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复合矿渣粉在水泥制管中的应用
时间：2014-12-24|阅读：次
搅拌站的混凝土普遍掺有30%左右的粉煤灰，同时使用高效减水剂、缓凝剂等。国外规定混凝土强度级别大于C70而小于C90必须掺加矿粉，而强度等级大于C90的混凝土必须加入硅粉。目前的这些矿物掺和料，大多数为工业废渣，粉煤灰和硅粉为燃料、炼铁及烟筒飘出的工业废料，本身具有很细的颗粒。粉煤灰颗粒细度不一，比表面积为4000～8000cm2/g不等，硅粉颗粒细度更细，比表面积大于20万cm2/g。矿粉为炼钢厂剩余的矿渣（水淬矿渣居多），经一定工艺加工磨细成的细粉，其比表面积为4000～8000cm2/g不等，还可加其他矿物混合磨制成复合矿粉。混凝土外加剂在我国已推广使用了二十多年，其种类繁多。
1 混凝土强度的增长规律发生了改变
普通混凝土以二十八天强度为标准，二十八天至一年期间强度增长很少，一年以后强度几乎不增长。而掺入一定比例粉煤灰的高性能混凝土，其二十八天的抗压强度不如普通混凝土，但其二十年、甚至更长时间内混凝土的强度还在继续增长。我国水电部有关研究单位对三门峡大坝基础中掺有30%粉煤灰的混凝土进行了长期的跟踪研究，发现当初设计标号（采用旧标准）为100kg/cm2的混凝土，施工强度为110kg/cm2。10年后（即1980年），钻芯取样的强度为280kg/cm2，再过了5年（1985年），钻芯取样的强度为330kg/cm2。也就是说混凝土强度在15年内增长了两倍。由于矿粉在我国刚开始研制应用，还没有长期的数据积累，但有一点可以肯定：由于矿粉比粉煤灰具有更大的活性，使用矿粉制作的混凝土，其强度增长两倍不需要15年，估计只是5～8年。若是在蒸汽养护的工艺条件下，矿粉高性能混凝土的强度增长两部的时间会更短。
2 混凝土耐久性大大提高
掺有大量矿物掺和料的混凝土，由于矿物掺和料大量蓄水，降低了水泥的水化热，延迟了水泥水化热高峰期的出现，使混凝土因水化热产生裂缝的机会减少。其次，由于磨细掺和料比水泥颗粒细度细得多，从物理性能上讲，它填充了混凝土内的很多毛细孔，使混凝土的致密性得到了很大提高。另外，从化学性能方面看，磨细掺和料，特别是矿粉、硅粉，其比表面积很大，容易沾附在混凝土内其它组份上，在一定条件下发生化学反应，生成化学胶凝体，也极大的提高了混凝土的致密性。由于上述原因，高性能混凝土的耐久性有了很大的提高，抵抗大气环境的作用、化学侵蚀及其它劣化作用的能力增强了，混凝土的安全使用寿命得到了延长。
3 复合矿渣粉
复合矿渣粉是高性能混凝土矿物磨细掺料的一种。它是粒化高炉渣与萤石、沸石、石灰石、石膏等按一定的配比，经多道工序磨制而成的。其主要化学组分有：SiO2、CaO、A12O3、MgO、Fe2O3等。其细度分为：400目、500目、600目，根据市场需要可发展600目以上的复合矿渣粉。复合矿渣粉和粉煤灰是高性能混凝土中两种主要的矿物掺和料。复合矿渣粉的活性远高于粉煤灰，因此它更适宜于高强高性能混凝土，而且掺量可达70%，可等量取代水泥。国外一些规范规定：混凝土强度等级大于或等于C70级时必须掺入磨细矿渣粉。
4 复合矿渣粉在水泥制管中的应用研究
4.1 排水管试验
按上表中的配比制作的混凝土试件静停1～1.5h后，随管蒸养3h，所测的强度见表2。
注：试件尺寸为150×150×150mm。
由以上试验可以看出，配比A矿渣粉掺量50%，配比B矿渣粉掺量40%，配比C矿渣粉掺量120%取代水泥。三种配比均能达到混凝土排水管C40的设计强度。由于矿渣粉价格低于水泥，A、C配比更经济；C配比能取得更好的脱模强度与二十天强度。
管体强度用混凝土回填仪测量，强度远高于混凝土试件的强度（误差在规定的范围内）。复合矿渣粉的活性高于粉煤灰但低于PⅡ252水泥，只有在蒸汽的高温下，才能激发出活性，发生充分的水化反应。现在一些制品企业为降低能耗，实际恒温养护时间在1～2h之间，加上升降温时间也是3～4h，在这么短的养护时间内，由于管体薄（试验管为40mm），混凝土得到了充分水化，而混凝土试件厚度大（为150mm），不能充分水化，因此测得的管体强度大于试件强度。
4.2 一阶段输水管试验
注：试件尺寸为150×150×150mm。
