對水泥的水化熱影響、對混凝 土抗凍性的影響等。

2.1 礦渣混凝土工作性能和力學性能

我們發現摻入礦渣後，對混凝土的工作性能和力學影響主 要表現在兩個方面。

2.1.1 摻入礦渣後會對水泥膠砂的流動性和凝結時間產生影響

同樣水量的情況下，隨著礦渣的加入，水泥膠砂的流動性會 發生明顯增大的現象，從而水泥的凝結時間也會變長。由於其 的流動性提高，對應的施工過程中的工作性能也發生了較明顯 地改善。對於大體積混凝土的澆築過程而言，凝結時間的延長， 使得熱量不會集中釋放，這對於混凝土最終強度的形成都是十 分有利的。

2.1.2 摻入礦渣後會水泥膠砂的強度產生影響

對於摻入礦渣後的混凝土強度性能，我們從表1中的實驗結 果中可以分析出，隨著高爐礦渣粉摻入量的增加，混凝土的3d抗 壓強度會明顯地降低。同樣的，7d強度也在下降。但是，28d和 56d的強度基本沒有太大的變化。事實上，結合本章中對於流動 性和凝結時間的闡述，我們容易推測，高爐礦渣的加入會影響混 凝土的工作性和凝結時間，從而明顯影響到混凝土的初凝強度。

2.2 礦渣混凝土抗滲性能

進一步地，我們考察礦渣混凝土抗水性能及特點。我們在 考察一組實驗數據的基礎上，總結摻雜有礦渣的混凝土表現出 來的抗滲特性。

分析以上的實驗數據，我們發現，無論是粉煤灰與礦粉混合 摻入混凝土，還是礦粉單獨加入混凝土，混凝土的抗滲等級都會 明顯地提高。結合相關的物理化學知識，我們認為當混凝土中 摻入了礦粉或粉煤灰等摻合料時，他們會進一步地促使水泥的 二次水化反應，進一步地水化反應導致了混凝土的空隙變得更 加密集，混凝土的密實度提高，進而大幅度地提升了混凝土的抗 滲性能。

結合以往的工程經驗，對於摻入礦粉的粒徑，對混凝土的抗 滲性能改善程度，有如下經驗。

（1）當 3mm~5mm 的透水混凝土孔隙率為 45% 的情況下， 5mm~10mm的透水混凝土孔隙率為16%時，礦渣的摻入量達到 7.5%，可以滿足抗壓強度20MPa，抗彎折強度2.5MPa的要求。礦 粉的添加方式為內滲法，對透水混凝土的抗壓強度會有小幅度 的提升。

（2）當採用庫侖電量方法評價時，礦粉、粉煤灰和引氣劑他 們能夠使得混凝土的滲透性降低。礦粉越細、摻量越大，特別是 礦粉與粉煤灰和引氣劑複合使用時，能夠顯著降低混凝土的滲 透性。

（3）對於高強度的混凝土，例如C50的混凝土，礦粉及其與 粉煤灰的複合摻和料，特別是引氣劑均能顯著降低混凝土的滲 透性。

2.3 礦渣混凝土的水化熱

混凝土硬化過程中，由於水泥的水化作用會釋放大量的熱。混凝土本身的熱阻較高，短時間內不能夠將熱量釋放給環境。這就會導致熱量在混凝土結構內部的聚集，由於結構內外的溫 度差，會使結構產生不均勻地溫度變形和溫度應力。這些應力 的聚集最終會導致微裂紋的產生，甚至擴展成為宏觀裂縫，這是 導致混凝土早期開裂的主要原因。

3 工業礦渣粉在商用混凝土拌和站中的應用

從以上的分析中，我們看到高爐礦渣廢料在混凝土中確實 有諸多的好處，對於混凝土性能改善方面，效益顯著。但是，從 商用生產的角度來看，礦渣的使用需要特別注意一些問題。從 而，嚴格把控混凝土產品的質量。具體來說包含以下幾個方面。

3.1 嚴格把控礦粉的細度

目前，對於大多數的礦粉生產線而言，能夠生產的礦粉細讀 的範圍在400m2 /kg~500m2 /kg的範圍內。這個範圍內的礦粉，在 摻入混凝土後，性質穩定，表現出比較優良的性質。相反，當礦 粉的研磨細度大幅度降低的時候，會出現諸多的問題。例如：不 達標的礦粉摻入會導致混凝土的黏聚性降低，混凝土出現離析 和泌水現象；凝結時間會延長，從而導致混凝土的早期強度降 低。因此，礦粉的研磨工藝質量必須要保證，研磨後的產品質量 必須加以檢測和控制。

