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        鋼渣骨料在混凝土中的應(yīng)用研究

        2022-03-28 07:06:28張冠軍
        水泥技術(shù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:砂率物理性能收縮率

        張冠軍

        鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的以硅酸二鈣、硅酸三鈣為主要成分的熔融物經(jīng)冷卻后得到的煉鋼副產(chǎn)物。鋼渣一般呈松堆狀態(tài),比較堅(jiān)硬,主要含有SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3、MgO 等化學(xué)成分。研究表明,鋼渣可以作為混凝土中砂石骨料的替代品,以鋼渣作骨料的混凝土的許多性能都優(yōu)于砂石骨料混凝土。筆者以鋼渣作粗、細(xì)骨料配制混凝土,研究鋼渣骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度及抗凍融、抗?jié)B、抗收縮性能方面的影響,為鋼渣混凝土的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

        1 試驗(yàn)原料

        1.1 水泥

        選用P·O42.5水泥,其物理性能見表1。

        表1 P·O42.5水泥物理性能

        1.2 粉煤灰

        選用Ⅱ級(jí)粉煤灰,45μm篩篩余為18.8%。

        1.3 礦渣粉

        選用S95級(jí)礦渣粉。

        1.4 細(xì)骨料

        機(jī)制砂:石灰石破碎制砂,顆粒粒徑<5mm。

        鋼渣人工砂:鋼渣破碎篩分,顆粒粒徑<5mm。

        細(xì)骨料物理性能見表2,累計(jì)篩余見表3。

        表2 細(xì)骨料物理性能

        表3 細(xì)骨料累計(jì)篩余

        1.5 粗骨料

        鋼渣粗骨料:陳化3 個(gè)月以上的鋼渣破碎顆粒。粗骨料物理性能見表4,不同粒徑分級(jí)篩余見表5,鋼渣粗骨料壓蒸粉化率檢測結(jié)果見表6,鋼渣混凝土體積穩(wěn)定性試驗(yàn)芯樣試件檢測結(jié)果見表7。

        表4 鋼渣粗骨料物理性能

        表5 不同粒徑鋼渣粗骨料分級(jí)篩余

        表6 鋼渣粗骨料壓蒸粉化率檢測結(jié)果

        表7 鋼渣混凝土體積穩(wěn)定性試驗(yàn)芯樣試件檢測結(jié)果

        經(jīng)壓蒸粉化率試驗(yàn)檢測,鋼渣粗骨料粉化率為5.70%;沸煮后的鋼渣混凝土薄片試件及芯樣試件均未出現(xiàn)開裂、疏松或崩潰等現(xiàn)象,芯樣試件強(qiáng)度損失率為10.4%,合格。上述檢測結(jié)果表明,鋼渣骨料混凝土體積穩(wěn)定性合格,鋼渣可作為粗、細(xì)骨料配制混凝土。

        1.6 外加劑

        采用高效聚羧酸減水劑。

        1.7 拌合水

        采用自來水拌合。

        2 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

        用鋼渣作為粗、細(xì)骨料配制混凝土,研究不同配合比下的鋼渣粗、細(xì)骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度、抗凍融、抗?jié)B、抗收縮性能的影響。通過掃描電子顯微鏡(SEM)微觀分析方法,測試分析鋼渣混凝土的微觀形貌。表8為采用鋼渣作粗、細(xì)骨料配制鋼渣混凝土的配合比。

        表8 采用鋼渣作粗、細(xì)骨料配制鋼渣混凝土的配合比

        2.1 鋼渣的化學(xué)成分分析

        圖1為鋼渣X射線衍射分析圖。由圖1可以看出,鋼渣成分中含有硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸鈣等與水泥熟料類似的化學(xué)成分,在堿性環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生一定的膠凝活性,有利于混凝土強(qiáng)度的后期發(fā)展。將鋼渣應(yīng)用于混凝土中,能夠改善骨料—水泥石界面結(jié)構(gòu)。

        圖1 鋼渣X射線衍射分析圖

        2.2 鋼渣混凝土強(qiáng)度及和易性分析

        圖2~圖4 為不同原料配制的混凝土不同齡期的強(qiáng)度對(duì)比。由圖2~圖4可以看出,鋼渣混凝土與普通混凝土各齡期強(qiáng)度相差不大,甚至優(yōu)于普通混凝土強(qiáng)度。在砂率和礦物摻合料相同的前提下,摻加粉煤灰配制的水泥混凝土各齡期強(qiáng)度均低于摻加礦渣粉配制的水泥混凝土,但和易性優(yōu)于摻加礦渣粉配制的水泥混凝土拌合物?;炷恋膹?qiáng)度均隨摻合料比例的增加而降低。用機(jī)制砂、石灰石等體積取代鋼渣粗、細(xì)骨料配制的普通混凝土的和易性明顯低于用鋼渣骨料配制的混凝土,拌合物存在發(fā)散情況。

