任新濤, 康春霞

(1. 西安國際陸港市政配套公司, 陜西 西安 710000;2. 河北建筑工程學(xué)院 經(jīng)濟管理學(xué)院, 河北 張家口 075000)

垃圾是放錯位置的資源.我國是鋼材消耗大國,隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展,近幾年我國的鋼材產(chǎn)量迅速增長,鋼材在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量鋼渣微粉,而鋼渣較低的利用率對自然環(huán)境產(chǎn)生了負面影響,因此需要采取合適的途徑促進該類工業(yè)次產(chǎn)品的有效利用[1-2].水泥混凝土路面由于其強度高、使用周期長、養(yǎng)護費用低、施工方便等優(yōu)點,在我國公路建設(shè)中被廣泛采用.隨著服役年限的延長、交通運輸量的急劇增加,以及外部環(huán)境影響,水泥混凝土路面常存在坑洞、斷裂、骨料剝離等病害[3-5].相關(guān)文獻表明,在水泥混凝土中加入鋼渣微粉、粉煤灰等外加劑可以改變晶體結(jié)構(gòu),增加水泥的活化能,提高和易性,消除堿骨料反應(yīng),有效地緩解和減少相關(guān)病害的產(chǎn)生和惡化[6-8].因此,鋼渣微粉在道路混凝土中應(yīng)用,節(jié)約成本的同時,促進了工業(yè)生產(chǎn)中次產(chǎn)品的利用率,保護了環(huán)境,實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展,是未來“綠色交通”的發(fā)展方向.

鄭青等針對鋼粉混凝土的耐久性和力學(xué)指標進行了試驗研究,結(jié)果表明鋼粉對混凝土的抗折性能沒有明顯改變,但會降低混凝土的早強性能[9];楊榮俊等通過試驗提出鋼粉作為添加劑加入混凝土中可以明顯降低水化熱,減緩氯離子侵入,同時得出了鋼粉不會影響混凝土的碳化行為的結(jié)論[10].日本的鋼渣資源化技術(shù)水平較高,但只有約6%的鋼渣應(yīng)用在水泥混凝土行業(yè)中[11-12].美國Chaparral鋼鐵公司與TXI水泥公司合作開發(fā)了STAR項目,研究用鋼渣作為原料粉生產(chǎn)水泥混凝土,成果表明其具有較高工作性和勻質(zhì)性,易于澆筑,振搗不離析,具有較高的強度和耐久性[13].然而,鋼渣微粉對道路混凝土性能的影響規(guī)律和影響機理還不明確,本文在前人研究成果基礎(chǔ)上,通過改變鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)對道路混凝土摻合料性能進行研究,為鋼渣微粉在實際工程中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo).

1 實驗方案

1.1 實驗原料

本實驗采用的原材料主要包括水泥、鋼渣微粉、礦渣微粉、粉煤灰、標準砂、粗集料、細集料、水及減水劑等.

1.2 試驗設(shè)備

實驗過程中所用的主要儀器設(shè)備包括干燥箱、表面積測定儀、電阻爐、水泥砂漿攪拌機、恒溫恒濕養(yǎng)護箱、混凝土壓力實驗機、混凝土抗折試驗機、混凝土抗凍試驗機、X射線衍射分析儀、電子顯微鏡、等溫微量熱儀及激光粒度分析儀等.

1.3 試驗方案

(1) 水泥標準稠度、凝結(jié)時間及安定性測試.實驗按照GB/T 1346—2001《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》相關(guān)規(guī)定進行.

(2) 水泥砂漿強度實驗.實驗按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》進行.

(3) 新拌道路混凝土工作性測試.實驗按GB/T 50080—2002《普通混凝土拌和物性能實驗方法標準》進行.

(4) 新拌道路混凝土成型.按ASTMC192-C192M方法對水泥混凝土成形,待脫模后放入RH=95%,溫度為(20±2)℃標準養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護.

(5) 道路混凝土抗折-抗壓強度測試.道路混凝土抗折強度測定時采用150 mm×150 mm×550 mm標準試件,抗壓強度測定時采用150 mm×150 mm×150 mm標準試件,具體測定方法參照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土實驗規(guī)程》相關(guān)規(guī)程進行.

