水泥混合材和混凝土摻和料（簡體書）

《水泥混合材和混凝土摻合料》是《水泥生產技術叢書》的一個分冊，主要介紹各類硅質工業副產品在水泥和混凝土中的應用技術，包括礦渣和礦渣粉、粉煤灰、鋼渣和鋼渣粉、煤矸石和高嶺土、磷渣粉、硅粉等的基本性能以及用作水泥混合材與混凝土摻合料的制備過程和應用技術。《水泥混合材和混凝土摻合料》可供水泥和混凝土領域的生產技術人員、科研人員、工程技術人員閱讀，也可供高校相關專業師生參考。

《水泥混合材和混凝土摻合料》是水泥生產技術叢書之一。

水泥混凝土作為當今大宗的人造建筑材料，在經濟建設中起著重要的作用，但混凝土所使用的膠凝材料——水泥，其生產過程的資源消耗、能源消耗與環境污染等問題十分突出，水泥生產消耗大量的石灰石、黏土、煤等不可再生的資源，同時排放數以億噸計的CO2、SO2和NOx等廢氣及粉塵，對環境造成嚴重污染。根據最新的統計，生產1t水泥大概排放088tCO2，由此推算水泥工業排放的CO2占全球CO2總排放量的75%。如何少用熟料，多摻入工業廢棄物（礦渣、粉煤灰、鋼渣、磷渣、硅粉等）用于水泥混凝土生產，是可持續發展和降低混凝土生產成本的重要技術路線。今後負責選擇材料的工程師，將被期待履行更多的社會職責，不僅要考慮材料的工程性能和造價，而且要重視其生態友好性。在全世界能源和自然資源保護日益重要的背景下，大多數國家對工業廢棄物在施工過程中具有的經濟、環境和技術方面的優勢表現出積極的興趣，許多工業廢棄物被證明在減少水泥生產對環境沖擊方面具有很多技術優勢。混凝土有優良的生態形象，而且可以普遍接受的是似乎沒有比混凝土業更好的產業來處理其他工業活動排放的數量龐大的廢棄物。混凝土行業消納的工業廢棄物主要是礦渣和粉煤灰，隨著產業政策的調整和環境保護意識的提高，其他工業廢棄物的利用也呈現上升趨勢，包括磷渣、鋼渣、釩鈦渣等各種冶金渣。在混凝土中使用這些硅質工業副產品有諸多優勢，比如：節省能源和天然資源、減少CO2排放、利廢環保等。2008年，我國的水泥產量為1399億噸，幾乎是世界水泥產量的一半，其中熟料產量為97億噸，余下的混合材主要是礦渣和粉煤灰。這些混合材高達35億噸，因而也相應地減少了大約3億噸的CO2排放。我國生產的水泥約有25%是來自混合材的貢獻（另5%是石膏）。除了在水泥生產中用作混合材外，工業廢棄物經過處理和篩選後，也可以作為單獨的膠凝組分直接用于混凝土的生產，這些硅質工業副產品相當大的部分具有潛在活性或膠凝性，在混凝土行業甚至不被稱為副產品或工業廢棄物，而代之以礦物摻合料、礦物外加劑和“輔助膠凝材料”之類比較積極的術語。基于以上事實，硅質工業副產品在水泥混凝土行業中的應用持續地成為全世界廣泛關注的研究領域，其應用使現代混凝土更耐久、更綠色、更環保，成為進一步推動水泥混凝土行業發展循環經濟和可持續發展的動力。本書系統地闡述和總結了各國學者在該領域的最新研究成果，展望了混凝土行業利用其他工業廢棄物的巨大潛力，內容包括礦渣和礦渣粉、粉煤灰、鋼渣和鋼渣粉、煤矸石和高嶺土、磷渣粉、硅粉等硅質工業副產品在水泥混凝土中的應用技術，其中很大一部分是筆者和同事的工作成果，具有一定的實用價值。目前市場上還沒有一部專門介紹水泥混合材和混凝土摻合料的圖書。本書作為第一本關于水泥混合材和混凝土摻合料的專著，力求比較全面地介紹各類工業廢棄物制備水泥混合材和混凝土摻合料的生產過程、產品性能和應用技術，以期為讀者提供一些參考。本書在撰寫過程中得到了長江科學院同事們的支持和幫助，恕未能一一提及，在此一并表示真誠的感謝。筆者還要特別感謝我的家人對我的理解、支持和幫助。由于筆者水平有限，書中內容難免存在不妥和疏漏，敬請讀者指正。王迎春2011年3月

