碱矿渣高性能水泥技术研究报告(最新)

碱矿渣高性能水泥技术研究报告
一、研究开发碱矿渣高性能水泥的目的和意义
1、前言
随着科技事业的高速发展，科学与技术不断革命，各行各业都在变革进步。

在建筑材料方面也取得了长足进步，出现了各种新型建筑材料，但绝大部分是有机材或有机无机聚合材。

长期以来，大批水泥科研工作者经过艰苦努力，并未能使硅酸盐水泥的标号和其他性能有较大的提高。

可以说在极大程度上硅酸盐水泥的潜力已几乎殆尽。

正因为如此，水泥科研工作者不得不寻求其他出路，于是出现了聚合物浸渍混凝土、聚合物混凝土等新型有机胶合材混凝土和有机无机复合胶结材混凝土。

这类混凝土不但价格贵，施工也较为困难。

利用硅灰生产高标号水泥，也因硅灰的产量十分有限，无法满足市场需求。

碱矿渣高性能水泥,具有早强、高强、高抗渗、高抗冻、水化热低、耐磨性好、抗化学腐蚀性强、需水性小、护筋性能好等优异的耐久性能。

是一项投资少、见效快、生产工艺简单，改变生产传统水泥“两磨一烧”的工艺为“一磨”。

从而大幅度节约能源，广泛利用工业废渣的新型建筑基材。

具有持续发展经济并与环境保护相容的新型建材产业。

矿渣的使用最早在1862年,德国人发现水淬矿渣具有活性以后，但大部分只是与水泥的熟料一起磨成矿渣水泥，由于矿渣的易磨性不及水泥，在水泥细度控制在300m2/kg的情况下，矿渣的细度仅能达到200-250m2/kg，因此活性没有充分发挥。

二十世纪五十年代南非研究发现如果单独把矿渣磨细后掺入混凝土中，其活性可以得到充分的发挥，这种很细的矿渣就是磨细矿粉。

在我国，矿渣都是作为活性混合材料添加到硅酸盐水泥熟料中，矿渣的活性没有完全体现出来。

由于当时的粉磨生产普遍采用球磨工艺，能耗较高，效率低，综合水泥性能和经济分析的结果，矿粉合理粉磨细度应控制在400-450m2/kg，直到2000年11月上海率先从日本引进60万吨矿粉立磨生产线，矿粉的大规模生产才在国内展开。

1998年上海完成地方标准《混凝土和砂浆用粒化高炉磨细矿粉》，1999年《粒化高炉磨细矿粉在混凝土中应用技术规程》制定颁布，2000年国家标准《用于水泥和混凝土的粒化高炉矿渣粉》颁布实施，2002年国家标准《高强、高性能混凝土用矿物外加剂》颁布，正式将磨细矿粉定为混凝土的第六组分，磨细矿粉才开始作为独立组分逐步应用于混凝土中，并被广泛的接受和使用。

碱矿渣水泥在世界上研究最早的是前苏联。

碱矿渣水泥是用碱金属化合物作碱组份去激发矿渣而得到的一种水硬性股凝材料。

这种体系是乌克兰基辅建筑工程学院博士维德格卢霍夫斯基于1957年创立。

维德格卢霍夫斯基教授等人用高浓度的苛性碱或碱金属非硅酸盐和低模数硅酸盐化合物来活化矿渣粉,成功的研制出水硬性的碱矿渣胶凝材料。

随后研究表明,碱矿渣水泥的抗压强度能达到40~120MPa。

1958年用这种材料生产出了普通配筋板材、预应力多孔楼板、道路构件、现浇基础、现浇防坡堤和工业建筑的框架结构等多种用途的建筑物及建筑构件。

并于1988年建成世界上第一座用碱矿渣水泥混凝土建造的（混凝土标号为C40）现浇22层大楼。

几十年来，经观测、检验结果证明，这些建筑物及建筑构件没有发现任何结构损坏的征兆
和钢筋锈蚀痕迹，而且这些建筑结构和构件的强度、抗冻性和抗渗性都比使用初期大大提高了。

