钢渣混凝土

钢渣混凝土（共8篇）

钢渣混凝土 篇1

摘要：目前钢渣的综合利用已经成为一个热点问题, 本文主要论述了钢渣在混凝土中的研究意义, 具体阐述了钢渣混凝土的发展概况、研究现状及实际工程应用状况等问题, 提出了复合掺合料配比及掺量问题、钢渣钝化问题、安定性不良问题、钢渣细度问题等在钢渣混凝土研究中亟待解决的问题, 指明了钢渣混凝土的应用前景。

关键词：钢渣,混凝土,研究现状

钢渣是炼钢工业的废渣, 主要由钙、铁、硅、镁和少量铝、锰、磷等多种氧化物组成, 主要矿物相为硅酸三钙、硅酸二钙以及硅、镁、铁、锰、磷的氧化物形成的固熔体, 还含有少量的游离氧化钙及金属铁等。但是, 钢渣中各种成分的含量因炼钢炉型、钢种和每炉钢冶炼阶段的不同, 有较大的差异, 导致钢渣的成分波动较大, 一直未能实际应用。

调查表明, 炉渣排放量约为钢产量的15%-20%左右, 造成了严重的环境污染, 占用了大量的土地, 破坏了生态环境。为了有效地利用钢渣、减少污染, 将钢渣作为混凝土集料制备钢渣混凝土, 能够提高混凝土的性能, 具有强度高、耐磨性和耐久性好、维修费用低等优点。钢渣混凝土还可以作为导电混凝土用于电工、电磁干扰屏蔽、工业防静电、电力设备接地工程以及土木工程基础设施内部应力和健康状况自诊断和检测等工程中。

1 钢渣混凝土的研究意义

目前, 我国钢铁行业正在飞速发展, 我国不仅是钢铁生产大国也是消费大国, 而钢渣作为钢铁行业主要废渣之一, 每年的排放量也越来越大。据统计, 我国每年的钢渣排放量在2000万吨以上, 但这些钢渣的整体利用水平不高, 大量废弃钢渣的排放不仅造成资源浪费, 而且占用土地, 污染环境。现在, 各产钢国都已投入大量人力、物力、财力进行钢渣利用问题的研究。日本、美国的钢渣利用几乎达到100%[1,2], 欧洲65%的钢渣已得到高效率的利用[3], 与发达国家相比, 我国钢渣的利用率却很低, 仅为10%左右[4]。研究表明, 钢渣中含有一定数量的水泥熟料的主要矿物C2S、C3S等, 具备可用作水泥混合材和混凝土掺合料的条件[5]。无论将钢渣作为粗集料或是采用钢渣粉配制的钢渣混凝土, 与普通混凝土相比, 钢渣混凝土的各项力学性能均较好, 而且钢渣混凝土具有良好的耐磨性和耐久性[6,7]。钢渣中还含有具有半导体的性质的Fe O, 因此可以作为导电组分制备导电混凝土, 其成本远低于碳纤维、石墨等导电混凝土[8]。将工业废渣钢渣应用于混凝土中制备成导电混凝土, 不仅“变害为利, 变废为宝”为废弃物资源化提供了很好的范例, 而且保护了环境, 满足可持续发展的需要。

2 钢渣混凝土的研究现状

钢渣在发达国家利用率相对较高, 尤其是在日本和美国, 基本做到排用平衡, 得到了充分的利用。

据统计, 日本2004年钢渣总量13, 410, 000吨, 其中26%用于回炉烧结料, 其余74%钢渣中有32%用于土木工程, 26%用于道路工程。钢渣中含有Fe O, Ca O和Si O2等化学成分, 使钢渣可以作为水泥掺合料;钢渣具有较高的抗压强度和耐久性使钢渣可以作为路基材料用于道路工程中;钢渣具有高强度和耐磨性, 使钢渣可以作为沥青混凝土集料;加入钢渣的混合料有较大的内摩擦角, 使得钢渣可以应用于土木工程中;钢渣还可制成岩块应用于海堤工程中。此外, 日本还将钢渣当作肥料来改良土壤性质[1,9]。

在美国, 钢渣主要有以下用途:钢渣作为集料配制混凝土用于道路或桥梁工程中;钢渣作为水泥混合材;钢渣用于改良土壤性质;钢渣作冶金炉料等[2]。与普通混凝土相比, 钢渣混凝土的抗压和抗弯强度略高于普通混凝土, 钢渣混凝土还具有较高劈拉强度和弹性模量, 但钢渣混凝土干缩性能低于普通混凝土[10]。经试验验证, 钢渣混凝土具有较好的力学性能, 在道路工程中应用能达到预期效果[11]。

调查显示, 钢渣在其他国家也得到了广泛的利用。欧洲将钢渣用于以下四个方面进行深入的研究, 分别为:水硬性胶凝剂, 公路建设材料, 肥料和公共设施。正是因为钢渣有了诸多利用途径, 使得钢渣得到了充分有效的利用[12]。在英国, 钢渣已经成为一种副产品。在南非, 钢渣用于铺设高速公路。在新西兰, 钢渣不仅用于筑路和沥青混凝土中, 还可用于改善水质。在维多利亚, 钢渣可以作为水泥掺合料配制混凝土, 作为集料配制沥青混凝土, 还可以作为筑路材料[13]。在伊朗, 钢渣混凝土被作为铺路材料使用[14]。希腊用钢渣混凝土修筑海堤和海岸护坡[15]。

在我国, 近几年来钢渣的综合利用受到了人们的重视。以下是我国关于钢渣混凝土的研究。

混凝土外加剂和掺合料的发展是以现代水泥混合材的发展为基础的, 表1是我国有关钢渣水泥的研究历史概况[16]。

钢渣不仅可以直接作为掺合料添加到混凝土中, 将钢渣磨细后形成的钢渣粉也可作为混凝土掺合料, 目前, 钢渣粉的研究还处于起步阶段, 并没有在工程中大规模应用。仲晓林[17]等于上世纪90年代初, 将磨细钢渣作为泵送混凝土掺合料进行研究和应用, 试验发现掺入磨细钢渣后混凝土的强度及耐久性等均有一定程度的提高, 与水泥有很好的适应性, 这是我国首次将钢渣粉作为混凝土掺合料的研究。通过不断研究发现, 钢渣细度提高可以显著激发钢渣的潜在活性。研究人员进一步研究了磨细钢渣对混凝土力学性能、安定性及耐久性的影响并配制出了C60强度等级高性能钢渣混凝土[5]。研究结果表明钢渣粉掺量在20%以内时, 钢渣混凝土与素混凝土强度相差不大;当掺量大于20%后, 随钢渣掺量的增加, 钢渣混凝土的各项强度均有不同程度的降低, 磨细钢渣粉在混凝土中使用无安定性问题[18]。孙家瑛[7]试验得出了钢渣粉最优掺量, 即钢渣微粉掺量为10%, 此时混凝土28d抗压强度最高而且耐久能力最佳。研究人员通过研究还发现添加了矿渣的钢渣混凝土具有较好的力学性能。张爱平、李永鑫 (2006年) [19]通过试验得出当钢渣:矿渣为3:7时力学性能最好的结论。唐卫军, 任中兴等 (2006年) [20]研究证实钢渣-矿渣混凝土的工作性能良好。

近几年, 钱觉时, 李长太等 (2004年) [21]人在D.D.L.Chung[22]和Feldman, R.F.[23]研究的基础上, 进行了钢渣混凝土导电性能的研究, 分析了硅灰、粉煤灰对钢渣混凝土导电性能的影响。随后, 唐祖全 (2006年) 等[24]研究了钢渣掺量和钢渣细度对混凝土导电性的影响, 通过研究发现混凝土的电阻率随着钢渣掺量的增大和钢渣粉磨细时间增长而降低, 钢渣混凝土的造价比碳纤维、石墨混凝土低而且力学强度相对较高。贾兴文, 钱觉时等[8]进一步研究了钢渣混凝土的压敏性, 通过试验得到了最优钢渣掺量, 即钢渣:混凝土为1-4, 此时钢渣混凝土的导电性能及力学性能均良好, 钢渣混凝土的压敏性随钢渣掺量的增加而增强, 而钢渣细度对钢渣混凝土压敏性无显著影响。这一系列研究成果表明, 利用钢渣制备的导电混凝土可以用于混凝土结构的应力诊断与自监控、电力设备接地等诸多方面, 为合理利用钢渣开辟了新的途径。

钢渣混凝土不仅可以作为导电混凝土使用, 经试验验证, 在道路工程中使用也有较好的效果。用于筑路的钢渣混凝土性能优良而且节省了大量水泥, 减少了水泥生产所带来的环境污染。张亮亮, 卢忠飞等[25]用风淬粒化钢渣代替天然砂配制道路混凝土, 试验结果表明加入风淬粒化钢渣的混凝土具有良好的性能, 减少了混凝土用水量。近几年来, 研究人员通过添加外加剂和掺合料的方法不断改良钢渣混凝土性能。刘军[26]将粉煤灰添加进钢渣混凝土中, 通过试验测出最优配比的混凝土, 即粉煤灰代20%的水泥, 钢渣代15%的砂子, 并将该最优配比的粉煤灰-钢渣混凝土应用于209国道柳长路, 经柳州市建设工程质量检测中心检测其抗折和抗压强度均满足要求。

此外, 钢渣混凝土还应用于海堤工程中。徐忠琨[27]将钢渣混凝土制作成护面块体用于海堤工程中, 并在东海圈围工程和芦潮港临港工程中实际应用, 经验证, 钢渣混凝土均能满足施工要求, 并且取得了较好的经济和社会效益。

3 钢渣混凝土研究中应着重解决的问题

3.1 复合掺合料中配合比及掺量问题

将钢渣单独粉磨后作为掺合料掺入水泥混凝土中有时可能不满足工程要求, 这就要求添加其它掺合料, 如矿渣、硅灰和粉煤灰等。矿渣、硅灰和粉煤灰等掺合料掺入钢渣混凝土后, 对其导电性能和力学性能的影响各不相同, 所以它们的掺量和配合比问题应成为今后钢渣混凝土研究中的重点问题, 进行深入研究。

解决这一问题的关键在于通过试验测得矿渣、硅灰和粉煤灰等掺合料对钢渣混凝土的影响, 在实验数据和理论知识的基础上进一步分析矿渣、硅灰和粉煤灰等掺合料的影响机理, 最后通过大量试验测出复合掺合料的最优配比及掺量。

