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摘要：研究了矿渣超量取代对水泥混凝土抗压强度、氯离子渗透性、气体渗透性和干燥收缩的影响。研究发现，矿渣等量取代30%水泥配制高性能混凝土，混凝土强度和渗透性最优；等量取代混凝土早期强度低，并且随矿渣掺量增加而下降。矿渣超量取代技术能有效提高矿渣大掺量混凝土早期强度。超量取代技术不仅能提高矿渣等量取代水泥混凝土强度，而且更能改善混凝土氯离子渗透性能和气体渗透性，最佳超代系数为1.3。矿渣超量取代水泥混凝土虽然增大了矿渣掺量，但并不会增大混凝土干燥收缩。
关键词：矿渣；高性能混凝土；超量取代；渗透性；收缩
中图分类号：TU37 文献标识码： A 文章编号：
高性能混凝土（High Performance Concrete, 以下简称HPC）是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术，选用优质原材料，除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的活性细掺合料和高性能外加剂的一种新型高技术混凝土。HPC水胶比一般较小，因而水泥石中有一部分水泥是不能水化的，只能起填充作用。故在配制HPC时，一般掺加粉状超细矿物活性掺和料置换部分水泥，这些掺合料对水泥石孔结构起填充细化作用，提高水泥石的密度，改善水泥石与粗集料间的界面结构。本文拟以矿渣超量取代技术配制高性能混凝土，以期改善混凝土性能，提高矿渣微粉的掺量。
1试 验
1.1原材料
试验采用石家庄燕赵水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，磨细矿渣来自于宝钢，其化学成分和主要物理性能见表1和表2，胶砂试验中矿渣等量取代水泥30%。砂为细度模数2.6~2.8的中砂；碎石粒径为5~25mm；超塑化剂采用聚羧酸盐高效减水剂。
表1水泥和矿渣的化学成分/%
表2水泥和矿渣的物理性能及胶砂强度
注：矿渣胶砂强度为矿渣取代水泥30%时砂浆强度
1.2试验方法及配合比
混凝土配合比如表3所示,混凝土坍落度控制在200±2mm范围内。
抗压强度采用100mm×100mm×100mm试件，按GBJ81-85要求进行成型，标准养护后测试7d、28d、90d抗壓强度。
混凝土氯离子渗透性能采用ASTMC1202-94[7]建议的电量法测定。试件为直径100mm，高度50mm的圆柱状混凝土。
混凝土气体渗透实验按照RILEM TC 116-PCD[8]步骤进行。每组两块，试块采用直径150mm,高度为50mm的圆柱体。养护时尽量减少试块与外界环境的水分交换。养护在20℃的室内进行，立即将试块密封保存。采用氮气作为渗透气体。渗透压力分别为1.5bar、2.0bar、3.0bar(绝对压力)。计算各压力下的Ki，取平均值即得各配比混凝土的渗透系数K。
混凝土收缩试验按使用测量标距为540mm，精度为0．01mm的混凝土收缩仪测混凝土的收缩值。每组配比成型3个100mm×100mm×515mm长方体标淮试块，成型1d后拆模并于标准养护室养护至3d龄期（从搅拌混凝土加水时算起）。立即移入温度20±3℃，相对湿度为60±5％养护室中，测定其初始长度。此后，分别测量1d、3d、7d、14d、28d、60d、90d龄期时混凝土的收缩值。
2 结果与讨论
2.1矿渣等量取代对高性能混凝土性能的影响
2.1.1 矿渣等量取代对高性能混凝土强度的影响
从矿渣等量取代部分水泥混凝土抗压强度测试结果可见，随着矿渣掺量从０增加到60%，混凝土7天强度近似线性降低；28天和90天强度随矿渣掺量增加有所提高，当矿渣掺量为30%时最佳，随后强度开始下降，取代量高于50%时，混凝土强度低于基准混凝土。比较28天与90天结果，可见随矿渣掺量的增加，强度增加幅度增大，但当掺量大于30%时，增加幅度减小。由此可见，矿渣等量取代量为30%时，对混凝土强度改善最优。这与有关资料中最优掺量40%有所出入[5]。
2.1.2 矿渣等量取代对高性能混凝土渗透性的影响
矿渣等量取代时矿渣掺量与氯离子渗透性和气体渗透系数间的关系。随着矿渣掺量增加，混凝土的抗氯离子渗透性和抗气体渗透性能均得到改善，当矿渣掺量为30%时，效果最佳。此后，混凝土抗氯离子渗透性和抗气体渗透性随矿渣掺量增大而下降。掺量为60%时，混凝土抗氯离子渗透性能和抗气体渗透性能比基准混凝土都差。同时可知矿渣掺量对混凝土氯离子渗透性和气体渗透性的影响趋势是相近的，说明两者之间有很好的相关性。