(6) 道路混凝土耐磨性測試.道路混凝土耐磨性試驗具體過程如下:

1) 取尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標準耐磨試件,并分別置于溫水中進行養(yǎng)護7、28、90 d齡期;

2) 取出養(yǎng)護試件,擦干水分,并在空氣中干燥12 h;

3) 將自然干燥的試件放在烘干箱內(nèi)烘干至少12 h,直到構(gòu)件質(zhì)量不再發(fā)生變化;

4) 取出標準試件在200 N的負載下磨10轉(zhuǎn),稱取試件重量M1;

5) 在該負載作用下磨30轉(zhuǎn),并稱取試件重量M2;

6) 計算試件單位面積磨損量

(7) 道路混凝土抗凍性測試(快凍法).道路混凝土抗凍性試驗具體過程如下:

1) 制作尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的抗凍性試件,并分別養(yǎng)護24和86 d.

2) 將養(yǎng)護期滿的試件放入石灰水中充分浸泡,浸泡溫度為(20±2)℃.

3) 將試件取出,并用吸干紙充分吸干試件表面水分.

4) 測定試件初始質(zhì)量M0.

5) 將試件進行凍融循環(huán)試驗,并測定試件質(zhì)量Mn,直到滿足下列情況之一即可停止凍融循環(huán)試驗:

① 凍融循環(huán)300次;

② 試件凍融后彈性模量折損40%;

③ 試件質(zhì)量損失Wn在5%以上,

Wn=(M0-Mn)/M0.

(8) 道路混凝土收縮測試.道路混凝土收縮測試具體流程如下:

1) 將試件進行分組,每組3個試件;

2) 試件放入養(yǎng)護室中養(yǎng)護3 d后取出,并測量混凝土試件初始溫度;

3) 將試件放進干縮養(yǎng)護室內(nèi)進行養(yǎng)護;

4) 分別測量試件在干縮養(yǎng)護室1、3 、7、14、21、28、60、90、120、150、180 d的試件長度;

5) 計算試件干縮率

Sd=(X01-Xt1)/L0

式中:L0試件測量的基準標距,為混凝土不計金屬測頭試件長度減去2倍金屬測頭埋入深度,mm;X01為試件初始長度(含金屬測頭),mm;Xt1為某一齡期的干燥收縮長度(含金屬測頭),mm.

2 鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)對水泥混凝土性能分析

本試驗將萊鋼鋼渣微粉以10%為等級等質(zhì)量取代水泥用量制備鋼渣-水泥復(fù)合膠凝材料,并研究萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)在0～40%變化范圍內(nèi)對復(fù)合膠凝材料標準稠度、抗折-抗壓強度、標準砂漿的流動度、凝結(jié)時間等各項物理性能的影響規(guī)律.

2.1 對復(fù)合膠凝材料標準稠度的影響

萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)在0～40%變化范圍內(nèi)對復(fù)合膠凝材料標準稠度的影響見表1及圖1.

表1 萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)對復(fù)合膠凝材料標準稠度的影響

圖1萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)對復(fù)合膠凝材料標準稠度的影響

Fig.1 The influence of mass blending of Laigang steel slag micro-powder on the standard consistency of composite cementitious materials

由表1及圖1可知,鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)在0～30%范圍內(nèi)時,隨著鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)的增加,復(fù)合膠凝材料的標準稠度呈降低趨勢,標準稠度由0.300降低到0.288,降低了4.17%;鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)在30%～40%范圍內(nèi)時復(fù)合膠凝材料的標準稠度略微上升,鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)30%時標準稠度為0.288;當(dāng)鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)達到40%時,標準稠度又升高到了0.290.

2.2 對復(fù)合膠凝材料凝結(jié)時間的影響

萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)在0～40%變化范圍內(nèi)對復(fù)合膠凝材料凝結(jié)時間的影響見表2及圖2.

表2 萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)對復(fù)合膠凝

圖2萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)對復(fù)合膠凝

材料凝結(jié)時間的影響

Fig.2 Influence of mass blendig of Laigang steel slag micro-powder on the setting time of composite cementitious material

由表2及圖2可知,隨著萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)所占比例的不斷增加,復(fù)合膠凝材料初凝時間和終凝時間均呈先升高后穩(wěn)定的趨勢.復(fù)合膠凝材料終凝時間由284.9 min增加到414.7 min,增加了45.6%,其中鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)在0～30%范圍內(nèi)時的變化速率較大,在30%～40%范圍內(nèi)時變化速率較小;復(fù)合膠凝材料初凝時間由211.2 min增加到335.5 min,增加了58.9%,其中鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)在0～10%、20%～30%范圍內(nèi)時的變化速率較大,30%后凝結(jié)時間呈降低趨勢.

2.3 對復(fù)合膠凝材料砂漿流動度的影響

萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)在0～40%變化范圍內(nèi)對復(fù)合膠凝材料砂漿流動度的影響見表3及圖3.

