3.2 掺矿渣粉的胶凝材料物理力学性能
3.2.1 胶砂强度
对比了单掺矿渣微粉、单掺粉煤灰以及复掺粉煤灰、矿渣微粉的胶砂强度，见表3.2-1。单掺矿渣微粉、单掺粉煤灰以及复掺粉煤灰、矿渣微粉的胶砂强度与纯水泥基准胶砂强度对比（以纯水泥胶砂强度为100%）见表3.2-2，不同配比的胶砂强度增长率见表3.2-3（以28d龄期强度为100%）。
表3.2-1 单掺矿渣微粉、单掺粉煤灰与复掺矿渣微粉和粉煤灰的胶砂强度
续表
表3.2-2 单掺矿渣微粉、单掺粉煤灰与复掺矿渣微粉和粉煤灰胶砂与纯水泥基准胶砂强度对比
续表
表3.2-3 单掺矿渣微粉、单掺粉煤灰与复掺矿渣微粉和粉煤灰的胶砂强度增长率
续表
从表3.2-1和表3.2-2可以看到，单掺矿渣粉胶砂的强度均高于同掺量单掺粉煤灰胶砂。单掺30%～50%矿渣时，胶砂28d强度与基准胶砂相当或略高，随着龄期增长，强度超过基准胶砂。矿渣掺量40%时，胶砂强度最高，随着掺量进一步增加强度下降。单掺30%粉煤灰，180d龄期胶砂强度超过基准胶砂，随着掺量增加，强度下降。粉煤灰与矿渣粉复掺时，掺和料掺量不超过20%时，胶砂28d强度超过基准胶砂；掺和料掺量不超过30%时，胶砂90d强度超过基准胶砂；掺和料掺量不超过40%时，胶砂180d强度超过基准胶砂。
从表3.2-3的强度发展规律看，相同掺量下，掺矿渣粉胶砂的后期强度增长率明显低于粉煤灰胶砂，且矿渣粉品质不同，胶砂强度增幅存在较大差异。在掺和料总量不变的情况下，以适当比例复掺矿渣和粉煤灰的胶砂强度通常可以超过单掺矿渣或单掺粉煤灰胶砂。
以上研究表明，矿渣具有较高的活性，且早期活性明显高于粉煤灰，而粉煤灰则具有后期强度高、增长幅度大的特点，两者复掺具有强度超叠加效果，可以同时调控水泥基材料早期和后期强度。复掺矿渣和粉煤灰，可以尽可能增大矿物掺和料的用量，提高矿物掺和料的利用率。
采用正交设计方法，研究了掺和料掺量、矿渣与粉煤灰复掺比例、矿渣细度、粉煤灰品种对胶砂流动度与胶砂强度的影响。掺和料掺量选6个水平，矿渣微粉与粉煤灰的比例选4个水平，矿渣微粉细度选2个水平，即比表面积分别为270m2/kg（S270，比表面积270m2/kg相当于生产低热矿渣水泥时水泥熟料与矿渣共同磨细时矿渣的细度水平）、400m2/kg（S400），粉煤灰选择了两个不同的品种，即平圩电厂Ⅰ级粉煤灰和重庆电厂Ⅱ粉煤灰，确定的因素水平如表3.2-4所示。根据表3.2-4的因素与水平，选用L24（61×41×23）正交试验方案，见表3.2-5，胶砂流动度与强度试验结果见表3.2-6。
表3.2-4 因素水平表
表3.2-5 L24（61×41×23）正交试验方案
续表
表3.2-6 胶砂流动度与强度试验结果
胶砂流动度的极差计算结果列于表3.2-7，由极差分析的结果可以得出以下结论：
（1）矿渣微粉与粉煤灰的比值是影响胶砂流动度的主要因素，水泥与矿渣微粉+粉煤灰的比值是影响胶砂流动度的重要因素，粉煤灰的品种、矿渣微粉的细度对流动度的影响相对较小。
（2）胶砂流动度随矿渣微粉与粉煤灰比值的降低而增大，这说明多掺粉煤灰少掺矿渣微粉可提高胶砂的流动度。
（3）胶砂流动度随水泥与矿渣微粉+粉煤灰比值的减小而增大，也就是说提高矿渣微粉与粉煤灰的掺量可提高胶砂的流动度。
（4）掺平圩Ⅰ级粉煤灰的胶砂流动度大于掺重庆Ⅱ级粉煤灰的胶砂流动度。
（5）掺细矿渣微粉的胶砂流动度要比掺粗矿渣微粉的胶砂流动度大。
表3.2-7 胶砂流动度的极差计算表
掺矿渣粉与粉煤灰的胶砂抗压强度及抗折强度的极差计算结果列于表3.2-8及表3.2-9，由极差分析的结果可以得出以下结论：
（1）水泥与矿渣微粉+粉煤灰的比值是影响胶砂各龄期抗压强度的主要因素。对7d龄期，矿渣微粉的细度、矿渣微粉与粉煤灰的比值是影响胶砂抗压强度的重要因素，粉煤灰的品种对胶砂抗压强度的影响相对较小，在试验误差范围之内。对28d龄期，矿渣微粉与粉煤灰的比值、粉煤灰的品种是影响胶砂抗压强度的重要因素，矿渣微粉的细度对胶砂抗压强度的影响相对较小。对90d龄期，矿渣微粉与粉煤灰的比值是影响胶砂抗压强度的重要因素，矿渣微粉的细度与粉煤灰的品种对胶砂抗压强度的影响基本相当。对180d龄期，矿渣微粉与粉煤灰的比值、粉煤灰的品种是影响胶砂抗压强度的重要因素，矿渣微粉的细度对胶砂抗压强度的影响相对较小。
