钢渣微粉改性水泥基钢渣骨料混凝土的配制及性能.pdf

钢渣微粉改性水泥基钢渣骨料混凝土的配制及性能／ 巴明芳等 1 l 9 钢渣微粉改性水泥基钢渣骨料混凝土的配制及 性能 巴明芳， 柳俊哲 ， 贺智敏 ， 何俊 ( 宁波大学建筑工程与环境学院， 宁波 3 1 5 2 1 1 ) 摘要 为了推广钢渣在水泥基复合材料中的应用， 研究了钢渣微粉和钢渣骨料对水泥基复合材料的影响。结 果表明： 随着钢渣微粉掺加量的提高， 钢渣改性水泥基材料浆体的初凝时间逐渐延长， 流动性逐渐增加， 抗压和抗折 强度逐渐降低； 随着钢渣骨料粒径的增加 ， 钢渣改性水泥基混凝土的抗压、 抗折强度也呈现增长趋势， 并最终确定作 为粗 骨料 的钢渣粒径 为 1 3 ． 2 mm 与 9 ． 5 mm， 而且 两种 粒径钢渣骨料 的质量 比为 1： 1时， 所配制钢 渣改性混凝 土的 工作性能与力学性能最佳； 研究还表明， 当粗骨料钢渣块粒径不变时， 随着钢渣微粉掺量的增加， 所配制钢渣混凝土 的抗压、 抗折强度呈现降低趋势， 并最终确定钢渣改性混凝土中钢渣微粉的最佳掺量范围为 1 O ～2 O 。 关键词 钢渣微粉钢渣骨料水泥基复合材料 中图分类号 ： TQ5 2 8 ． 3 7 文献标识 码 ： A Pr e pa r a t i o n a nd Pr o p e r t y o f S t e e l S l a g M o d i f i e d Ce me nt e d Co n c r e t e wi t h S t e e l Sl a g Ag g r e g a t e s B A Mi n g f a n g ，LI U J u n z h e ，HE Z h i mi n ，HE J u n ( Fa c u l t y o f Ar c h i t e c t u r a l Ci v i l En g i n e e r i n g a n d En v i r o n me n t ，Ni n g b o Un i v e r s i t y ，Ni n g b o 3 1 5 2 1 1 ) Ab s t r a c t I n o r d e r t o p r o mo t e t h e a p p l i c a t i o n o f s t e e l s l a g i n t h e c e me n t e d c o mp o s i t e s ，e f f e c t s o f s t e e l s l a g p o wd e r a n d s t e e l s l a g a g g r e g a t e o n c e me n t e d c o mp o s i t e s we r e i n v e s t i g a t e d ．Th e r e s u l t s s h o ws t h a t wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e mi x i n g a mo u n t o f s l a g p o wd e r ，i n i t i a l s e t t i n g t i me o f c e me n t - b a s e d ma t e r i a l s g r a d u a l l y i n c r e a s e s ，i t s p a s t e f l u i d i t y e x t e n d s ，a n d c o mp r e s s i v e a n d f l e x u r a l s t r e n g t h d e c r e a s e s ；wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e p a r t i c l e s i z e o f t h e s t e e l s l a g a g g r e — g a t e ，c o mp r e s s i v e a n d f l e x u r a l s t r e n g t h o f s t e e l s l a g mo d i f i e d c e me n t e d c o n c r e t e a l s o s h o ws a g r o wi n g t r e n d ，a n d u l t i — ma t e l y i t wa s d e t e r mi n e t h a t t h e o p t i c a l a g g r e g a t e p a r t i c l e s i z e o f s t e e l s l a g i s 1 3 ． 2 mm a n d 9 ． 5 mi t t ，a n d t h e ma s s r a — t i 0 o f a b o v e t wo p a r t i c l e s i s 1：1 ．