论文总字数：21767字

摘 要

矿粉等矿物掺合料已经成为混凝土的重要组材。适量地掺入矿粉既可以降低混凝土成本，又可以有效减弱混凝土制造及施工过程中的环境危害，还可以对混凝土进行改性使其具有更加优良的理化性质。

本文为了对大掺量矿粉混凝土进行全面而系统的评价，通过文献综述、实地调查、进行模拟实验等方法，分析了矿粉对混凝土性质产生影响的机理，得出了多种实际情况下矿粉掺量的理论最适值均为25%~35%的结论；整理归纳了使混凝土具有较高的强度、工作性能、耐久度等优良性质的具体方法；探讨了大掺量矿粉混凝土的可行性；对国内外大掺量矿粉混凝土的研究现状及使用前景做出总结；且使用SimaPro软件进行全生命周期模拟实验，得出了随着矿渣掺量的增加，混凝土环境负荷随之减低的结论。

关键词：矿粉掺量 ；混凝土 ；性能 ；全生命周期模拟实验 ；环境

Abstract

Mineral admixtures such as mineral powder have become an important component of concrete. Proper mixing of mineral powder can not only reduce the cost of concrete, but also effectively reduce the environmental hazards in the manufacturing and construction of concrete. It can also modify the concrete to make it have more excellent physical and chemical properties.

In order to carry out a comprehensive and systematic evaluation of the concrete with a large amount of mineral powder, this paper analyzes the mechanism of the mineral powder's influence on the properties of the concrete through methods such as literature review, field investigation, and simulation experiments. The theoretical optimal value of the amount of powder is 25%~35%; the specific methods for making the concrete have high strength, working performance, durability and other excellent properties are summarized; the feasibility of the large amount of mineral powder concrete is discussed To summarize the research status and use prospects of large-volume mineral powder concrete at home and abroad; and use SimaPro software to conduct full-life cycle simulation experiments, and it is concluded that with the increase of slag content, the environmental load of concrete decreases in conclusion.

Key Words: Mineral powder content ； Concrete ； Performance ；

Full life cycle simulation experiment ； Surroundings

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章绪论 5

1.1引言 5

1.2大掺量矿粉混凝土 6

1.2.1 大掺量矿粉混凝土的定义 6

1.2.2 掺入矿粉对混凝土的影响 6

1.3 问题的提出与本文主要内容 6

1.3.1 问题的提出 6

1.3.2主要内容 6

第2章 文献调研与分析 7

2.1矿粉 7

2.1.1矿渣的形成 7

2.1.2矿渣的化学组成 7

2.1.3玻璃体结构模型 7

2.1.4水化动力学方程 8

2.1.5高炉矿渣的粉磨工艺 8

2.1.5.1 控制矿粉比表面积 8

2.1.5.2 控制矿粉玻璃体的含量 9

2.2混凝土强度 9

2.2.1矿粉对混凝土强度影响机理 9

2.2.2探究抗压强度与抗折强度的意义 9

2.2.3单掺矿粉对混凝土强度的影响 9

2.2.4 双掺矿粉与粉煤灰对混凝土强度的影响 10

2.2.5提高掺矿粉混凝土早期强度的方法 11

2.2.5.1用复合早强剂提高早期强度 11

2.2.5.2用碱金属硅酸盐和硫酸盐提高早期强度 11

2.2.5.3用纳米碳酸钙提高早期强度 12

2.3混凝土的工作性能 12

2.3.1探究掺矿粉混凝土工作性能意义 12

2.3.2矿粉掺量与混凝土坍落度及和易性的关系 13

2.4混凝土耐久性 13

2.4.1混凝土耐久性的意义 13

2.4.2掺矿粉混凝土抗水渗透 13

2.4.3掺矿粉混凝土抗氯离子侵蚀 14

2.4.4掺矿粉混凝土抗硫酸根离子侵蚀 14

2.5总结与展望 15

2.5.1 研究成果总结 15

2.5.2 研究方向展望 15

第3章 全寿命周期评价软件评估 15

3.1研究目标与范围 15

3.2清单分析 16

3.2.1原材料消耗清单 16

3.2.2 能耗消耗清单 17

3.2.3 环境排放清单 18

3.2.3.1水泥生产阶段 18

3.2.3.2原料运输阶段 19

3.3环境影响评价 19

3.4结果解释 22

3.5模拟实验结论 23

第4章结论与展望 23

4.1结论 23

4.2展望 24

参考文献 24

致 谢 26

第1章绪论

1.1引言

水泥混凝土材料自问世到如今广泛运用于建筑施工行业以来已经经历了近两百年的发展历史，是支撑国民经济建设和社会发展的重要基础材料，广泛应用于道路、桥梁、铁路、地下、海洋及军事等领域中，发挥着不可代替的作用和功能。中国是世界上最大的水泥生产国，2018年中国的水泥产量约为23亿吨，占世界总产量的60%以上，混凝土的年产量近20亿立方米，约50亿吨。

近年来，随着可持续发展战略的具体落实，人们越来越重视我们的生活环境质量。水泥工业属于能源和资源消耗的密集型产业，矿物资源及化石燃料消耗量庞大，并且伴随着大量的温室气体（CO₂等）的排放。面对全球气温变暖和环境日益恶化等严峻问题，我国积极承担起大国的责任。在2019年联合国气候行动峰会上，我们宣誓将认真履行《联合国气候变化框架公约》和《巴黎协定》所规定的义务。然而我国仍处于发展阶段，基础建设所需水泥量庞大，一味提高水泥产量却与节能减排的任务背道而驰，故水泥行业面临严峻考验。与此同时，我国每年的固体工业废弃物年产量约为60亿吨，但目前的综合利用率只有40%左右，造成了严重的资源浪费，也对环境造成了不可忽视的威胁。而根据研究，大部分固体废弃物都具有一定的胶凝活性，经过一定的工艺处理后，可以作为水泥混凝土材料的辅助胶凝材料，达到二次利用的效果。

