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        鋼渣粗骨料混凝土界面過渡區(qū)的研究

        2013-07-02 14:24:16尚建麗邢琳琳
        建筑材料學(xué)報(bào) 2013年2期
        關(guān)鍵詞:水泥石鋼渣水化

        尚建麗,邢琳琳

        (西安建筑科技大學(xué) 材料與礦資學(xué)院,陜西 西安 710055)

        鋼渣粗骨料混凝土是指采用粒徑大于4.75mm的鋼渣替代天然骨料配制而成的混凝土.在鋼渣粗骨料滿足穩(wěn)定性的前提條件下,用其替代占混凝土達(dá)80%(體積分?jǐn)?shù))的天然骨料,不僅對(duì)工業(yè)廢渣回收再利用有著重要意義,而且還可解決天然骨料面臨日漸枯竭的問題,為混凝土的可持續(xù)發(fā)展起著積極的推進(jìn)作用.

        關(guān)于鋼渣作為骨料配制混凝土的研究已有一些報(bào)道[1-3],但對(duì)鋼渣粗骨料界面過渡區(qū)的研究報(bào)道并不多見.本文以混凝土鋼渣粗骨料界面過渡區(qū)為研究對(duì)象,結(jié)合微觀測(cè)試手段,通過對(duì)天然骨料-水泥石界面及鋼渣骨料-水泥石界面的對(duì)比,為進(jìn)一步研究鋼渣混凝土提供理論依據(jù).

        1 試驗(yàn)原材料及方案

        1.1 原材料

        水泥:陜西秦嶺牌P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥,其物理性能見表1;細(xì)骨料:涇陽產(chǎn)天然河砂,細(xì)度模數(shù)為2.71,中砂;天然骨料:碎石5~25mm連續(xù)級(jí)配,壓碎值1)本文涉及的壓碎值、水灰比等除特別說明外,均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.為8.1%;鋼渣骨料:所用鋼渣經(jīng)壓蒸粉化率測(cè)試和混凝土試塊開裂驗(yàn)證符合穩(wěn)定性要求,5~20mm連續(xù)級(jí)配,壓碎值為12.1%,通過X射線熒光光譜分析(XRF)測(cè)得鋼渣粗骨料的化學(xué)組成見表2;減水劑:西安聚能特種工程有限責(zé)任公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑,減水率為18.3%.

        表1 水泥的主要物理性能Table1 Main physical properties of cement

        表2 鋼渣的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition(by mass)of steel slag%

        1.2 試驗(yàn)方案

        1.2.1 試件制備

        以混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30為目標(biāo),試件配合比m(水泥)∶m(砂)∶m(石)=312∶672∶1 139,水灰比為0.52,減水劑摻量為1%.分別配制普通混凝土(A組)和鋼渣粗骨料混凝土(B組),其中鋼渣粗骨料混凝土中鋼渣以100%替代天然骨料.對(duì)A,B兩組混凝土試拌,進(jìn)行和易性檢測(cè),坍落度達(dá)到50~90mm,分別將其裝入100mm×100mm×100mm試模成型,然后按28,60,90d齡期進(jìn)行標(biāo)養(yǎng).

        抗壓強(qiáng)度用于表征混凝土的宏觀性能.按照GB/T 50081《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》中規(guī)定,測(cè)定A,B兩組各齡期的抗壓強(qiáng)度.

        1.2.3 顯微硬度測(cè)試

        用切割機(jī)將兩組試件沿成型方向,在其中心切出厚度約為15mm的片狀試樣,其切面上應(yīng)包含骨料與水泥石的界面,經(jīng)粗磨、細(xì)磨后,在拋光機(jī)上拋光制成薄片.采用上海泰明光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的HXD-1000顯微硬度儀(圖1)測(cè)定混凝土界面的顯微硬度.以骨料與水泥石的界面為基準(zhǔn)作1條法線,取法線與界面的交接點(diǎn)為測(cè)試顯微硬度的起始點(diǎn),從骨料開始每隔10μm測(cè)其顯微硬度.

        圖1 顯微硬度儀Fig.1 Micro-h(huán)ardness tester

        1.2.4 SEM 測(cè)試

        分別取包含骨料-水泥石界面的新鮮斷面,并制成約為1cm3的試樣,采用美國FEI公司生產(chǎn)的Quant 200型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)噴金處理后的試樣進(jìn)行骨料與水泥漿體界面的形貌觀察.

        1.2.5 能譜分析

        Quant 200型掃描電子顯微鏡自帶有X射線能譜儀(EDXA),用EDXA對(duì)骨料與水泥漿體界面過渡區(qū)進(jìn)行微區(qū)元素分析,從骨料表面開始,沿水泥石基體方向進(jìn)行線掃描,獲得鈣硅質(zhì)量比(m(CaO)/m(SiO2))變化規(guī)律.

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 混凝土抗壓強(qiáng)度

        經(jīng)實(shí)測(cè),A,B兩組混凝土的抗壓強(qiáng)度見表3.

        如 100 JD 36×6中,100為適用于最小井徑100 mm,JD為深井多級(jí)泵,36 為流量(m3/h),6 為葉輪級(jí)數(shù);

        表3 不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度Table3 Compressive strength of different ages concrete MPa

        由表3可見,鋼渣骨料混凝土各個(gè)齡期強(qiáng)度均高于普通混凝土.通過分析可知,雖然鋼渣粗骨料自身強(qiáng)度低于碎石骨料強(qiáng)度(壓碎指標(biāo)差別),但是由于鋼渣表面粗糙,孔隙較多,實(shí)際水灰比有所降低,使得形成的界面黏結(jié)力較高.當(dāng)受到外力作用時(shí),鋼渣粗骨料與水泥水化產(chǎn)物界面應(yīng)力梯度降低,從而提高了混凝土整體強(qiáng)度.