3.2 钢渣钝化问题

由于钢渣中含有铁, 在水泥的碱性环境中, 表面会产生氧化钝化层, 使混凝土电阻率增大, 导电性降低, 这样将钢渣混凝土作为导电混凝土应用于实际工程中会受到很大影响。目前, 关于钢渣导电混凝土电阻率、压敏性的文献比较丰富, 但是关于钢渣钝化问题及解决方法的文献却很少, 所以如何解决钢渣钝化问题尚需进一步研究。

钢渣钝化的主要原因是其中含有铁, 在钢渣加工中通过磁选将金属铁含量控制在一定范围内是防止钢渣钝化最直接的方法。还可以将钢渣磨细提高钢渣的活性, 因为钢渣颗粒变小, 其细微颗粒的填充作用可以得到充分发挥;另外, 细度增加有助于提高导电颗粒分散的均匀性, 加大导电成分接触的几率, 使导电性增强。以上只是理论上解决钢渣钝化的方法, 是否可行有待试验进一步验证。

3.3 安定性不良问题

钢渣中含有较大量的游离氧化钙、游离氧化镁等成分, 特别是游离氧化钙f-Ca O水化后易产生体积膨胀, 控制不当易造成安定性不良的后果。由于钢渣的稳定性不良, 在有些使用钢渣的工程中造成道路开裂、隆起, 以至影响了钢渣的推广应用。

目前消除游离氧化钙f-Ca O的方法有很多种, 例如:温水养护处理法、钢渣陈放法、热焖渣处理法等。其中温水养护法、钢渣陈放法需要占用大量土地, 容易造成污染;而将钢渣进行闷渣和超细粉磨活化处理对环境和设备要求较高。所以如何控制钢渣安定性问题成为目前钢渣混凝土研究中值得注意的问题。

3.4 钢渣的细度问题

钢渣经过粉磨后形成的钢渣微粉可以显著改善混凝土的工作性能, 还可以激发其较高的潜在活性。但是钢渣硬度较大, 易磨性和易碎性均较差, 而且钢渣中含有部分铁粒, 导致钢渣粉磨到一定程度后很难被进一步磨细。

如果采用直接粉磨的方法, 不仅粉磨效率低, 电耗较高, 而且粉磨效果也不理想。现在钢渣的粉磨多采用预粉磨, 然后采用磁选技术, 把钢渣中的铁粉分离出来, 但是钢渣细度难以控制, 而且该方法正处于起步阶段, 还未大规模使用。

除了上述问题, 钢渣成分的不确定性、钢渣在混凝土中分布的均匀性、钢渣质量控制、钢渣混凝土加工工艺、技术要求等问题都应该引起足够的重视。此外, 当前钢渣混凝土的研究多数是在实验室中, 在实际工程应用时, 应该考虑实际工程条件并采用合理的施工方法和施工工艺, 保证钢渣混凝土的质量。

结语

钢渣混凝土不仅为钢渣的综合利用开辟了一条新的途径, 符合我国可持续发展要求, 而且钢渣混凝土作为一种新型材料是当前混凝土结构理论研究的一个热门课题。虽然对于钢渣混凝土的研究已取得一定的进展, 但是离大范围推广使用还存在一段距离。今后钢渣混凝土的研究应以工程推广应用为主要出发点, 针对不同用途的钢渣混凝土进行深入研究, 不断开发高性能的钢渣混凝土, 提高钢渣的利用率。

钢渣混凝土 篇2

钢渣在废水治理中的应用

钢渣是炼钢过程中的`副产品,具有较大的比表面积和复杂的化学组成.钢渣处理废水主要用作重金属离子吸附剂,有机物的滤料以及制备絮凝剂.综述钢渣在治理废水中作吸附剂、滤料及絮凝剂的情况以及作用机理,指出钢渣处理废水应用前景广阔.

作 者：李灿华 颜家保 LI Can-hua YAN Jia-bao  作者单位：李灿华,LI Can-hua(武钢金属资源公司冶金渣分公司,湖北,武汉,430082;武汉科技大学,化学工程与技术学院,湖北,武汉,430081)

颜家保,YAN Jia-bao(武汉科技大学,化学工程与技术学院,湖北,武汉,430081)

刊 名：武钢技术 英文刊名：WUHAN IRON AND STEEL CORPORATION TECHNOLOGY 年，卷(期)：2009 47(4) 分类号：X757 关键词：钢渣   废水处理   吸附   絮凝剂   滤料  

利用冶炼钢渣配制蓄热混凝土 篇3

蓄热技术可提高能源利用效率、保护环境。蓄热技术可以用于太阳能的存储, 可以调节室内的温度波动, 提高居住的舒适性;蓄热技术还可以有效调节温室大棚的温湿度, 并在纺织及电子等行业也有着十分广阔的应用前景。

蓄热技术的关键是高性能蓄热材料的应用, 蓄热材料的选择标准主要是高储热能力、良好的耐热稳定性、可吸放热的循环次数, 另外也要考虑到成本。目前, 蓄热材料主要有熔融盐[1]、铝合金、铁矿石、矿物油以及混凝土等。熔融盐和铝合金材料在高温时有较强的腐蚀性且价格较高;铁矿石呈松散堆积, 不利于储热和放热;矿物油是易燃材料。利用冶炼钢渣配制蓄热混凝土, 成本上远远低于上述几种材料。利用本地热容大的玄武岩、冶炼钢渣为集料, 硅酸盐水泥作为蓄热材料的胶凝材料, 加入微硅粉和矿渣粉提高蓄热材料力学性能, 掺入一定比例的石墨粉改善蓄热材料的热学性能, 以上述材料配制的蓄热混凝土与其它蓄热材料相比具有成本较低, 性价比较高的优点, 同时还可为冶炼钢渣的利用提供新途径。

1 试验的原材料

水泥:42.5级普通硅酸盐。

冶炼钢渣:渣粒直径2~15mm。

冶炼锰渣:渣粒直径2~15mm。

玄武岩:江苏产玄武岩石子, 直径4~15mm。

石墨:天津某化学试剂厂产石墨粉, C含量不少于98.0%。

矿渣微粉:徐州产, 比表面积大于350m2/kg。

硅微粉:上海某公司产, 细度2000目。

减水剂:聚羧酸高效减水剂。

2 配合比设计及强度试验

2.1 配合比设计

蓄热混凝土的配合比设计主要考虑以下原则:①为提高蓄热效果, 蓄热材料中, 以大热容材料掺比最大化为前提。②蓄热混凝土有一定的强度及良好的施工性能, 以满足实际工程需要。③有较高的热导率。④尽可能降低胶凝材料的用量以降低蓄热混凝土的成本。

蓄热混凝土的热导率与组成材料、结构有关。蓄热混凝土用的集料热导率高则其导热率就高, 蓄热混凝土气孔率低则其总体热导率高[2]。朱教群教授等人的研究发现, 掺入5%石墨粉可提高混凝土导热率一倍以上[3];矿渣的耐热性能比较好[4], 配制的混凝土能承受温度的剧烈变化。矿渣微粉适宜配制使用温度700~900℃、强度等级为C15以上的耐热混凝土。要提高蓄热混凝土的热性能, 考虑原材料的影响因素有:①加热导率高的集料, 结合本地的实际情况, 可加入冶炼钢渣、冶炼锰渣;②掺入导热性能较好的石墨粉;③为降低气孔率, 可加入硅微粉。④为提高耐高温程度, 可加入矿渣微粉。根据以上原则并经过多次试验, 确定水灰比为0.40, 具体配合比见表1。

2.2 强度试验

抗压强度按GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定进行。首先按表1配合比, 将原材料称量, 水和减水剂进行混合, 其余原材料干混120s后, 边搅拌边加入混合好的水与减水剂, 再搅拌180s, 充分搅拌均匀后, 装入150mm×150mm×150mm试模, 在振动台上振动90s成型;养护1d后脱模, 并继续养护28d, 随后将试样在105℃烘箱中保温24h, 再放入箱式电阻炉中, 分别在200℃、300℃、400℃、500℃、600℃下保温3h, 冷却后分别进行强度测试。

2.3 抗压强度测试结果

抗压强度测试结果见表2, 强度随温度的变化曲线见图1。

MPa

2.4 结果分析

由强度试验结果可以看出, 随着温度的升高, 蓄热混凝土的强度从200℃时开始有所提高, 当温度升高到400℃时, 蓄热混凝土强度开始下降。

硅微粉、矿渣粉等的加入, 使蓄热混凝土在高温状态下的内部分子结构发生改变, 提高了组织的密实性[5];另一方面, 硅微粉和矿渣微粉中活性较高的二氧化硅、三氧化二铝等成分与硅酸盐水泥水化时产生的氢氧化钙反应生成硅酸钙、硫铝酸钙, 提高了混凝土的强度, 同时减少了氢氧化钙高温脱水分解对强度的破坏。

蓄热混凝土强度下降主要原因有:①随着温度的升高, 水分开始蒸发, 在结构内部产生空隙和裂缝;②混凝土组成材料的力学及热工性能不同, 在高温时形成内应力, 使结构产生变形;③混凝土中的骨料在高温时, 膨胀破裂。

3 高温下循环次数对蓄热混凝土强度的影响

蓄热混凝土在使用时是一个不断吸热及放热的循环过程, 其强度在吸热放热过程中的变化会直接影响蓄热混凝土的蓄热效果。蓄热混凝土承受高温热冲击能力越强, 其使用成本就越低。按表1中方案A的配合比配料, 将原材料称量, 水和减水剂进行混合, 其余原材料干混120s后, 边搅拌边加入混合好的水与减水剂, 再次搅拌180s, 充分搅拌均匀后, 装入150mm×150mm×150mm试模, 在振动台上振动90s成型, 养护1d后脱模, 并继续养护28d, 之后进行热循环试验, 具体步骤如下:①将试样放置在60℃烘箱内保温12h;随后将温度升到在105℃, 继续保温12h。②将试样放置在马弗炉中, 温度控制在450℃, 保温12h后取出冷却至常温, 12h以后再放入马弗炉中加热;此为一个循环, 如此反复进行。③测试不同的循环次数的强度, 测试方法按GB/T 50081进行。

表3为不同高温循环次数下, 蓄热混凝土试样的强度测试结果, 图2是不同循环次数下蓄热混凝土的强度变化曲线。

从图2可以看出, 高温下蓄热混凝土强度下降主要在前三次煅烧, 其强度从29.3MPa下降到24.6MPa, 随着煅烧次数的增加, 蓄热混凝土强度降低不再明显, 基本趋向于稳定状态。