从此，美、英、日、法、加拿大等国家相继在前苏联之后开展了对这种水泥的研发和应用工作。

但是从世界范围来看，到目前为止，碱矿渣水泥这种新材料一直无法大规模推广应用。

无法大规模推广应用的根本原因是碱矿渣水泥极易产生“急凝”现象(15分钟内)，无法保持充分的施工时间，给施工造成极大困难。

因此，解决碱矿渣水泥的“急凝”问题成了一个世界性难题。

2、建筑基材市场需求
未来城市建筑都是垂直大厦，向高层次、大跨度发展，建造海洋平台、跨越大江、峡谷等大跨度桥梁、高速火车栈桥都需要高强度和优良的耐久性混凝土。

大型地下建筑的防渗材料，核废弃材料和有毒物质的固化、防渗漏等等都需要高性能水泥基材去筑建。

未来建筑对结构性基材提出了高强度和高耐久性的要求。

由于硅酸盐水泥内含有三大有害物质：a.游离氧化钙b.方镁石结构型的氧化镁c.三氧化硫。

这三大有害物质的存在致使硅酸盐水泥的耐久性较差，它的冻融循环在300次以下。

硅酸盐水泥基材建筑物正常使用应在100年左右,因种种原因也难以达到，在这个期间还要花费很大的维修费用。

在发达国家实际建筑工程已大量使用60-80MPa的现浇混凝土，有些工程使用80-100MPa高强度混凝土，而我国在建筑工程中大量使用20-30MPa 强度混凝土。

与发达国家相比差距太大。

3﹑建筑业的防水防渗工程
房屋的漏水﹑渗水在我国乃至全世界都是难以解决的问题，我国每年因房屋的漏水﹑渗水所引发的民事纠纷经常发生。

每年因渗、漏水投入的维修费用也不少。

在国外房面防水采用金属薄板来解决。

在我国“毛主席纪念堂”也是用金属薄板作屋面防水，由于热胀冷缩的原因，金属薄板凸起部分开裂漏水，“毛主席纪念堂”已进行三次防水大修工程了。

现代科学如此发达，为什么现代防水还不如古代建筑
物的防水，例如，古罗马、古希腊的古建筑物至今还没有渗水，答案只有一个：用优异的无机矿物胶凝材料。

4﹑快速修补水泥混凝土路面材料
我国公路交通事业高速发展，水泥混凝土路面的修补任务重大而艰巨。

六﹑七十年代铺筑的道路又因种种原因而过早损坏。

如用普通水泥修补，因强度增长慢，养护期长须中断交通时间较长，不仅影响经济效益，也引发一些社会问题，甚至影响投资环境。

用高性能水泥修补，几个小时可以通车，这样减少车辆阻塞，既有好的经济效益也有利于社会。

特别是现代战争首发空袭目标是导弹发射场﹑飞机场﹑公路﹑桥梁。

混凝土施工后能一二小时之内恢复机场跑道可以出其不意的打击敌人。

就需要这种特快硬高强度混凝土。

高性能水泥混凝土经特殊养护两小时后，可以达到30MPa以上，完全可以在空袭后快速修补机场跑道。

5﹑高性能碱矿渣水泥开发系列产品市场潜力巨大。

我国为保护生态环境，保护人类自生的土地资源，建设部已下文到2003年底禁止使用粘土砖，一律使用非粘土的轻质砖。

轻质砖因气孔多吸水快，用传统的石灰和水泥砂浆难以砌筑。

因为水泥沙浆中的水分很快被轻质砖吸去。

水泥必须有水才能进行水化反映，砂浆中的水分很快被轻质砖吸去，砂浆水化不完全，难以形成强度，也就没有粘结力。

如用高性能水泥开发出的无机粘结剂，强度形成快、粘结力强，轻质砖块可以用锤子打钉而不会松动。

总之，用高性能水泥的特殊性能开发出一系列衍生产品满足市场需求。

6﹑环保节能利废
高性能碱矿渣水泥的基材是高炉水淬矿渣，材料广泛易得，每个省都有钢厂和炼铁厂。

以水淬矿渣做基材可以掺入其他任何工业废弃矿渣，虽然这些材料活性差或无活性，把它掺入水淬矿渣内混磨可以起到细骨料的作用，水泥的标号虽有下降，但仍然可达到50—80MPa。

