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鋼渣礦粉混凝土的物理力學(xué)性能研究
摘 要: 研究了鋼渣礦粉細(xì)度、摻量對混凝土的工作性能和力學(xué)性能的影響,探討了鋼渣礦粉對混凝土性能的作用機(jī)理;提出了利用鋼渣礦粉作摻合料制備高強、高性能混凝土的關(guān)鍵技術(shù)與方法。
關(guān)鍵詞: 鋼渣礦粉;水泥混凝土摻合料;混凝土性能
鋼渣是煉鋼工業(yè)的廢渣,其排放量約為鋼產(chǎn)量的10 %左右,長期以來鋼渣沒有得到有效、徹底的利用, 造成鋼渣堆積成山,占用土地資源,污染空氣和水質(zhì)的嚴(yán)重局面。鋼渣中含有一定數(shù)量的水泥熟料的主要礦物C2S、C3S 等,具備可用作水泥混合材和混凝土摻合料的條件。但由于鋼渣含有較大量的CaO、MgO 成分, 控制不當(dāng)易造成安定性不良的后果。而且鋼渣的易磨性較差,導(dǎo)致鋼渣的活性得不到充分的發(fā)揮,限制了鋼渣在水泥和混凝土中的應(yīng)用。將鋼渣進(jìn)行悶渣和超細(xì)粉磨活化處理,可以較好地解決CaO、MgO 的有害膨脹問題,同時激發(fā)其反應(yīng)活性。將經(jīng)過處理的鋼渣用于配制混凝土,可以使鋼渣得到充分和高附加值的利用,同時提高混凝土的性能[1 ,2 ] 。隨著水泥混凝土研究與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展與深入,礦物摻合料是現(xiàn)代混凝土必不可少的重要組成之一,開發(fā)新型高效的礦物摻合料以滿足現(xiàn)代混凝土的發(fā)展與需求已成為水泥混凝土研究的一個重要內(nèi)容。為了更有效地利用鋼渣,研究中將鋼渣單獨粉磨后作為礦物摻合料摻入水泥混凝土中,研究鋼渣礦粉細(xì)度和摻量對混凝土的工作性能和強度的影響。磨細(xì)鋼渣粉作為一種新的水泥混凝土摻合料,分布廣、數(shù)量多,有較高的應(yīng)用與研究價值[2 ,3 ] 。
1 試驗原料
鋼渣:武鋼綠色冶金渣公司生產(chǎn),勃氏比表面積為450 m2/ kg、510 m2/ kg、600 m2/ kg 的3 種鋼渣礦粉, 分別以A、B、C 表示;水泥:華新水泥廠生產(chǎn),PO 42. 5 ;粗集料:石灰石,針片狀含量小于7. 6 % ;河砂:巴河中粗砂,含泥量小于1 % ,細(xì)度模數(shù)為2. 7~2. 9 ;減水劑:武漢武鋼浩源外加劑公司生產(chǎn),F(xiàn)DN29001 。
2 實驗方案及結(jié)果分析
2. 1 鋼渣礦粉摻量對混凝土性能的影響
試驗采用鋼渣礦粉A ,實驗配比及結(jié)果見表1 ,由表1 可知,利用該類鋼渣礦粉做摻合料,可制備出28 d 抗壓強度達(dá)到50 MPa 以上,初始坍落度大于18 cm 的高強混凝土。與基準(zhǔn)混凝土相比,摻加鋼渣礦粉的混凝土初始坍落度約大1~2 cm ,同時鋼渣礦粉降低混凝土坍落度經(jīng)時損失的作用也比較明顯,且鋼渣礦粉摻量越大,減小坍落度經(jīng)時損失的作用越突出。試驗結(jié)果說明,鋼渣礦粉的摻入不僅有利于提高新拌混凝土的工作性能,還能抑制混凝土的經(jīng)時坍落度損失。
混凝土3 d、7 d、28 d 的抗壓強度與鋼渣礦粉摻量間的關(guān)系如圖1 所示。由圖1 可知,隨著鋼渣礦粉摻量由10 %增加到60 % ,混凝土3 d 和7 d 抗壓強度呈明顯的下降趨勢。鋼渣礦粉的這一影響與其礦物組成密切相關(guān):與水泥相比,鋼渣中主要有早期水化較慢的C2S 礦物,而早期水化較快的C3A、C3S 礦物量較少。因此,隨著鋼渣礦粉的摻入,混凝土的早期水化速度減緩,摻入比例越大,水化速度越慢,從而混凝土的坍落度經(jīng)時損失也減小,混凝土的早期(3 d、7 d) 強度也越低[3~6 ] 。而鋼渣礦粉摻量對混凝土28 d 抗壓強度的影響可分為2 個階段來分析:在鋼渣礦粉摻量為10 %~20 %時,鋼渣礦粉的加入可使混凝土的28 d 抗壓強度略有提高,但增加率較?。划?dāng)鋼渣礦粉的摻量超過20 %以后,隨著鋼渣礦粉摻量的增加,混凝土的抗壓強度開始呈明顯的下降趨勢。這是因為當(dāng)摻量較小(20 %以下) 時,鋼渣粉在水化產(chǎn)物Ca (OH) 2 等激發(fā)下開始水化,對混凝土的強度發(fā)展有利;而摻量過大時,水泥量相應(yīng)減少,造成C2S2H 凝膠量較少,從而強度下降[5~7 ] 。因此,在鋼渣礦粉的使用中應(yīng)特別重視鋼渣礦粉摻量對混凝土強度的影響,在合理摻量范圍內(nèi)使用。
2. 2 鋼渣礦粉細(xì)度對混凝土性能的影響
