低品质矿物掺合料在高性能混凝土中的应用

矿物掺合料是指平均粒径≤10μm，以活性氧化硅、氧化铝和其他有效矿物为主要成分，在混凝土中可以代替部分水泥、改善混凝土综合性能，且掺量≥5%的具有火山灰活性或潜在水硬性的粉体材料。GB/T18736―2002《高强高性能混凝土用矿物外加剂》明确规定：用于改善混凝土耐久性能而加入的、磨细的各种矿物掺合料，又称矿物外加剂。

矿物掺合料如粉煤灰、矿渣等是排放量很大的工业废料，然而其中只有很少一部分是中高品质的矿物掺合料，绝大多数都是低品质矿物掺合料。因其产品的性能波动较大，因此，在混凝土结构中的应用仅局限于高品质掺合料，大大降低了矿物掺合料的利用率。在混凝土中利用好低品质矿物掺合料是真正突破矿物掺合料利用率瓶颈，发挥掺合料自身价值的有效途径。

1.1 粉煤灰的质量等级划分

根据GB/T1596―2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和《粉煤灰混凝土应用技术规范》提出粉煤灰的技术要求，即细度、需水量比、烧失量、三氧化硫含量。根据标准，粉煤灰分为三个质量等级，具体见表1。

表1 粉煤灰质量等级   %

国内尚没有综合评定指标，粉煤灰的质量分级在一定程度上限制了低品质粉煤灰的应用。而其他一些国家的标准则相对有利于低品质粉煤灰特性的利用：如美国粉煤灰标准ASTMC 618规定，如果灰的烧失量或细度超出标准规定的范围，可以采用复合因素进行评价；英国也根据此复合因子判断粉煤灰的减水能力并划分为若干等级。

1.2 低品质粉煤灰的应用现状

目前研究较多的是将其用在混凝土生产中，用来替代部分水泥，不但可以大量消耗粉煤灰，减少水泥使用量，而且有着减少水化热、改善混凝土拌合物的流变性、提高混凝土的耐久性等诸多优异性能。然而，在混凝土中使用III级及等外灰作掺合料时,规范规定必须经过专门试验,就限制了它的应用。我国电厂产出的粉煤灰绝大部分是Ⅲ级灰和等外灰，Ⅰ、Ⅱ级灰只占总产量的5%，就导致我国的低品质粉煤灰利用率一直无法提升。因此，因地制宜地探索利用低品质粉煤灰的有效方法，有着较
高的经济效益和社会效益。

1.3 低品质粉煤灰在高性能混凝土中应用的技术路线

（1）掺外加剂激发粉煤灰活性。用化学方法对低品质粉煤灰进行改性，是提高粉煤灰活性的有效措施。其中包括碱激发、硫酸盐激发、氯盐激发等。激发剂能改善混凝土的性能，但有时和减水剂混掺时，会导致激发剂失效。再加之其他一些原因，这种方法并未能在工程实际中得到有意义的贯彻实施,而主要只应用于非主体结构和非承重结构的混凝土制品方面。

（2）进行粉磨。粉磨能够改善低品质粉煤灰细度，增加低品质粉煤灰比表面积，提高低品质粉煤灰活性，使其能更好地发挥形态效应、填充效应以及火山灰活性。目前,这种做法已得到普遍认可,一致认为是安全可靠的做法。

1.4 低品质粉煤灰在高性能混凝土中的应用

作为掺合料添加在混凝土中是低品质粉煤灰最主要的作用。低品质粉煤灰虽然具有颗粒粗、需水量大、活性低等缺点，但低品质粉煤灰混凝土具有和易性好、可泵性强、终饰性改善、抗冲击能力提高、抗冻性增强等优点，并且它的力学指标和耐久性指标基本满足要求；而且低品质粉煤灰混凝土和普通混凝土简支梁在抗弯和抗剪的宏观力学性能上没有明显差别。

低品质粉煤灰可以作为细集料代替细砂改善混凝土性能，同时还能够缓解天然砂短缺，增加粉煤灰用途，减小粉煤灰污染。相关研究已经有部分成果，比如杨东宁等研究低品质粉煤灰还可以代替黏土原料生产水泥，比如低温合成水泥、无熟料水泥等。

2.1 粒化高炉矿渣粉的质量等级划分

根据标准GB/T18046―2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中的定义，粒化高炉矿渣粉（Ground Granulated Blastfurnace Slag）是以粒化高炉矿渣为主要原料，通过粉磨（可掺加少量石膏）加工至一定细度的粉体材料。我国根据矿渣粉的7d、28d活性指数，把粒化高炉矿渣粉分成三个等级：S105，S95，S75，具体详见表2。