F u r t h e r mo r e h e e s u l t s a l s o s h o ws t h a t w i t h c e r t a i n p a r t i c l e s i z e o f s t e e l s l a g a g g r e — g a t e ， t h e c o mp r e s s i v e a n d fl e x u r a l s t r e n g t h o ff ~ o fi c r e t e wi t h s t e e l s l a g p o w d e r a n d a g g r e g a t e d e c r e a s e d wi t h t h e i n — c r e a s e i n t h e d o s a g e o f s t e e l s l a g p o wd e r ，a n d i t s a p p r o p r i a t e c o n t e n t o f s t e e l s l a g p o wd e r r a n g e i s 1 0 -- 2 0 ． Ke y wo r d s s t e e l s l a g p o wd e r ，s t e e 1 s l a g a g g r e g a t e s ，c e me n t e d c o mp o u n d ma t e r i a l s 0 引言 中国是钢铁生产大国 ， 而炼钢过程 中钢渣大约 占到钢产 量的 2 0 左右， 因此固体废弃物——钢渣的处理和综合利用 已越来越受到人们 的重视[ 1 ] 。日本 、 美 国的钢渣利用率几 乎达到 1 0 0 ， 欧洲 6 5 的钢渣已得到高效率的利用 ， 与发 达国家相 比， 我国钢渣利用率仅 1 O 左右[ 3 ] 。钢渣是炼钢过 程中产生的废渣， 钢渣 中含有一定数量 的水泥熟料的主要矿 物 C S 、 C 。 S等 ， 具有较高的潜在活性， 磨细后可作为混凝土 的独立组分来改善水泥混凝土的有关性能_ 4 ] 。Qa s r a w i 等[ 5 ] 研究了低钙无处理钢渣作为细骨料对水泥基混凝土性能 的 影响 ， 认为钢渣细集料掺量在 3 O ～5 O 之间时可以很好地 改善混凝土的力学性能。Ma s l e h u d d i n等【_ 6 研究 了钢渣骨料 与碎石骨料对水泥混凝土性能 的影响规律， 得出钢渣骨料在 一 定的掺加范 围内， 可 以有效改善混凝 土的耐久性。Mo t z 等[ 7 3 研究钢渣骨料混凝土作为路面材料的力学性能特征 ， 提 出具有一定体积稳定性的钢渣骨料可以在混凝土路面材料 中得到应用 。Wa n g 等[ 8 ] 研究了钢渣微粉在水泥基材料 中的 水化机理及特征。孙家瑛等[ g ] 研 究了钢渣微粉对混凝土抗 压强度 、 干缩、 碳化、 抗氯离子渗透 、 气渗等性能指标的影响。 王强等[ 1 0 ] 研究 了掺钢渣复合胶凝材料 的早期水化性能和硬 化浆体结构。朱航等[ 1 1 ] 研究了钢渣矿粉细度 、 掺量对混凝土 的工作性能和力学性能的影响。 从以上研究可以看出， 当前对钢渣应用的研究均是单独 以钢渣微粉配制水泥基浆体或 以钢渣骨料配制水泥基混凝 土为主的传统水泥基复合材料 ， 而 以钢渣微粉为矿物掺合 料 ， 以钢渣块为骨料的水泥基复合材料 的研究非常有限。因 此 ， 本实验采用不同细度 的钢渣微粉作为水泥基胶凝材料， ， *国家自然科学基金( 5 1 3 0 8 3 0 8 ) ； 浙江省 自然科学基金( L Q1 2 E 0 8 0 0 2 ) ； 宁波市 自然科学基金( 2 O 1 2 A6 1 O 1 5 9 ) 巴明芳： 女， 1 9 7 5年生， 博士， 讲师， 研究方向为高性能水泥基材料及耐久性 E - ma i l ： b a mi n g f a n g @n h u ． e d u ． c n 柳俊哲： 通讯作 者， 男， 1 9 6 4年生， 博士， 教授， 研究方向为高性能水泥基材料及耐久性E - ma i l ： j u n z h e l i u @1 6 3 ． c o rn 钢渣微粉改性水泥基钢渣骨料混凝土的配制及性能／ 巴明芳等 1 2 1 表 4中 C 钢渣骨料级配与 C 。中碎石级配相 同， C 2 一C 中的钢渣骨料比例均是粒径大于 9 ． 5 mm小于 1 3 ． 2 mm 的 钢渣块与粒径小于 9 ． 5 m m 的钢渣块 的混合比例。 本实验研究以确定细度的钢渣微粉为矿物掺合料 ， 最佳 级配钢渣为骨料的水泥基复合材料 的工作性能与力学性能。 表 5 是以钢渣微粉为矿物掺合料， 钢渣块为骨料 的水泥基复 合材料配比( 单位 ： k g ) 。 表 5 钢渣微粉+钢渣集料的水泥基复合材料配比 Ta b l e 5 Pr o p o r t i o n o f c e me n t b a s e d c o mp o s i t e ma t e r i a l s wi t h s t e e l s l a g p o wd e r a n d a g g r e g a t e s 1 ． 2 实验方案 ( 1 ) 分别采用 3 种不 同细度 的钢渣微 粉配制水泥基 浆 体 ， 依据 G B ／ T 8 0 7 7 — 2 O O 0 、 G B ／ T 1 3 4 6 — 2 0 1 1 测定其凝结时间 和净浆流动度， 并成型 4 0 mm4 0 m m1 6 0 mm 的净浆试 件 ， 拆模后放在室 内空气 中( ( 1 8 +5 ) ℃) 进行养护 ， 并 根据 G B ／ T 1 7 6 7 1 — 1 9 9 9 分别测定至其 3 d 、 7 d 、 2 8 d 抗压和抗折强 度 。另外 ， 取部分试件放入水 中浸泡 ， 并测定其水中 3 d 、 7 d 、 2 8 d 抗压强度 ， 并计算其相应龄期的软化系数 ， 确定钢渣微 粉的最佳细度范围。 ( 2 ) 分别采用 3 种不同颗粒级配钢渣骨料配制水泥基复 合材料 ， 成型 7 O ． 7 mm7 0 ． 7 mm7 0 ． 7 mm混凝土试件 ， 拆模后放在室内空气 中( ( 1 8 +5 ) ℃) 进行养护， 并依据 G B ／ T 5 0 0 8 0 — 2 0 0 2测出其坍落度 ， 6 B ／ T 1 3 4 6 — 2 0 1 1 和 G B ／ T 1 7 6 7 1 — 1 9 9 9分别测出水泥基 3 d 、 7 d的抗折强度及强压强度， 另外 ， 取部分试件放入水中浸泡 ， 并测定其水 中 3 d 、 7 d 抗压强度 ， 并计算其相应龄期的软化系数 ， 确定钢渣骨料的最佳级配范 围 。 ( 3 ) 分别以研究内容( 1 ) 中选 出的钢渣微粉为矿物掺合 料和方案( 2 ) 选 出的钢渣骨料 以不同掺加 比例配制水泥基复 合材料 ， 成型 7 O ． 7 mm7 0 ． 7 mm7 0 ． 7 mm混凝土试件 ， 拆模后放在室内空气 中( ( 1 8 +5 ) ℃) 进行养护 ， 分别测出试 块 3 d 、 7 d的抗折强度和强压强度 ， 另外， 取部分试件放入水 中浸泡 ， 并测定其水 中 3 d 、 7 d 抗压强度， 并计算其相应龄期 的软化系数 ， 最终确定适宜细度 的钢渣微粉和适宜级配 的钢 渣集料在在水泥基复合材料的最佳掺加 比例 。 2 结果与讨 论 2 ． 1 不同细度钢渣微粉对水泥基材料浆体性能影响 2 ． 1 ． 1 对水泥基材料浆体凝结时间的影响 图 2 为不 同细度钢渣微粉对水泥基材料浆体凝结时间 的影响结果 。从图 2 可知 ， 钢渣微粉的加入影响着水泥的水 化速度， 使水泥的初凝时间延长 ； 钢渣微粉 的细度对水泥的 水化速度也有影 响， 钢渣微粉细度越小即颗粒越粗 ， 则对应 试样的初凝时间越长。因此， 所用钢渣微粉颗粒不宜过粗 。 ．呈 吕 厘 窖 露 不 同 细度 钢 渣 微 粉 图 2 钢渣微粉细度对水泥基材料凝结时间的影响 Fi g ． 2 Ef f e c t s o f s t e e l s l a g p o wd e r fin e n e s s o n s e t t i n g t i me o f c e m e n t b a s e d m a t e r i a l s 2 ． 1 ． 2 对水泥基材料净浆流动度的影响 图 3 为不 同细度钢渣微粉对水泥基材料净浆流动度的 影响结果 。从图 3 可以看 出， 钢渣微粉的加入会提高水泥基 材料的净浆流动度， 并且随着钢渣微粉细度的减小， 水泥基 材料净浆流动度逐渐增大。这进一步说明， 可以选择一定细 度的钢渣微粉来改善水泥基材料的工作性能。 不 l司细度 钢 渣 微 粉 图 3 钢渣微粉细度对水泥基材料净浆流动度的影响 Fi g ． 3 Ef f e c t s o f s t eel s l a g p o wd e r fin e n e s s o n flu i d i t y o f c e me n t — b a s e d ma t e r i a l s 2 ． 1 ． 3 对水泥基材料胶砂强度的影响 图 4为不 同细度钢渣微粉对水泥胶砂试件抗折强度 的 影响结果 。从 图 4 ( a ) 可以看出， 钢渣微粉对水泥胶砂抗折强 度有一定的降低作用 。室温大气 中养护的早龄期 ， 不同细度 钢渣微粉的抗折强度差别不大， 随着龄期的增长 ， 掺加 8 O目 及以上钢渣微粉的水泥胶砂强度均呈增长趋势。从图 4 ( b ) 可以看出 ， 随着钢渣微粉颗粒尺寸的降低 ， 同样配 比的钢渣 微粉改性水泥胶砂试件的抗折强度呈现明显增长趋势 ， 而且 随着龄期 的延长 ， 其抗折强度也呈增加状态。 图 5 为不 同细度钢渣微粉对水泥胶砂试件抗压强度 的 影响结果 ， 可以看出， 加入钢渣微粉 的水泥胶砂 的抗压强度 均有一定程度 的降低。从 图 5 ( a ) 可以看出， 在正常室温条件 下不同细度钢渣微粉对水泥胶砂强度 的影 响不大， 并且 随着 龄期 的延长其强度增长较慢。从图 5 ( b ) 可以看出， 钢渣微粉 1 2 4 材料导报 B： 研究篇 2 0 1 3 年 l 1月( 下) 第 2 7卷第 l 1 期 2 S u n J i a y i n g ． I n f l u e n c e o f s t e e l s l a g p o wd e r o n c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e [ J ] ．J B u i l d Ma t e r ， 2 0 0 5 ， 8 ( 1 ) ： 6 3 孙家瑛．钢渣微粉对混凝土抗压强度和耐久性 的影响l J ] ． 建筑材料学报， 2 0 0 5 ， 8 ( 1 ) ： 6 3 3 W a n g Qi a n g ． Ce me n t i t i o u s p r o p e r t i e s o f s t e e l s l a g a n d i t s r o l e i n t h e h y d r a t i o n a n d h a r d e n i n g p r o c e s s o f c o mp l e x b i n - d e r_ J ] ．B e i j i n g ： T s i n g h u a Un i v e r i s i t y ， 2 0 1 l 王强．钢渣的胶凝性能及在复合胶凝材料水化硬化过程中 的作用[ D ] ．北京 ： 清华大学， 2 0 1 1 4 Zh u Ha n g ．P r e p a r a t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f s t e e l s l a g i n c e — me n t c o n c r e t e r 【 ) ] ， Wu h a n ： Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o — g Y， 20 04 朱航．钢渣矿粉 的制备及其在水泥混凝土中的应用研究 [ D ] ． 武汉： 武汉理工大学， 2 0 0 4 5 Qa s r a wi H ， S h a l a b i F，As i I ．