        圖2 不同原料混凝土7d抗壓強(qiáng)度對(duì)比

        圖4 不同原料混凝土60d抗壓強(qiáng)度對(duì)比

        2.3 鋼渣混凝土抗凍融、抗?jié)B性能分析

        表9為不同礦物摻合料鋼渣凍融、抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果。由表9 可以看出,采用鋼渣粗、細(xì)骨料配制的鋼渣混凝土經(jīng)50 次凍融循環(huán)后,質(zhì)量損失率均較低,基本無損失,經(jīng)100次凍融循環(huán)后,質(zhì)量損失率也沒有明顯增大,試塊整體完整,沒有破損情況。

        由表9還可以看出,經(jīng)50次和100次凍融循環(huán)后的粗、細(xì)骨料鋼渣混凝土強(qiáng)度損失率均隨原料及砂率的變化而呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律,這說明即使在凍融情況下,利用鋼渣作粗、細(xì)骨料的鋼渣混凝土的強(qiáng)度仍有不同程度的發(fā)展,與普通混凝土的強(qiáng)度發(fā)展類似,甚至優(yōu)于普通混凝土的發(fā)展。用鋼渣作粗、細(xì)骨料配制的鋼渣混凝土在礦物摻合料相同的情況下,不同砂率的混凝土滲透高度均隨砂率的增大而略有增大。

        表9 不同礦物摻合料鋼渣凍融、抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

        2.4 鋼渣混凝土抗收縮性能分析

        表10為不同礦物摻合料鋼渣混凝土收縮對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。如表10所示,用鋼渣作粗、細(xì)骨料配制的鋼渣混凝土的各齡期收縮率均高于普通混凝土的收縮率。分析可知,鋼渣的高吸水率使混凝土早期收縮率略高,但鋼渣的“微膨脹”作用可抵消混凝土后期的部分收縮,因此,鋼渣混凝土后期的收縮率相對(duì)較小。同時(shí),鋼渣細(xì)骨料因“粉料”過多,需水量較大,使得鋼渣混凝土收縮率比普通混凝土大。

        表10 不同礦物摻合料鋼渣混凝土收縮對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

        2.5 鋼渣混凝土微觀結(jié)構(gòu)形貌分析

        圖5為采用鋼渣作粗、細(xì)骨料配制混凝土試樣水化60d的SEM測試結(jié)果。

        圖3 不同原料混凝土28d抗壓強(qiáng)度對(duì)比

        從圖5可以看出,鋼渣骨料混凝土界面過渡區(qū)水泥水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)致密,界面結(jié)合緊密,沒有生成定向排布的Ca(OH)2,且鋼渣骨料表面被C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物覆蓋,說明鋼渣作為混凝土骨料與水泥石有良好的粘結(jié)力。這是由于鋼渣中含有的部分與硅酸鹽水泥熟料相似的C2S、C3S 礦物成分,與滲入孔隙內(nèi)的水泥相融,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),其表面粗糙,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,且鋼渣與水泥粘結(jié)緊密。

        圖5 鋼渣骨料混凝土試樣水化60d的SEM-EDS圖

        3 結(jié)語

        (1)通過對(duì)以鋼渣作粗、細(xì)骨料配制的鋼渣混凝土的研究可見,鋼渣可作為粗、細(xì)骨料配制混凝土。通過合理確定砂率、膠凝材料用量、礦物摻合料等物料的比例,鋼渣混凝土的力學(xué)性能可以滿足施工要求。

        (2)采用鋼渣粗、細(xì)骨料配制的鋼渣混凝土經(jīng)50 次凍融循環(huán)后,質(zhì)量損失率均較低,基本無損失;經(jīng)100 次凍融循環(huán)后,質(zhì)量損失也沒有明顯增大,試塊整體完整,沒有破損情況。

        (3)在礦物摻合料相同的情況下,鋼渣骨料混凝土的滲透高度隨砂率的增大而略有所增大。

        (4)隨鋼渣摻入比例的增加,鋼渣混凝土各齡期的收縮率均逐漸增大,但增幅隨齡期增長而逐漸降低。

        (5)鋼渣的主要物相中有硅酸三鈣、硅酸二鈣等膠凝成分。鋼渣骨料混凝土界面過渡區(qū)水泥水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)致密,鋼渣骨料與水泥石粘結(jié)緊密。鋼渣骨料表面粗糙,包裹有大量C-S-H 凝膠等水化產(chǎn)物,在界面過渡區(qū)未發(fā)現(xiàn)有針狀A(yù)Ft和結(jié)晶較好的Ca(OH)2。用鋼渣作混凝土骨料可以顯著改善骨料與漿體的界面過渡區(qū),進(jìn)而改善混凝土的結(jié)構(gòu)。

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