矿渣水泥矿渣掺量

矿渣硅酸盐水泥按矿渣掺量分类的研究

刘晨 颜碧兰 江丽珍 肖忠明 王昕 等

（中国建筑材料科学研究总院）

现行GB175-1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》、GB1344-1999《矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥及火山灰质硅酸盐水泥》、GB12956-1999《复合硅酸盐水泥》三个国家标准于1999年颁布实施，当时修订的主要目的是配合我国水泥强度检验方法与国际标准接轨，因此1999版标准在原1992版标准的基础上只对水泥强度检验方法和相应的强度标号进行了修订，大部分内容维持不变。但是随着水泥工业的发展及外部形势的变化，现行标准中存在的问题也逐渐显现，因此在2004年全国水泥标准化技术委员会按照国家标准化管理委员会的要求对水泥国家标准进行清理整顿时，专家们一致认为六大通用水泥标准急需修订，同时参考EN197-1，提出评审结论为GB175、GB1344、GB12958三项标准整合修订。经过二年多的研究试验我院及协作单位共同完成了标准修订工作，并于2006年8月24日～26日通过全国水泥标准化技术委员会的审议。

本次标准修订将GB1344-1999版标准中矿渣硅酸盐水泥中矿渣掺加量由“20%～70%”改为“>20%且≤70%”，并分为A型和B型，A型矿渣掺量>20%且≤50%，代号P.S.A；B型矿渣掺量>50%且≤70%，代号P.S.B。水泥产品的分类、分型是以性能变化为依据，因此本文重点介绍针对这一修订内容所进行试验研究。

1、前言

矿渣作为混合材已在水泥生产和混凝土建设施工中广泛应用，在带来良好的经济效益的同时还能显著提高水泥和混凝土的综合性能，如改善水泥耐蚀性、降低水化热、优化水泥石孔结构、提高水泥石后期强度、改善混凝土的施工工作性及提高混凝土的抗腐蚀能力和耐久性。因此矿渣硅酸盐水泥是通用水泥中应用广泛的品种之一。随着我国水泥煅烧及粉磨工艺水平的不断提高，特别是我国水泥胶砂强度检验方法采用ISO法后，很多水泥企业通过调整和改造熟料生产工艺大幅度提高水泥熟料强度，同时水泥的比表面积也从300m2/kg左右提高到350m2/kg。这些变化是否会影响现行标准水泥品种的划分及水泥中混合材掺量的限定？同时在工业生产中，矿渣水泥的生产方式主要有：(1)（熟料＋石膏）与矿渣混合粉磨；(2)（熟料＋石膏）与矿渣分别粉磨。调研表明，我国目前绝大部分企业矿渣水泥大多采用矿渣与熟料混合粉磨方式生产。粉磨方式不同, 矿渣水泥表现出的性能也有所不同。因此采用现有生产工艺条件生产的熟料进行混合材掺量及不同工艺对水泥性能的影响是非常必要的。

2 试验研究 2.1 原材料

为了减小原材料波动对试验结果的影响，本次试验要求原材料进行取样时，各水泥厂一次性取足所需样品量，熟料和石膏破碎至小于3mm，矿渣和石膏烘干至水分小于1%，并将破碎后的熟料、石膏、矿渣单独混合均匀。原材料的化学成分分析见表1。

2.2试验样品制备

我们制备了分别粉磨和混合粉磨两个系列的水泥：矿渣和熟料分别粉磨的样品编号为HFK11~HFK88，矿渣和熟料混合粉磨的样品编号为HHK1~HHK8。样品配比及制备情况见表2。

表2 试样配比情况

2.3 试验方法

2.3.1 水泥一般物理性能 2.3.1.1 水泥胶砂强度

按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行。 2.3.1.2 水泥标准稠度用水量、凝结时间

按照GB/T1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行。

2.3.2 水泥特殊性能 2.3.2.1 泌水性

泌水性试验采用1:0.5和1:1两个水灰比，试验表明水灰比1:1的净浆泌水试

验数据复验性较好。试验时，先将水倒入搅拌锅中，再加入适量水，搅拌2分钟后，迅速倒入量筒中，同时读取初始净浆体积。1小时后，再读取净浆体积。两者之差为泌出的水量。泌水率为泌出的水量除以初始净浆体积的百分数。