引言第一章 用于水泥和混凝土的礦渣與礦渣粉第一節 概述4一、礦渣的來源及其制備4二、應用歷史和發展趨勢8第二節 礦渣的組成、結構與性能11一、化學成分11二、礦渣的組成結構與水硬活性13三、礦渣粉的品質指標20第三節 礦渣對水泥水化過程和性能的影響24一、對水泥水化和硬化的影響24二、摻礦渣粉水泥的水化程度25三、對水泥流變性能的影響26四、對水泥凝結時間的影響29五、對水泥水化熱的影響30六、對水泥膠砂強度的影響30七、對硬化水泥漿體化學收縮的影響31第四節 礦渣粉對混凝土性能的影響33一、新拌混凝土33二、硬化混凝土35第五節 礦渣粉對混凝土耐久性的影響38一、抗凍性能38二、抗滲性能38三、抗硫酸鹽侵蝕性能39四、堿骨料反應41五、抗碳化和鋼筋銹蝕42參考文獻42第二章 用于水泥和混凝土的粉煤灰第一節 概述45一、來源和制備45二、應用歷史和發展趨勢50第二節 粉煤灰的組成、結構與性能52一、化學成分52二、顆粒形態53三、細度與燒失量54四、需水量比58五、三氧化硫含量與堿含量60六、氧化鈣含量61七、礦物組成和活性61第三節 粉煤灰對水泥性能的影響64一、對水泥水化的影響64二、水化熱68三、凝結時間70四、水泥的膠砂強度70第四節 粉煤灰用作混凝土摻合料72一、在混凝土中的效應分析72二、對新拌混凝土性能的影響73三、對硬化混凝土性能的影響75四、對混凝土耐久性的影響78第五節 粉煤灰在高性能自密實混凝土中的應用技術85一、摻入粉煤灰的技術優勢85二、摻粉煤灰自密實混凝土配合比的設計87三、配合比的優化91四、施工現場室內驗證92第六節 粉煤灰在大體積混凝土和碾壓混凝土中的應用94一、粉煤灰取代水泥的最大限量94二、碾壓混凝土的技術特點94三、粉煤灰對碾壓混凝土性能的影響95參考文獻100第三章 用作水泥混合材和混凝土摻合料的鋼渣粉第一節 概述102一、鋼渣的來源102二、鋼渣應用歷史103三、鋼渣應用前景104第二節 鋼渣組成、結構與性能104一、鋼渣化學組成與膠凝性能104二、鋼渣礦物組成與膠凝性能105第三節 鋼渣活性激發措施與機理106一、機械磨細106二、化學激發107三、熱激發108四、礦物重構109第四節 摻加鋼渣粉的水泥性能110一、水泥強度110二、標準稠度需水量、凝結時間113三、體積安定性113四、水化熱116第五節 鋼渣粉對混凝土性能的影響117一、新拌混凝土117二、硬化混凝土119參考文獻122第四章 煤矸石和偏高嶺土在水泥和混凝土中的應用第一節 煤矸石在水泥和混凝土中的應用125一、煤矸石的化學和礦物組成125二、煤矸石的活性127三、摻加煤矸石的水泥和混凝土的性能131第二節 偏高嶺土在水泥和混凝土中的應用134一、偏高嶺土的組成和結構134二、偏高嶺土的制備技術135三、偏高嶺土用于水泥和混凝土的性能137參考文獻144第五章 用作水泥混合材和混凝土摻合料的磷渣粉第一節 概述146一、磷渣的來源146二、磷渣與磨細磷渣粉的應用歷史147三、應用前景150第二節 磷渣組成、結構和性能150一、化學成分150二、磷渣中玻璃體形態151三、磷渣的品質指標153第三節 磷渣活性的激發措施與機理分析154一、磷渣的水硬活性154二、影響磷渣活性的主要因素155三、磷渣活性的物理激發方法156四、磷渣活性的化學激發措施157第四節 磷渣粉對水泥水化和性能的影響159一、摻磷渣粉水泥的水化硬化過程159二、對水泥凝結時間的影響168三、對水泥水化熱的影響170四、對水泥強度的影響172第五節 磷渣粉對混凝土性能的影響174一、新拌混凝土174二、硬化混凝土176三、磷渣粉對混凝土性能影響的綜合評價179四、磷渣應用中存在的問題180參考文獻181第六章 用于水泥和混凝土的硅粉第一節 概述183一、硅粉的來源183二、硅粉的種類184三、應用歷史和發展趨勢185第二節 硅粉的組成、結構與性能188一、化學成分188二、礦物結構形態189三、物理特性189四、硅粉在水泥混凝土中的作用機理分析192第三節 硅粉對水泥水化和性能的影響193一、摻硅粉水泥的水化產物及其微觀結構193二、摻硅粉水泥的水化熱195三、對水泥膠砂流動度的影響195四、對水泥凝結時間的影響196五、摻硅粉水泥的強度發展196六、硅粉對水泥收縮的影響199七、摻硅粉水泥的抗侵蝕性200第四節 硅粉對混凝土性能的影響201一、對新拌混凝土性能的影響201二、硅粉對硬化混凝土性能的影響202三、硅粉對混凝土耐久性的影響205第五節 硅粉混凝土的主要用途與應用技術特點210一、主要用途210二、硅粉混凝土的應用技術特點211參考文獻212第七章 用于混凝土的漿狀礦物摻合料第一節 漿狀摻合料的制備技術和特點215一、攪拌磨濕磨礦物摻合料的優勢215二、濕磨參數確定216第二節 漿狀摻合料的性能218一、濕磨處理對礦物摻合料物化性能的影響218二、漿狀摻合料的分散穩定性及流變性能225三、漿狀摻合料的摻合料效應230四、用漿狀摻合料配制不同等級混凝土231五、漿狀摻合料混凝土的凝結時間233六、漿狀摻合料混凝土的耐久性235七、漿狀摻合料水泥石組成、微結構與其混凝土耐久性244第三節 漿狀摻合料的應用前景254一、在商品混凝土中的應用254二、在水泥基灌漿材料中的應用255三、在預制混凝土構件中的應用256四、其他應用257五、應用前景與社會經濟效益258參考文獻259

