2.1　原材料及其性质

本书所介绍内容中用到的主要原材料有矿渣、水泥、粉煤灰、合成纤维、减水剂、集料等。

2.1.1　矿渣

采用首钢的磨细矿渣粉，其比表面积为400m2/kg，化学组成及基本物理性能见表2.1，矿渣的XRD图谱见图2.1，矿渣的SEM照片见图2.2。

①碱性系数=（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3）。

矿渣的化学分析结果表明，矿渣的碱性系数为1.15，相对较高，属于碱性矿渣，可以推断该矿渣具有相对较高的潜在活性。从矿渣的XRD图谱可知，矿渣在20°～40°之间有一漫射峰，结合化学分析的结果，可以推断矿渣的主要组成为玻璃体；从几个有限的特征峰考察，该矿渣中还含有少量的钙铝黄长石（晶面间距d分别为0.3459nm，0.3032nm，0.3076nm，0.2694nm）与透辉石（晶面间距d分别为0.2895nm，0.2492nm，0.2918nm）。

矿渣的SEM照片显示，矿渣由一系列尺寸不等的细小玻璃态颗粒组成，矿渣玻璃颗粒表面相对光滑且颗粒呈棱角清晰的多边形形态；另外能谱分析还表明，矿渣玻璃体的主要组成是Ca、Si、Al、Mg。

2.1.2　水泥

采用冀东52.5普通硅酸盐水泥，其比表面积为315m2/kg，化学组成及矿物组成见表2.2，水泥的基本力学性能见表2.3，水泥的SEM照片见图2.3，水泥XRD图谱见图2.4。

由表2.3可知，水泥的比表面积、凝结时间、沸煮安定性及强度均满足52.5普硅水泥标准。

由图2.2可知，水泥是由一系列大小不等的多边形颗粒组成，水泥颗粒表面相对于矿渣而言较粗糙，表面吸附了一些细小的微粒；从颗粒尺寸考察，水泥颗粒的尺寸明显大于矿渣颗粒。

由表2.2及图2.4可知，普通硅酸盐水泥的主矿物组成为硅酸三钙（C3S，晶面间距d分别为0.2778nm，0.3040nm，0.3034nm，0.2754nm，0.2608nm）、硅酸二钙（C2S，晶面间距d分别为0.2780nm，0.2790nm，0.2744nm，0.2736nm，0.2622nm）、铝酸三钙（C3A，晶面间距d分别为0.2699nm，0.1908nm，0.1558nm）、铁铝酸四钙（C4AF，晶面间距d分别为0.263nm，0.277nm，0.267nm，0.192nm）及石膏（晶面间距d分别为0.2871nm，0.4280nm，0.2684nm，0.7610nm），水泥的化学组成及计算矿物组成均在普通硅酸盐水泥的正常范围内。

2.1.3　粉煤灰

采用石景山热电厂排放的二级灰，粉煤灰的化学组成及基本物理性能见表2.4，粉煤灰的XRD图谱见图2.5，粉煤灰的SEM照片见图2.6。

由表2.4及图2.6可知，粉煤灰XRD图谱中在15°～40°范围内存在一个明显的漫射峰，即可以推断粉煤灰主要组成是硅铝玻璃体，此外XRD图谱还表明粉煤灰中含有一定的结晶矿物莫来石（2Al2O3·SiO2，晶面间距d分别为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，晶面间距d分别为3.3378nm，4.2461nm，1.8149nm）。

表2.4表明，粉煤灰的主要化学组成为SiO2及Al2O3，还有少量的CaO及Fe2O3。粉煤灰的电镜照片显示，粉煤灰的形貌特征与多边形的水泥及矿渣明显不同，它是由一系列尺寸不等的光滑的玻璃微珠组成；能谱分析还表明粉煤灰玻璃微珠的主要化学组成是Si、Al。

表2.4中粉煤灰的物理性能还表明，研究用粉煤灰有良好的细度、需水性及活性，各项指标均满足二级粉煤灰掺和料要求的指标。

2.1.4　合成纤维

在目前使用的合成纤维中，聚丙烯纤维是最常见也是研究最多的一种，它不仅掺量较低，而且易于加工，价格也相对便宜，本书内容中提到的合成纤维为中国纺织科学研究院生产的混凝土专用聚丙烯纤维。该纤维是直接拉丝制成的聚丙烯单丝纤维的束状集合体，每一束有许多根单丝，在投入搅拌时会自动分散开。为提高纤维与砂浆或混凝土中水泥水化产物之间的黏结性及纤维在混凝土中的分散性，该纤维在制备中经过了特殊的表面处理。

