2.1　原材料及其性質

本書所介紹內容中用到的主要原材料有礦渣、水泥、粉煤灰、合成纖維、減水劑、集料等。

2.1.1　礦渣

采用首鋼的磨細礦渣粉，其比表面積為400m2/kg，化學組成及基本物理性能見表2.1，礦渣的XRD圖譜見圖2.1，礦渣的SEM照片見圖2.2。

①堿性系數=（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3）。

礦渣的化學分析結果表明，礦渣的堿性系數為1.15，相對較高，屬于堿性礦渣，可以推斷該礦渣具有相對較高的潛在活性。從礦渣的XRD圖譜可知，礦渣在20°～40°之間有一漫射峰，結合化學分析的結果，可以推斷礦渣的主要組成為玻璃體；從幾個有限的特征峰考察，該礦渣中還含有少量的鈣鋁黃長石（晶面間距d分別為0.3459nm，0.3032nm，0.3076nm，0.2694nm）與透輝石（晶面間距d分別為0.2895nm，0.2492nm，0.2918nm）。

礦渣的SEM照片顯示，礦渣由一系列尺寸不等的細小玻璃態顆粒組成，礦渣玻璃顆粒表面相對光滑且顆粒呈棱角清晰的多邊形形態；另外能譜分析還表明，礦渣玻璃體的主要組成是Ca、Si、Al、Mg。

2.1.2　水泥

采用冀東52.5普通硅酸鹽水泥，其比表面積為315m2/kg，化學組成及礦物組成見表2.2，水泥的基本力學性能見表2.3，水泥的SEM照片見圖2.3，水泥XRD圖譜見圖2.4。

由表2.3可知，水泥的比表面積、凝結時間、沸煮安定性及強度均滿足52.5普硅水泥標準。

由圖2.2可知，水泥是由一系列大小不等的多邊形顆粒組成，水泥顆粒表面相對于礦渣而言較粗糙，表面吸附了一些細小的微粒；從顆粒尺寸考察，水泥顆粒的尺寸明顯大于礦渣顆粒。

由表2.2及圖2.4可知，普通硅酸鹽水泥的主礦物組成為硅酸三鈣（C3S，晶面間距d分別為0.2778nm，0.3040nm，0.3034nm，0.2754nm，0.2608nm）、硅酸二鈣（C2S，晶面間距d分別為0.2780nm，0.2790nm，0.2744nm，0.2736nm，0.2622nm）、鋁酸三鈣（C3A，晶面間距d分別為0.2699nm，0.1908nm，0.1558nm）、鐵鋁酸四鈣（C4AF，晶面間距d分別為0.263nm，0.277nm，0.267nm，0.192nm）及石膏（晶面間距d分別為0.2871nm，0.4280nm，0.2684nm，0.7610nm），水泥的化學組成及計算礦物組成均在普通硅酸鹽水泥的正常范圍內。

2.1.3　粉煤灰

采用石景山熱電廠排放的二級灰，粉煤灰的化學組成及基本物理性能見表2.4，粉煤灰的XRD圖譜見圖2.5，粉煤灰的SEM照片見圖2.6。

由表2.4及圖2.6可知，粉煤灰XRD圖譜中在15°～40°范圍內存在一個明顯的漫射峰，即可以推斷粉煤灰主要組成是硅鋁玻璃體，此外XRD圖譜還表明粉煤灰中含有一定的結晶礦物莫來石（2Al2O3·SiO2，晶面間距d分別為3.3982nm，5.3949nm，3.4259nm，2.2074nm，2.6974nm，2.5450nm，2.1999nm，2.1215nm，2.2961nm）和少量的石英（SiO2，晶面間距d分別為3.3378nm，4.2461nm，1.8149nm）。

表2.4表明，粉煤灰的主要化學組成為SiO2及Al2O3，還有少量的CaO及Fe2O3。粉煤灰的電鏡照片顯示，粉煤灰的形貌特征與多邊形的水泥及礦渣明顯不同，它是由一系列尺寸不等的光滑的玻璃微珠組成；能譜分析還表明粉煤灰玻璃微珠的主要化學組成是Si、Al。

