矿渣是金属行业炼钢之后，经过水冷，粉磨等工艺后的产物。矿渣作为一种工业废弃料，大量堆积产生的污染对人体和环境造成严重危害，目前逐渐成为公认的高性能水泥基的重要原材料之一。大量的研究表明矿渣可以改善水泥基材料的物理性能及其耐久性，矿渣中的活性成分可与水泥水化产生Ca(OH)2发生反应，降低水泥基体的碱度，生成更多C-S-H凝胶，使水泥基体的密实性增加，有效改善水泥基材料的物理性能及耐久性。矿渣不仅可以作为水泥混合材，也是高性能水泥混凝土的掺合料。此外，大量的研究表明矿渣的掺入，将导致水泥水化热降低，使水泥基体的稳定性大幅度提高。在传统水泥生产中由于矿渣的易磨性比水泥差，且在工程中干缩大，易开裂，容易引起耐久性不良;而超细矿粉加入不仅会导致水泥级配发生变化，而且使水泥材料的水化速度和机械性能发生巨大改变。然而，宁夏矿渣微粉对水泥基材料的影响，在工程实践中还存在大量的不足及误区。

因此，本文选用超细宁夏矿渣微粉对水泥进行不同比例(5%，10%，15%，20%)的取代，研究水泥基材料的力学性能及抗冻性。结果表明，超细矿渣微粉对水泥基材料早期性能有明显的影响;并对水泥早期的浆体进行了微观结构表征，说明超细矿渣微粉是显著提高水泥浆体早期的力学性能及抗冻性的根本原因。

1实验原材料及其方法

1.1实验原材料

水泥：采用山水水泥厂42.5普通硅酸盐水泥;超细矿渣微粉(简称超细矿粉)：济钢废弃钢渣，经粉磨选粉后得到平均粒径为5.26μm的超细颗粒。砂子：标准砂。减水剂为聚羧酸减水剂。

水泥及超细矿渣微粉的主要化学组份见表1，超细矿渣微粉粒度分析及其微观结构图1。

由图1可以看出超细矿渣微粉粒径主要分布在1~10μm之间，其形貌为棱角粒状，其XRD分析看出，除明显的“峰包”之外，超细矿渣粉没有明显的矿物峰。这是主要由于超细矿渣微粉是经高温急冷得到的，矿物在急冷过程中来不及结晶导致以非晶体形式存在。

1.2实验方法

1.2.1成型及强度测试

根据GB/T17671-1999进行水泥砂浆配制和强度测试，水灰比为0.4(40mm×40mm×160mm)，成型后湿度95%、温度20℃养护室养护24h后脱模，脱模后将试块移至水中，20℃养护至试样龄期(3d,7d,28d)。

1.2.2干燥收缩

将水泥砂浆试块成型4mm×4mm×280mm，脱模第1天为初始长度，按照一定时间间距对试件进行长度测试，然后进行收缩率计算。

1.2.3冻融循环

试样按40mm×40mm×160mm成型，每种配比分为两组，水中养护28d后取出测试。然后将其中1组进行冻融循环试验，每5个冻融循环后取出试样，对试样进行弹性模量和试块质量测试，并与28d水养护试块测试值进行对比，计算损失率。

2实验数据与分析

2.1砂浆流动度

流动度是衡量水泥基材料工作性重要指标，超细矿粉对水泥砂浆流动度影响。

水泥的流动度随超细矿粉掺量的增大而降低，这是由于超细矿渣微粉具有大的比表面积，随着超细矿粉的增加，其需水量也逐渐增加。当水灰比为0.5时，水泥的流动度与超细矿粉的掺量成线性关系，相关程度R2=0.9216，具有良好的相关性。当超细矿粉增大为水泥25%时，水泥失去流动度，因此实验对大于20%的矿粉掺量不再研究。为了测试其强度和强度变化规律，本实验利用聚羧酸减水剂控制试样在相同的水灰比(0.4)下保持相同的流动度(180±5mm)。从图2(b)中也可以看出当水泥流动度相同时，减水剂的掺量随着超细矿渣微粉掺量的增加而增加。

2.2力学性能

超细矿渣粉对水泥砂浆力学性能影响。

随着矿粉掺量的增加，水泥砂浆的抗折强度和抗压强度随矿粉掺量的增加先增大后减小，特别是3d强度增加很为明显。当掺量为10%时，水泥基材料的3d抗压强度达到很大值。超细材料在水泥水化过程中具有微晶核效应，因此可以促进水泥水化程度，进而提高水泥的机械性能。此外，由于超细矿粉在碱性条件下会加速反应，与水泥水化产生的Ca(OH)2发生反应，生成更多C-S-H凝胶，使水泥基结构更加密实，因此，后期水泥基材料的抗折强度与抗压强度显著提高。超细矿渣粉掺量20%的水泥材料的7d和28d抗压强度相比空白样分别提高了56%和32%。

2.3干缩性能

水泥基材料干燥收缩是微观裂纹产生重要原因，超细矿粉对水泥基材料干燥收率影响。

随矿粉掺量增加水泥基材料干缩值减小;在水化早期，由于矿粉促进了水泥水化速率，其化学收缩占主要因素，因此水泥化学干燥收缩变化很快，其收缩也迅速增大;水化后期，水泥基材料的收缩趋于稳定。当矿粉掺量为20%时，其干燥收缩率相比空白样减少17%。因此超细矿粉可以降低水泥基材料干燥收缩，避免微观缺陷，进而改善水泥基材料的力学性能和耐久性。

2.4冻融循环

水泥基材料抗冻性能的。

超细矿粉的掺入能大幅度改善水泥基材料的耐久性，有效提高水泥抗冻性能。当冻融循环相同次数时，掺加了超细矿渣粉的水泥基材料的弹性模量和质量损失减小，且随着超细矿粉的掺量增加，水泥基材料的质量损失和相对弹性模量损失相对减小，其抗冻性能也越好。这是由于水泥基材料加入矿粉后，使水泥体系的密实程度增加，自由水分减少，当冻融循环时，实体内自由水产生的膨胀应力减少，抗冻性能也就大幅度提高。

2.5XRD分析

由于超细矿粉对水泥基材料的影响主要是对早期水泥水化的影响，因此本实验对3d水化试样的水化产物的主要组成进行研究。

随矿粉增加，水泥中Ca(OH)2和AFt分别在9°、19°峰值先减小，后增大;当掺量为5%时，Ca(OH)2特征峰值达到很小，掺量为10%时，AFt的峰值很低。说明超细矿粉掺量在5%~10%时，对水泥的水化有促进作用，可以消耗Ca(OH)2发生反应，提高水泥致密度，提高水泥强度。

3结论

(1)由于超细矿粉具有极大比表面积，随着超细矿粉的增加，在掺量5%~20%范围内水泥基材料的流动度呈线性下降。

(2)超细矿粉掺入促进水泥基材料的水化，水泥其材料后期强度增加，早期强度在10%时，强度增加。超细矿粉可以抑制水泥基材料的干缩性能，且随着矿粉掺量的增大，干缩越小。

(3)超细矿粉掺入消耗Ca(OH)2，生成C-S-H凝胶，大幅度改善水泥基材料的密实程度，减少水分迁移，有效提高水泥抗冻性能。