2.3.2.2 抗冻性

本试验是按GB/T17671-1999《水泥胶砂强度试验方法(ISO法)》成型两组4×4×16cm胶砂试体，在标准条件下养护28天后，一组直接破型，另外一组在-15℃～20℃冻融50个循环后破型。以两者试体重量的变化和强度的比值来衡量水泥抗冻融性的好坏。冻融试验采用日本圆井的自动冻融试验机，进行50个循环约需3天时间。

2.3.2.3 干缩

试验采用JC/T603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》进行，并记录了7天、14天、28天、56天、81天干缩率的数据。 2.3.2.5 抗碳化性能

本试验是按GB/T17671-1999《水泥胶砂强度试验方法(ISO法)》成型一组4×4×16cm胶砂试体，在标准条件下养护28天后，在60℃烘干24小时。将样品移入碳化箱，碳化箱内环境条件为：CO2浓度20+3%，湿度70+5%，温度20+5℃。每三天对浓度、湿度、温度进行测量。

碳化到规定龄期时取出试件通过滴定酚酞试剂，测量试体被碳化深度。

3 试验结果与讨论 3.1 一般物理性能

3.1.1 不同粉磨方式下标准稠度用水量与矿渣掺量关系

图1 混合粉磨标准稠度用水量与矿渣掺量关系 图2分别粉磨标准稠度用水量与矿渣掺量关系

从图1和图2可以看出，混合粉磨和分别粉磨样品的标准稠度需水量变化趋

势一致，随矿渣掺量增加，标准稠度用水量增加。矿渣掺量小于20%时用水量随掺量的增加迅速增加，掺量在20%和50%之间时变化不大，掺量大于50%时随掺量的增加急剧增加。

3.1.2 不同粉磨方式下凝结时间与矿渣掺量的关系

图3 混合粉磨凝结时间与矿渣掺量的关系 图4 分别粉磨凝结时间与矿渣掺量的关系

从图3和图4可以看出，无论分别粉磨还是混合粉磨凝结时间均随着矿渣掺量的增加呈线性延长。

3.1.3 不同粉磨方式下抗压强度与矿渣掺量关系

图5 混合粉磨抗压强度与矿渣掺量关系 图6 分别粉磨抗压强度与矿渣掺量关系

从图5、图6可以看出混合粉磨和分别粉磨两种生产方式生产的矿渣水泥抗压强度变化趋势一致，不同的工艺对强度影响不大。对于3天、7天抗压强度，随掺量增加呈明显下降趋势，只是在掺量大于50%后，强度下降幅度略微缓和；而对于28天抗压强度，随掺量增加呈下降趋势，但掺量大于35%后强度下降幅度更为明显。

3.2 水泥特殊物理性能

3.2.1 不同粉磨方式下泌水性与矿渣掺量关系

泌水性是由于水泥颗粒和细骨料沉降造成部分拌和水从混凝土拌和物中泌出的过程，反应了拌和物的粘聚性及浆体的凝结性能。泌水性越小越好，因为大量泌水会使混凝土中泌出的水聚集在浇灌面层，使这一层和下次浇灌层间产生含水较高的中间层，造成局部Ca(OH)2富集，过渡区结构疏松，连通孔增多，导致混凝土强度降低，抗渗、抗冻、抗腐蚀等耐久性能下降。

图7 混合粉磨泌水率与矿渣掺量关系 图8 分别粉磨泌水率与矿渣掺量关系

由图可见，混合粉磨时矿渣掺量大于35%、分别粉磨大于20%后，水泥泌水性随矿渣掺量的增加明显增加，在低掺量区域，分别粉磨和混合分磨呈现的规律不尽相同，这种区别除粉磨方式不同外，试验方法误差也有较大的影响。 4.2.2 不同粉磨方式下抗冻性与矿渣掺量关系

抗冻性是衡量水泥耐久性的重要指标。

图9混合粉磨抗冻性与矿渣掺量关系 图10分别粉磨抗冻性与矿渣掺量关系

由图可见，无论是混合粉磨还是分别粉磨，掺量小于35%时，强度损失率大约在10%～15%之间波动，然而混合粉磨和分别粉磨两种工况下掺量对抗冻性影响的规律并不一致，但当矿渣掺量大于35%后，水泥抗冻融性随掺量的增加明显变差。