        2.2 界面過渡區(qū)特征

        A,B兩組試樣界面過渡區(qū)的顯微硬度多組平行點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如圖2所示.

        由圖2可知,在骨料部分,普通碎石各點(diǎn)顯微硬度值均較大于鋼渣骨料;A,B兩組試樣在緊靠界面處的硬度值均較高,但隨著距離的增加,硬度值隨之減小.A組試樣在距界面50μm處出現(xiàn)硬度低谷,其平均值約為22.59MPa,隨后其顯微硬度處于穩(wěn)定狀態(tài),說明此時(shí)已進(jìn)入水泥漿體部分;B組試樣在距界面40μm處呈現(xiàn)拐點(diǎn),其顯微硬度平均值約為28.22MPa,之后處于穩(wěn)定狀態(tài).

        圖2 A,B試樣界面過渡區(qū)顯微硬度Fig.2 Micro-h(huán)ardness of ITZ for A,B samples

        另外由圖2還可看出,鋼渣骨料-水泥石的界面過渡區(qū)的顯微硬度均高于碎石-水泥石過渡區(qū),這表明鋼渣骨料與水泥石的黏結(jié)強(qiáng)度大于碎石與水泥石的黏結(jié)強(qiáng)度.分析可知,由于鋼渣中含有與硅酸鹽水泥熟料相似的礦物C2S,C3S,它們部分溶解后與水泥一同滲入孔隙內(nèi),改善了骨料與水泥石的界面結(jié)構(gòu).同時(shí)鋼渣是多孔結(jié)構(gòu),表面粗糙摩擦力大,能較好地與水泥水化產(chǎn)物相結(jié)合,使水化產(chǎn)物能夠充分均勻地包裹鋼渣.

        2.3 界面微觀形貌

        采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)28d碎石骨料和鋼渣骨料混凝土中骨料-水泥石界面區(qū)微觀形貌進(jìn)行觀察,其SEM照片如圖3所示.

        圖3 A,B試樣界面過渡區(qū)SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photos in ITZ of A,B samples

        為了更好地觀察試樣ITZ水化產(chǎn)物的形貌,分別將A,B兩組試樣的ITZ放大10 000倍,用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察各自形貌特征,如圖4所示.

        圖4 A,B試樣ITZ水化產(chǎn)物的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM photos of hydration in ITZ of A,B samples(10 000×)

        由圖4可以看出,A組界面過渡區(qū)水化產(chǎn)物較為疏松,上面附著少量未水化的水泥顆粒,且出現(xiàn)了少量孔洞;而B組試樣界面過渡區(qū)水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)較密實(shí),這表明鋼渣骨料與水泥石有較好的黏結(jié)能力.

        2.4 EDXA檢測(cè)

        用射線能譜分析儀(EDXA)分別對(duì)90d齡期A,B兩組試樣進(jìn)行半定量分析,以10μm作為掃描基準(zhǔn),從骨料表面開始,沿著水泥石基體方向進(jìn)行線掃描.以骨料至水泥石方向上Si元素的突然變化點(diǎn)作為界面過渡區(qū)的起點(diǎn)[4],分析鈣硅質(zhì)量比(m(CaO)/m(SiO2))變動(dòng)值,將 m(CaO)/m(SiO2)值從不穩(wěn)定至穩(wěn)定所經(jīng)歷的區(qū)間長度作為推斷界面寬度的依據(jù),結(jié)果見表4.

        表4 界面過渡區(qū)化學(xué)組成Table4 Chemical composition(by mass)of interfacial transition zone %

        根據(jù)掃描結(jié)果可以計(jì)算出A,B兩組試樣在界面區(qū)的m(CaO)/m(SiO2),所得結(jié)果如圖5所示.

        圖5 界面過渡區(qū)的m(CaO)/m(SiO2)值Fig.5 m(CaO)/m(SiO2)in interfacial transition zone

        從m(CaO)/m(SiO2)變化中可以看出,A 組m(CaO)/m(SiO2)均大于B組試樣,表明天然骨料-水泥石界面區(qū)有較多CH存在.A組試樣m(CaO)/m(SiO2)值在距界面50μm之后逐漸下降,后趨于穩(wěn)定,由此可推斷,天然骨料-水泥石界面過渡區(qū)約為50μm;B組試樣 m(CaO)/m(SiO2)值在距界面40μm后趨于穩(wěn)定,說明鋼渣骨料-水泥石界面過渡區(qū)約為40μm,這與顯微硬度測(cè)試結(jié)果基本吻合.

        3 結(jié)論

        (1)以鋼渣100%替代碎石粗骨料配制的C30混凝土,其28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到55.6MPa,是普通碎石混凝土的1.1倍.在保證鋼渣骨料具有良好穩(wěn)定性的條件下,最大限度利用鋼渣骨料替代天然骨料是一條可行的技術(shù)途徑.

        (2)鋼渣粗骨料混凝土界面過渡區(qū)顯微硬度大于普通混凝土界面過渡區(qū),這是由于鋼渣骨料表面粗糙,使其與水泥水化物結(jié)合力提高所致.

        (3)鋼渣粗骨料混凝土界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)較密實(shí),孔隙較少;普通骨料混凝土界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)較疏松且有少量孔洞.

        (4)在鋼渣骨料-水泥石界面過渡區(qū)范圍內(nèi),m(CaO)/m(SiO2)在距界面40μm 處趨于穩(wěn)定.測(cè)試表明,該界面過渡區(qū)寬度小于普通混凝土界面過渡區(qū)寬度(50μm).

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