4 热性能试验

4.1 蓄热混凝土的比热、导热系数、体积密度

4.1.1 试验方法

比热测试所用仪器为GHC-II测试仪。把原材料中的玄武岩、冶炼钢渣、冶炼锰渣磨成粉, 过160目标准筛, 与石墨、水泥, 硅微粉等粉料混合搅拌均匀, 制成试样并在养护室标养3d, 随后将试样放入烘箱, 在105℃下烘干24h。将烘干后的试样放在马弗炉中保温3h, 试样按表4要求设置温度, 之后将试样冷却至室温, 再磨成粉并过筛, 用于测定其比热。

导热系数测试所用仪器为DRE-2A瞬态导热系数测试仪。按表1中A配方称量好原材料, 将水和减水剂混合好后备用。干混120s后, 边搅拌边加入混合好的水与减水剂, 再搅拌180s, 充分搅拌均匀后, 装入150mm×150mm×150mm试模, 在振动台上振动90s成型, 养护至28d, 测定其导热系数。

用排水法进行体积密度测试, 试样制备方法与测试导热系数的试件相同。

4.1.2 试验结果

蓄热混凝土的比热、导热系数和体积密度的试验结果见表4。

4.2 蓄热混凝土蓄热能力计算

式中, Qs—单位体积蓄热材料的蓄热量, J/m3;

Cp—蓄热材料的比热, J/ (kg·K) ;

ρs—蓄热材料的密度, kg/m3;

ΔT—蓄热材料温度变化值, K。

以表1方案A测试结果为依据, 蓄热混凝土材料温度变化值按照太阳能蓄热材料应用范围为300~500℃, 其平均比热为2272J/ (kg·K) , 密度按平均值2660kg/m3, 可计算出新型硅酸盐蓄热材料的蓄热量可达335.75k Wh/m3。

5 结语

选用热容大的玄武岩、冶炼钢渣为集料, 硅酸盐水泥为胶凝剂, 制备蓄热混凝土, 在其中添加矿渣粉和硅微粉可提高其力学性能, 掺入一定比例石墨粉可改善热学性能。掺加矿渣粉、微硅粉和石墨粉的蓄热混凝土在200~500℃高温阶段的抗压、抗折强度综合性能表现突出, 且其理论蓄热量可达335.75k Wh/m3。

制备的蓄热混凝具有成本较低, 性价比较高的优点, 同时还为冶炼钢渣、冶炼锰渣、矿渣粉的综合利用提供了新途径。

参考文献

[1]程晓敏, 何高, 吴兴文.铝基合金储热材料在太阳能热发电中的应用及研究进展[J].材料导报, 2010, 24 (9) :139-43.

[2]Kook-Han Kim, Sang-Eun Jeon An experimental study on thermal conductivity of concrete[J].Cement and Concrete Research, 2003, 33:363-371.

[3]李园园.太阳能热发电用储热混凝土的制备与储热单元模拟分析[D].武汉:武汉理工大学, 2008.

[4]袁润章.胶凝材料学第二版[M].武汉:武汉工业大学出版社, 1996.

钢渣微粉对高强混凝土性能的影响 篇4

钢渣是在炼钢过程中用石灰提取杂质而大量生成的固态废弃物,呈灰褐色,有微孔,质密。钢渣的排放量约占钢产量的10%~15%,我国钢渣年总排放量1000多万t,综合利用率60%左右,但多数属于低附加值的利用。钢渣中含有一定数量的水泥熟料主要矿物C2S、C3S等[1~2],具备可用作水泥混合材和混凝土掺合料的条件。但由于钢渣含有较大量的Ca O、Mg O成分,控制不当易造成安定性不良的后果[3~4]。将钢渣进行闷渣和超细粉磨活化处理,可较好地解决Ca O、Mg O的有害膨胀问题[5],同时还可激发其反应活性,使其具有与粉煤灰或矿粉等相似的物理化学性能。本文主要研究钢渣微粉对高强高性能混凝土的工作性、强度、体积稳定性及耐久性的影响,以期为钢渣微粉的利用提供参考。

1 试验

1.1 原材料

华新水泥厂42.5级普通硅酸盐水泥;粗集料为5~25 mm连续级配碎石;细集料为中粗河砂(细度模数2.85);粉煤灰为武汉某电厂Ⅰ级灰,比表面积444.7m2/kg;矿渣粉由武钢矿渣磨制,比表面积452m2/kg;钢渣微粉采用武汉某公司的磨细钢渣粉,其碱度为1.9,比表面积450m2/kg。外加剂为武钢某公司生产的萘系高效减水剂FDN-9001。水泥、矿粉、粉煤灰、钢渣微粉的物理、化学性质分别见表1和表2。

1.2 试验方法

(1)拌合物性能按《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》(GB/T50080-2002)进行测试。

(2)抗压强度试验按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)进行测试。混凝土抗压试件尺寸为150mm×150mm×150mm。

(3)干缩按《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150-2001)进行测试。采用100mm×100mm×515mm的棱柱体试件,两端埋设金属测头,测长采用弓形螺旋测微器。试件成型后经标准养护1d拆模并移入干缩恒温室立即测定基准长度,试件的干缩龄期以测基准长度后算起,分别为1d、3d、7d、14d、28d、60d、90d、180d。恒温室内的温度为(20±2)℃,相对湿度为(60±5)%。

(4)氯离子扩散系数采用清华大学基于NernstEinstein方程开发的NEL型混凝土快速真空保盐装置及混凝土渗透性电测仪测试[6~7]。试件尺寸100mm×100mm×50mm,Na Cl溶液浓度为4mol/L。

(5)抗冻融耐久性按《水工混凝土试验规程》(DL/T5150-2001)进行测试。试件尺寸100mm×100mm×400mm,冻融试验开始时试件龄期为28d,到达此龄期前4d,将试件在(20±3)℃的水中浸泡4d。试件在受冻和融化终了时,试件中心温度分别为(-17±2)℃和(8±2)℃。冻融循环试验机为TRD1型混凝土冻融试验机;动弹性模量测试采用DT-8W动弹仪。

2 试验结果与分析

2.1 钢渣微粉对新拌混凝土性能的影响

试验对比了粉煤灰、矿渣粉与钢渣微粉对新拌高性能混凝土性能的影响。表3为各组试验的配合比及试验结果。

从表3中可以看出,当新拌混凝土中的水泥被部分矿物掺合料所取代时,混凝土的初、终凝结时间被延长。随钢渣微粉取代水泥量的增加,混凝土的初终凝结时间有较大幅度增加,尤其是当钢渣粉取代量达到30%时,混凝土初终凝时间增加幅度非常大。这可能是当掺合料取代量较大时,混凝土中水泥量减少更明显,致使缓凝型减水剂的作用效果更加显著。就掺合料之间比较而言,相对于钢渣微粉,矿粉对凝结时间的影响相对较小,而粉煤灰对混凝土的凝结时间与钢渣微粉基本相似。

从混凝土工作性方面可以看出,钢渣微粉与粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料影响基本相似,均有利于混凝土工作性的提高,并可降低新拌混凝土的坍落度损失。但钢渣微粉与粉煤灰相比,因受颗粒形貌影响,其改善效果相对较差,但略高于矿渣粉。

2.2 钢渣微粉对混凝土力学性能的影响

2.2.1 钢渣微粉对混凝土抗压强度的影响

从表4可以看出,随着钢渣微粉的加入,混凝土的早期强度均呈不同程度的降低。当钢渣微粉取代量达到30%时,混凝土强度降低幅度非常大。但当钢渣微粉取代量为20%时,混凝土的抗压强度降低幅度则很小,尤其是当钢渣微粉取代量为10%时,混凝土的强度基本没有降低,甚至龄期90d时,强度还略高于空白混凝土。相对于钢渣微粉混凝土,相同取代量的粉煤灰或矿粉混凝土其早期抗压强度相对较高,且后期抗压强度的增长也更加迅速。钢渣微粉对混凝土强度贡献不如粉煤灰与矿粉的主要原因可能是:钢渣是在炼钢过程中加入了熔剂矿物并经高温(1500~1650℃)煅烧后形成的产物,虽具有相当数量的类似水泥熟料组分的矿物C3S、C2S,具有潜在水硬活性,但在冷却过程中,却会形成较为致密的玻璃态物质,且其中的少量f-Ca O、fMg O,均呈死烧状态,所以钢渣微粉的早期水化活性较差。但在超细磨条件下,颗粒表面存在大量缺陷,可使其潜在水硬活性得到了一定程度的发挥。

MPa

当钢渣微粉与粉煤灰或矿渣粉复合时,可以较好地发挥超叠加效应。钢渣粉中的f-Ca O可以更好地激发优质粉煤灰或矿渣粉的火山灰反应活性,而粉煤灰与矿粉吸收了钢渣微粉中的f-Ca O后,则又可以降低由其引起的安定性不良问题。

2.2.2 钢渣微粉对混凝土抗压弹性模量的影响

从表5中可以看出,钢渣微粉混凝土的抗压弹模与抗压强度的变化规律相似。到90d龄期时,掺加钢渣微粉及粉煤灰或矿粉的混凝土抗压强度与空白混凝土强度相当,此时,混凝土的弹性模量也基本一致。

GPa

2.3 钢渣微粉对混凝土干燥收缩的影响

表6显示,所有试验混凝土均随龄期的延长,干缩率逐渐增加。且28d龄期前混凝土干缩率增长迅速,而28d后增长趋于平缓。掺加矿渣粉时(编号GS20),混凝土90d的总干缩率接近于空白混凝土,但28d前的干缩率则较空白混凝土增长更快。掺加粉煤灰的混凝土(编号FA20),可以明显降低混凝土的早期和后期的干缩率。而钢渣微粉的加入则可以比粉煤灰更加显著地改善收缩性能,如当钢渣微粉的取代量为10%时(编号SP10),混凝土90d的总干缩率可以降低6.7%;取代量为20%时(编号SP20),干缩率降低10%;当取代量为30%时(编号SP30),混凝土干缩率可降低约13%。在相同的矿物掺合料取代量的情况下,钢渣微粉降低混凝土的干缩显然较粉煤灰的效果更加显著。其主要原因可能是:钢渣中含有一定量的Ca O、Mg O,这些物质在粉磨过程中得到了活化,可以在水泥水化过程中发生化学反应产生微量的膨胀,对混凝土收缩有一定的补偿作用。

