摘要：以现有的矿渣为基础，掺入矿渣激发剂制备成矿渣硫铝酸盐水泥（SŸSAC），将SŸSAC和普通硅酸盐水泥（OPC）的各种力学性能进行试验对比，结果表明：在矿渣激发剂的掺入量为15%时SSAC的水泥胶砂强度和混凝土强度均已显著高于同龄期的OPC，其抗折强度尤为突出。另外在SSAC混凝土中掺入粉煤灰可进一步降低SSAC用量，节约成本，提高折压比。

关键词：矿渣硫铝酸盐水泥；矿渣激发剂；掺入量；折压比

引言

矿渣硫铝酸盐水泥（SŸSAC）是一种使用粒化高炉矿渣为主要原料，以特种水泥熟料和无水石膏为无碱激发剂的新型低碳、利废胶凝材料。该水泥生产工艺简单、成本低、耗能低，可以通过粒化高炉矿渣粉与激发剂混拌或共同粉磨的工艺生产，通过调整粒化高炉矿渣与激发剂的比例，可以制备出不同强度等级的水泥。矿渣硫铝酸盐水泥具有低碳、低水化热、高抗折强度和抗硫酸盐侵蚀性能等优点。用于大体积混凝土中，由于其水化放热速度慢、放热总量低，结构内部温升低，内外温差小，结构内部温度应力大大降低，加之其抗拉强度高，可显著减少大体积混凝土结构温度裂缝。因此，可以预期矿渣硫铝酸盐水泥在大体积混凝土工程中具有广阔的应用前景。此外，该水泥在公路路基、海洋工程领域也具有广阔的应用前景。而且由于矿渣硫铝酸盐水泥的熟料用量较低，其碳排放仅有70～100 kg/t，仅为普通硅酸盐水泥PžO 42.5碳排放的10%～15%。该水泥的推广应用将为我国双碳目标的实现提供有力支撑。本文主要研究以现有的矿渣为基础，在掺入矿渣激发剂的作用下，制备成矿渣硫铝酸盐水泥，将其水泥胶砂的抗压和抗折性能、混凝土力学性能与普通硅酸盐水泥进行对比分析，来为矿渣硫铝酸盐水泥将来投入实际生产中提供理论依据。

1试验原材料及试验方法

1.1试验原材料

普通硅酸盐水泥（OPC）：试验所用水泥为故城山水水泥有限公司，P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其化学成分及物理力学性能见表1.1。

表1.1 水泥化学成分及物理性能

MgO

SO3

烧失量

细度

初凝时间

终凝时间

安定性

3d抗压强度

28d抗压强度

3d抗折强度

28d抗折强度

(%)

(min)

(MPa)

2.28

2.15

2.35

2.0

190

250

合格

28.3

47.0

6.2

8.7

粒化高炉矿渣：选用河北清峰绿能固废处置有限公司出产的S95矿渣粉，其主要技术指标见表1.2。

表1.2矿渣主要技术指标

密度（g/m3）

比表面积（m2/kg）

流动度比（%）

烧失量（%）

SO3（%）

2.87

451.00

103

0.25

0.11

粉煤灰：选用德州华能电厂有限公司出产的Ⅱ级粉煤灰，其性能见表1.3。

表1.3 粉煤灰性能

粉煤灰级别

细度（%）

需水量比（%）

SO3（%）

烧失量（%）

Ⅱ级

26.3

90

2.12

5.5

矿渣激发剂：选用唐山北极熊建材有限公司生产的无碱粒化高炉矿渣激发剂，该激发剂是以适当比例的快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥熟料和石膏混合磨细而成的粉料。比表面积≥500m2/kg，氯离子含量不大于0.06%，碱含量不超过1.0%。

1.2 水泥胶砂强度试验

按照GB/T
17671-2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》对矿渣硫铝酸盐水泥（SŸSAC）和普通硅酸盐水泥（OPC）进行水泥胶砂强度对比，胶砂的质量配合比为一份水泥，三份中国ISO标准砂和半份水（水灰比为0.5），其中SSAC由不同比例的矿渣与激发剂组成，见表1.4。试体为40mm×40mm×160mm的棱柱体，试件成型后先放入温度20±1℃和湿度90%以上的养护箱内养护24h后拆模，再放置于温度为20±1℃水中养护至3d、28d龄期时测定其抗折抗压强度。

