矿渣粉的特点及对干混砂浆的作用分析

1.矿渣粉概述

（1）定义和组成

矿渣粉是粒化高炉矿渣粉的简称，是以粒化高炉矿渣为主要原材料，可掺加少量石膏，制成一定细度的粉体。

粒化高炉矿渣是从炼铁高炉中排出的废渣，以硅酸盐和铝硅酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷而成。在高炉炼铁过程中，除了铁矿石和燃料（焦炭）之外，为降低冶炼温度，还要加入适量的石灰石和白云石作为助熔剂。它们在高炉内分解得到的氧化钙和氧化镁，铁矿石的废矿，焦炭中的灰分相熔化，生成了以硅酸盐与铝硅酸盐为主要成分的熔融物，浮在铁水表面，定期从排渣口排出，经水淬或空气急冷处理，形成以玻璃体为主要成分的颗粒，具有潜在的胶凝性。

水淬或空气急冷处理工艺对矿渣粉的活性有很大的影响。未经淬冷的矿渣，其矿物形态呈稳定的结晶体，这些结晶体除少部分C2S尚有一些活性外，其他矿物基本上不具有活性。如经水急冷，由于液相中黏度增大很快，阻滞了晶体成长，形成了玻璃态结构，因而具有较大的潜在化学能。出渣温度越高，冷却速率越快，则矿渣玻璃化程度越高，矿渣的潜在化学能越大，活性也越高。

矿渣粉的主要化学成分是CaO、SiO2、Al2O3、MgO，这四种组分之和约占其全部氧化物的95%以上，与水泥熟料的成分很相似。与水泥熟料相比，矿渣粉中CaO含量较低，而SiO2含量较高。除了上述氧化物外，根据所用原材料和冶炼生铁的品种不同，矿渣粉中可能含有少量的FeO、MnO、TO、BaO、K2O、Na2O等。不同钢铁厂矿渣的化学成分差异很大，即使同一钢铁厂不同时期排放的矿渣有时也不一样，所以矿渣粉的质量也不尽相同。

矿渣粉的结晶矿物主要有钙长石（C2AS）、硅酸二钙（C2S）、硅酸一钙（CS）以及一些硫化物等。上述矿物中只有C2S具有胶凝性，当其快速冷却时形成具有活性的β-C2S，但当C2S经过慢冷却时易形成γ-C2S，几乎没有活性。矿渣粉的活性主要取决于化学成分和玻璃体的含量和性能。玻璃体含量越高，其活性也越高。如前所述，为了使矿渣粉具有活性，必须采取急速冷却的生产工艺。经过急冷，玻璃体的含量一般高达80%以上，使矿渣粉具有较好的水硬性。

矿渣粉与粉煤灰不同，它经过机械粉磨而成，其颗粒组成与粉磨工艺有关。矿渣粉颗粒大小和分布可以通过激光粒度测试仪来测试。比表面积能从一定程度上表明矿渣粉的粗细，但无法反映矿渣粉的颗粒分布情况，因为具有相同细度的矿渣粉颗粒分布可能有很大的差异。

（2）等级和质量要求

《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉（GB/T 18046—2017）》将矿渣粉分为S105、S95、S75三个级别，分别对矿渣粉的密度、比表面积、活性指数、流动度比、初凝时间比、含水率、三氧化硫含量、氯化物含量（以氯离子质量计）、烧失量、不溶物含量、玻璃体含量和放射性做出了规定，技术要求见表2-12。

2.矿渣粉与干混砂浆质量的关系

（1）矿渣粉在干混砂浆中的作用

矿渣具有潜在的水硬性。磨细的矿渣单独和水的反应是非常缓慢的，但是，水泥中的硫酸盐及熟料矿物水化产生的氢氧化钙对矿渣中的玻璃体起激发作用，使玻璃体中［SiO］4-四面体的聚合体中的Si—O—Si键解离，并反应生成与水泥熟料水化产物相似的物质，对浆体形成及加强有正面作用。另外，矿渣的水化降低体系的氢氧化钙，这对干混砂浆性能也是有利的。

表2-12　矿渣粉的技术要求

矿渣粉的以上特点决定了它对干混砂浆有着独特的作用，主要有以下几点。

①矿渣粉等量替代水泥，降低了干混砂浆的成本，节能降耗。

②矿渣粉能优化干混砂浆的孔结构，增加干混砂浆的密实度，提高抗渗性能。

③矿渣粉能提高干混砂浆抗硫酸盐腐蚀能力。

④如果干混砂浆中掺入的矿渣粉过多，会影响干混砂浆和易性，容易产生泌水。同时，水泥用量减少会导致凝结时间延长。

⑤矿渣粉会降低干混砂浆的早期强度，但对28d强度影响较小。

⑥矿渣粉等量替代水泥，对降低水泥收缩有利，可提高砂浆抗空鼓开裂能力。

（2）矿渣粉质量变化对干混砂浆质量的影响

①比表面积

矿渣粉的粗细以比表面积来表征，例如S95级矿渣粉的比表面积要求不小于400m2/kg。矿渣粉比表面积越大，活性就越高，用其配制的干混砂浆的强度也会越高。但矿渣粉的比表面积应控制在合适的范围内。比表面积过大，需水量增加，干混砂浆稠度损失加大，干混砂浆开裂敏感性加大；如果比表面积太小，则干混砂浆的保水能力变差，容易离析和泌水。

