大掺量矿渣粉—水泥基胶凝材料和混凝土性能及其优化的研究
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摘要
由于矿渣粉的水化活性相对较低，因此盲目加大矿渣粉的掺量将直接影响胶凝材料和混凝土的早期力学性能，这使得水泥中矿渣粉的掺量受到限制。另一方面，矿渣较水泥熟料难磨，一起粉磨很难达到理想的细度，进一步影响了其活性的发挥。然而大掺量矿渣粉混凝土因其优异的耐久性及环保上的优势，越来越受到世界各国水泥行业的重视。
本文研究了矿渣粉高比例取代硅酸盐水泥对胶凝材料力学性能的影响，并针对早期强度低的特点选取了若干种激发剂，从中选出激发效果较优的含硫酸盐工业废渣，配制出了能达到P·S 42.5级水泥强度指标、矿渣粉取代量为70％和能达到P·S 32.5级水泥强度指标、矿渣粉取代量为80％的复合胶凝材料。并测试了它们其它的一些性能，结果表明加大矿渣粉掺量对标准稠度用水量、凝结时间、流动度影响很小，且干缩较小，耐硫酸盐侵蚀性好。
通过对大掺量矿渣粉混凝土和硅酸盐水泥混凝土力学和耐久性的实验研究表明，大掺量矿渣粉混凝土工作性良好，矿渣粉掺量为50％时其力学性能与硅酸盐水泥相当甚至更优，且后期强度发展空间大。大掺量矿渣粉混凝土具有优异的抗氯离子渗透性，渗透系数只有硅酸盐水泥混凝土的29％～36％。抗冻性能与硅酸盐水泥混凝土相当，但是抗碳化性能比硅酸盐水泥混凝土差。掺高效减水剂降低水胶比是提高大掺量矿渣粉混凝土抗碳化性能的有效途径之一。
通过对大掺量矿渣粉一水泥复合胶凝材料净浆与硅酸盐水泥净浆的微观测试和分析(MIP、XRD、SEM)发现，由于矿渣粉的二次水化反应，使得不利于微观结构的Ca(OH)_2晶体含量大大减少，C-S-H凝胶数量增多，水泥石更为致密，孔结构得到了改善，孔径分布更为合理，硫酸盐激发剂有效地激发了矿渣粉活性，促进了钙矾石的生成。
As the hydration reactivity of blast furnace slag (BFS) is low compared with cement clinker, blindly increase the amount of blast furnace slag powder (BFSP) will have a negative impact on the early age mechanical properties of cementitious materials and concrete, which limits the content of BFSP constituting Portland cement in concrete. On the other hand, the grindability of BFS is worse than cement clinker, so it's very difficult to get a desired fineness when ground together, which further affects the reactivity of BFSP. But, high volume BFSP concrete has got more and more attention in concrete construction all over the world due to its excellent durability and the environmental advantages.
The influences of Portland cement substituted by BFSP in a high proportion on the performance of cementitious materials were studied in this paper. For the lower early age strength, we choose several activators and selected the industry waste containing sulfate which has optimum activating effect. Composite cementitious materials which can met the requirement of P·S 42.5 cement when the quantity of BFSP powder replaced Portland cement by 70 % and that of P·S 32.5 cement when the content of BFSP powder is up to 80 % were obtained. Other performance of the composite cementitious materials was also experimentally studied, the results show that increasing BFSP content has little effect on standard consistency water quantity, setting time and fluidity, besides, the composite cementitious mortar have small shrinkage and good resistance to sulfate attack.
The experimental results studied on mechanical properties and durability of the high volume BFSP concrete and Portland cement concrete show that the high volume BFSP concrete has excellent workability. When the content of BFSP is 50 %, the mechanical properties of BFSP concrete are even better than Portland cement concrete. Furthermore, high volume BFSP concrete has excellent resistance to chloride ion permeability, the permeability coefficient is as low as 29%～36% that of Portland cement concrete. The frost resistance of high volume BFSP concrete is equal to that of Portland cement concrete while the carbonization resistance is poor. Reducing water cement ratio by adding superplasticizer is one of the effective ways to raise the carbonization resistance of the high BFSP concrete.