表3 萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)對復(fù)合膠凝

圖3萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)對復(fù)合膠凝

材料砂漿流動度的影響

Fig.3 Influence of mass blendig of Laigang steel slag micro-powder on the fluidity of mortar of composite cementitious material

由表3及圖3可知,萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)在0～ 20%范圍內(nèi)時,隨著鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)的增加,復(fù)合膠凝材料砂漿流動度呈不斷增加趨勢,由22.43 cm增加到了24.01 cm,增加了7.04%;萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)在20%～40%范圍內(nèi)復(fù)合膠凝材料砂漿流動度基本趨于穩(wěn)定,保持在24 cm左右.造成這種現(xiàn)象的主要原因是鋼渣微粉早期活性較低,因此增大了膠凝材料的流動度.

2.4 對復(fù)合膠凝材料砂漿強度的影響

萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)在0～40%變化范圍內(nèi)對復(fù)合膠凝材料砂漿流動度的影響見表4及圖4.

表4 萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)對復(fù)合膠凝材料砂漿抗折抗壓強度的影響

圖4 萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)對復(fù)合膠凝材料砂漿抗折抗壓強度的影響

由表4及圖4可知,隨著養(yǎng)護時間的增加, 復(fù)合膠凝材料砂漿抗折強度和抗壓強度均有不同程度的增加, 但是在相同的養(yǎng)護時間內(nèi), 隨著萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)比例的增加, 復(fù)合膠凝材料砂漿抗折強度和抗壓強度雖然有所波動, 但整體呈現(xiàn)下降的趨勢, 其中以3 d養(yǎng)護期復(fù)合膠凝材料砂漿抗壓強度變化最為明顯, 在不摻入鋼渣微粉時為25.4 MPa, 當(dāng)鋼渣微粉比例升高至30%時降低到16.2 MPa, 降低了近56.8%; 鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)大于30%后抗折強度和抗壓強度趨于穩(wěn)定. 造成這種現(xiàn)象的主要原因是鋼渣微粉的活性較低, 對復(fù)合膠凝材料強度沒有明顯的提升作用.

通過研究萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)在0～40%變化范圍內(nèi)對復(fù)合膠凝材料標準稠度、抗折-抗壓強度、標準砂漿的流動度、凝結(jié)時間等各項物理性能的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn),鋼渣微粉最佳質(zhì)量分數(shù)為30%,即m(鋼渣微粉)∶m(水泥)=3∶7.

3 工程應(yīng)用

以沿德高速水泥混凝土路面工程為項目依托,通過以質(zhì)量比m(萊鋼鋼渣微粉)∶m(水泥)=3∶7比例在基準組中摻加萊鋼鋼渣微粉的方式得到實驗組,并通過對比實驗組和基準組路面工作性能、力學(xué)性能以及耐久性能驗證萊鋼鋼渣對水泥混凝土路面的影響效果.

沿德高速水泥混凝土路面標準組和實驗組的混凝土成分見表5,調(diào)整前后混凝土狀態(tài)見圖5.

圖5 道路混凝土狀態(tài)Fig.5 State of road concrete(a)——調(diào)整前; (b)—調(diào)整后.

3.1 工作性能

路用混凝土的使用性能常用的衡量參數(shù)有塌落度、振動黏度系數(shù).由于振動黏度系數(shù)測試的條件要求較高,通常在工地現(xiàn)場選擇塌落度試驗作為質(zhì)量依據(jù).依托工程標準組和試驗組塌落度見表6.

由表6的道路混凝土基準組和實驗組初始坍落度和1 h坍落度可以發(fā)現(xiàn),初始塌落度和1 h塌落度實驗組均有一定程度的增大.實驗組與基準組相比,初始及1 h塌落度分別增加2.3和3.5 cm.通過上述對比可以得出,在路用混凝土中添加外加劑(鋼渣微粉等)可以改善其流動性、保水性,同時減少其經(jīng)時塌落度損失.

3.2 力學(xué)性能

評價一條公路的路面質(zhì)量的主要參考指標是結(jié)構(gòu)強度,表7給出了沿德高速混凝土路面基準組及實驗組的抗折-抗壓強度試驗數(shù)據(jù)對比.

表7 不同齡期下道路混凝土的抗折抗壓強度

對比基準組和實驗組兩組數(shù)據(jù)可知,齡期28和90 d抗折強度、抗壓強度實驗組均有一定程度的增大.實驗組與基準組相比,28及90 d抗折強度分別增加0.78和1.12 MPa,28及90 d抗壓強度分別增加5.31和4.6 MPa.以上數(shù)據(jù)說明,添加了鋼渣的混凝土水化時間增長,同時鋼渣等外加劑自身的活性對提高混凝土的后期強度具有明顯作用.