高炉矿渣是重工业冶炼钢铁过程中的副产品，是从高炉排放出的一种废渣，由助溶剂石灰和铁矿石中的石英、氧化铝和煤灰在1350~1550℃反应，而后再经历急冷的过程形成。其主要成分为钙硅质玻璃相材料，具有潜在的火山灰活性。特别是在水泥水化阶段，矿粉会与水泥熟料中的氢氧化钙发生火山灰反应，产生的水化产物胶凝性能良好，可以提高混凝土力学性能和耐久性的作用。矿粉中的玻璃态成分对于水泥的水化影响重大。因此，深入了解矿渣粉的玻璃体含量、化学组成及其结构，建立起矿渣玻璃体的结构模型是研究掺矿粉混凝土的必要措施。在此基础上，总结归纳矿粉的最适掺量（等量取代硅酸盐水泥）以及其对胶凝材料性能的影响；优选出适宜的早强剂以提高大掺量矿粉混凝土的早期强度；使用全生命周期评价软件对其环境影响进行评估。

1.2大掺量矿粉混凝土

1.2.1 大掺量矿粉混凝土的定义

混凝土的组成一般分为水、胶凝材料（主要为水泥熟料，部分掺入石膏、矿物添加剂）、骨料（细骨料与粗骨料）、外加剂（如早强剂、减水剂等）。矿粉即为矿物添加剂的一种。当前并未对大掺量矿粉混凝土的矿粉掺量区间做出明确的学术定义，即对矿粉掺量何为“大”仍处于概念模糊阶段。一般认为矿粉掺量大于总胶凝材料量（即水泥熟料与矿粉质量总和）的30%的普通硅酸盐水泥混凝土即可称之为大掺量矿粉混凝土。而矿粉掺量的极大值也因使用水泥的种类不同而存在差异，一般认为普通硅酸盐水泥混凝土矿粉掺量不得大于70%，而对于本就含有矿物添加剂的混凝土，如矿渣水泥混凝土、粉煤灰水泥混凝土、火山灰硅酸盐水泥混凝土等，其矿粉掺量最大值则视水泥熟料成分而定。在本文的探究中，如未特殊指明，则默认使用的水泥熟料为普通硅酸盐水泥。

1.2.2 掺入矿粉对混凝土的影响

在混凝土中掺入矿粉对混凝土产生的影响是多方面的，包括其抗压/抗折强度、和易性、耐久性、安定性等施工性能,同时其环境影响效应亦随之改变。总体来说，掺入矿粉会使混凝土早期强度降低，坍落度降低，保水性变差，抗氯离子、硫酸根离子侵蚀能力变强，且改善其环境效应，降低生产成本。

1.3 问题的提出与本文主要内容

1.3.1 问题的提出

基于进几十年国内外学者对掺矿粉混凝土的性能研究，人们对如何利用掺入矿粉的优点已有较为清晰的认知。但大部分文献仅具体展现掺入矿粉对混凝土某一方面性能的效应，所探讨的矿粉最适掺量局限于实现最大化某一方面的性能，而对混凝土整体性能略有忽视，故此需要对已有研究成果进行总结归纳，务求实现多元评估，对探究混凝土的矿粉普适掺量提供研究方向。

1.3.2主要内容

本文将从混凝土强度、耐久度、塌落度、抗氯离子侵蚀、抗硫酸根离子侵蚀、环境效应等方面总结矿粉掺量的适宜值，探究矿粉对混凝土性状影响作用的理论依据，总结归纳出普适矿粉掺量，并对大掺量矿粉混凝土的性能进行评价，找到生产使用大掺量矿粉混凝土的最优方案。

第2章 文献调研与分析

2.1矿粉

2.1.1矿渣的形成

高炉矿渣是重工业冶炼钢铁过程中的副产品，是从高炉排放出的一种废渣，由助溶剂石灰和铁矿石中的石英、氧化铝和煤灰在1350~1550℃反应，而后再经历急冷的过程形成。矿渣的冷却方式分为缓慢的空气冷却和快速的水淬冷却两种。在空气中缓慢冷却的熔融矿渣是由Ca-Si-Al-Mg形成的结构较为稳定的钙黄长石和镁黄长石的固溶体。研究表明，缓冷的矿渣胶凝活性极低，不适用于大规模的水泥混凝土生产中，仅在蒸压砖、低强度建筑材料的制备中有所应用。水淬法矿渣最早可追溯到1852年，目前比较成熟的制备方法是用高压水枪直接喷射到熔融的矿渣中，矿渣在急冷过程中会形成大量的玻璃相，具有一定的胶凝活性，是一种常见的矿物掺合料。

2.1.2矿渣的化学组成

矿渣的化学组成主要是CaO(30-50%)、SiO₂(27-42%)、Al₂O₃(5-20%)、MgO(1-18%)，但具体含量并非千篇一律，而是随炼铁方式和铁矿石种类的变化而变化^[1]。组成矿粉的成分与硅酸盐水泥类似都具有较高的钙硅含量，在一定程度上决定了玻璃相的活性。

2.1.3玻璃体结构模型

矿渣中玻璃相本质是由不同的氧化物形成的向各个方向发展的空间网络结构，其中含有少量的黄长石晶体，属于玻璃态和极少量结晶态的混合玻璃体。在玻璃体中含有大量的硅和钙元素，硅元素是网络形成体，并以孤岛状的[SiO₄]四面体形式存在，呈现出较低的聚合度和较高的化学活性；钙元素是网络改变体，起到平衡体系电价的作用，不规则地分布在网络空间中。

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