Us e o f l o w Ca O u n p r o c e s s e d s t e e l s l a g i n c o n c r e t e a s f i n e a g g r e g a t e[ J ] ． C o n s t r B u i l d Ma — t e r ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 2 ) ： 1 1 1 8 6 Ma s l e h u d d i n M ，S h a r i f A M ，S h a me e m M ，e t a 1 ．C o mp a r i — s o n o f p r o p e r t i e s o f s t e e l s l a g a n d c r u s h e d l i me s t o n e a g g r e — g a t e c o n c r e t e s 口] ．C o n s t r B u i l d Ma t e r ， 2 0 0 3 ， 1 7 ( 2 ) ： 1 0 5 7 Mo t z H ，Ge i s e l e r J ．P r o d u c t s o f s t e e l s l a g a n o p p o r t u n i t y t o s a v e n a t u r a l r e s o u r c e s [ J ] ．Wa s t e Ma n a g e ， 2 0 0 1 ， 2 1 ( 3 ) ： 2 8 5 8 Wa n g Q。 Y a n P Y ．Hy d r a t i o n p r o p e r t i e s o f b a s i c o x y g e n f u r n a c e s t e e l s l a g [ J ] ． C o n s t r B u i l d Ma t e r ， 2 0 1 0 ， 2 4 ( 7 ) ： 1 1 3 4 9 S u n J i a y i n g，Ch e n W e i ，Hu Re n we i ，e t a 1 ．Re s e a r c h a p p l i — c a t i o n o f p e r f o r ma n c e o f s t e e l s l a g - a g g r e g a t e d p o r o u s c e me n t c o n c r e t e[ J ] ．J Hu a z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h — n o l o g y ： Na t S c i E d， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 2 ) ： 9 1 孙家瑛，陈伟 ， 胡仁伟，等．钢渣集料制备透水性水泥混凝 土性能研究[ J ] ．华 中科技大学学报： 自然科学版， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 2 ) ： 9 1 1 0 Wa n g Qi a n g，Ya n P e i y u ．Ea r l y h y d r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d p a s t e s t r u c t u r e o f c o mp l e x b i n d i n g ma t e r i a l s c o n t a i n i n g h i g h - v o l u me s t e e l s l a g[ J ] ．j C h i n e s e C e r a m S o c ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 O ) ： 1 4 06 王强， 阎培渝． 大掺量钢渣复合胶凝材料早期水化性能和浆 体结构[ J ] ．硅酸盐学报 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 0 ) ： 1 4 0 6 1 1 Z h u Ha n g ，D i n g Qi n g j u n ，P e n g Y a n z h o u ，e t a 1 ．E f f e c t o f s u p e r - f i n e s t e e l s l a g p o wd e r o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n — c r e t e[ J ] ．J Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 1 ) ： 4 0 朱航，丁庆军 ， 彭艳周，等．钢渣矿粉混凝土的物理力学性 能研究[ J ] ．武汉理工大学学报， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 1 ) ： 4 0 ( 责任编辑周媛媛) ( 上接 第 1 1 8页) 5 Ka n A，De mi r b o g a R．A n o v e l ma t e r i a l f o r l i g h t we i g h t c o n — c r e t e p r o d u c t i o n[ J ] ．C e m C o n c r C o mp o s ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 7 ) ： 4 8 9 6 Ha n n a wi K，Ka ma l i — Be r n a r d S，Pr i n c e W ．