×10-6

2.4 钢渣微粉对混凝土耐久性的影响

2.4.1 钢渣微粉对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

表7为试验测得的结果。从表7中可以看出,由于混凝土强度较高,水胶比较小,各组混凝土的的氯离子扩散系数均较小(均小于3×10-8cm2/s)。且掺加矿物掺合料的各组混凝土的氯离子扩散系数均较空白混凝土试样低。随钢渣微粉掺量的增加,氯离子扩散系数逐渐下降。此外,相对于粉煤灰与矿渣粉,相同取代量的钢渣微粉其抗氯离子渗透性能更好。主要原因是:矿物掺合料水化产生CSH凝胶可以堵塞扩散通道,改善混凝土的孔径分布及孔的几何形状,造成氯离子扩散系数下降。同时,矿渣中较高的C3A等矿物成分能够捕捉从混凝土表面渗透的氯离子,生成所谓的Friedel盐,即C3A·Ca Cl2·10H2O[8],而钢渣微粉与粉煤灰中的铁相有助于降低Cl-的扩散速度,对混凝土中氯离子的扩散起到较好的限制作用。

cm2/s

2.4.2 钢渣微粉对混凝土抗冻融耐久性的影响

由表8结果可以看出,无论掺与不掺掺合料,高强混凝土的抗冻性均良好,冻融300次后,混凝土的相对动弹模量均大于80%,即混凝土抗冻等级均远超过F300。随钢渣微粉掺量的提高,混凝土的抗冻融耐久性虽呈微略下降,但也只是在钢渣微粉的取代量达到30%时,抗冻融耐久性下降才略明显。在相同取代量情况下,掺矿粉的混凝土抗冻性稍好于掺粉煤灰与钢渣微粉的。掺合料对混凝土抗冻性影响不明显的主要原因是由于高强混凝土本身结构较为致密,混凝土具有较好的抗冻性。而掺加活性矿物掺合料后,由于粉煤灰和矿粉的二次水化作用,结构更密实,强度更高,因此,具有较高的抗冻性,但当钢渣微粉取代量达到30%时,由于水泥相对含量较少,混凝土28d强度不高,从而使该组混凝土较其它组抗冻性略差。

3 结论

(1)钢渣微粉可以显著改善混凝土的工作性,且随掺量的增加其改善效果逐渐增强,但钢渣微粉的加入将导致混凝土的凝结时间的延长。

(2)相对于粉煤灰与矿渣粉,钢渣微粉的活性略低,导致钢渣微粉配制出的混凝土早期强度更低。但后期强度有较大幅度的增长,且钢渣微粉与粉煤灰或矿粉可以产生超叠加效应,更有利于钢渣微粉活性的发挥。

(3)掺加钢渣微粉的混凝土弹性模量略有降低,但后期增长迅速。掺加钢渣微粉可以较掺加粉煤灰更加显著地降低高强混凝土的干缩。

(4)随钢渣微粉掺合料掺量的增加,混凝土抗氯离子渗透性能提高,且钢渣微粉比粉煤灰和矿粉可以更好地提高混凝土的抗氯离子渗透性能;钢渣微粉对混凝土抗冻性的影响与粉煤灰和矿粉的影响基本相同,当掺量低于20%时,对混凝土抗冻性无不良影响。

摘要：试验对比研究了钢渣微粉对混凝土工作性、抗压强度、体积稳定性以及耐久性的影响。结果表明,钢渣微粉可以显著改善混凝土的工作性,但也导致了混凝土凝结时间的延长。相对于粉煤灰和矿粉,钢渣微粉的活性略低,配制出的混凝土早期强度略低,但钢渣微粉可以与粉煤灰或矿粉双掺而产生超叠加效应。且钢渣微粉可以显著降低混凝土的干燥收缩,提高混凝土的抗氯离子渗透性能,对混凝土的抗冻性也无不利的影响。

关键词：混凝土,钢渣微粉,体积稳定性,耐久性

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钢渣集料对泡沫混凝土性能的影响 篇5

由于钢渣的组成成分和水泥大致相同, 目前大多采用钢渣取代水泥制备钢渣泡沫混凝土, 也有相关研究者[2,3,4]将钢渣采用超细粉磨激发水化活性并消除f-Cao的危害。化学激发复合方式来改善其安定性和水化活性, 但由于钢渣成分不稳定, 胶凝性能较水泥低, 以致钢渣粉末不能大量取代水泥。许多研究的试验结果表明:钢渣粉取代水泥会降低混凝土的强度, 钢渣泡沫混凝土的吸水率和导热系数均会上升[5,6,7,8,9]。

该文将考虑钢渣在墙体材料中的应用, 将钢渣砂作为细集料配制钢渣泡沫混凝土。钢渣用于细集料减少了其超细粉磨、化学激发的步骤, 能够有效地降低钢渣利用中的能耗并实现钢渣的大宗量利用。钢渣集料泡沫混凝土开拓了钢渣产品在墙体材料中的应用, 也有望打破限制钢渣在混凝土中大量、高附加值利用技术瓶颈, 为钢渣在建筑材料方面的利用提供理论支撑, 并有助于推动泡沫混凝土的广泛应用。

1 试验

1.1 原材料

水泥:安徽海螺牌P O 42.5级普通硅酸盐水泥, 比表面积为357m2/kg, 表观密度为3 100kg/m3。初、终凝时间分别为203min和259min, 3d、28d抗压强度为27.4 MPa和55.6 MPa。

钢渣:采用的钢渣为安徽马鞍山马钢钢渣, 钢渣陈伏时间较长 (2年) , 钢渣表面较为粗糙且多孔。表1为水泥、钢渣的化学成分。

w/%

钢渣表观密度为3 400kg/m3, 堆积密度为1 640kg/m3, 松散空隙率为51.76%。钢渣含水率是3.23%, 吸水率为17.75%, 钢渣X射线衍射分析结果如图1所示。从表1和图1中可知:钢渣中CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3为主要成分, 占全部组分的87.59%, 由于钢渣陈伏时间较长, 使得钢渣中部分氧化物转化成氢氧化物, 经计算所用检验批的钢渣碱度为3.7%, 属高碱度钢渣, 且钢渣碱度越大活性越高, 高碱度的钢渣中含大量的C2S和C3S, 以C3S为主。

此外, 发泡剂优选使用苏州华航化工的K12, 化学名称为十二烷基硫酸钠, 稀释倍数30倍, 其发泡倍数、1h泌水量和1h沉降距均能满足要求。稳泡剂采用长沙仙山源农业有限责任公司的茶皂素, 掺量为0.5%。早强剂选用上海影佳实业发展有限责任公司甲酸钙, 其掺量为1.5%。减水剂是高效萘系减水剂, 掺量为1.5%。速凝剂为安徽庐江县矾山众兴新型建筑材料厂生产, 掺量4%。

1.2 方法

1) 钢渣泡沫混凝土制作工艺过程

钢渣泡沫混凝土试件的制备包括泡沫的制备、钢渣水泥浆体的制备、泡沫掺入浆体的搅拌过程及最后的入模浇筑过程。

钢渣泡沫混凝土的制作工艺流程图如图2所示。

钢渣泡沫混凝土制作过程为:取适量发泡剂稀释30倍, 采用高速搅拌机搅拌4min发泡, 再按设定的水泥、钢渣、水及外加剂等物料计量混合搅拌, 加入泡沫搅拌5min制成均匀的浆体, 浇筑成100mm×100mm×100mm试块, 室温下养护1d后脱模, 在 (20±2) ℃相对湿度大于90%的养护室内养护至合适龄期。

2) 钢渣泡沫混凝土性能试验方法

参照《泡沫混凝土》 (JG/T 266—2011) 测定抗压强度、干体积密度和吸水率。

3) 钢渣泡沫混凝土配合比

试验中, 钢渣作为集料加入泡沫混凝土中进行试验测试性能, 泡沫混凝土配合比依据李应权[10]的固定混合料的体积法进行设计, 比较钢渣的不同掺量和不同粒径对泡沫混凝土基本性能的影响。试验配合比分两种情况, 首先保持掺量不变, 改变钢渣粒径, 最大粒径分别为0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm和2.36mm, 钢渣为连续级配;然后固定钢渣粒径为0.15 mm, 钢渣掺量分别为10%、20%、30%、40%、50%;试验中水灰比为0.5, 材料用量比例见表2。

因钢渣自身有一定的含水率和吸水性, 且粒径为0.15mm的钢渣实验组因粒径太小导致颗粒间作用力增大, 为防止钢渣出现团聚现象, 试验中添加减水剂和适量水使得浆体拌合均匀流动性好, 同时可以控制因浆体稠度低而出现钢渣分层离析的现象。

2 结果与讨论

2.1 钢渣粒径对泡沫混凝土的影响

试验中钢渣掺量固定为一定量20%, 泡沫混凝土设计密度等级为800kg/m3, 按计量称量各原材料制作钢渣泡沫混凝土, 钢渣粒径为5个等级的连续级配, 浇筑试模养护至龄期, 测试其试块干密度、吸水率、7d和28d强度等指标。数据见表3。

注:FC表示泡沫混凝土;Sa-FC表示最大粒径为a的钢渣泡沫混凝土。

从表3中可见, 钢渣掺量固定不变时, 不同钢渣粒径制得钢渣泡沫混凝土的干密度、吸水率、7d和28d抗压强度均有一定变化。对表3中干体积密度数据作图分析可直观看出 (见图3) :钢渣的掺入会大大改变钢渣泡沫混凝土的干密度, 且随着钢渣粒径的增大, 钢渣泡沫混凝土的干体积密度增大, 增长率也呈上升趋势。原因是钢渣作为集料加入, 其自身重量较水泥大而直接增大泡沫混凝土的干体积密度, 再加之钢渣质量大且有吸水性, 掺入泡沫混凝土中, 钢渣水化反应所需的水分会占据泡沫一部分, 泡沫因外部水膜失水而致使破灭, 进而钢渣泡沫混凝土的干体积密度增大, 其密度等级属于JG/T 266—2011标准中的A09~A10级。钢渣集料泡沫混凝土的吸水率曲线关系如图4所示, 钢渣粒径为0.15mm的试块吸水率比普通泡沫混凝土低, 可能是因为钢渣粒径偏小, 颗粒间作用力增大, 且钢渣活性增强, 泡沫气孔较小致使吸水低。随着钢渣粒径增大, 吸水率快速上升, 钢渣比表面积的减小, 钢渣自身后期吸水量增大, 且钢渣粒径较大, 钢渣吸水后体积膨胀使得混凝土的界面过渡区结构蓬松, 多余水分在硬化过程中蒸发, 增加了泡孔间壁开口孔隙的几率, 进而导致吸水率增大, 掺入钢渣后的吸水率等级达到了W25左右。