经过实验,将废弃的路渣代替石子,用矿粉做成混凝土修补水泥公路路面,其强度28天可达60MPa以上。

我国累计已堆放的工业废渣预计70亿吨以上之多。

这些废渣仍然可以利用起来。

如果再不利用起来,堆积越多，危害社会越大，（尤其是锰矿渣），这就一靠科研工作者的努力，二靠政府的大力支持。

二、我国开发碱矿渣高性能水泥的条件
为满足我国建设事业水泥基材的需求和房屋建筑渗、漏水存在的问题，发展新型建筑水泥基材的生产，开发高性能水泥是十分重要的课题。

我国是一个幅员辽阔、人口众多、住房紧张、能源不足、资金短缺、工业废渣利用率较低。

因此，在研究开发新型水泥基材时，就应注意以下几个方面：a.原材料来源b.性能优良c.环境保护d.节能利废e.成本低廉。

生产高性能水泥主要原材料是高炉水淬矿渣、电炉磷矿渣以及钢渣和其他冶金废渣。

我国目前是世界上第一大钢产国，高炉排放渣达4100万吨以上，炼钢排渣达1600万吨以上，还有大量的其它工业废渣。

现在我国已累计堆放工业废渣达65亿吨以上。

许多工业废渣仍以排弃为主。

如攀枝花钢厂的高炉矿渣因含钛量太高（10%～25%）未被利用；酒泉钢厂的高炉矿渣因地域原因用量小堆积在山谷中。

我国每个省都有钢厂、炼铁厂和其他冶金工业厂。

众所周知，硅酸盐水泥存在一系列缺点：a.早期强度低b.保水性差c.抗冻性差。

因为矿渣掺入硅酸盐水泥熟料，活性激发相当慢，实际上是作为一种掺合料在使用，这也是一种原材料浪费。

生产高性能水泥可以使工业逐步走向少废或无废渣的生产轨道。

这对保护自然资源、保护生态平衡、保护人类的生存环境都具有深远意义。

三、碱矿渣高性能水泥的缓凝研究
1、引言
高性能碱矿渣水泥具有优异的水硬性能，可以制成高强度和高耐久性的混凝土。

但优异的水硬性往往带来凝结过快(约15分钟内)的缺点。

如果这一缺点得不到有效的克服，给混凝土施工带来极大的困难，这将成为推广该水泥的最大障碍。

2、高性能碱矿渣水泥快凝属性
高炉水淬矿渣系含铝硅酸盐玻璃体为主的不稳定结构，具有很好的潜在活性，磨细的矿渣拌水时，反应速度极慢，硬化体强度极低，无实用性。

当掺入如石灰、石膏、硅酸盐水泥熟料进行激发时，反应速度增快，强度增加。

若用碱金属化合物进行激发时，其反应速度巨增，强度达到最高。

碱组份在水泥浆中迅速离解，形成具有强大离子力的OH-离子，他们对矿渣玻璃体有强烈的破坏作用，使矿渣结构迅速解体与水化，短时间内形成大量的C-S-H凝胶，从而导致浆体的迅速凝结与快速硬化。

3、大量实验分析表明
碱激发矿渣的水泥凝结速度主要取决于矿渣的碱度以及碱组份种类和用量。

碱组份增大时，凝结时间短，初凝时间一般只有5～15分钟，而且初凝与终凝之间的间隔也极短，只有5～10分钟，极难控制与调整。

用硅酸盐水泥作缓凝剂的生石膏来作该水泥的缓凝剂作用甚微，甚至不起缓凝作用，在工艺上,我们采用了一系列的办法仍不能解决缓凝的根本问题。

这样,决定寻找一种对混凝土施工无副作用的无机外加剂。

经过长期大量的探索和试验,终于研制成功HN-9无机复合缓凝剂，掺用量少，工艺简单，缓凝效果极佳,无副作用（不含有害物质Cl-、SO2-4）,并可在24小时内任意调整缓凝时间。

完全满足施工工艺和远距离运输的要求。

根据不同需求，还研究成功新型具有24小时内调整缓凝时间的高性能碱矿渣水泥无机激发剂，缓凝效果与HN-9无机复合缓凝剂相同，从而解决了碱矿渣水泥急凝的世界性难题。

从表中可以看出掺量小，效果佳，初凝慢而终凝快，这样的凝结速度最为理想。

而且每次的增加量很小，产生的效果很好。

完全可以满足建筑工程混凝土施工的要求。

HN-9无机复合缓凝剂的掺入只影响混凝土的早期强度，对混凝土的后期强度不但没有影响而且增长速度更快，也不会影响混凝土护筋性及耐久性。

（因为它不含有害物质Cl-、SO2-4）。

四、高性能碱矿渣水泥物理力学性能研究
1、现状高强混凝土与用碱矿渣水泥生产高强混凝土
随着建筑业的不断发展和进步，高强度混凝土工程得到很大发展，在大跨度、重载结构及高层建筑中，人们为了减少结构断面，减轻自重，而采用高强度混凝土。