三、鋼渣應用前景當前，我國正處在工業化過程中，大規模基礎設施建設對水泥混凝土的需求日益增大。不管是從可持續發展的戰略，還是從現代混凝土自身發展的角度考察，都需要有大量性能優異的礦物摻合料，這為鋼渣粉摻合料的利用提供了廣闊的空間。作為水泥混合材和混凝土摻合料，鋼渣不僅資源豐富，而且分布與礦渣一樣比較廣泛，因而鋼渣作為混凝土摻合料較容易被工程接受。有關鋼渣水泥的研究與應用在我國已有近30年歷史，在鋼渣用作水泥混合材的領域積累了豐富的經驗，這為鋼渣作為混凝土摻合料研究與應用提供了寶貴的參考，也為鋼渣水泥混凝土摻合料的使用者增添了信心。目前，我國鋼渣年產量已達6000萬噸，由于鋼廠的冶煉、鋼渣預處理工藝的改進，85%是與硅酸鹽熟料組成結構相似的轉爐鋼渣，出廠的鋼渣品質也在逐步提高，鋼渣中的金屬鐵及對安定性影響大的死燒石灰數量都得到了一定控制，這為將鋼渣的後續加工并制備成高性能的混凝土摻合料提供了質量保證。將鋼廠排放的鋼渣進行一系列簡單的預處理與深加工制備成水泥混合材和混凝土摻合料，一方面可提高鋼渣的附加值，為鋼鐵企業創造了新的經濟增長點，另一方面由于鋼渣粉摻合料的制備成本低于水泥熟料，采用鋼渣配制混凝土可降低混凝土的制造成本，提高混凝士生產企業的經濟效益。此外，將鋼渣用作水泥混合材和混凝土摻合料，也具有良好的環境效益。一方面可減少鋼鐵企業工業廢渣的排放，減少堆放鋼渣對土地資源的占用及渣塵對土壤、空氣及水的環境污染，改善鋼鐵企業周邊的生態環境；另一方面對于水泥混凝土生產企業而言，利用鋼渣粉摻合料配制混凝土節約了水泥用量，從而可節約生產水泥所需的能源、資源消耗，并減少水泥生產造成的粉塵、噪聲、水及空氣環境污染，尤其是減少了溫室效應氣體C02的排放，不僅改善了水泥廠的周邊環境，還對減緩世界氣候惡化起到積極的作用。將鋼渣用作水泥混合材和混凝土摻合料，符合我國可持續發展戰略。