用在一阶段管中的试验表明：复合矿渣粉掺量达50%时，管的脱模强度达到要求，二十八天强度也大大超过要求。另外，在掺40%矿渣粉取代水泥的试验中，R脱＝44.0MPa；R3d=61.3MPa；R7d=63.7MPa；比掺量50%能取得更好的脱模强度和二十八天强度。
4.3 三阶段制管试验
注：试件尺寸为150×150×150mm。
在三阶段制管试验中，采用了与排水管、一阶段输水管不同的水泥，而且没有外加剂，取得了较好的脱模强度和十十八天强度，而且掺入40%的复合矿渣粉后，脱模强度提高了20%～40%。由于采用的水泥不同，脱模强度提高的原因有待进一步研究。
4.4 抗渗性试验
试件中，胶凝材料总量为500kg/m3，受检混凝土中掺入40%的复合矿渣粉，对比混凝土为500kg/m3纯水泥。由混凝土抗渗性试验结果可以看出：复合矿渣粉混凝土的抗渗性能明显比较高。
5 结论
在水泥制管中掺入40%～50%的复合矿渣粉等量取代水泥，具有如下的优点：
5.1 混凝土管的抗渗性能显著提高；
5.2 用40%掺量时，能取得更好的混凝土强度；
5.3 目前广州市场上的PⅡ525水泥价格高于复合矿渣粉，掺入40%～50%的矿粉能降低制管成本；
5.4 掺入复合矿渣粉的混凝土管，在应用的几十年内，其混凝土强度仍在不断的增长，既保证了混凝土管在使用中的质量，也延长了管的寿命。
1 混凝土强度的增长规律发生了改变
普通混凝土以二十八天强度为标准，二十八天至一年期间强度增长很少，一年以后强度几乎不增长。而掺入一定比例粉煤灰的高性能混凝土，其二十八天的抗压强度不如普通混凝土，但其二十年、甚至更长时间内混凝土的强度还在继续增长。我国水电部有关研究单位对三门峡大坝基础中掺有30%粉煤灰的混凝土进行了长期的跟踪研究，发现当初设计标号（采用旧标准）为100kg/cm2的混凝土，施工强度为110kg/cm2。10年后（即1980年），钻芯取样的强度为280kg/cm2，再过了5年（1985年），钻芯取样的强度为330kg/cm2。也就是说混凝土强度在15年内增长了两倍。由于矿粉在我国刚开始研制应用，还没有长期的数据积累，但有一点可以肯定：由于矿粉比粉煤灰具有更大的活性，使用矿粉制作的混凝土，其强度增长两倍不需要15年，估计只是5～8年。若是在蒸汽养护的工艺条件下，矿粉高性能混凝土的强度增长两部的时间会更短。
2 混凝土耐久性大大提高
掺有大量矿物掺和料的混凝土，由于矿物掺和料大量蓄水，降低了水泥的水化热，延迟了水泥水化热高峰期的出现，使混凝土因水化热产生裂缝的机会减少。其次，由于磨细掺和料比水泥颗粒细度细得多，从物理性能上讲，它填充了混凝土内的很多毛细孔，使混凝土的致密性得到了很大提高。另外，从化学性能方面看，磨细掺和料，特别是矿粉、硅粉，其比表面积很大，容易沾附在混凝土内其它组份上，在一定条件下发生化学反应，生成化学胶凝体，也极大的提高了混凝土的致密性。由于上述原因，高性能混凝土的耐久性有了很大的提高，抵抗大气环境的作用、化学侵蚀及其它劣化作用的能力增强了，混凝土的安全使用寿命得到了延长。
3 复合矿渣粉
复合矿渣粉是高性能混凝土矿物磨细掺料的一种。它是粒化高炉渣与萤石、沸石、石灰石、石膏等按一定的配比，经多道工序磨制而成的。其主要化学组分有：SiO2、CaO、A12O3、MgO、Fe2O3等。其细度分为：400目、500目、600目，根据市场需要可发展600目以上的复合矿渣粉。复合矿渣粉和粉煤灰是高性能混凝土中两种主要的矿物掺和料。复合矿渣粉的活性远高于粉煤灰，因此它更适宜于高强高性能混凝土，而且掺量可达70%，可等量取代水泥。国外一些规范规定：混凝土强度等级大于或等于C70级时必须掺入磨细矿渣粉。
4 复合矿渣粉在水泥制管中的应用研究
4.1 排水管试验
表1 混凝土配比
| 混凝土配比 | 水泥：矿渣粉：砂：碎石：水：外加剂（kg/m3） |
| A | 200:200:710:1160:144:2.2 |
| B | 260:140:710:1160:144:2.2 |
| C | 220:140:730:1160:144:2.2 |
按上表中的配比制作的混凝土试件静停1～1.5h后，随管蒸养3h，所测的强度见表2。
表2 混凝土试件强度测试结果（单位：MPa）
| 表1中的配比 | R脱 | R3 | R7 | R28 |
| A | 27.0 | 41.0 | 52.0 | 56.7 |
| B | 35.0 | 50.0 | 59.5 | 61.8 |
| C | 26.0 | 43.0 | 46.5 | 54.7 |
注：试件尺寸为150×150×150mm。