该聚丙烯纤维呈白色束状细丝，在混凝土中易分散成乱向单丝，每根单丝纤维长约15mm。该纤维在合成化学工业中也称为丙纶，也就是工程界常称的杜拉纤维（DurafiberTM），纤维的相关主要技术参数见表2.5。

由表2.5可知，聚丙烯纤维有良好的化学稳定性，不仅不溶于水，与大多数化学药品，如酸、碱、有机溶剂接触也不发生作用；它具有良好的物理力学性能，抗张强度大于200MPa，抗压强度大于400MPa，极限伸长率达15％，弹性模量大于3500MPa；热稳定性能、介电性能及安全性能良好、质轻且易分散。

聚丙烯纤维的粗细程度的法定单位是“特”（全称为“特克斯”，tex），但国际上通常以旦尼尔（denier）表示，简称为“旦”。一旦表示在公定回潮率时9000m长的纤维或纱重1g。旦越大，纤维越粗，一旦等于1/9特。根据聚丙烯纤维旦值42，即可折算出每千克纤维的长度为：（9000m×1000g）/42g=214.3km，即如果把1kg长度规格为15mm的纤维掺入1m3混凝土中，就意味着这1m3混凝土中有1430万根纤维。

由旦的定义及聚丙烯纤维的密度（0.91g/cm3）可得，聚丙烯纤维直径（D）与旦（d）之间有以下关系

D=（1.554d×10-4）1/2　　（2.1）

将表2.5中纤维的旦值代入式（2.1），得纤维的直径为0.080mm，即80μm。

所用聚丙烯纤维的电镜形貌照片见图2.7的（a）、（b）、（c）、（d）。

由图2.7可知，纤维的直径在80μm左右［图2.7（b）］，这与前面的旦值计算结果相符。纤维表面呈现出两种状态［图2.7（a）］，多数纤维表面相对比较光滑；少数纤维表面比较粗糙，尤其在纤维的端部有明显褶皱［图2.7（c）］，这可能是在剪切拉伸或在表面改性工艺中形成纤维部分表面结构破坏，这种粗糙表面结构可能有利于纤维与水泥基体黏结。图2.7（b）、（d）还显示，纤维截面并不是规则的圆形，而是呈现一种接近于圆的多边形，这无疑有利于提高纤维与水泥基体的接触面积，并起到提高纤维与水泥基体的黏结力。

2.1.5　水玻璃

本书中所提到的碱矿渣的激发剂以水玻璃为主，且水玻璃为市售，其化学组成及物理性能见表2.6。

2.1.6　氢氧化钠

以氢氧化钠调节水玻璃的模数，氢氧化钠为市售化学纯试剂。

2.1.7　水泥用标准砂

水泥力学性能参照ISO方法进行，故水泥胶砂实验采用ISO标砂（GB/T 17671—1999）。

2.1.8　集料

本书中配制混凝土的粗、细集料分别采用最大粒径为20mm的人工碎石及细度模数为2.7的天然河砂，其它主要性能指标见表2.7。

2.1.9　其它外加剂及化学试剂

本书介绍了一种针对碱矿渣水泥混凝土的新型缓凝剂，它主要由两种化学试剂组成，其中化学试剂A为一种白色粉末状的工业产品，化学试剂B为一种常见的灰色粉末状工业产品。

本书中硅酸盐水泥混凝土的平行实验采用的高效减水剂为密云混凝土外加剂厂生产的高效减水剂FDN粉剂，最佳掺量范围是胶结材用量的0.5％～1.0％。

本书中化学侵蚀采用的盐酸、氢氧化钠、硫酸镁均为市售工业纯化学试剂，配制海水所用的氯化钠、氯化镁、氯化钙及可溶性硫酸钙均为市售化学纯试剂；氯离子渗透实验中采用的氯化钠及氢氧化钠均为市售分析纯化学试剂。