高强度混凝土的应用，可以使材料和能源的消耗降低，工程量减少，运输和架设工作量减轻。

提高工作效率和施工速率，降低工程造价。

高强度混凝土具有更高的耐久性能。

因此推广高强度混凝土有着显著的技术经济效益。

目前，利用普通硅酸盐水泥生产高强度混凝土，一般方法有：（1）利用高温高压以改善水泥水化。

（2）用聚合物作胶结材。

（3）用加压成型、真空成型、聚合物浸渍等以降低混凝土的孔隙率。

（4）采用活性骨料（如熟料）以改善水泥与骨料的粘结性。

（5）掺入减水剂以降低混凝土的水灰比。

（6）利用纤维作增强材料。

（7）掺入活性微粒（硅灰、优质粉煤灰）。

从以上方法可以看出，工艺措施使成型或养护复杂化，不仅增加了设备投资，而且限制了高强度混凝土在现浇工程中的应用，用聚合物作胶结材或掺聚合物虽然较大幅度提高混凝土的强度，但聚合物价格昂贵，而且这类混凝土一旦受热，且强度将会降低，耐久性受到很大影响。

现在市场上最实用的方法是加入硅灰和碱水剂复合使用。

但由于我国硅灰产量极低，估计全国每天回收硅灰总量还不到10吨。

这就限制了掺硅灰生产高强度混凝土在建筑中大面积使用。

用碱激发矿渣生产高强度混凝土十分容易。

碱矿渣水泥对原材料要求不高，生产工艺十分简便，混凝土施工工艺基本上与普通硅酸盐水泥相同，简便而容易生产出50～100MPa高强度混凝土。

它不但强度高而且有着优异的耐久性能。

2、碱矿渣高性能水泥的物理力学性能
（1）强度
碱矿渣水泥强度取决于碱组分的种类和数量、矿渣的种类、玻璃化率、化学成分及矿物组份等。

就矿渣而言，碱性矿渣优于酸性矿渣，水淬高炉矿渣优于电炉磷渣和其它冶金工业渣。

强度是水泥物理力学性能中很重要的指标，强度的产生与水泥的特性有本质的联系。

碱矿渣高性能水泥与OPC水泥的分散机制有很大不同，从宏观结构来看碱矿渣水泥与OPC水泥基本相同，但在微观结构上却大不相同，碱矿渣水泥的主体是矿渣，矿渣的化合物主要以共价键结合，所以矿渣中离子健份额少，其分散过程不是靠离子建的极化而是靠共价键Si—O—Si和Al—O—Al的断裂。

在高碱性介质中OH-离子进入矿渣玻璃体的空穴，促使玻璃体解体，从而大大激发了矿渣的潜在活性。

同时，这种高碱环境保证了形成稳定水化物的条件，促进了水化结构网络的形成。

所以，碱矿渣水泥在水泥反应早期却生成大量的水化硅酸钙凝胶，促进了早期强度的发展。

碱矿渣水泥不仅早期强度高，后期强度也稳步增长。

碱矿渣水泥胶砂强度试验表（试验方法参照GB177-85）
碱激发矿渣研究中，碱液中阳离子R+在反应中后期参与一系列的化学反应，形成Na2O·Al2O3·(2—4)SiO2·nH2O类型的水化产物。

这种水化产物类似埃及古老的金字塔中石材的矿物成份及天然岩石的造岩矿物，这也是碱矿渣水泥混凝土高耐久性的原因。

碱矿渣水泥中，一年内参与反应的碱组份达到原碱组份的92%左右，由于这时水泥石结构已相当致密，剩余的碱组份很难从基体中离析出来，这不但保证碱矿渣水泥混凝土有着优良的护筋性能，而且大大促进了混凝土后期强度稳步增长。