表2 粒化高炉矿渣粉的质量等级

美国ASTM C989-05标准把粒化高炉矿渣粉的质量等级划分为80等级、100等级和120等级，但是关于28d的活性指标强度值完全统一。

2.2 粒化高炉矿渣的应用现状

粒化高炉矿渣粉是炼铁高炉废渣经冷水淬化后形成的工业废料。有资料显示，通常每炼1t生铁产生高炉渣0.3~0.9t。2009年我国生铁产量54374.8万t，以每生产1t生铁产生0.3t高炉渣计算，每年产生高炉渣1.6312亿t。

近年来粒化高炉矿渣的开发和应用飞速发展，磨细后的矿渣被广泛地应用到水泥生产当中，是优良的水泥生产原料。还可以掺加到水泥混凝土中，改善混凝土各项性能，同时也可作土壤的改良材料等。但由于将粒化高炉矿渣磨细成本较高，且数量有限，大量的未经磨细的剩余矿渣，利用率低，不仅占用了大量的土地，而且污染毒化土壤、水体和大气，严重影响生态环境，造成明显或潜在的经济损失和资源浪费。

2.3 未磨细粒化高炉矿渣在高性能混凝土中应用的技术路线

一是进行简单粗放的利用，即直接或经过简单处理后，用作细集料和路材。这种方法利用率相对很低，经济环保效果比较差。

二是经烘干后与熟料（和石膏）共同粉磨制备矿渣水泥。由于高炉矿渣的易磨性比熟料差，两者共同粉磨时，高炉矿渣比熟料的颗粒粗得多，高炉矿渣的活性和其他改善混凝土耐久性的功能未得到充分发挥。

三是采用粉磨工艺将高炉矿渣磨细后，再与磨细的熟料（含石膏）混合均匀后制成普通或矿渣水泥，或者直接用作高性能混凝土的掺合料。这种方法的关键是将高炉矿渣磨细。目前采用较多的是立式磨机、卧式球磨机和振动研磨机。经立式磨机粉磨后会有很好的利用效果，而卧式球磨机粉磨后，活性不能得到充分发挥，造成早期强度偏低。

2.4 矿渣粉在高性能混凝土中的应用

矿渣粉具有良好的潜在活性，可以通过物理激发（把矿渣磨细或粉磨时加入助磨剂进行高细粉磨）、活化学激发（采用对混凝土耐久性无害的化学物质，激发矿渣的活性），使其呈现出水硬性。采用物理活化和化学活化相结合的方法能够最大限度地激发矿渣的潜在活性。

掺有激发活性的矿渣粉能使混凝土具有较好的可泵性，一定的缓凝性，还能减小坍落度损失，降低水化热，有利于混凝土的施工，同时提高混凝土的强度、抗渗性、抗碳化、抗冻融等耐久性能。

矿渣粉在水泥熟料、石膏等激发剂的作用下可以显示出水化活性,是生产水泥的优质原料，在扩大水泥品种、增加水泥产量、调节标号、改进水泥性能和保证水泥安定性合格方面发挥着重大作用。含有矿渣粉的水泥包括普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等。

我国达到I、II级标准粉煤灰太少，尤其是在原状灰中，导致电厂排放的大部分粉煤灰不能用于结构混凝土，所以，研究探索低品质粉煤灰的应用领域以及应用方式，增加低品质粉煤灰的应用途径与使用量，提高低品质粉煤灰的利用效率，是十分重要的。

随着高炉矿渣处理技术的进步,其用途不再局限于建筑材料领域,而是向多途径延伸,利用率也逐步提高.但整体技术水平，尤其在新用途开发方面与欧、美、日等发达国家相比还有一定的差距.作为一种有价值的二次资源,未来的高炉矿渣资源化利用技术应向低成本、大用量、高附加值、低能耗、最大限度提取有价元素的方向发展。还应该以整体论科学思想加以引导，加强与其他学科交流，扩展粉煤灰、矿渣等低品质矿物掺合料应用领域，增加低品质矿物掺合料在混凝土中的应用形式，缓解甚至解决粉煤灰、矿渣等带来的污染问题，充分挖掘低品质矿物掺合料的各项潜能，实现低品质矿物掺合料混凝土技术的可持续发展。

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作者：孙宇峰、黄刚、张世明、曹可杰、刘数华，如涉及作品内容、版权和其它问题，请及时联系，我们将尽快处理。

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