（2）水泥与矿渣微粉+粉煤灰的比值也是影响胶砂抗折强度的主要因素。矿渣与粉煤灰对胶砂抗折强度的影响规律与对胶砂抗压强度的影响基本一致。但是28d及28d龄期后，矿渣微粉的细度成为影响胶砂抗折强度的重要因素，粉煤灰品种对胶砂抗折强度的影响相对较小。
（3）胶砂抗压、抗折强度随水泥与矿渣微粉+粉煤灰比值的降低而降低，也就是说提高掺和料的掺量会降低胶砂强度。当水泥与矿渣微粉+粉煤灰比值小于0.5时，胶砂7d、28d抗压强度随水泥与矿渣微粉+粉煤灰比值的降低下降不明显，当水泥与矿渣微粉+粉煤灰比值大于0.5时，胶砂7d、28d抗压强度随水泥与矿渣微粉+粉煤灰比值的降低而明显下降。
（4）胶砂抗压、抗折强度随矿渣微粉与粉煤灰比值的减小而降低，这说明增加矿渣微粉的掺量可提高胶砂强度。
（5）总体来讲，胶砂的强度随矿渣微粉细度的增大而提高。
表3.2-8 胶砂抗压强度极差计算表
续表
表3.2-9 胶砂抗折强度极差计算表
续表
可以看到，影响胶砂流动度与胶砂强度的因素是不一样的。胶砂流动度指标好了，抗压强度及抗折强度指标却不一定好。为保证兼顾各项指标，可以采用功效系数法来确定各项参数。
假定正交设计原考核n个指标，每一指标均有一定的功效系数，第i个指标的功效系数为di（0≤di≤1）。如果有n个指标，就有n个功效系数di（i=1，2，…，n），用这些系数的几何求积得到一个总的功效系数：
这里用系数d表示n个指标的总的优劣情况。这样，每次试验后，只要比较系数d即可得到结果。
功效系数di确定的方法如下：用di=1表示第i个指标的效果最好，而di=0表示第i个指标的效果最差，di值满足：
显然，如果某一试验结果使所有的功效系数di（i=1，2，…，n）都达到1，那么总的功效系数为
这表明总的效果也是好的。反之，若有某一di=0，则必有d=0，亦即这个试验结果不好。
对胶砂流动度指标、胶砂抗压强度及抗折强度，其考核指标是一致的，即在胶砂配合比一定时，其值越大越好。由于各因素对胶砂抗折强度与抗压强度的规律基本上是相同的，故只对胶砂抗压强度与胶砂流动度用功效系数法进行综合评价。功效系数d的极差计算结果列于表3.2-10，具体可以得出以下结论：
（1）水泥与矿渣微粉+粉煤灰的比值是影响胶砂功效系数的主要因素；粉煤灰的品种、矿渣微粉与粉煤灰的比值是影响胶砂功效系数的重要因素；矿渣微粉的细度对功效系数的影响较小。
（2）胶砂功效系数随水泥与矿渣微粉+粉煤灰比值的降低而降低。当水泥与矿渣微粉+粉煤灰比值小于40∶60时，胶砂功效系数随水泥熟料与矿渣微粉+粉煤灰比值的降低幅度较小；当水泥与矿渣微粉+粉煤灰比值大于40∶60时，胶砂功效系数随水泥与矿渣微粉+粉煤灰比值的降低幅度较大。
（3）胶砂功效系数随矿渣微粉与粉煤灰比值的减小而减小，当矿渣微粉与粉煤灰比值为4∶1或3∶2时，胶砂功效系数随矿渣微粉与粉煤灰比值的减小而降低不明显；当矿渣微粉与粉煤灰比值小于2∶3时，胶砂功效系数随矿渣微粉与粉煤灰比值的减小而明显降低。
（4）掺平圩Ⅰ级粉煤灰的胶砂功效系数大于掺重庆Ⅱ级粉煤灰的胶砂功效系数。
（5）胶砂功效系数随矿渣微粉细度的增大而提高。
表3.2-10 功效系数d极差计算表
从正交设计的试验结果来看，矿渣微粉与粉煤灰联合掺用时，矿渣微粉与粉煤灰的比例为4∶1或3∶2可获得较好的结果。
3.2.2 水化热
对葛洲坝水泥厂生产的42.5中热水泥用蓄热法进行了掺矿渣微粉（比表面积500m2/kg，即S500）及掺平圩电厂Ⅰ级粉煤灰的水化热试验，试验结果列于表3.2-11。水泥水化热与矿渣微粉（粉煤灰）掺量关系的分析结果列于表3.2-12。
由表3.2-11及表3.2-12可以看出，水泥的水化热随龄期的增长而增加，随矿渣微粉（粉煤灰）掺量的增大而降低。矿渣微粉和粉煤灰都具有较高的活性，并会产生一定的水化热，这是由水泥水化产生的Ca（OH）2溶液激发而释放出来的。42.5中热水泥掺矿渣微粉（粉煤灰）后水化热降低的百分比低于矿渣微粉（粉煤灰）替代水泥的百分比。
表3.2-11 水泥胶砂水化热试验结果
续表
表3.2-12 不同矿渣微粉（粉煤灰）掺量水化热降低率
续表
在掺量相同的条件下，复掺矿渣微粉与粉煤灰的胶凝材料水化热最高，单掺矿渣微粉的胶凝材料水化热次之，单掺粉煤灰的胶凝材料水化热最低，这与强度规律一致，但单从降低胶凝材料水化热的角度而言，掺粉煤灰的效果最好，掺矿渣微粉次之，复掺矿渣微粉与粉煤灰的效果最差。