不同钢渣粒径泡沫混凝土7d、28d抗压强度关系曲线见图5。从图5中可见, 钢渣泡沫混凝土砌块的7d和28d抗压强度随着钢渣粒径的增大呈先上升后下降变化趋势。7d强度中钢渣粒径为0.3 mm和0.6mm的试块强度比纯泡沫混凝土的强度高, 但28d强度中仅0.3 mm粒径的强度大。当钢渣粒径最小时, 其强度比纯泡沫混凝土的小, 这可能是因为钢渣粒径太小, 筛分过程中含有杂质等, 钢渣粒径过细导致颗粒间作用力增大出现团聚现象使得强度降低。当钢渣最大粒径超过0.3mm后, 钢渣泡沫混凝土强度下降趋势明显, 原因可能是钢渣粒径增大, 钢渣、泡沫和水泥浆体之间不能很好融合, 且钢渣吸水率大, 钢渣吸水膨胀使得界面过渡区原结构变化, 增大粒径使得钢渣活性降低, 钢渣泡沫混凝土的强度也会下降。采用以下公式计算观察强度变化趋势

经计算当钢渣粒径大于0.3mm时, 随着粒径的增大, 强度变化率呈增长趋势, 这说明钢渣粒径大的早期活性低, 后期强度变化较大。可直观看出, 钢渣粒径在0.3mm时, 钢渣泡沫混凝土7d、28d强度均达到最大值。

2.2 钢渣掺量对泡沫混凝土的影响

试验中固定最大粒径为0.3mm的连续级配钢渣, 泡沫混凝土设计干体积密度为800kg/m3, 设计水灰比0.5, 发泡剂稀释30倍, 钢渣掺量分为10%、20%、30%、40%、50%。标准条件下养护并进行相关性能测试, 数据见表4。

注:FC表示泡沫混凝土;Sb-FC表示最大掺量为b%的钢渣泡沫混凝土。

由表4数据作图分析, 分析钢渣掺量对试块的干体积密度影响, 由体积法计算出掺入的钢渣对混凝土干体积密度的影响和钢渣消泡而引起的干密度变化趋势如图6所示, 钢渣掺量的增加使得泡沫体积下降, 试块的干体积密度上升, 钢渣作为集料掺入直接影响泡沫的体积, 钢渣外观特性及吸水性使得泡沫大量破灭。钢渣掺量达到50%时, 曲线略上升, 可能因钢渣掺量大使得浆体拌合后钢渣出现沉淀, 浆体不均匀现象造成下部钢渣较多而泡沫上浮, 注模后的试块中钢渣含量无增加以致钢渣不能充分利用的现象, 所制得钢渣集料泡沫混凝土试件其密度达到A10等级。图7为钢渣掺量对泡沫混凝土吸水率影响曲线关系, 钢渣泡沫混凝土的吸水率呈快速上升趋势, 其中钢渣掺量在20%-30%之间的变化率达到最大, 吸水率变化在W20左右。

由图8可见, 随着钢渣掺入量的增大, 钢渣泡沫混凝土砌块的抗压强度整体呈先增大后降低趋势, 特别是当钢渣掺入量达到30%时, 强度仍然高于纯泡沫混凝土时的强度, 然而, 当继续增加钢渣掺量时, 强度却比纯水泥时低。掺入的钢渣粒径为0.3 mm, 随着钢渣掺入量增加, 钢渣泡沫混凝土强度先上升的原因, 可能是钢渣所含与水泥相同的成分, 钢渣的水化活性及活性物质含量较水泥熟料低, 作为集料掺入会增大混凝土中胶凝材料含量, 进而强度会增大。但随着钢渣掺入量的继续增加, 混凝土中钢渣量多而容易出现分层离析现象, 且钢渣水化产生产物量增多和钢渣膨胀, 导致混合浆料致密性下降, 所以钢渣量多反而会出现钢渣泡沫混凝土砌块的抗压强度降低。当钢渣掺量比小于等于30%时, 钢渣泡沫混凝土7d、28d强度较纯泡沫混凝土时高, 且经计算强度变化率也随掺量增加而逐渐增大, 这说明钢渣对泡沫混凝土的后期强度影响较大。

钢渣掺量应该控制在一个适当范围内, 且钢渣与水泥之间具有协同作用, 该作用有利于促进水化反应, 进而提高其强度。这样的钢渣掺入既有利于钢渣大量用于墙体材料降低超细化成本, 又有利于改善泡沫混凝土的性能。

3 结论

a.随着钢渣集料的掺入, 混凝土的干体积密度和吸水率均呈上升趋势。钢渣粒径的改变使得混凝土干体积密度属于JG/T 266—2011标准中的A09~A10级, 其吸水率等级达到W25左右。改变钢渣掺量其干密度达到A10等级, 吸水率变化在W20左右。钢渣掺量对泡沫混凝土的干体积密度影响比钢渣粒径大, 而对吸水率的影响比钢渣粒径小。

b.随着钢渣粒径的增大, 钢渣泡沫混凝土砌块的7d和28d抗压强度呈现先上升后下降的变化。在试验条件下, 仅钢渣粒径定为0.3mm时, 钢渣泡沫混凝土的强度大于纯泡沫混凝土。

c.随着钢渣掺入量增加, 混凝土强度仍呈先增后减趋势。当钢渣掺量比小于等于30%时, 钢渣泡沫混凝土7d、28d强度较纯泡沫混凝土时的高, 且掺量在30%时强度达到最大。继续增加钢渣掺量, 砌块的强度降低且强度变化率增大。

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钢渣对混凝土性能影响的研究进展 篇6

钢渣是炼钢企业的废渣之一, 也是钢铁行业的主要固体废弃物之一。钢渣的产量非常大, 年产1万t的炼钢厂, 每年可排出钢渣约2 500 t。由于炼钢过程中工艺要求不同, 钢渣的化学成分相差较大。同时, 由于钢渣本身的一些缺陷, 如较难磨细、水化活性较低、化学成分波动较大等, 因此实际利用率相对较低。钢渣用来制备混凝土之前一般都需要进行二次加工。近年来, 我国对钢渣在建筑材料领域的应用的研究越来越多。钢渣本身的化学成分与水泥是相似的, 也就是说同样具有一定的胶凝性能。将钢渣用于制备水泥、混凝土等建筑材料不仅可以显著降低水泥用量, 而且能够减少生产水泥所消耗的能源和资源, 降低了CO2的排放, 对环境保护具有积极的作用。

1 钢渣的应用对混凝土流动性及强度的影响

1.1 钢渣对流动性的影响

钢渣的掺加对新拌混凝土的流动性有很大的影响。李云峰等[1]研究发现钢渣粉、矿渣粉作为活性矿物掺合料加入混凝土中, 对混凝土的流动性有积极作用。这是由于钢渣的水化机理, 水化速度较水泥慢, 且改变了水化基体的孔道大小与分布, 使得浆体流动性增强。掺加矿渣粉时, 混凝土流动性减小, 掺加钢渣粉后, 混凝土流动性均增大;钢渣粉、矿渣粉复掺时, 混凝土流动性亦增大, 且钢渣粉比例越高, 流动性越大。张锦瑞等[2]则提出, 钢渣矿粉的掺量对混凝土工作性能有一定的影响。钢渣中主要含有C2S矿物, C2S早期水化速度较慢, 用钢渣代替水泥, C2S矿物增加, 水化速度降低, 混凝土的坍落度经时损失减小;并且, 钢渣矿粉掺量越大, 减小坍落度经时损失的作用越突出。施惠生等学者[2]也认为采用钢渣部分取代水泥, 能控制新拌混凝土流动性的降低。因为在混凝土初凝前, 水泥中的熟料矿物首先开始逐渐水化, 同时随着水化龄期的延长, 新拌混凝土的流动性也会逐渐发生损失。而钢渣掺合料中的类似于硅酸盐水泥熟料的矿物成分的活性相对较低、水化反应速率较慢, 因此不能为流动性做出贡献。

同时, 钢渣的细度也会影响混凝土流动性。张锦瑞等[2]提出, 当钢渣掺量一定时, 钢粉细度对混凝土工作性能的影响较小。施惠生等[3]认为混凝土的强度等级越高, 钢渣细度对混凝土流动性的影响越大。但是钢渣的细度应控制在一定范围, 过细的钢渣比表面积较大, 需水量也相应增加。

1.2 钢渣对混凝土强度的影响

不同的配比对混凝土抗压强度有影响。王保民等[4]认为, 由于钢渣中的C3S、C2S等物质对早期强度的促进作用, 无论哪种配合比, 初始阶段的抗压强度均增长较快, 而后期抗压强度增长有所减慢。白敏等[5]研究表明:影响混凝土硬化后的强度的关键因素是水泥石和骨料界面位置的粘结强度, 而水泥石和骨料界面强度则与水泥石本身的强度以及集料自身状况 (例如表面粗糙程度、棱角的多少等) 、水化凝结条件, 以及混凝土的离析泌水性等因素有关。对于加了钢渣的混凝土材料, 钢渣自身表面越粗糙, 粘结力也就越大, 从而界面粘结强度也就越高。因此钢渣的应用会显著改变混凝土微观结构, 优化集料与水泥石的界面过渡区, 最终大大提高了混凝土的强度。施惠生等[3]研究表明, 钢渣的掺量对混凝土强度有重要影响, 当钢渣的掺量低于20%的时候, 钢渣并不能显著提高水泥石的强度。虽然钢渣中的一些微小颗粒能填充水泥石中的孔隙、缺陷以及优化界面过渡区, 但是由于混凝土的水灰比较大, 内部的孔隙率很大, 因此混凝土的抗压强度出现降低现象。