由以上试验可以看出，配比A矿渣粉掺量50%，配比B矿渣粉掺量40%，配比C矿渣粉掺量120%取代水泥。三种配比均能达到混凝土排水管C40的设计强度。由于矿渣粉价格低于水泥，A、C配比更经济；C配比能取得更好的脱模强度与二十天强度。
管体强度用混凝土回填仪测量，强度远高于混凝土试件的强度（误差在规定的范围内）。复合矿渣粉的活性高于粉煤灰但低于PⅡ252水泥，只有在蒸汽的高温下，才能激发出活性，发生充分的水化反应。现在一些制品企业为降低能耗，实际恒温养护时间在1～2h之间，加上升降温时间也是3～4h，在这么短的养护时间内，由于管体薄（试验管为40mm），混凝土得到了充分水化，而混凝土试件厚度大（为150mm），不能充分水化，因此测得的管体强度大于试件强度。
表3 管体强度测试（单位：MPa；用回填仪测量）
| 项目 | 强度 | ||
| 加入矿渣粉的管（MPa） | 43.0 | 45.6 | 38.3 |
| 未加矿渣粉的管（MPa） | 40.1 | 42.0 | 44.3 |
4.2 一阶段输水管试验
表4 混凝土配比
| 混凝土配比 | 水泥：矿渣粉：砂：碎石：水：外加剂（kg/m3） |
| （STP=100mm） | 250:250:630:1020:159:7.95 |
表5 混凝土试件强度测试结果（单位：MPa）
| 试件龄期 | R脱 | R3 | R7 | R28 |
| 试件强度 | 39.2 | 45.5 | 52.7 | 76.6 |
注：试件尺寸为150×150×150mm。
表6 管体强度测试（单位：MPa；用回弹仪测量）
| 项目 | 强度 | ||
| 加入矿渣粉的管（MPa） | 47 | 46 | 46 |
| 未加矿渣粉的管（MPa） | 51 | 53 | 52 |
用在一阶段管中的试验表明：复合矿渣粉掺量达50%时，管的脱模强度达到要求，二十八天强度也大大超过要求。另外，在掺40%矿渣粉取代水泥的试验中，R脱＝44.0MPa；R3d=61.3MPa；R7d=63.7MPa；比掺量50%能取得更好的脱模强度和二十八天强度。
4.3 三阶段制管试验
表7 混凝土配合比
| 混凝土配比 | 水泥：复合矿渣粉：砂：碎石：水 |
| 300:200:630:1020:190 |
表8 混凝土试块强度测试结果（单位：MPa）
| 试件强度 | R脱 | R7 | R28 |
| 空白试件 | 39.9 | 51.0 | |
| 对比试件 | 41.8 | 57.1 | |
| 36.1 | 53.8 |
注：试件尺寸为150×150×150mm。
在三阶段制管试验中，采用了与排水管、一阶段输水管不同的水泥，而且没有外加剂，取得了较好的脱模强度和十十八天强度，而且掺入40%的复合矿渣粉后，脱模强度提高了20%～40%。由于采用的水泥不同，脱模强度提高的原因有待进一步研究。
4.4 抗渗性试验
表9 抗渗性试验的混凝土配比
| 混凝土配比 | 水泥 | 矿渣粉 | 砂 | 碎石 | 水 | 外加剂 |
| 受检混凝土 | 300 | 200 | 710 | 1160 | 144 | 2.2 |
| 基准混凝土 | 500 | 0 | 710 | 1160 | 144 | 2.2 |
表10 混凝土抗渗性试验
| 试样 | 试件渗透高度（mm） | 平均值 | |||||
| 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# | ||
| 受检混凝土 | 10 | 5 | 3 | 2 | 5 | 3 | 8 |
| 对比混凝土 | 150 | 150 | 100 | 140 | 70 | 150 | 127 |
试件中，胶凝材料总量为500kg/m3，受检混凝土中掺入40%的复合矿渣粉，对比混凝土为500kg/m3纯水泥。由混凝土抗渗性试验结果可以看出：复合矿渣粉混凝土的抗渗性能明显比较高。
5 结论
在水泥制管中掺入40%～50%的复合矿渣粉等量取代水泥，具有如下的优点：
5.1 混凝土管的抗渗性能显著提高；
5.2 用40%掺量时，能取得更好的混凝土强度；
5.3 目前广州市场上的PⅡ525水泥价格高于复合矿渣粉，掺入40%～50%的矿粉能降低制管成本；
5.4 掺入复合矿渣粉的混凝土管，在应用的几十年内，其混凝土强度仍在不断的增长，既保证了混凝土管在使用中的质量，也延长了管的寿命。