表2.4中粉煤灰的物理性能還表明，研究用粉煤灰有良好的細度、需水性及活性，各項指標均滿足二級粉煤灰摻和料要求的指標。

2.1.4　合成纖維

在目前使用的合成纖維中，聚丙烯纖維是最常見也是研究最多的一種，它不僅摻量較低，而且易于加工，價格也相對便宜，本書內容中提到的合成纖維為中國紡織科學研究院生產的混凝土專用聚丙烯纖維。該纖維是直接拉絲制成的聚丙烯單絲纖維的束狀集合體，每一束有許多根單絲，在投入攪拌時會自動分散開。為提高纖維與砂漿或混凝土中水泥水化產物之間的黏結性及纖維在混凝土中的分散性，該纖維在制備中經過了特殊的表面處理。

該聚丙烯纖維呈白色束狀細絲，在混凝土中易分散成亂向單絲，每根單絲纖維長約15mm。該纖維在合成化學工業中也稱為丙綸，也就是工程界常稱的杜拉纖維（DurafiberTM），纖維的相關主要技術參數見表2.5。

由表2.5可知，聚丙烯纖維有良好的化學穩定性，不僅不溶于水，與大多數化學藥品，如酸、堿、有機溶劑接觸也不發生作用；它具有良好的物理力學性能，抗張強度大于200MPa，抗壓強度大于400MPa，極限伸長率達15％，彈性模量大于3500MPa；熱穩定性能、介電性能及安全性能良好、質輕且易分散。

聚丙烯纖維的粗細程度的法定單位是“特”（全稱為“特克斯”，tex），但國際上通常以旦尼爾（denier）表示，簡稱為“旦”。一旦表示在公定回潮率時9000m長的纖維或紗重1g。旦越大，纖維越粗，一旦等于1/9特。根據聚丙烯纖維旦值42，即可折算出每千克纖維的長度為：（9000m×1000g）/42g=214.3km，即如果把1kg長度規格為15mm的纖維摻入1m3混凝土中，就意味著這1m3混凝土中有1430萬根纖維。

由旦的定義及聚丙烯纖維的密度（0.91g/cm3）可得，聚丙烯纖維直徑（D）與旦（d）之間有以下關系

D=（1.554d×10-4）1/2　　（2.1）

將表2.5中纖維的旦值代入式（2.1），得纖維的直徑為0.080mm，即80μm。

所用聚丙烯纖維的電鏡形貌照片見圖2.7的（a）、（b）、（c）、（d）。

由圖2.7可知，纖維的直徑在80μm左右［圖2.7（b）］，這與前面的旦值計算結果相符。纖維表面呈現出兩種狀態［圖2.7（a）］，多數纖維表面相對比較光滑；少數纖維表面比較粗糙，尤其在纖維的端部有明顯褶皺［圖2.7（c）］，這可能是在剪切拉伸或在表面改性工藝中形成纖維部分表面結構破壞，這種粗糙表面結構可能有利于纖維與水泥基體黏結。圖2.7（b）、（d）還顯示，纖維截面并不是規則的圓形，而是呈現一種接近于圓的多邊形，這無疑有利于提高纖維與水泥基體的接觸面積，并起到提高纖維與水泥基體的黏結力。

2.1.5　水玻璃

本書中所提到的堿礦渣的激發劑以水玻璃為主，且水玻璃為市售，其化學組成及物理性能見表2.6。

2.1.6　氫氧化鈉

以氫氧化鈉調節水玻璃的模數，氫氧化鈉為市售化學純試劑。

2.1.7　水泥用標準砂

水泥力學性能參照ISO方法進行，故水泥膠砂實驗采用ISO標砂（GB/T 17671—1999）。

2.1.8　集料

本書中配制混凝土的粗、細集料分別采用最大粒徑為20mm的人工碎石及細度模數為2.7的天然河砂，其它主要性能指標見表2.7。

2.1.9　其它外加劑及化學試劑

本書介紹了一種針對堿礦渣水泥混凝土的新型緩凝劑，它主要由兩種化學試劑組成，其中化學試劑A為一種白色粉末狀的工業產品，化學試劑B為一種常見的灰色粉末狀工業產品。

本書中硅酸鹽水泥混凝土的平行實驗采用的高效減水劑為密云混凝土外加劑廠生產的高效減水劑FDN粉劑，最佳摻量范圍是膠結材用量的0.5％～1.0％。

本書中化學侵蝕采用的鹽酸、氫氧化鈉、硫酸鎂均為市售工業純化學試劑，配制海水所用的氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣及可溶性硫酸鈣均為市售化學純試劑；氯離子滲透實驗中采用的氯化鈉及氫氧化鈉均為市售分析純化學試劑。