2 钢渣的应用对混凝土耐久性的影响

2.1 钢渣对体积安定性的影响

从目前的众多研究成果来看, 钢渣中游离的Ca O、Mg O等物质被认为是影响混凝土安定性的主要因素。研究发现, 对于游离的Ca O, 因经历“过烧”的过程, 活性一般会在后期发挥作用, 产生膨胀, 显示出安定性的不良;Mg O的存在对混凝土的破坏也是不可忽视的。此外, 钢渣的化学组成与水泥熟料相似, 所以康明[6]从混凝土的安定性评价与调控的角度, 分别研究了掺钢渣微粉、钢渣砂、钢渣石的混凝土的体积安定性, 通过试验推导出了钢渣分别以掺合料、细集料和粗集料的形式应用于混凝土时的合理掺量。砂浆评定方法表明钢渣作为细骨料的掺量在30%时, 试件表现出潜在安定性不良;而制备混凝土试件的评定方法则提出钢渣作为细骨料来应用时若掺量达到50%, 混凝土表现出潜在安定性不良现象。由于制备混凝土试件进行评定的试验方法与实际工程上用的混凝土材料的实际情况较接近, 因此认为采用制备混凝土试件进行评价钢渣混凝土的安定性更为合适。当钢渣作为细骨料用来制备混凝土时, 钢渣的掺量需要控制在50%以下。钢渣作为粗骨料时, 以膨胀率是否达到0.8%或者试件是否断裂作为评价安定性的依据。试验发现, 当钢渣作为粗骨料应用时掺量达到30%的时候, 混凝土表现出安定性不良, 试件开始出现剥落开裂情况。因此, 所用钢渣作为粗骨料单掺于混凝土时, 其掺量应控制在30%以内。

2.2 钢渣对混凝土抗冻性能影响

杨全兵等[7]研究发现, 使用钢渣制备混凝土的时候, 若钢渣的掺量超过25%, 水泥浆体的孔径会细化, 从而增大对水的阻力, 这样内部毛细孔之间的曲折度也会相应增大, 导致水在毛细孔之间迁移的实际距离反而增加, 造成水结冰后产生的膨胀压较难卸除, 从而使混凝土的抗冻性有所降低。然而尚建丽[8]等研究发现掺加小钢渣颗粒可以间接提高抗冻性, 因为其被水泥浆体包裹形成致密的结构, 水结成冰的含量减少了水分的迁移, 从而减少了破坏。

2.3 钢渣对抗氯离子扩散的影响

混凝土自由氯离子的扩散速率是影响钢筋锈蚀的关键因素之一, 因此通常采用氯离子的扩散性能来表征混凝土中钢筋锈蚀情况。王强[9]等研究发现, 当混凝土中钢渣掺量较大时, 混凝土密实度降低, 而且相对于粉煤灰, 钢渣改善混凝土硬化浆体孔隙结构能力差很多, 因而会导致混凝土的渗透性很大。但是也有众多学者研究发现, 控制钢渣的掺量 (一般低于20%) 可以提高混凝土的抗氯离子渗透性。原因总结为:①钢渣的胶凝活性明显低于水泥, 因此部分水泥被钢渣来代替, 实际上等于变相地提高了水灰比, 改善了水泥的水化反应环境, 从而使得水泥可以更加充分地发生水化反应;②钢渣自身的微集料效应也会发挥出填充作用, 可以优化混凝土的水泥石和集料的界面结构, 降低内部的孔隙率、减小平均孔径, 最终提高密实度, 改善抗渗性;③随着水化龄期的延长, 钢渣中的具有水化活性的成分也开始慢慢发生水化反应, 产生的反应产物同样可以填充内部的孔隙, 即可以提高密实度;④钢渣内部的具有水化活性的成分发生的水化反应, 实际上还可以优化水化产物的整体组成, 提高能够吸附和固化住氯离子的物质。如水化产物CSH凝胶及水化铝酸盐凝胶的数量。其实提高混凝土的抗氯离子渗透能力关键还是要减少氯离子的渗透途径, 可以从钢渣集料与砂、石级配关系分析, 尽量减少混凝土内部空隙。

2.4 抗碳化试验

碳化, 即CO2扩散到混凝土内部, 与Ca (OH) 2以及其他胶凝体系发生反应的过程, 如果能将混凝土缝隙加以密封, 可以阻止碳化进行。当然有研究发现, 混凝土碳化程度与抗压强度有一定关系, 抗压强度大的试件, 碳化深度反而小[10]。也有试验发现与普通混凝土相比, 添加钢渣的混凝土碳化深度会有所减小。并且, 这种碳化深度的减小在碳化的初始阶段不是很明显, 但是随着碳化龄期的延长, 碳化深度会呈现出较明显的减小。随着水化龄期的延长, 钢渣自身的活性成分发生水化反应, 同时微小颗粒发挥出填充的效应, 从而优化内部的孔结构, 显著改善混凝土的抗气体的渗透性能, 最终表现出抑制碳化的效果。

3 结论与展望

如何最大限度的将钢渣应用到水泥、混凝土等建筑材料中, 已成为现阶段的研究热点。众多研究结果也表明, 钢渣是可以应用到混凝土材料中的。但是由于钢渣本身的特点, 例如化学组成波动较大不易控制, 游离氧化钙含量相对较高容易导致体积稳定性问题等。钢渣作为矿物掺合料, 要实现大规模、高附加值资源化利用, 仍然有很多问题没有解决。因此, 为实现钢渣的大规模高效率的应用, 在钢渣水化机理、如何激发钢渣活性等方面还需要深入研究。

摘要：钢渣做为炼钢企业的副产品, 产量非常大, 如能合理开发和应用, 不仅能降低环境污染, 还具有很高的经济效益。文章主要介绍了钢渣在混凝土中的应用情况, 讨论了钢渣的成分及掺量对混凝土的流动性、体积安定性、抗冻性、抗氯离子渗透性以及抗碳化性能的影响, 指出了此课题研究的重要性。

关键词：钢渣,混凝土,流动性,强度,耐久性

参考文献

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重构钢渣作为混凝土掺合料的研究 篇7

钢渣是炼钢工业的废渣,其排放量约为钢产量的15%~20%[1,2]。近年来,随着我国钢铁行业的迅速发展,钢渣量也不断增长,2011年我国钢渣排放量近亿吨。长期以来,由于钢渣没有得到有效利用,大量钢渣弃置渣场,不仅占用土地资源,还对环境造成污染[3,4]。钢渣中含有与水泥熟料相似的矿物组成,具备用作水泥混合材和混凝土掺合料的潜质,符合我国建材工业对废渣资源综合利用的需求,但受组成、热力学和结构的较大影响,钢渣的胶凝性能一般较差。因此,稳定钢渣组成、提高其活性是钢渣在建材工业中综合利用的关键。

近半个世纪来,我国研究人员通过机械活化[5]、热活化[6,7,8,9]与化学活化[10,11,12]等方式改善钢渣的水化活性,提高钢渣的利用率。然而,由于钢渣组成波动大、难磨等问题制约了钢渣活化技术的推广。鉴于此,提出在钢渣出渣过程中,将组分调节材料添加到熔态钢渣中,利用熔融钢渣的高温热能使其与调节材料发生物相反应,一方面生成一定量的胶凝性矿物,提高钢渣的胶凝活性,另一方面起到稳定钢渣品质的作用。韶钢三线转炉工业化生产试验结果表明,选用韶钢的电炉还原渣和煤渣作为组分调节材料,在转炉排渣的同时将其加入到含有熔融钢渣的渣盘中可稳定钢渣的组成、提高钢渣的胶凝活性,实现钢渣高温重构。本文研究了重构钢渣作为掺合料对混凝土力学性能、抗渗性能及Cl-渗透性能的影响,并分析探讨了其影响机理。

1 试验

1.1 原材料

试验中所用基准水泥为P·Ⅰ42.5级水泥;钢渣为韶关钢铁公司的原钢渣(代号G0)和重构钢渣(代号G),比表面积为410m2/kg;矿渣为韶关钢铁公司矿渣(代号K),比表面积为425m2/kg;粉煤灰为广东某发电厂排放Ⅱ级灰(代号F),比表面积为385m2/kg;硅灰(代号S)。原材料的化学成分见表1。

1.2 试验方法

配制C30混凝土的配合比为:水胶比0.5,胶凝材料∶砂∶石=1∶2.26∶2.99;配制C50混凝土的配合比为:水胶比0.4,胶凝材料∶砂∶石=1∶1.69∶2.54;配制C60混凝土的配合比为:水胶比0.3,胶凝材料∶砂∶石=1∶1.12∶1.90;配制C80混凝土的配合比为:水胶比0.26,胶凝材料∶砂∶石=1∶0.96∶1.79。不同等级混凝土的配合比详见表2。

按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测定混凝土拌合物的坍落度;按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》,将各配比的拌合物振动成型为150mm×150mm×150mm的混凝土试块,标准养护至28d测其抗压强度;参考GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》开展混凝土抗渗性试验;根据GB/T 50082—2009测定氯离子扩散系数的方法,测定混凝土的氯离子扩散系数。

%

注:-表示未检测,G0表示原钢渣,G表示重构钢渣,K表示矿渣,F表示粉煤灰。

2 结果与讨论

2.1 混凝土物理性能分析

表3为混凝土抗压强度和坍落度测试结果。

由表3可见,总体而言,采用工业重构钢渣替代30%的水泥后,新拌混凝土的坍落度会减小,而工业重构钢渣与矿渣、粉煤灰的复合使用,可改善新拌混凝土的流动性。在每m3混凝土中总胶结材总量为360kg的前提下,当胶结材配合比w(水泥):w(钢渣)=70:30时制备的C30混凝土,其28d抗压强度达38.8MPa;当胶结材配合比w(水泥):w(钢渣):w(矿渣)=60:20:20时,其28d抗压强度达43.1MPa。在每m3混凝土中总胶结材总量为425kg的前提下,当胶结材配合比w(水泥):w(钢渣)=70:30时,其28d抗压强度达73.0MPa;当胶结材配合比w(水泥):w(钢渣):w(矿渣)=60:20:20时,其28d抗压强度达71.3MPa。在每m3混凝土中总胶结材总量为615kg的前提下,由钢渣、矿渣、硅灰组成的辅助性胶凝材料占总胶结材质量比为25%时,可得到强度等级为C80的混凝土。