2.2 矿渣超量取代对高性能混凝土性能的影响
2.2.1 矿渣超量取代对高性能混凝土强度的影响
矿渣超量取代对混凝土强度有明显影响，超代系数从1.1~1.4，水泥各取代量的混凝土7天强度改善非常明显。矿渣超代技术可有效解决矿渣等量取代混凝土早期强度低的问题。超代系数为1.3时，混凝土7天、28天和90天强度均达到最佳，超代系数1.4时各龄期强度均大副下降。当取代水泥量分别为40%、50%时，混凝土28天强度增加趋势明显，而取代水泥量60%时，28天强度变化较小。从90天的强度测试结果来看，与取代水泥量为50%、60%的混凝土相比，取代水泥量40%的混凝土强度增长幅度更大。超量取代混凝土从7d到28d强度增长比等量取代时慢，而后期强度增长明显比等量取代情况下快。
2.2.2 矿渣超量取代对高性能混凝土渗透性的影响
矿渣超量取代可以降低混凝土氯离子渗透性。矿渣取代水泥量为40%、50%，超代系数为1.3时，改善效果最佳。样品S43通电量最低为648库仑，仅为基准混凝土1307库仑的49.6%。当矿渣取代水泥量为60%时，超代系数1.1的混凝土抗氯离子渗透性最优。
同氯离子渗透性一样，当矿渣取代水泥量为40%、50%时，最佳超代系数为1.3。样品S43气体渗透系数最小为3.84×10-17，仅为基准混凝土的1/9。当取代水泥量为60%时，超代系数1.2时气体渗透系数最低。
可见，超量取代混凝土的最佳配比是S43，即矿渣取代水泥量40%，超代系数1.3。
3 结论
（1）矿渣等量取代部分水泥配制高性能混凝土，掺量为30%时对混凝土强度和渗透性改善效果最优；等量取代时混凝土早期强度低，并且随矿渣掺量增加而下降。
（2）矿渣超量取代技术能有效提高矿渣大掺量高性能混凝土早期强度。超量取代不仅能提高等量取代混凝土强度，而且更能改善混凝土氯离子渗透性能和气体渗透性。最佳超代系数为1.3。
（3）矿渣等量取代水泥50%时不会使高性能混凝土干燥收缩率增大，超量替代技术对混凝土后期干燥收缩无影响。
（4）除了以矿渣（SS）超量取代外，笔者还对矿渣—粉煤灰复合掺合料（SF）和矿渣—钢渣复合掺合料（ST）超量取代水泥混凝土性能进行了研究。以矿渣（SS）或矿渣—钢渣复合掺合料（ST）的最佳超代系数为1.3，而矿渣—粉煤灰复合掺合料（SF）的最佳超代系数为1.2。当取代水泥量相同的情况下，混凝土强度和抗氯离子渗透性按SS、SF、ST顺序降低；混凝土气体渗透性SS优于ST，SF最差；而值得一提的是矿渣—钢渣复合掺合料（ST）超量取代能有效改善低水灰比高强混凝土收缩大的问题，其干燥收缩率与基准混凝土相比减小约1/3。
关键词：矿渣；高性能混凝土；超量取代；渗透性；收缩
中图分类号：TU37 文献标识码： A 文章编号：
高性能混凝土（High Performance Concrete, 以下简称HPC）是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术，选用优质原材料，除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的活性细掺合料和高性能外加剂的一种新型高技术混凝土。HPC水胶比一般较小，因而水泥石中有一部分水泥是不能水化的，只能起填充作用。故在配制HPC时，一般掺加粉状超细矿物活性掺和料置换部分水泥，这些掺合料对水泥石孔结构起填充细化作用，提高水泥石的密度，改善水泥石与粗集料间的界面结构。本文拟以矿渣超量取代技术配制高性能混凝土，以期改善混凝土性能，提高矿渣微粉的掺量。
1试 验
1.1原材料
试验采用石家庄燕赵水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，磨细矿渣来自于宝钢，其化学成分和主要物理性能见表1和表2，胶砂试验中矿渣等量取代水泥30%。砂为细度模数2.6~2.8的中砂；碎石粒径为5~25mm；超塑化剂采用聚羧酸盐高效减水剂。
表1水泥和矿渣的化学成分/%
表2水泥和矿渣的物理性能及胶砂强度
注：矿渣胶砂强度为矿渣取代水泥30%时砂浆强度
1.2试验方法及配合比
混凝土配合比如表3所示,混凝土坍落度控制在200±2mm范围内。
抗压强度采用100mm×100mm×100mm试件，按GBJ81-85要求进行成型，标准养护后测试7d、28d、90d抗壓强度。
混凝土氯离子渗透性能采用ASTMC1202-94[7]建议的电量法测定。试件为直径100mm，高度50mm的圆柱状混凝土。