實驗中分別采用A、B、C 3 種鋼渣礦粉試配C20 、C40 、C60 混凝土,研究了鋼渣礦粉細(xì)度對工作性能(新拌混凝土的坍落度及1 h 和3 h 坍落度損失) 和力學(xué)性能(混凝土的7 d、28 d 和90 d 抗壓強度) 的影響。試驗中混凝土配比的部分參數(shù)見表2 ,表2 還列出了同一摻量(20 %) 、不同比表面積的鋼渣礦粉(A、B、C) 混凝土的抗壓強度值。
2. 2. 1 鋼渣礦粉比表面積對混凝土工作性能的影響
根據(jù)上述之試驗方案,分別確定了配制C20 、C40 、C60 不同強度等級混凝土的配比及鋼渣礦粉的摻量, 研究了在相同摻量(20 %) 的情況下,不同比表面積的鋼渣礦粉A、B、C 對新拌的摻鋼渣礦粉混凝土(C20 、C40 、C60) 初始坍落度、1 h 、3 h 坍落度經(jīng)時損失的影響規(guī)律,實驗結(jié)果如圖2 、圖3 、圖4 所示。
由圖2 、圖3 、圖4 可見,對于C20~C60 混凝土,鋼渣礦粉的摻量為膠凝材料總量的20 %時,鋼渣礦粉越細(xì)混凝土初始坍落度越小,鋼渣礦粉細(xì)度對混凝土的坍落度經(jīng)時損失的影響較大。例如,鋼渣礦粉的比表面積為600 m2/ kg 時,對于C20 混凝土,1 h 坍落度經(jīng)時損失約為2 cm ,而對C60 混凝土1 h 坍落度經(jīng)時損失則高達(dá)4~5 cm。由此可見,混凝土的強度等級越高,鋼渣礦粉細(xì)度對混凝土工作性能的影響越大。
2. 2. 2 鋼渣礦粉比表面積對混凝土力學(xué)性能的影響
由表2 可知,摻加鋼渣礦粉的混凝土后期強度增進(jìn)率較大,C20~C60 各級別混凝土的90 d 抗壓強度相比28 d 強度都有較大的增加。鋼渣礦粉的細(xì)度對混凝土抗壓強度的影響也頗為顯著,C20~C60 各級別混凝土的3 d、28 d、90 d 抗壓強度都隨細(xì)度的增大而增加。例如,摻比表面積為600 m2/ kg 鋼渣礦粉的混凝土C20 、C40 、C60 的90 d 強度,相比摻加比表面積為510 m2/ kg 的鋼渣礦粉的混凝土分別提高了15 %左右。對C60 系列高強混凝土而言,如圖5 所示,隨著鋼渣礦粉比表面積由450 m2/ kg 增加到600 m2/ kg ,混凝土的28 d 抗壓強度增加了近6 MPa 。
比較表2 中的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn),隨著混凝土強度等級的提高,鋼渣礦粉細(xì)度大小對混凝土強度的影響趨勢是逐漸變緩。綜合考慮鋼渣粉磨的電耗及細(xì)度對混凝土抗壓強度的貢獻(xiàn)率, 鋼渣礦粉的細(xì)度不宜超過600 m2/ kg ,采用該細(xì)度的鋼渣礦粉已能夠制備出28 d 抗壓強度接近70 MPa 的高強混凝土。在相同細(xì)度的情況下,鋼渣礦粉摻量超過20 %時,混凝土的強度下降。試驗結(jié)果表明,通過增加鋼渣礦粉的細(xì)度可提高混凝土的抗壓強度。鋼渣礦粉的這一特性為提高鋼渣礦粉在混凝土中的摻量、增加混凝土的廢渣利用率創(chuàng)造了有利條件。試驗進(jìn)一步研究了在不同摻量情況下鋼渣細(xì)度對混凝土強度的影響規(guī)律, 混凝土的配合比參照表1 設(shè)計,得到的實驗結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可見,通過提高細(xì)度,可以顯著地增加鋼渣礦粉的水泥替代率,采用比表面積為510~600 m2/ kg 的鋼渣礦粉,在其摻量為40 %~50 % ,膠凝材料總用量為380 kg/ m3 的情況下,可配制出強度接近40 MPa 的混凝土。結(jié)果表明,如果鋼渣礦粉的比表面積由450 m2/ kg 提高至510 m2/ kg ,在達(dá)到相同混凝土強度的情況下,可使鋼渣礦粉的摻量增加10 %以上;而如果鋼渣礦粉的比表面積由450 m2/ kg 提高至600 m2/ kg , 在達(dá)到相同混凝土強度的情況下,則可使鋼渣礦粉的摻量增加1 倍以上。
3 結(jié) 論
a. 研制開發(fā)出一種新型礦物摻和料———鋼渣礦粉,其合理比表面積為450~600 m2/ kg ,鋼渣礦粉的摻入可以有效提高混凝土的工作性能,尤其在減小混凝土的坍落度經(jīng)時損失方面具有突出作用。
b. 鋼渣礦粉的摻量對混凝土強度有重要影響,鋼渣礦粉的摻入將降低混凝土的早期強度;比表面積為450 m2/ kg 的鋼渣礦粉,當(dāng)其摻量超過20 %時,混凝土的28 d 強度隨鋼渣礦粉摻量的增加而降低;通過提高鋼渣礦粉的細(xì)度可顯著提高混凝土的強度,在達(dá)到相同強度的情況下,鋼渣礦粉的比表面積由450 m2/ kg 提高到600 m2/ kg 時,其摻量可增加1 倍以上。
c. 利用鋼渣礦粉取代20 %~50 %的普通硅酸鹽水泥,可配制出坍落度大于20 cm、1 h 坍落度經(jīng)時損失小于6 cm、大流動度C20~C60 不同強度等級混凝土。
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