2.2 混凝土抗渗性分析

表4为混凝土抗渗性能分析结果。

由表4可见,对于设计强度等级为C30的混凝土而言,与纯水泥混凝土相比,采用工业重构钢渣粉替代30%的水泥,或采用工业重构钢渣粉含量不低于37.5%的钢渣-矿渣-粉煤灰复合掺合料替代40%的水泥,混凝土抗渗等级均能超过12。相应地,对于设计强度等级为C50的混凝土而言,混凝土抗渗等级均能超过16;对于设计强度等级为C60的混凝土而言,采用工业重构钢渣粉含量不低于60%的钢渣-矿渣-粉煤灰复合掺合料替代20%~25%的水泥,混凝土抗渗等级均能超过21。由此可见,采用工业重构钢渣粉作为混凝土掺合料,或者采用工业重构钢渣粉与矿渣、粉煤灰复合作为混凝土掺合料,均可获得抗渗性能良好的混凝土。

2.3 Cl-渗透性能分析

表5为各配合比混凝土的氯离子渗透性能测试结果。

由表5可知,对于设计强度等级为C30和C50的混凝土而言,工业重构钢渣复合掺合料的使用有利于混凝土氯离子扩散系数的降低,但对设计强度等级为C60的混凝土则相反。

2.4 水化产物形貌分析

图1为原钢渣与重构钢渣硬化浆体1d、3d和90d的显微形貌。由图可知,水化1d时,原钢渣和重构钢渣水化产物特征不明显,但重构钢渣中的孔洞相对较少;水化3d时,无论重构钢渣还是原钢渣其颗粒的表面均生成纤维状的C-S-H凝胶,且颗粒间达到一定程度的有效粘结,重构钢渣颗粒间形成C-S-H网络状结构;水化90d时,原钢渣从颗粒边缘到中央C-S-H凝胶数量逐渐增加,但水化颗粒与未水化颗粒间存在明显的缝隙,而重构钢渣G中的C-S-H凝胶形成网络状结构。总之,随着水化龄期的延长,与原钢渣相比,重构钢渣颗粒间的间隙较小,结构更致密。因此,在配制C50等级以上混凝土时,掺入重构钢渣微粉可以明显提高混凝土的抗渗性、密实度和降低氯离子扩散系数。

注:(a)、(c)、(e)分别表示原钢渣G0水化1d、3d和90d的扫描电镜图片;(b)、(d)、(f)分别表示重构钢渣G水化1d、3d和90d的扫描电镜图片。

3 结论

(1)在混凝土中掺入工业重构钢渣微粉复合掺合料30%以上,可以制备出抗渗性能良好的C30、C50、C60和C80强度等级的混凝土。

(2)制备的C30、C50、C60和C80强度等级的混凝土,流动性能良好,复合掺合料的掺入可以更好地提高混凝土的抗氯离子渗透性能。

(3)重构前后钢渣水化产物形貌分析表明,重构钢渣G中的C-S-H凝胶形成网络状结构,与原钢渣相比,重构钢渣颗粒间的间隙较小,结构更致密。

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钢渣混凝土 篇8

钢渣是炼钢工业的废渣,主要来自炼钢时加入的石灰石、白云石和铁矿石等冶炼熔剂,为调整钢材性质而加入的造渣材料,以及高温下融化成的两个互不熔解的液相炉料中分离出来的杂质等,其排放量约为粗钢产量的12%~20%左右[1]。据统计,2006年我国钢铁渣的堆存量约4亿吨,占地约2700万m2,新产生的钢渣约5800万吨;2007年我国钢铁工业排出钢渣量达到了8500万吨,2008年我国全年钢渣排放量达7000余万吨,全国钢渣累计积存量达到3亿多吨[2,3,4]。若不对堆放的钢渣进行及时有效的处理,不仅占用大量土地资源,还会造成环境污染。

目前钢渣主要应用于路基工程、工程回填料和沥青混凝土集料等,而在水泥混凝土中的应用不到其利用总量的10%[5,6,7,8,9,10,11]。近几年来,人们主要研究了钢渣胶凝性的激发途径和制备新材料的可行性,但钢渣对水泥混凝土力学性能和耐久性影响的理论研究尚不够系统和深入,因此,加强这方面的理论研究显得非常有必要,可以为钢渣资源化提供知识基础,使分布广、数量大的钢渣作为矿物掺合料在水泥混凝土中得到充分应用成为现实,在获得巨大的经济效益的同时也有利于保护环境,节约资源与能源,实现水泥混凝土材料的可持续发展。

2 钢渣的性质

钢渣矿物组成主要是硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铁铝酸盐(C4AF)和少量的方镁石(Mg O)以及游离氧化钙,钢渣的化学成分主要有Ca O、Si O2、Fe2O3、Mg O,此外还有少量Al2O3、Mn O2、P2O5等(见图1)[12,13],可见钢渣矿物化学组成与硅酸盐水泥熟料相似。钢渣经化学激发和机械激发后均具有较强的水硬胶凝性,具备用作水泥混合材和混凝土掺合料的基础条件。但钢渣的形成温度比硅酸盐水泥熟料高200~300℃,并且在钢渣缓慢冷却过程中,C3S大部分发生分解,因此钢渣中处于介稳态的C3S所占密度较少,C3S的含量远低于水泥熟料。此外,由于钢渣的冷却速度很慢,C2S晶格发生重排,活性较高的β-C2S向活性较低的γ-C2S转化,这也是钢渣活性低于水泥熟料的另一个原因,钢渣因此也被称为过烧硅酸盐水泥熟料[13]。

目前导致钢渣在水泥混凝土中应用受限的主要原因有两个:

(1)钢渣的成分复杂多变

不同钢厂,采用炼钢工艺不同,原料来源不同,钢渣的矿物、化学成分含量存在差异(见表1),即使同一钢厂,不同批次的钢渣也存在细微差异(见表2)。

(2)钢渣可能存在安定性不良的问题

钢渣中存在的少量游离Ca O,在混凝土硬化后缓慢水化生成Ca(OH)2,体积增至1.98倍,部分学者[13,14]认为这是导致钢渣安定性不良的重要因素;另外,有研究表明,当钢渣中金属铁粒含量在2.2%以上时,压蒸试验的安定性不合格,因此钢渣必须经过磁选[15,16]。

3 钢渣水化机理

钢渣的基本形态是固溶体,与硅酸盐水泥熟料不同的是,钢渣中的C3S固溶了Mn O、Fe O、Al2O3等氧化物,两者矿物化学组成的差异导致钢渣与水泥水化机理略有不同。钢渣的水化一般要经过两个阶段,首先是完整的结构受到破坏,然后才是参与水化反应,致使它的水化速度比一般水泥中的C3S要慢。钢渣水化前期生成大量的Ca(OH)2以及少量CSH凝胶,水化产物主要是Ca(OH)2、C2SH(C)(可能是粒硅钙石和无水斜方硅钙石的混合物)、少量Mg(OH)2和钙矾石;随着水化的进行,大量未水化的C3S和β-C2S等熟料矿物开始水化,Ca(OH)2不断减少,生成了大量的CSH凝胶以及钙矾石,水化产物主要是Ca(OH)2、AFt和Mg(OH)2等;到中后期C3S和β-C2S等熟料矿物基本消失,C2SH(C)、Mg(OH)2等逐渐减少[19,20,21,22]。

施惠生,郭蕾等[23]研究结果显示,掺40%钢渣的混合水泥,3d时水泥的水化硬化反应已经全面展开,有大量的Ca(OH)2及少量CSH凝胶产生,此时结构比较疏松,孔隙率也较大,硬化水泥浆体的强度较低。水化进行至28d时,Ca(OH)2量明显减少,CSH凝胶继续增多,结构变得密实,硬化水泥浆体中气孔减少,强度有较大提高,但结构仍显疏松。90d时水泥的水化已经基本完成,硬化水泥浆体的结构得到进一步改善,熟料水化产生的Ca(OH)2大部分已被钢渣的水化反应所消耗,在扫描电镜下已经难于找到Ca(OH)2,同时结构中有大量CSH凝胶形成,还发现有少量钙矾石,硬化水泥浆体的结构更加密实,混合水泥的强度已接近同龄期硅酸盐水泥强度。

通过XRD分析掺钢渣的混合水泥3d的水化产物主要为Ca(OH)2、C2SH(C),少量Mg(OH)2和AFt,还有大量未水化的C3S及β-C2S。28d的水化产物主要为Ca(OH)2、C2MS2、C2SH(C)和少量Mg(OH)2,AFt含量有所增加,未水化的C3S及β-C2S已经基本消失。90d的水化产物主要为C2SH(C)、AFt、Ca(OH)2,Mg(OH)2含量有所减少,中间水化产物C2MS2已经被进一步的水化反应所消耗掉。水化产物C2SH(C)可能是粒硅钙石和无水斜方硅钙石(C3S2)的混合物,或者是与之有关的一个相,但C2SH(C)的性质还不太确定,尚需进一步深入研究。掺钢渣的水泥水化90d仍存在AFt,并没有向AFm转变。

4 钢渣掺合料对混凝土流动性及强度的影响

4.1 钢渣掺合料对混凝土流动性的影响

(1)钢渣掺量对混凝土流动性的影响

钢渣的活性较低,达到可塑性所需的水量较少,用钢渣替代部分水泥后,复合胶凝材料的需水量小于等质量纯水泥的需水量。因此,在用水量不变的情况下,掺入钢渣会增加混凝士的流动性。李永鑫等研究结果发现[17,18,24,25],当水灰比较低时,掺入钢渣能够改善混凝土的流动性,且在一定程度上钢渣掺量越大,效果越明显。当水灰比较高时,掺入钢渣也能在一定程度上改善混凝土的流动性,但掺量较大时,混凝土的抗离析能力下降。在钢渣掺量为15%~25%时,流动性普遍提高,对提高混凝土的流动性有利;但当掺量进一步增大时,流动度有停滞或倒缩现象。

在混凝土初凝前,由于胶凝材料中的C3S、C2S、C4AF等逐渐水化,随着时间的推移,混凝土的流动性会降低。而钢渣中类硅酸盐水泥熟料的矿物的水化活性低、水化速度慢,因此,用钢渣替代部分水泥可以在一定程度上抑制新拌混凝土流动性的降低。相关研究结果表明,相比基准混凝土,掺钢渣的混凝土保持流动性的能力增强,且钢渣的掺量越大,混凝土保持流动性的能力越强[26]。朱航等[27]研究表明,利用钢渣做掺合料,可制备初始坍落度大于18cm的混凝土,与基准混凝土相比,掺加钢渣的混凝土初始坍落度约大1~2cm。同时钢渣降低混凝土坍落度经时损失的作用也比较明显,且钢渣掺量越大,减小坍落度经时损失的作用越突出。可见,钢渣的掺入不仅有利于提高新拌混凝土的流动性,还能抑制混凝土的经时坍落度损失。