②流动度比

矿渣粉的流动度比与粉煤灰的需水量比类似。粉煤灰的需水量比，主要是利用其形态效应；矿渣粉的流动度比主要取决于它的细度。

③活性指数

影响矿渣粉活性的因素主要包括化学组成、玻璃体含量和粉磨细度。化学组成取決于原渣，主要是CaO和Al2O3的含量；玻璃体含量取决于水淬的效果；粉磨细度取决于粉磨工艺，主要由比表面积体现。

活性指数反映了矿渣粉对硬化干混砂浆力学性能的影响。活性指数越高，其对应的干混砂浆强度就越高；但活性指数越高，硬化干混砂浆开裂敏感性越大。(www.xing528.com)

④烧失量

《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉（GB/T 18046—2017）》对烧失量要求为≤1.0%。如果矿渣粉的烧失量大，说明矿渣粉不够纯，可能掺加了石灰石等烧失量高的物质，这对干混砂浆质量是不利的。

3.矿渣粉质量控制项目

矿渣粉的进场检验项目为比表面积、活性指数、流动度比，要求干混砂浆企业按批次进行试验，同一厂家、相同级别且连续进场的矿渣粉以不超过500t为一检验批。

（1）比表面积

矿渣粉的比表面积测试按《水泥比表面积测定方法　勃氏法（GB/T 8074—2008）》标准进行。S95级矿渣粉比表面积宜控制在400～450m2/kg。

勃氏法主要根据一定量的空气通过具有一定空隙率和固定厚度的粉料层时，因所受阻力不同而引起流速的变化来测定粉料的比表面积。目前干混砂浆企业基本采用自动勃氏比表面积测定仪进行测定，试验注意事项如下。

①空隙率选择。矿渣粉空隙率选择0.53。标准规定P·Ⅰ水泥、P·Ⅱ水泥空隙率取0.50，其他水泥和粉料的空隙率取0.53。

②试样应先通过0.9mm方孔筛，再在（100±5）℃下烘干，并在干燥器内冷却至室温。

③仪器要进行漏气检查，确认不漏气后再使用。

④透气仪的U形压力计内颜色水的液面应保持在压力计最下面一条环形刻度上，如有损失或蒸发，应及时补充。

⑤试验时穿孔板上下面应与测定体积时方向一致，以防由于仪器加工精度不够而导致结果不一致。

⑥穿孔板上的滤纸直径应与圆筒内径相同，边缘光滑；穿孔板上的滤纸直径比圆筒内径小时，会有部分试样沿着内壁高出圆板的上部；穿孔板上的滤纸直径比圆筒内径大时，会引起滤纸皱起，而使结果不准。使用的滤纸品种质量有波动或更换穿孔板时，应重新标定体积。

⑦试料层体积至少要测定两次，每次单独压实，取两次体积差不超过0.005cm3的平均值，并记录测定时的温度，每隔一季度或半年要重新测定其体积。

⑧使用捣实器时，捣器支持环必须与圆筒顶边接触，并旋转1～2周，慢慢取出捣器。

⑨在用抽气泵抽气时，不要用力过猛，应使液面徐徐上升，以免水的损失。

⑩测定时要尽量保持温度不変，以防止空气黏度发生变化而影响测定结果。比表面积测定仪要避免阳光直射。

（2）活性指数

活性指数参照《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉（GB/T 18046—2017）》进行测定。该标准规定，对比水泥应为符合《通用硅酸盐水泥（GB 175—2007）》规定的强度等级为42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，且3d抗压强度25～35MPa，7d抗压强度35～45MPa，28d抗压强度50～60MPa，比表面积350～400m2/kg，SO3含量2.3%～2.8%，碱含量（Na2O＋0.658K2O）0.5%～0.9%。

（3）流动度比

流动度比试验参照《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉（GB/T 18046—2017）》附表A.1和《水泥胶砂流动度测定方法（GB/T 2419—2005）》进行试验，分别测定对比胶砂和试验胶砂的流动度，计算流动度比。试验注意事项参考活性指数试验。

（4）烧失量

矿渣粉的烧失量参照《水泥化学分析方法（GB/T 176—2017）》进行，但灼烧时间规定为15～20min。在灼烧过程中硫化物的氧化会引起误差，应进行校正。校正过程应参照《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉（GB/T 18046—2017）》。

由于在矿渣粉磨细的过程中通常会加入石膏等添加料，这些添加料对矿渣粉的烧失量会产生一定的影响。因此，矿渣粉在灼烧过程中发生的物理、化学变化比较复杂，有时甚至出现越烧越重的情况，应根据实际情况进行分析，保证试验结果的准确性。

（5）颜色

同一厂家的矿渣粉颜色变化非常小，如果有明显的颜色变化，须谨慎使用。好的矿渣粉一般是白色或灰白色的。

颜色变化可能是因为使用了其他厂家的矿渣粉，或者是在粉磨过程中加入粉煤灰、炉渣、石灰石粉等添加料。

（6）矿渣粉快速检验项目

矿渣粉快速检验项目为比表面积、流动度比。虽然矿渣粉的用量不是特别大，但其质量波动对干混砂浆质量影响很大，建议逐车检验比表面积，流动度比可定期进行检验。

另外，矿渣粉掺假现象比较普遍，应在进厂检验中加以控制。例如，掺石灰石粉，使矿渣粉的活性降低，烧失量受到较大影响；掺劣质粉煤灰，导致矿渣粉的活性降低，影响矿渣粉的使用量；掺钢渣粉可能引发安定性不良等问题。