经X射线衍射分析和扫描电镜观察，水化早期，碱矿渣水泥和的水化物主要是C—S—H的凝胶和水化硅铝酸盐凝胶，晶体含量少，碱金属水化硅酸盐、碱金属水化硅铝酸盐和碱金属水化铝酸盐均在半年左右开始结晶。

个别水化产物甚至到三年龄期时，晶相仍然很少。

所以，碱矿渣水泥的水化产物最初以凝胶状态存在，最后才慢慢结晶。

因为结晶慢，生成的晶粒小，对已形成的水泥石结构不但没有破坏，相反使水泥石更为致密，强度、抗渗、抗腐蚀性进一步得到提高。

2、矿渣细度
当碱组份掺量较少、碱矿渣水泥的强度较低时，矿渣的细度对水泥的强度有直接的影响。

因为碱组份较小，对矿渣的激发是有限的。

通过细磨可以提高矿渣的活性，在同样条件下被激发更充分一些，有利于强度的提高。

当碱组份较多时，矿渣细度的影响则不很明显了。

在矿渣相同、碱组分种类及掺量皆相同的前提下，仅变动矿渣细度（320㎡/㎏、470㎡/㎏、630㎡/㎏），其28天强度基本相差不大。

为了节约能源一般矿渣细度控制在普通水泥的细度范围之内能满足碱矿渣水泥细度的要求（0.08mm筛筛余在4%以下）
3、标准稠度需水量与胶砂流动度
碱矿渣水泥的标准稠度需水量比PC水泥要低。