The results of MIP, XRD and SEM analysis on the large amount of slag-cement composite cementitious materials paste and Portland cement paste indicated that secondary hydration reaction of BFSP greatly reduced the amount of Ca (OH)_2 crystal which is bad for microstructure, and increased the number of C-S-H gel which made the hardening paste more dense, pore structure be improved and the pore size distribution more reasonable, sulfate activator effectively stimulated the activity of BFSP, accelerated the ettringite formation, and improved the pore structure.
本文研究了矿渣粉高比例取代硅酸盐水泥对胶凝材料力学性能的影响，并针对早期强度低的特点选取了若干种激发剂，从中选出激发效果较优的含硫酸盐工业废渣，配制出了能达到P·S 42.5级水泥强度指标、矿渣粉取代量为70％和能达到P·S 32.5级水泥强度指标、矿渣粉取代量为80％的复合胶凝材料。并测试了它们其它的一些性能，结果表明加大矿渣粉掺量对标准稠度用水量、凝结时间、流动度影响很小，且干缩较小，耐硫酸盐侵蚀性好。
通过对大掺量矿渣粉混凝土和硅酸盐水泥混凝土力学和耐久性的实验研究表明，大掺量矿渣粉混凝土工作性良好，矿渣粉掺量为50％时其力学性能与硅酸盐水泥相当甚至更优，且后期强度发展空间大。大掺量矿渣粉混凝土具有优异的抗氯离子渗透性，渗透系数只有硅酸盐水泥混凝土的29％～36％。抗冻性能与硅酸盐水泥混凝土相当，但是抗碳化性能比硅酸盐水泥混凝土差。掺高效减水剂降低水胶比是提高大掺量矿渣粉混凝土抗碳化性能的有效途径之一。
通过对大掺量矿渣粉一水泥复合胶凝材料净浆与硅酸盐水泥净浆的微观测试和分析(MIP、XRD、SEM)发现，由于矿渣粉的二次水化反应，使得不利于微观结构的Ca(OH)_2晶体含量大大减少，C-S-H凝胶数量增多，水泥石更为致密，孔结构得到了改善，孔径分布更为合理，硫酸盐激发剂有效地激发了矿渣粉活性，促进了钙矾石的生成。
As the hydration reactivity of blast furnace slag (BFS) is low compared with cement clinker, blindly increase the amount of blast furnace slag powder (BFSP) will have a negative impact on the early age mechanical properties of cementitious materials and concrete, which limits the content of BFSP constituting Portland cement in concrete. On the other hand, the grindability of BFS is worse than cement clinker, so it's very difficult to get a desired fineness when ground together, which further affects the reactivity of BFSP. But, high volume BFSP concrete has got more and more attention in concrete construction all over the world due to its excellent durability and the environmental advantages.
The influences of Portland cement substituted by BFSP in a high proportion on the performance of cementitious materials were studied in this paper. For the lower early age strength, we choose several activators and selected the industry waste containing sulfate which has optimum activating effect. Composite cementitious materials which can met the requirement of P·S 42.5 cement when the quantity of BFSP powder replaced Portland cement by 70 % and that of P·S 32.5 cement when the content of BFSP powder is up to 80 % were obtained. Other performance of the composite cementitious materials was also experimentally studied, the results show that increasing BFSP content has little effect on standard consistency water quantity, setting time and fluidity, besides, the composite cementitious mortar have small shrinkage and good resistance to sulfate attack.
The experimental results studied on mechanical properties and durability of the high volume BFSP concrete and Portland cement concrete show that the high volume BFSP concrete has excellent workability. When the content of BFSP is 50 %, the mechanical properties of BFSP concrete are even better than Portland cement concrete. Furthermore, high volume BFSP concrete has excellent resistance to chloride ion permeability, the permeability coefficient is as low as 29%～36% that of Portland cement concrete. The frost resistance of high volume BFSP concrete is equal to that of Portland cement concrete while the carbonization resistance is poor. Reducing water cement ratio by adding superplasticizer is one of the effective ways to raise the carbonization resistance of the high BFSP concrete.
The results of MIP, XRD and SEM analysis on the large amount of slag-cement composite cementitious materials paste and Portland cement paste indicated that secondary hydration reaction of BFSP greatly reduced the amount of Ca (OH)_2 crystal which is bad for microstructure, and increased the number of C-S-H gel which made the hardening paste more dense, pore structure be improved and the pore size distribution more reasonable, sulfate activator effectively stimulated the activity of BFSP, accelerated the ettringite formation, and improved the pore structure.
引文
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