3.3 耐久性能

道路混凝土耐久性能主要包括耐磨性、抗凍性、體積安定性3方面.

(1) 耐磨性.表8給出了沿德高速混凝土路面基準組及實驗組28和90 d道路混凝土的單位磨損量.

對比基準組和實驗組28和90 d兩組耐磨試驗數(shù)據(jù)可知,添加鋼渣等外加劑的實驗組可以降低混凝土路面的磨耗率.實驗組與基準組相比,28及90 d單位平均磨耗分別下降0.01和0.26 kg·m-2,磨耗率分別降低0.45%和14.5%,隨著混凝土齡期的增長,特重等級交通量添加鋼渣等外加劑的實驗組混凝土路面磨耗率在迅速降低;以上數(shù)據(jù)說明,添加了鋼渣的混凝土水化時間增長,同時,鋼渣等外加劑逐漸發(fā)揮了降低混凝土路面磨耗的作用.

表8 道路混凝土的單位磨損量Table 8 Unit wearing capacity of road concrete kg·m-2

(2) 抗凍性.圖6給出了沿德高速混凝土路面基準組及實驗組道路混凝土的凍融質(zhì)量損失率.

圖6不同齡期道路混凝土的凍融質(zhì)量損失

Fig.6 Mass loss of freeze-thaw of road concrete at different ages

對比基準組和實驗組28和90 d兩組質(zhì)量損失試驗數(shù)據(jù)可知,添加鋼渣等外加劑的實驗組可以降低混凝土路面經(jīng)過多次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率.實驗組與基準組相比,28及90 d在經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率分別下降了0.23%和0.23%,隨著混凝土齡期的增長,特重等級交通量添加鋼渣等外加劑的實驗組混凝土路面質(zhì)量損失率在逐漸降低,表明其抵抗凍融循環(huán)能力逐漸增強.以上數(shù)據(jù)說明,添加了鋼渣的混凝土水化時間增長的同時,鋼渣等外加劑逐漸改善了混凝土抵抗凍融循環(huán)的能力.

(3) 體積安定性.圖7給出了沿德高速混凝土路面基準組及實驗組道路混凝土的體積安定性.

從以上分析可見: 隨著混凝土齡期的增長, 混凝土的收縮量逐漸變大; 對比相同齡期,添加鋼渣、粉煤灰等外加劑的實驗組和基準組混凝土的干縮量可以發(fā)現(xiàn), 伴隨著齡期增長, 其差值逐漸增大; 混凝土齡期在7～90 d間, 混凝土的干縮量變化較大. 說明混凝土添加鋼渣等外加劑后可以減少水泥用量, 延緩混凝土的水化反應(yīng), 改善混凝土初期的干縮性能, 并有效減少干縮裂縫的產(chǎn)生.

圖7道路混凝土不同齡期收縮率變化

Fig.7 Change of shrinkage rate at different ages of road concrete

4 結(jié) 論

針對道路混凝土路面常見病害以及鋼渣微粉等工業(yè)廢渣利用率較低的現(xiàn)狀,本文將萊鋼鋼渣微粉以10%為等級等質(zhì)量取代水泥用量制備鋼渣-水泥復(fù)合膠凝材料,研究了萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)在0～40%變化范圍內(nèi)對復(fù)合膠凝材料相關(guān)性能的影響規(guī)律,得出了鋼渣微粉最佳含量,并將研究成果在沿德高速水泥混凝土路面工程中進行了應(yīng)用.

研究結(jié)果表明:

(1) 隨著復(fù)合膠凝材料中萊鋼鋼渣微粉質(zhì)量分數(shù)的增加,復(fù)合膠凝材料標準稠度、砂漿強度呈現(xiàn)出先下降后穩(wěn)定的趨勢,凝結(jié)時間、砂漿流動度呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)定趨勢;

(2) 根據(jù)道路混凝土摻合料性能的變化規(guī)律,鋼渣微粉和水泥的最佳配合質(zhì)量比m(鋼渣微粉)∶m(水泥)=3∶7;

(3) 沿德高速水泥混凝土路面試驗結(jié)果表明,鋼渣微粉的摻加能夠有效改善混凝土的顆粒級配,使得混凝土結(jié)構(gòu)更加密實,可以明顯改善路用混凝土的耐磨、抗凍、體積穩(wěn)定性等耐久性指標.

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