混凝土气体渗透实验按照RILEM TC 116-PCD[8]步骤进行。每组两块，试块采用直径150mm,高度为50mm的圆柱体。养护时尽量减少试块与外界环境的水分交换。养护在20℃的室内进行，立即将试块密封保存。采用氮气作为渗透气体。渗透压力分别为1.5bar、2.0bar、3.0bar(绝对压力)。计算各压力下的Ki，取平均值即得各配比混凝土的渗透系数K。
混凝土收缩试验按使用测量标距为540mm，精度为0．01mm的混凝土收缩仪测混凝土的收缩值。每组配比成型3个100mm×100mm×515mm长方体标淮试块，成型1d后拆模并于标准养护室养护至3d龄期（从搅拌混凝土加水时算起）。立即移入温度20±3℃，相对湿度为60±5％养护室中，测定其初始长度。此后，分别测量1d、3d、7d、14d、28d、60d、90d龄期时混凝土的收缩值。
2 结果与讨论
2.1矿渣等量取代对高性能混凝土性能的影响
2.1.1 矿渣等量取代对高性能混凝土强度的影响
从矿渣等量取代部分水泥混凝土抗压强度测试结果可见，随着矿渣掺量从０增加到60%，混凝土7天强度近似线性降低；28天和90天强度随矿渣掺量增加有所提高，当矿渣掺量为30%时最佳，随后强度开始下降，取代量高于50%时，混凝土强度低于基准混凝土。比较28天与90天结果，可见随矿渣掺量的增加，强度增加幅度增大，但当掺量大于30%时，增加幅度减小。由此可见，矿渣等量取代量为30%时，对混凝土强度改善最优。这与有关资料中最优掺量40%有所出入[5]。
2.1.2 矿渣等量取代对高性能混凝土渗透性的影响
矿渣等量取代时矿渣掺量与氯离子渗透性和气体渗透系数间的关系。随着矿渣掺量增加，混凝土的抗氯离子渗透性和抗气体渗透性能均得到改善，当矿渣掺量为30%时，效果最佳。此后，混凝土抗氯离子渗透性和抗气体渗透性随矿渣掺量增大而下降。掺量为60%时，混凝土抗氯离子渗透性能和抗气体渗透性能比基准混凝土都差。同时可知矿渣掺量对混凝土氯离子渗透性和气体渗透性的影响趋势是相近的，说明两者之间有很好的相关性。
2.2 矿渣超量取代对高性能混凝土性能的影响
2.2.1 矿渣超量取代对高性能混凝土强度的影响
矿渣超量取代对混凝土强度有明显影响，超代系数从1.1~1.4，水泥各取代量的混凝土7天强度改善非常明显。矿渣超代技术可有效解决矿渣等量取代混凝土早期强度低的问题。超代系数为1.3时，混凝土7天、28天和90天强度均达到最佳，超代系数1.4时各龄期强度均大副下降。当取代水泥量分别为40%、50%时，混凝土28天强度增加趋势明显，而取代水泥量60%时，28天强度变化较小。从90天的强度测试结果来看，与取代水泥量为50%、60%的混凝土相比，取代水泥量40%的混凝土强度增长幅度更大。超量取代混凝土从7d到28d强度增长比等量取代时慢，而后期强度增长明显比等量取代情况下快。
2.2.2 矿渣超量取代对高性能混凝土渗透性的影响
矿渣超量取代可以降低混凝土氯离子渗透性。矿渣取代水泥量为40%、50%，超代系数为1.3时，改善效果最佳。样品S43通电量最低为648库仑，仅为基准混凝土1307库仑的49.6%。当矿渣取代水泥量为60%时，超代系数1.1的混凝土抗氯离子渗透性最优。
同氯离子渗透性一样，当矿渣取代水泥量为40%、50%时，最佳超代系数为1.3。样品S43气体渗透系数最小为3.84×10-17，仅为基准混凝土的1/9。当取代水泥量为60%时，超代系数1.2时气体渗透系数最低。
可见，超量取代混凝土的最佳配比是S43，即矿渣取代水泥量40%，超代系数1.3。
3 结论
（1）矿渣等量取代部分水泥配制高性能混凝土，掺量为30%时对混凝土强度和渗透性改善效果最优；等量取代时混凝土早期强度低，并且随矿渣掺量增加而下降。
（2）矿渣超量取代技术能有效提高矿渣大掺量高性能混凝土早期强度。超量取代不仅能提高等量取代混凝土强度，而且更能改善混凝土氯离子渗透性能和气体渗透性。最佳超代系数为1.3。
（3）矿渣等量取代水泥50%时不会使高性能混凝土干燥收缩率增大，超量替代技术对混凝土后期干燥收缩无影响。
（4）除了以矿渣（SS）超量取代外，笔者还对矿渣—粉煤灰复合掺合料（SF）和矿渣—钢渣复合掺合料（ST）超量取代水泥混凝土性能进行了研究。以矿渣（SS）或矿渣—钢渣复合掺合料（ST）的最佳超代系数为1.3，而矿渣—粉煤灰复合掺合料（SF）的最佳超代系数为1.2。当取代水泥量相同的情况下，混凝土强度和抗氯离子渗透性按SS、SF、ST顺序降低；混凝土气体渗透性SS优于ST，SF最差；而值得一提的是矿渣—钢渣复合掺合料（ST）超量取代能有效改善低水灰比高强混凝土收缩大的问题，其干燥收缩率与基准混凝土相比减小约1/3。