3.2 控制礦粉的摻入量，防止利益驅動下的盲目摻入

我們按照之前的分析，可以看到，礦粉的摻入，能夠有效地 降低生產成本。但是，並不是單純的增加礦粉的摻入量，就能夠 提高混凝土的生產效益。

通過經驗總結，結合一些商用混凝土生產工藝試驗結果，得到的一些基本經驗。

（1）當混凝土生產時，只摻入摻礦粉的條件下，摻入量以 30％~40％為宜。大體積混凝土可以增加至50％以上，從而實現 降低水化熱的目的。

（2）當多種摻合料共同摻入時，例如礦粉和粉煤灰同時摻入 的情況。在集料總量一定的情況下，總取代量不應當超過50％。同時要求，粉煤灰控制在20％以內，礦粉控制在30％以內。

（3）在商用生產中，剛開始使用時，建議粉煤灰的摻入量能 夠控制在10%以內，礦粉的使用量能夠控制在20%以內。

進一步地總結實驗數據，發現礦粉的摻入量在70%以內時， 對混凝土的強度影響有限。然而實際生產過程中並不能完全依 據實驗室數據，實際生產和實驗數據存在一定的偏差和問題，包 括：混凝土的凝結時間問題。對於一般的混凝土施工而言，凝結 時間過長，並不利於施工，豎向結構在長期的塑性狀態下，容易 收縮、沉降。此外，還有黏聚性的問題。一般而言，強度等級較 低的混凝土，其黏聚性差。因此需要設法增加其黏度，減少混凝 土自身離析泌水的可能。而相反，強度等級較高的混凝土黏聚 性大，施工過程中需要降低其黏聚性。當有大體積混凝土澆築 的情況時，同時要求高強度的混凝土，考慮採用礦粉和可以降低 混凝土黏度的優質Ⅰ級粉煤灰複合使用。

3.3 摻入礦粉後的混凝土對養護條件要求更為苛刻

就養護條件而言，摻入礦粉的混凝土在養護過程中，要求更 高。我們收集實測數據，顯示採用C40的混凝土澆築，礦粉的摻 入量為25%，Ⅱ級粉煤灰摻入量為15%，這些摻合料可以取代等 比例的水泥。經過符合條件的養護後，28d測得的回彈值很低。按照經驗推斷強度只有C30左右，且混凝土的表面碳化很嚴重， 碳化的深度在1.5mm~2.5mm之間，嚴重的地方高達4mm。抽芯 檢測發現混凝土強度很高，測得的強度實際值在47MPa~62MPa 之間。

這些實驗結果表明，礦粉或者粉煤灰摻入後，替代了水泥， 但是其強度性能一般不受影響。然而，實際的養護條件等外在 因素有極大地不確定性，混凝土最終的強度值是明顯低於理論 值的。

3.4 復摻時，針對不同等級粉煤灰，選擇合適的複合比例

對於摻入的礦渣類別，一般採用粉煤灰和礦渣共同摻入。一方面，粉煤灰在價格上比礦渣更為便宜，且二者對混凝土性能 的影響類似，為了降低成本，可以考慮混合摻入。另外一方面， 我們要善於利用兩種摻合料的自身特點和性能，充分做到「優勢 互補」，從而改善混凝土性能。因此，對於某些條件下的粉煤灰 和礦渣復摻，我們應該根據實驗結果，來確定實際施工過程中配 置混凝土時的確切複合比例。

上述內容在礦渣摻入混凝土實際生產應用中，具有很明顯 地應用價值。對於商品混凝土攪拌站生產而言，應該積極探索 上述因素對礦渣摻入混凝土生產過程中的實際影響，這將為商 品混凝土的生產起到一定的實際指導作用。

4 結束語

本文通過詳細論述礦渣廢料在混凝土中摻入後的各項性能 指標，以及商業化生產中存在的諸多問題。認為摻入礦渣後的 混凝土在工作性能上表現出凝固時間變長，早期強度降低等特 點；在抗滲性能上，因為礦粉的摻入，改變了混凝土原有的孔隙 特性，使其結構變得更加密實，因此，有更好地抗滲性能。在水 化熱方面，會因礦粉的摻入，水化熱降低。在抗凍性能方面，也 會明顯有所改善。但是，在實際商品混凝土生產中，摻入礦粉 後，上述性能的改善，還需要具體的生產工藝、質量等來做保證。

範海波

陝西省土地工程建設集團有限責任公司寶雞分公司