Ph y s i c a l a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f mo r t a r s c o n t a i n i n g PE T a n d P C w a s t e a g g r e g a t e s [ J ] ．Wa s t e Ma n a g e ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 1 1 ) ： 2 3 1 2 7 Li u F e n g ，Hu a n g Ha i b i n，Xi a Xi a o z h o u ，e t a 1 ．Me c h a n i c a l t e s t o n mo d i f i e d c o n c r e t e wi t h r e c y c l e d p l a s t i c p a r t i c l e s a n d i t s n u me r i c a l s i mu l a t i o n[ J ] ． J B u i l d Ma t e r ， 2 0 1 1 ， 1 4 ( 2 ) ： 1 7 3 刘锋， 黄海滨， 夏晓舟， 等． 再生塑料改性混凝土力学性能研 究及数值模拟V J ] ．建筑材料学报， 2 0 1 1 ， 1 4 ( 2 ) ： 1 7 3 8 L i Ai i u r L M e c h a n i c a l p r o p e r t y o f c e me n t c o n c r e t e wi t h wa s t e p l a s t i c p o wd e r[ J ] ． T r a n s p o wo r l d ， 2 0 1 2 ( Z 1 ) ： 1 6 8 李爱军． 废旧塑料粉水泥混凝土力学性能研究[ J ] ．交通世 界( 建养 机械)， 2 0 1 2 ( Z 1 ) ： 1 6 8 9 Fe n g B i n g c h e n ． M e c h a n i c a l p r o p e r t y o f c e me n t c o n c r e t e wi t h w a s t e p l a s t i c g r a n u l e[ J ] ．C o m mu n S t a n d a r d i z a t i o n ， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 7 2 ； 冯兵辰．废旧塑料颗粒水泥} 昆 凝土力学性能研究[ J ] ．交通 标准化， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 7 2 1 0 S i d d i q u e R，Kh a t i b J，Ka u r I ． Us e o f r e c y c l e d p l a s t i c i n c o n c r e t e ： A r e v i e w[ J ] ．Wa s t e Ma n a g ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 1 0 ) ： 1 8 3 5 1 1 Fr i g i o n e M．Re c y c l i n g o f PE T b o t t l e s a s f i n e a g g r e g a t e i n c o n c r e t e [ J ] ．Wa s t e Ma n a g e ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 6 ) ： 1 1 0 1 1 2 P a n y a k a p o P。P a n y a k a p o^ ／ L Re u s e o f t h e r mo s e t t i n g p l a s t i c w a s t e f o r l i g h t w e i g h t c o n c r e t e [ J ] ． Wa s t e Ma n a g ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 9 ) ： 1 5 8 1 1 3 Re ma d n i a A，Dh e i l l y R M ，La i d o u d i B，e t a 1 ．Us e o f a n i ma l p r o t e i n s a s f o a mi n g a g e n t i n e e me n t i t i o u s c o n c r e t e c o mp o - s i t e s ma n u f a c t u r e d wi t h r e c y c l e d P E T a g g r e g a t e s [ J ] ． C o n s t r Bu i l d M a t e r ， 2 0 0 9， 2 3( 1 0 )： 3 1 1 8 1 4 I s ma i l Z Z。A1 一 Ha s h mi E Us e o f p l a s t i c wa s t e i n c o n — c r e t e mi x t u r e a s a g g r e g a t e r e p l a c e me n t [ J ] ． Wa s t e Ma n a g e ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 1 1 )： 2 0 4 1 ( 责任编辑林芳)