4.2.3 不同粉磨方式下干缩与矿渣掺量关系

图11混合粉磨干缩率与矿渣掺量关系 图12分别粉磨干缩率与矿渣掺量关系

从图11和图12可以看出，56天后无论混合粉磨还是分别粉磨，试体的干缩均达到稳定，即56天和84天的干缩值相差很小。对于混合粉磨，掺量小于20%时，干缩随掺量变化没有明显规律，掺量在20～35%时，干缩随掺量增加呈增大趋势，掺量大于35%后干缩变化平缓；对于分别粉磨，掺量小于15%时，干缩随掺量变化没有明显规律，矿渣掺量在15～35%，干缩随掺量增加呈增大趋势。

图13碳化深度与混合材掺量关系(混合粉磨)图14碳化深度与混合材掺量关系(分别粉磨)

4.2.4 不同粉磨方式下抗碳化性能与矿渣掺量关系

碳化是指空气中CO2溶解于混凝土孔溶液中生成碳酸根离子，而碳酸根离子再与孔溶液中的钙离子发生反应生成碳酸钙的过程。混凝土发生碳化反应最直接的后果就是导致混凝土碱度的降低。Taylor指出已碳化混凝土的pH值仅为8.5或更低，远低于钢筋表面钝化膜稳定存在的pH值11.5。因此，当混凝土碳化达到钢筋表面时，钢筋表面的钝化膜就会被破坏，从而导致钢筋锈蚀的发生，并最终导致混凝土因钢筋锈蚀而开裂破坏。

本次试验样品各组胶砂试体经过28天碳化后表面相当完整，没有出现任何细微裂纹，即由碳化及干燥失水引起的收缩没有引起试体表面的破坏。碳化前后碳化深度的变化数据见图13，图14。

试验表明：对于混合粉磨，掺量小于35%时变化不大，掺量大于35%碳化深度增加，大于50%后急剧增加；对于分别粉磨，掺量小于50%时变化幅度较小并不规律，大于50%后碳化深度急剧增加。 5 综合分析

从试验结果可以看出，混合粉磨水泥和分别粉磨水泥的各种性能变化趋势是一致的；同时水泥熟料质量的提高仅影响水泥性能绝对值的变化，并没有影响混合材掺量与水泥性能关系的规律，其随矿渣掺量变化的规律与上世纪60～70年代的试验结果基本一致，即：

 水泥性能随着矿渣掺量的增加会发生持续的变化；  当矿渣掺量小于35%时，水泥性能随矿渣不同、工况不同变化规律不尽相同， 但绝大多数性能变化相对属于小幅波动；

 当矿渣掺量在36%～50%时，水泥性能开始呈现有规律变化。  矿渣掺量大于50%后性能变化加剧。

6 结 论

基于上述试验研究，标准起草单位在GB×××《通用硅酸盐水泥》送审稿中将矿渣硅酸盐水泥分为三型：A、B、C。A型：矿渣掺量为20%~35%，代号P.S.A；B型：矿渣掺量为35%~50%，代号P.S.B；C型：矿渣掺量为50%~70%，

代号P.S.C。但在对标准进行审议时，水泥企业的委员提出，水泥厂生产矿渣水泥时，矿渣掺量大多控制在30％～40％范围，如将35%作为品种划分的界限，生产过程难以控制。针对此意见委员及起草单位考虑矿渣水泥性能在掺量50%以内大多数水泥性能随矿渣掺量变化的范围不是很大，因此同意将分类简化为两种：A型和B型。A型矿渣掺量20%～50%，B型矿渣掺量50%～70%。

参考文献

[1] 水泥中混合材料掺加量的试验研究 王幼云等 中国建材院 1984年

[2] 高炉矿渣水泥的水化 与工程系 编译

[3] 沈威 黄文熙 闵盘荣228.

第九届国际水泥化学会议综合报告译文集 南京化工学院材料科学 水泥工艺学[M]. 第1版 , 武汉: 武汉工业大学出版社, 1991：