[摘要] 本文研究了不同矿渣掺量水泥在气冷水融快速冻融条件下的抗冻性。试验表明，在矿渣掺量在35%以内时，矿渣掺量对水泥抗冻性影响不大，但矿渣掺量超过35%，抗冻性明显下降。孔结构试验也证实，对抗冻性起重要作用的50nm~100nm孔和平均孔径在35%左右都有最低点。
关键词: 矿渣掺量 抗冻性 水泥砂浆
中图分类号:TQ172.44
0 前言
水泥矿渣做为混凝土的掺和料在很多工程上大量使用，甚至等量取代水泥后，硬化浆体的后期强度仍超过比对水泥。但毕竟矿渣在水淬时除形成大量的玻璃体外只含有少量的钙铝镁黄长石和硅酸一钙、硅酸二钙，自身水硬性微弱，只能通过熟料水化或外加的碱性物质激发才能发挥其活性，而硬化水泥试体要保持自身水化产物的稳定性也要求存在一定量OH-和SO42-。大量掺加矿渣是否会影响到硬化水泥试体结构，影响其耐久性？本文研究了矿渣在不同掺量时水泥抗冻性能试验，并进行了孔结构的研究。
1 材料与方法
1.1 原材料及水泥配比
用海螺水泥厂熟料和矿渣制样。熟料和石膏破碎至小于3mm，矿渣和石膏烘干至水分小于1%，将破碎后的熟料、石膏、矿渣均化。原材料的化学分析见表1。按表2配比方案进行制样，随矿渣掺量增加，水泥中SO3进行了适量增加。用试验小磨(Φ500mm×500mm)制备水泥样品，控制水泥的比表面积在350m2/kg~360m2/kg，80μm筛余<1.5%。
2 试验方法
2.1 水泥胶砂强度试验
按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度试验方法(ISO法)》成型强度。
2.2 抗冻性
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，另外一组在-15℃～20℃快速冻融50个循环后进行试验。以两者强度的变化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，空气中冷冻，水中融化。进行50个循环约需3天时间。
3.3 孔结构分析
将按GB/T17671-1999《水泥胶砂强度试验方法(ISO法)》成型的试体养护至28天时，取块状试样用大量无水乙醇终止水化，干燥后进行孔结构分析。仪器为美国生产的Auto9420型自动测孔仪。
3 结果与分析
3.1 水泥胶砂强度
试样的强度数据见表3。
从表3可以看出：随矿渣掺量增加3天、7天、28天强度都有所下降。按GB/T18046-2001《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》标准，通过HHK1与HHK6强度计算可知，该矿渣7天活性指数约在53%，28天活性指数约在65%。矿渣活性不高，符合目前水泥厂使用矿渣的活性现状。
3.2 抗冻性试验
图1结果显示：随矿渣掺量的增加，冻融后硬化硬化水泥试体的抗压强度下降百分数在-13.3%~ -65.0%之间。矿渣掺量小于35%时，试体抗冻性变化不大，随矿渣掺量的增加还略有上升。在矿渣掺量大于35%后，试体抗冻性下降很快。一些学者认为，抗冻性主要取决于强度。强度高，抗冻性就好。笔者认为，抗冻性与试体密实程度有一定关系。
3.3孔结构分析
有关结冰时的破坏机理已经进行了不少研究，主要有静水压和渗透压两种理论。无论那种理论都会涉及到样品中的孔结构。孔的大小、孔径分布以及孔的开口与否和连通情况都与抗冻性有关。不同学者对硬化水泥试体中孔的分类有不同看法，一般认为<5nm的为凝胶孔[1]，对试体收缩性能有影响。10nm～50nm为小毛细孔，会影响试体强度、渗透性、收缩。50nm～1500nm为大毛细孔，会影响强度、渗透性。水的结晶压力主要对小毛细孔作用较大。
因为对于大孔及开口孔，结晶压力可以顺利释放。而对于凝胶孔，即使有水进入，水量也较少，产生的压力较小。且凝胶孔周围的凝胶也会对压力缓冲，不会直接造成水泥强度的下降。
我们对矿渣掺量不同的水泥样品进行了孔结构的分析，见图2和图3。
从图2中可以看出，不同范围的孔其百分数变化趋势是不一样的，20nm～50nm孔百分数变化的幅度最大。有研究[2]表明，孔径为20nm～50nm的孔部分集中在混合材颗粒周围的界面裂缝。这部分孔可能与矿渣颗粒的水化关系密切。少量掺加矿渣，能对水泥石结构起到密室的作用，但超过一定限度，矿渣颗粒周围又会成有害孔聚集的地方。孔掺量孔结构变化趋势分析见表4。我们重点分析5nm～100nm的孔的情况，这部分孔也是造成胶砂试体抗冻性变化的主要原因。
表4表明，不同大小的孔随矿渣掺量变化的突变点也集中在35%处，与水泥胶砂抗冻性的宏观性能数据吻合。
4 结论
1、矿渣掺量在35%以内时，水泥抗冻性变化不大，但掺量超过35%时，水泥抗冻性下降很快。水泥生产和使用单位应提起注意。
2、孔径大小不同，随矿渣掺量变化的情况不同，但曲线的突变点一般集中在35%左右，与抗冻性试验相吻合。
参考文献
1万朝均，新型高效掺合料及其性能的研究，博士学位论文，重庆建筑大学，1999，12
2 水泥基复合材料的孔结构与强度相关性的关系，蒋林华等，《河南大学学报》，Vol.31,No.6，2003，P666～669
