美国矿渣粉协会采用矿渣粉配制高性能混凝土

一、什么是高性能混凝土？

高性能混凝土有多种定义。这些定义中的绝大多数都将其描述为具有传统混凝土中所不具备的增强特性的混凝土。这些性能包括更高的抗压、抗折强度，更低的渗透性，更低的水化热，更高的抗碱骨料反应和耐硫酸盐侵蚀性能。在北美地区，矿渣粉已经在高性能混凝土中得到有效使用超过20年，并由许多高速公路部门在其所用的高性能混凝土中指定使用。

二、高抗压强度

矿渣粉能增加传统混凝土的强度，并且通常是生产高强度混凝土的重要组成部分。在水泥混凝土中使用的矿渣粉比例越高（不超过50%的情况下），混凝土的28天强度就越高。许多工程项目已经实现始终超过8,000 psi的现场混凝土强度。此外，工程师在强度需求超过12,000 psi的项目中指定使用了含有矿渣粉、硅酸盐水泥和火山灰的三元或甚至四元胶凝材料体系，比如休斯顿（Houston）的Reliant体育馆（Reliant Stadium）和克利夫兰（Cleveland）的 “关键大厦”（Key Tower）。

图1 休斯顿Reliant体育馆（Reliant Stadium），该项目使用了硅酸盐水泥-矿渣粉-粉煤灰混合料，使得用于支撑可伸缩屋顶的四个“超级柱”实现始终超过15,000 psi的现场强度，并严格保持混凝土的里表温差和峰值温度。

三、高抗折强度

对于含有矿渣粉的混凝土，其抗折强度超过1,000 psi是很普遍的。由于水泥浆和骨料颗粒之间粘结的更加牢固，混凝土的抗折强度也有所增加。这种粘结力的提高来源于强化浆体的特性，同时也增加了混凝土的抗压强度。圣路易斯（St. Louis）的Lambert运动场（Lambert Field）就是一项受益于使用矿渣粉从而实现的高抗折强度的工程案例。

四、低渗透性

当矿渣粉被用作混凝土中胶凝材料的一部分时，它会与水和氢氧化钙（Ca(OH)2）反应生成额外的水化硅酸钙（C-S-H）。C-S-H是一种能够将混凝土中材料粘合在一起并能够提供强度的凝胶。额外生成的C-S-H凝胶改善了浆体的孔隙结构并使得混凝土具有较低的渗透性。混凝土渗透性改善的程度与混合物中矿渣粉的掺量成正比，这个掺量通常为25%至65%。混凝土较低的渗透性减少了氯离子的侵入，从而降低了发生结构腐蚀的可能性。芝加哥（Chicago）的Wacker大道（Wacker Drive）和路易斯安那州（Louisiana）的Charenton 运河桥（Charenton Canal Brige）等项目都使用了矿渣粉来帮助降低混凝土的氯离子渗透性，通过快速氯离子渗透性测试（ASTM C1202）发现氯离子渗透性指标库仑电量降低至2,000库仑以下（氯离子渗透性等级为“低”）。

图 2 Charenton 运河桥（Charenton Canal Brige），路易斯安那州（Louisiana）第一座高性能混凝土桥板面使用了硅酸盐水泥-矿渣粉各占50%的混合材料，其氯离子渗透性指标库仑电量低于2,000库仑。

五、大体积混凝土的低水化热

在大体积混凝土结构设计中最大的挑战之一就是降低混凝土中心和表面之间的温差。如果混凝土中心与表面温度差异过大，混凝土就会产生温差裂缝。矿渣粉已成功应用于大体积混凝土，以充分降低温度。研究发现，当矿渣粉取代率较高时，与低热水泥生产的混凝土相比，掺入矿渣粉的混凝土产生的水化热更低。例如，在弗吉尼亚州里士满（Richmond）的I-895 Pocahontas公园大道（I-895 Pocahontas Parkway）地基混凝土中掺用了75%的矿渣粉，圣路易斯（St. Louis）的Creve Coeur Laker纪念大桥（Creve Coeur Laker Memorial Bridge）也使用了掺70%矿渣粉的技术方案。

图 3 在I-895 Pocahontas公园大道（I-895 Pocahontas Parkway）的十字路口的大型基础和超过16英尺厚的柱子中使用掺75％矿渣粉的技术方案，不仅满足大体积混凝土水化热的规范要求，同时获得超过5,000 psi的28天设计强度。

六、抑制碱骨料反应

碱骨料反应（ASR）发生在硅酸盐水泥中的碱与某些活性骨料和水发生反应并形成膨胀的凝胶类物质，从而导致混凝土过早劣化。矿渣粉可以通过与硅酸盐水泥中的碱结合并抑制其参与碱骨料反应来延缓碱骨料反应。同时，它还能降低混凝土的渗透性，从而限制了可用于参与碱骨料反应的水的渗入。在某些情况下，它也能降低水泥浆体中的总碱含量。例如，在德克萨斯州埃尔帕索（El Paso, Texas）的混凝土路面和密歇根州底特律（Detroit, Michigan）附近的塞尔弗里奇空军基地（Selfridge Air Force Base）机场道面均使用了矿渣粉来抑制活性骨料的碱骨料反应。

七、耐硫酸盐侵蚀

硫酸盐侵蚀发生在硬化混凝土之中，当海水、土壤和废水中含有硫酸盐时，它会与硅酸盐水泥浆体中的铝酸三钙发生反应。这种反应会导致钙矾石的生成。而钙矾石的生成将会导致混凝土的膨胀和过早劣化。当水泥中的铝酸三钙含量越高时，发生硫酸盐侵蚀的可能性就越大。矿渣粉中不含铝酸三钙，因此使用的矿渣粉所占比例越高，混合料中的铝酸三钙含量就越低，混凝土发生有害膨胀的可能性就越低。此外，矿渣粉降低了混凝土的渗透性并限制了硫酸盐渗透进入到混凝土中的能力。通过掺加矿渣粉从而减轻硫酸盐侵蚀的工程案例包括：马里兰州（Maryland）的William Preston 纪念大桥（William Preston Memorial Bridge）和俄亥俄州哥伦布市（Columbus，Ohio）的Hap Cremeans水处理厂（Hap Cremeans water treatment plant）。

采用矿渣粉配制高性能混凝土

已成功将矿渣粉应用于高性能混凝土（HPC）中的工程师和混凝土生产商所用矿渣粉的掺量为胶凝材料的20%至80%，其具体掺量取决于实际应用和预期结果。

声明：和所有混凝土一样，应进行多批次的试验以验证混凝土的性能。试验结果可能因环境温度、混合物组分等因素的不同而有所不同。建议您咨询矿渣粉专业人士以获得相关帮助。本文包含的任何内容都不应该被认为或解释为明示或暗示的保证，包括任何适用于某一特定用途的保证。

本文的英文原文出自美国矿渣粉协会（Slag Cement Association，SCA）官方网站，经美国矿渣粉协会授权和同意，由武汉微神科技发展有限公司（公众号“微神新材”）翻译、整理和发布。如需引用，请务必注明出处。