(2)钢渣细度对混凝土流动性的影响

钢渣细度对混凝土流动性存在影响。陈益民等[28]研究表明,随着钢渣比表面积的增大,钢渣改善混凝土流动性及减小混凝土流动性损失的效果都会变小。这是因为钢渣的比表面积增大,致使钢渣颗粒被水包裹的需水量增加。同时,钢渣中矿物与水的接触面积增大,使得水分子容易进入矿物内部加速水化反应,提高了钢渣的活性。

不同细度钢渣对不同等级混凝土流动性的影响如图2~4[18]所示。混凝土的强度等级越高,钢渣细度对混凝土流动性的影响越大。对于C20~C60混凝土,钢渣的掺量为胶凝材料用量的20%,比表面积为600m2/kg时,对于C20混凝土,1h坍落度经时损失约为2cm,而对C60混凝土,1h坍落度经时损失则高达4~5cm。但钢渣的细度应有一定的限制范围,过细的钢渣比表面积较大,需水量也相应增加。此外,从降低粉磨电耗的角度出发,也不必将钢渣磨得过细。

4.2 钢渣掺合料对混凝土强度的影响

钢渣的掺量对混凝土强度有重要影响。在混凝土中用钢渣替代部分水泥,能使硬化水泥浆体的结构及界面过渡区发生变化。当钢渣掺量<20%时,钢渣对硬化水泥石浆体强度的影响并不明显,而钢渣中的微小颗粒则可以填充浆体中的孔隙及改善过渡区,且随着龄期的增长,钢渣中的部分活性成分发生水化,改善混凝土微结构,从而提高后期强度。但当钢渣掺量较大时(>20%时),胶凝材料中的惰性组分较多,在用水量不变的情况下,相当于增大了水灰比,因此,尽管钢渣可以起到一定的填充作用,但由于实际水灰比过大,浆体结构的孔隙率很大,造成混凝土的抗压强度降低[17,24]。

已有研究表明[27,29],钢渣掺量为10%~20%时,混凝土各龄期的抗压强度相对于基准混凝土略有提高;当钢渣掺量为20%时,混凝土28d和90d抗压强度接近基准混凝土;当掺量超过20%时,随着钢渣掺量的增加,混凝土的抗压强度开始呈明显的下降趋势(表3)。

此外,随着钢渣比表面积的提高,混凝土强度有一定提高。钢渣掺量为10%时,掺400m2/kg钢渣的混凝土强度为44.2MPa,掺600m2/kg钢渣的混凝土28d强度增至54.4MPa[17]。

5 钢渣对混凝土耐久性的影响

混凝土的耐久性涉及面广,影响因素多,破坏机理复杂,但混凝土材料的耐久性问题大多是水、有害液体或气体向其内部侵入造成的。所以,提高混凝土耐久性的关键是增加混凝土材料自身的密实性和抗开裂能力[30,31]。

5.1 钢渣掺合料对混凝土体积稳定性的影响

混凝土体积稳定性是指混凝土凝结硬化过程中,不受外界环境影响而保持自身体积不变的性质。相对于混凝土的膨胀(主要是热膨胀),收缩更易引起混凝土的开裂,故实际工程中人们更加关心混凝土的收缩。混凝土的收缩包括由各种原因引起的收缩,如干缩、碳化收缩、塑性收缩、温度收缩等。

掺加适量钢渣可以降低混凝土早期收缩,但对混凝土后期收缩影响不大。掺钢渣混凝土硬化早期收缩减小的主要原因有:(1)钢渣的活性低于硅酸盐水泥,钢渣对水泥的“稀释作用”,降低了由于水泥水化形成的化学收缩;(2)钢渣中含有一定量的Ca O、Mg O,这些物质在水泥水化过程中发生化学反应,产生微量的膨胀,对混凝土收缩有少许补偿作用。混凝土水化后期,由于钢渣混凝土的孔隙率及孔径均低于基准混凝土,因而由毛细管失水引起的收缩应力相对较高;同时也由于含钢渣混凝土的抗碳化能力相对较差,较大的碳化收缩也可能增加了后期收缩的总量,故钢渣混凝土后期收缩相对较大。已有研究结果表明(图5)[24,25],掺加适量钢渣对于降低混凝土早期收缩有利,但降低混凝土后期收缩不明显。

5.2 钢渣掺合料对混凝土抗冻性能的影响

在有冻融交替环境中服役的混凝土应具有一定的抗冻融循环能力。杨全兵等[32]研究发现,在含气量相近的条件下,掺合料掺量不超过25%时,抗冻耐久性指数DF值与基准混凝土相差不大;而掺合料用量超过25%时,混凝土的DF值有所降低(表4)。这是由于掺加掺合料后水泥浆体的孔径细化,对水的阻力增大,毛细孔的曲折度也增大,使水在气孔之间流动的实际距离增大,不利于卸除和降低水结冰产生的膨胀压。

5.3 钢渣掺合料对混凝土抗碳化性能的影响(图6)

混凝土中掺加钢渣后碳化深度有不同程度的降低,在碳化前期这种降低并不明显,而随着碳化时间的延续,掺加掺合料后混凝土的碳化深度有较明显的降低。当碳化时间达到180d时,掺加25%和50%的钢渣复合粉的混凝土的碳化深度分别为基准混凝土的59.8%和71.9%[32]。对于混凝土抗碳化性能的影响,钢渣掺合料主要有两方面的作用:一方面由于水泥用量的减少,水化产生的Ca(OH)2减少,水泥浆体中的碱含量降低,造成其吸收CO2的能力降低,对抗碳化不利;而另一方面,钢渣掺合料的活性效应有利于混凝土的长期抗渗性的提高。总体而言,随着龄期的增长,钢渣掺合料的水化及填充效应,改善了混凝土的孔结构,使其抗气体渗透能力显著提高,有利于混凝土抗碳化性能的提高。

5.4 钢渣掺合料对混凝土抗氯离子渗透性的影响

氯离子的浓度和扩散是影响混凝土中钢筋锈蚀等问题的关键因素,因此常用氯离子在混凝土中的扩散系数评价混凝土的渗透性。混凝土中氯离子渗透性主要决定于孔结构,特别是毛细孔数量及其连通程度。矿物掺合料加入混凝土中后,会对水泥石结构、混凝土界面结构等产生影响,从而对混凝土的渗透性产生影响。

钢渣能够提高混凝土抗渗透性能的原因主要有以下4个方面:(1)钢渣的水化活性远低于水泥,用钢渣替代部分水泥,相当于增大了水泥的实际水灰比,优化了水泥的水化环境,使水泥水化更加充分;(2)钢渣的微集料效应对水泥石孔隙和界面结构起到填充作用,改善了混凝土的界面结构,降低了混凝土孔隙率、平均孔径,提高了密实性;(3)随着龄期的增长,钢渣活性成分逐渐水化,水化产物填充水泥石的孔隙,也有利于提高密实性;(4)钢渣活性成分水化改善了胶凝材料水化产物组成,增加了吸附固化氯离子的水化产物CSH凝胶及水化铝酸盐凝胶的数量[24,31]。

众多学者研究发现掺入适量钢渣可以提高混凝土的抗氯离子渗透性能。朱航[17]的研究表明,当钢渣掺量低于30%时,掺钢渣的混凝土早期的抗氯离子渗透能力低于基准混凝土,但后期的抗氯离子渗透能力高于基准混凝土。孙家瑛[34]研究了钢渣掺量对混凝土抗氯离子渗透能力的影响,当钢渣掺量低于20%时,混凝土抗氯离子渗透能力提高;掺量高于20%时,随着钢渣掺量的增大,混凝土抗氯离子渗透的能力降低。吕林女[25]对用钢渣配制的C60高性能混凝土的耐久性进行了研究,也得到了当钢渣掺量不高于20%时钢渣能提高混凝土抗氯离子渗透能力的结果。李永鑫[24]详细研究了不同钢渣掺量配比混凝土7d、28d及90d龄期的相对氯离子渗透系数(如图7)。在水化7d龄期,含钢渣掺合料的水泥石孔隙率大于基准水泥石,混凝土的氯离子渗透系数高于基准混凝土,即其混凝土抗氯离子渗透性能不如基准混凝土;在水化28d龄期,掺钢渣粉混凝土的渗透系数仍高于基准混凝土,钢渣掺合料虽仍不能提高混凝土的抗氯离子渗透性能,但相比水化早期阶段而言,含有钢渣掺合料混凝土的抗氯离子渗透能力有一定幅度的提高;在水化90d龄期,含有钢渣掺合料混凝土的渗透系数明显低于基准混凝土,说明钢渣掺合料可显著提高较长龄期混凝土的抗氯离子渗透能力。

6 结论与展望

钢渣的主要化学组成和矿物组成与硅酸盐水泥熟料相似,具有潜在胶凝活性,可以作为水泥混合材或活性矿物掺合料部分替代水泥加入混凝土中。当水灰比较低时,掺入一定量钢渣能够改善混凝土的流动性;适量钢渣的掺入会降低混凝土的早期抗压强度,但随着钢渣水化的进行,掺钢渣的混凝土7d以后的强度增长较快,至28d时抗压强度可与普通混凝土相近;掺入适量钢渣可以减少混凝土早期的干缩;当含气量相近且钢渣掺量不大时,掺钢渣混凝土抗冻性与基准混凝土相差不大,而钢渣用量较大时,混凝土抗冻性有所降低;掺加钢渣掺合料混凝土在碳化前期改善效果并不明显,而随着碳化时间的延续,掺钢渣混凝土的碳化深度明显降低;在混凝土中掺适量的钢渣(一般低于20%),混凝土抗氯离子渗透的能力明显提高。

钢渣作为矿物掺合料,要实现大规模、高附加值资源化利用,仍然有几个方面亟待深入研究和探索。

(1)钢渣活性较低,物理激发能力有限且过分提高钢渣的细度并不经济;采用化学激发剂可在一定程度上激发钢渣的活性,但成本较高。不妨考虑利用脱离石膏、脱硫灰等固体废弃物,采用单掺或复掺的方式激发钢渣的胶凝活性,以期达到既利用固体废弃物、节约成本,又能提高钢渣活性的目标。

(2)钢渣的水化机理研究尚处于初级阶段,但其水化特性对于混凝土的性能又起着至关重要的作用,因此需要进行相关的研究工作。