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(duì)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(duì)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(qiáng)、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(zhǎng)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(shí)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(shí)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(gè)重要內(nèi)容。為了更有效地利用鋼渣，研究中將鋼渣單獨(dú)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(duì)混凝土的工作性能和強(qiáng)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?jī)r(jià)值[2 ，3 ] 。

1 　試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2. 1 　鋼渣礦粉摻量對(duì)混凝土性能的影響

      試驗(yàn)采用鋼渣礦粉A ，實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度達(dá)到50 MPa 以上，初始坍落度大于18 cm 的高強(qiáng)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(shí)鋼渣礦粉降低混凝土坍落度經(jīng)時(shí)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(shí)損失的作用越突出。試驗(yàn)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(shí)坍落度損失。

      混凝土3 d、7 d、28 d 的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度呈明顯的下降趨勢(shì)。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(shí)損失也減小，混凝土的早期(3 d、7 d) 強(qiáng)度也越低[3～6 ] 。而鋼渣礦粉摻量對(duì)混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度的影響可分為2 個(gè)階段來分析：在鋼渣礦粉摻量為10 %～20 %時(shí)，鋼渣礦粉的加入可使混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度略有提高，但增加率較??；當(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(qiáng)度開始呈明顯的下降趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)摻量較小(20 %以下) 時(shí)，鋼渣粉在水化產(chǎn)物Ca (OH) 2 等激發(fā)下開始水化，對(duì)混凝土的強(qiáng)度發(fā)展有利；而摻量過大時(shí)，水泥量相應(yīng)減少，造成C2S2H 凝膠量較少，從而強(qiáng)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(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，在合理?yè)搅糠秶鷥?nèi)使用。

2. 2 　鋼渣礦粉細(xì)度對(duì)混凝土性能的影響

      實(shí)驗(yàn)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(duì)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(qiáng)度) 的影響。試驗(yàn)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(qiáng)度值。

2. 2. 1 　鋼渣礦粉比表面積對(duì)混凝土工作性能的影響

      根據(jù)上述之試驗(yàn)方案，分別確定了配制C20 、C40 、C60 不同強(qiáng)度等級(jí)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(duì)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(shí)損失的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 、圖3 、圖4 所示。

      由圖2 、圖3 、圖4 可見，對(duì)于C20～C60 混凝土，鋼渣礦粉的摻量為膠凝材料總量的20 %時(shí)，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(duì)混凝土的坍落度經(jīng)時(shí)損失的影響較大。例如，鋼渣礦粉的比表面積為600 m2/ kg 時(shí)，對(duì)于C20 混凝土，1 h 坍落度經(jīng)時(shí)損失約為2 cm ，而對(duì)C60 混凝土1 h 坍落度經(jīng)時(shí)損失則高達(dá)4～5 cm。由此可見，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)越高，鋼渣礦粉細(xì)度對(duì)混凝土工作性能的影響越大。

2. 2. 2 　鋼渣礦粉比表面積對(duì)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(qiáng)度增進(jìn)率較大，C20～C60 各級(jí)別混凝土的90 d 抗壓強(qiáng)度相比28 d 強(qiáng)度都有較大的增加。鋼渣礦粉的細(xì)度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響也頗為顯著，C20～C60 各級(jí)別混凝土的3 d、28 d、90 d 抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(duì)C60 系列高強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度等級(jí)的提高，鋼渣礦粉細(xì)度大小對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響趨勢(shì)是逐漸變緩。綜合考慮鋼渣粉磨的電耗及細(xì)度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)度接近70 MPa 的高強(qiáng)混凝土。在相同細(xì)度的情況下，鋼渣礦粉摻量超過20 %時(shí)，混凝土的強(qiáng)度下降。試驗(yàn)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(qiáng)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(yàn)進(jìn)一步研究了在不同摻量情況下鋼渣細(xì)度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律， 混凝土的配合比參照表1 設(shè)計(jì)，得到的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)損失方面具有突出作用。

b. 鋼渣礦粉的摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度有重要影響，鋼渣礦粉的摻入將降低混凝土的早期強(qiáng)度；比表面積為450 m2/ kg 的鋼渣礦粉，當(dāng)其摻量超過20 %時(shí)，混凝土的28 d 強(qiáng)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(qiáng)度，在達(dá)到相同強(qiáng)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(shí)，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(shí)損失小于6 cm、大流動(dòng)度C20～C60 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土。

參考文獻(xiàn)

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