PC、OPC、SPC的标准稠度需水量为24～28%，碱矿渣水泥的标准稠度需水量一般为20.9～23.7%。

众所周知，普通水泥在凝结硬化过程中，会产生一些絮凝结构。

这些絮凝结构产生的原因很多。

可能的原因之一，就是由于水泥的分散过程主要是依靠离子健的极化。

水泥矿物水化后因为带电荷不同而产生电性相吸，絮凝结构中包裹很多拌合水。

使用碱水液可使絮凝结构分散。

碱矿渣水泥中，碱组份同时具有减水功能，因此,碱矿渣水泥的需水量比普通水泥要小。

强度越高的碱矿渣水泥，标准稠度需水量越小，这是因为强度越高的碱矿渣水泥中，碱组份的含量也越多，减水作用越显著的缘故。

这也是在实验中唯一与OPC一点差异。

如果用OPC的加水量，AAS 水泥胶砂拌合物明显过稀。

4、安定性
经煮沸法试验，各种矿渣、各类碱组份配制的多种标号的碱矿渣水泥，安定性全部合格。

众所周知，引起水泥安定性不良的原因，是因为熟料中含有过烧的CaO和MgO。

所以在PC、OPC、SPC水泥标准中规定了MgO的限量。

孰料中MgO的含量为5～6%。

如水泥SPC中矿渣掺加量大于40%或火山灰水泥和粉煤灰水泥中混合材总掺量大于30%，制成的水泥可不作压蒸试验。

这是基于矿渣和火山灰质材料明显可以改善水泥安定性不良的事实。

熟料中引起安定性不良的MgO是以方镁石的形式出现的，而矿渣中含少量MgO，通常以方柱石为主要的分子结构。

所谓方柱石是指有两个主要最终组成的为钙铝黄长石（C2AS）和镁方柱石（C2MS2）固液体的一组同晶体型。

在MgO含量达15%或更多的某种矿渣中，MgO以镁方柱石为主要成分，只有在MgO含量高于16%的矿渣经再熔和热处
理时，才能观察到方镁石。

由此可见，矿渣中通常不含引起安定性不良的方镁石。

而碱矿渣水泥中矿渣含量通常在90%以上，所以碱矿渣水泥不存在安定性不良的问题，安定性试验也证明了这一点。

即使是新鲜矿渣，马上磨细作安定性试验也是合格的。

5、水化热
对于主要工程特别是大体积混凝土工程，人们十分关注水泥的水化热问题。

水化热较高时，混凝土内部由于水泥水化产生的大量热量将导致混凝土开裂，严重时可以带来灾难性后果。

因此，各国都重视低热水泥的研究。

在诸多低热水泥中，水化热最低、强度最高的就是碱矿渣水泥。

碱矿渣水泥的水化热比PC、OPC、SPC的水化热低，而且比大坝水泥的水化热还低，不管碱组份的种类，也不管矿渣是碱性矿渣还是酸性矿渣，都是如此。

碱矿渣水泥比大坝水泥水化热对照j/g
水泥水化热的放热量
6、水泥石的孔结构
用美国9200型自动测孔仪测试碱矿渣水泥砂浆的孔结构，结果发现60～100MPa的碱矿渣水泥混凝土中，半径250 A O以下孔的数量仅占75.88%～80%，而矿渣硅酸盐水泥及混凝土这类孔的数量仅为
39.8%～55.6%，这说明碱矿渣水泥的孔结构比SPC水泥的孔结构要好得多。

也就是说，碱矿渣水泥石内的孔，绝大多数都是孔径极小的微孔，这些孔对混凝土并无害处。

碱矿渣水泥石中半径大500A O的有害孔近占16.9%～20.5%，而SPC 水泥中高达66%，大毛细孔多，可供渗水的通道多，因而抗渗性差。

而碱矿渣水泥混凝土由于有害孔少，因而抗渗性好，达40个水压未渗透。

碱矿渣水泥砂浆累积孔体积比OPC等水泥砂浆及混凝土小得多，总体积孔越小，因此强度越高。

总之，碱矿渣水泥强度高、标准稠度需水量小、安定性合格、水化热低、孔结构良好，各项物理力学性能指标都优于普通硅酸盐水泥。

其耐久性也远远高于普通硅酸盐水泥，特别是解决了缓凝问题，使凝结时间可以根据工程要求任意调整。

为综合利用工业废渣开辟了一条新的途径。

有着广阔发展前景，有很好的技术经济效益和社会效益。

对推动我国高强度混凝土技术的进步，促进建筑业的发展，有着重大意义。

五、高性能碱矿渣水泥耐久性研究
1、前言
目前，水泥与混凝土科学，正迅猛向前发展，主要表现在对工程所应用的混凝土标号日益提高。

在先进发达国家大量使用60～100MPa 混凝土，甚至更高。

人们对水泥与混凝土的耐久性研究不够，理论研究难度很大，进展缓慢。

从已有的混凝土实践来看，在正常使用条件下，普通水泥混凝土的使用寿命为50～100年，但在许多条件下，经20～30年就遭到了本质的破坏，需要进行修补或重建，耗费大量资金。

因此，许多学者呼吁，应加强水泥与混凝土的耐久性研究。

采用综合措施，将钢筋混凝土建筑物的使用寿命提高到500到1000年以上。

水泥与混凝土的耐久性主要取决于它的抗渗性、抗冻性、抗炭化性、抗化学腐蚀性以及混凝土的护筋性。

2、碱矿渣水泥混凝土的抗渗性
水泥与混凝土的耐久性与其抗渗性密切相关。

抗渗性不良的水泥混凝土，水分及各种浸蚀介质容易渗入内部，导致腐蚀、冻融破坏或钢筋锈蚀。

特别是承受水压的混凝土工程和预应力输水管道，抗渗性尤为重要。

试验方法
称取矿粉250g、标准砂750g，制成1：3的水泥胶砂（水灰比为1:0.50），装入试模内，振动40秒，然后刮平，试件成型后，放入养护箱养护，第二天脱模，放入养护箱，28天到期取出滚腊、装入抗渗试模内，此后将试件装到砂浆渗透仪上。

每小时加压0.1MPa，加压到1.0MPa时，恒压8小时，随后继续加压至4MPa再恒压8小时，停机卸载，取出试件立即将抗渗试件剖开测量渗水高度。

用作抗渗试件相同的配比制作一组40×40×160mm的胶砂强度试件标准水养28天。

试验结果：
碱矿渣水泥胶砂抗渗试验
从表中可以看出，碱矿渣水泥有着优良的抗渗性能，两组试件均承受高达4.0MPa水压力，其渗水高仅5～6㎜。

碱矿渣水泥混凝土抗渗试验，试验方法GBT82—85进行。

混凝土标号C60、C70、C80抗渗试验，其抗渗标号都达到了S40，渗水深度为5～15㎜。

应该说明：由于设备能力所限，并未能取得碱矿渣水泥及混凝土的极限抗渗能力的数据，在如此高的水压下渗水高度仅为5～15㎜，。