表1.4 水泥胶砂配比

试验编号

OPC（g）

矿渣（g）

激发剂（g）

标准砂（g）

水（g）

1

450

0

0

1350

225

2

0

382.5

67.5

3

0

360

90

4

0

337.5

112.5

1.3 混凝土强度试验

依据JGJ55-2019《普通混凝土配合比设计规程》的有关规定进行混凝土配合比设计，共设计了5种配合比，见表1.5。其中1～3是普通硅酸盐水泥混凝土与不同比例下的矿渣硫铝酸盐水泥混凝土的对比，4～5是在矿渣硫铝酸盐水泥混凝土的基础上掺入部分粉煤灰。然后按GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》的有关规定进行混凝土拌合物的各项试验，并分别制作7d,28d龄期的混凝土试件。抗压强度试件尺寸100mm×100mm×100mm，抗折强度试件尺寸100mm×100mm×400mm。试件成型后在室温养护24h后拆模，放入标养室养护，养护环境为：温度（20±2）℃，相对湿度95%以上。

表1.5 混凝土配合比

配合比编号

水

胶

比

胶材

每m3材料用量Kg

OPC

矿渣

激发剂

机制砂

碎石

粉煤灰

水

外加剂

1

0.45

380

380

0

0

885

960

0

170

7.6

2

0.45

380

0

323

57

885

960

0

170

7.6

3

0.45

380

0

304

76

885

960

0

170

7.6

4

0.40

440

0

305

55

822

965

80

175

9.2

5

0.40

440

0

220

55

822

965

165

175

9.2

2试验结果及分析

2.1 水泥胶砂强度试验结果及分析

试验中是将矿渣与激发剂分别以15%：85%；20%：80%；25%：75%的混合比例制备成的SSAC，与OPC的抗压强度和抗折强度进行对比，结果如表2.1所示。随着激发剂比例的增加，抗折与抗压强度均有所降低，但均高于GB175-2020《通用硅酸盐水泥》中对不同龄期强度的要求。到28d龄期时，15%比例激发剂的SŸSAC已显著高于同龄期的OPC，其抗折强度尤为突出，20%比例激发剂的SŸSAC也与同龄期的OPC强度相当，由此可见，制备SŸSAC时激发剂掺入比例不应过大，对有高性能高强度等级要求时以15%比例为宜，一般的掺入20%即可。

表2.1 水泥胶砂强度

试验编号

1

2

3

4

3d

（MPa）

抗折

6.7

6.7

5.9

4.9

抗压

27.8

28.7

22.6

20.7

28d

（MPa）

抗折

8.8

10.3

9.1

8.2

抗压

47.0

54.4

47.3

43.9

2.2 混凝土强度试验结果及分析

混凝土抗压及抗折强度如表2.2所示，通过对比编号1～3混凝土强度发现，相同胶材情况下，激发剂掺量为15%的SSAC混凝土抗压强度明显高于OPC混凝土，激发剂掺量为20%的SŸSAC混凝土抗压强度与OPC混凝土相当，这与水泥胶砂试验结果是一致的，而且SŸSAC混凝土的抗折强度均高于OPC混凝土。对比编号4～5混凝土强度可以看出，在胶材一定的情况下，随着粉煤灰用量的增加，其抗压强度有所降低但折压比是上升的，因为粉煤灰的掺入对混凝土起到一定的缓凝作用，粉煤灰替代部分水泥对于混凝土强度与相应龄期有关，随着龄期的增长后期强度越高，而且粉煤灰能显著降低水泥水化产生的温升，所以粉煤灰的掺入对降低SŸSAC用量，节约成本，提高折压比方面有明显作用。

表2.2 混凝土抗压及抗折强度

配合比

编号

1

2

3

4

5

抗压(MPa)

7d

33.5

32.8

29.1

35.4

33.2

28d

47.7

51.2

47.4

54.7

52.0

抗折(MPa)

28d

5.3

6.6

5.7

8.7

8.8

折压比

0.11

0.13

0.12

0.16

0.17

3结论

(1) 矿渣激发剂的掺入可有效激发粒化高炉矿渣的活性，充分发挥粒化高炉矿渣对水泥早期和后期力学性能的贡献，大幅度促进水泥的水化硬化速度，进而提高早期强度和后期强度，尤其是抗折强度。(2) 随着矿渣激发剂掺量的增加，制备的水泥胶砂和SŸSAC混凝土的抗压强度和抗折强度均成下降趋势的，所以在生产时应根据实际设计要求进行调整，有高性能高强度等级要求时以15%比例为宜。(3) 在SŸSAC混凝土中掺入粉煤灰可进一步降低SŸSAC用量，节约成本，提高折压比，而且粉煤灰也能显著降低水泥水化产生的温升，加上SŸSAC本身具有低水化热、高抗折强度的特点，使得其在大体积混凝土和公路路基等工程上具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]龚博,李辉,张宝虎,等. 高抗折矿渣硫铝酸盐水泥混凝土路用性能及应用[J]. 混凝土,2021(4):125-128.

[2]唐山北极熊建材有限公司. 粒化高炉矿渣激发剂及其制备方法与用途:CN201711219813.X[P].
2018-05-29.

[3]朱凯. 大掺量粉煤灰对重交通路面混凝土性能的影响研究[J]. 混凝土,2011(4):124-126,129.