磨细钢渣、粉煤灰对混凝土强度和抗氯离子渗透性能的影响研究.pdf

2 0 1 0年第 5期 l 0月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C0NC RE T E AND CE MEN T P RODUC T S 2 01 0 N0 5 0 c t o b e r 磨细钢渣、 粉煤灰对混凝土强度和 抗氯离子渗透性能的影响研究 李 贞 ， 夏继宗 ， 贾文亮 ( 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程 国家重点实验室 ， 徐州 2 2 1 0 0 8 ) 摘要 ： 研究 了单掺粉煤灰 、 磨细钢渣和双掺粉煤灰一 磨 细钢渣对混凝土强度 和氯 离子扩散系数 的影响 。试验 表明 ： 双掺粉煤 灰一 磨 细钢渣的混凝土强度 和抗氯 离子渗透性能优于基准组及 单掺 粉煤灰 、 磨细钢渣 的混凝 土 ， 同时磨细钢渣 对混凝土性能 改善 的贡献稍大于粉煤灰。 关键词 ： 水 泥； 粉煤灰 ； 磨细钢渣 ； 混凝土 ； 强度 ； 氯离子扩散 Ab s t r a c t ： Th e e f f e c t s o f t h e i n d i v i d u a l mi x t u r e o f fly a s h o r s t e e l s l a g a n d t h e c o mb i n a t i o n s o f fl y a s h a n d s t e e l s l ag o n s t r e n g t h a n d c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t o f c o n c r e t e a r e s t u d i e d T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t c o mp a r i n g t o t h e p u r e c e me n t s a mp l e a n d t h e i n d i v i du a l mi x t u r e o f fly a s h o r s t e e l s l a g c e me n t s a mp l e ，t h e c o mb i na t i o n o f t h e a d mi x t u r e s c a n i mp r o v e t h e me c ha n i c a l p r o p e r t i e s a n d t h e r e s i s t a n e e t o c hl o rid e i o n p e r me a b i l i t y o f e o n e r e t e T h e c o n t r i bu t i o n o f s t e e l s l a g t o e o nc r e t e p e r f o rm a n c e s i s s l i g h t l y l a r g e r t h a n fly a s h Ke y wo r d s ：C e me n t ； F l y a s h； S t e e l s l a g； Co n c r e t e； S t r e n g t h； Ch l o rid e d i f f u s i o n 中图分类 号： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 0) 0 5 - 1 1 - 0 4 O前 言 利用活性矿物配制混凝土可以节约资源 ，利于环 保 ， 同时矿物掺合料 自身具有形 态效应 和填充效应 ， 能 有效提高混凝土强度和耐久性 ，尤其是抗 氯离子渗透 性能f 】1 。 由于 目前 的研究基本上都是集 中于单一组分尤 其是粉煤灰 、 矿渣对混凝 土的影 响 ， 对磨 细钢渣 及粉煤 灰的复合效应研究很 少 ， 因此 ， 本文主要研 究单 掺粉煤 灰 、磨 细钢渣及两者复掺对混凝土强度 和耐久性 的影 响 ， 为今后进一步 的研究提供依据 ， 同时为在工程 中更 好的推广使用 复合掺合料提供理论保障 。 1 原材料及基本性能 1 1 硅酸盐水泥 ( C) 本试验所用水泥为南京 产硅酸盐水泥( P 1 1 5 2 5 级) ， 水泥 的物理性能见表 1 所示 。 1 2 磨 细钢渣( s s ) 本试验采用马鞍 山钢铁公司露天陈放一年 以上的 钢 渣 ， 用 S M一 5 0 0型试磨 机 粉磨 9 0 m i n ， 过 0 1 6 m m 的 方孔筛得到磨细钢渣， 物理性 能如表 2所示 。 1 3 粉煤灰( F A ) 本试验所用粉煤灰为华能 I 级粉煤灰 ，表观密度 2 O O g c m ，比表面积为 2 9 4 m Z k g ，物 理性能如 表 2 所 示 。 表 1 水 泥物理性能 表观密度 ( g c m 比表面积， ( m 2 ， k 曲 需水量L L 活性指数 3 d 7 d 2 8 d 1 4 集料 细集料( s ) ： 马鞍 山产 ， 表观 密度 2 5 4 0 m 2 k g ， 含水 量 2 2 4 ， 细度模数为 2 9 ， 属于 中砂 ， 无潜在碱活性 。 粗集料( G ) ： 南京 白云矿碎 石， 满足 5 - 2 5 m m颗粒级 配要求， 表观 密度 2 7 1 0 m 2 k g ， 含水量 1 0 4 ， 压碎 值 为 8 8 ， 无潜在碱活性 。 1 5 标准砂 采用 中 国 I S O标 准砂 ( G S B 0 8 1 3 3 7 2 0 0 1 ) ， 由厦 门某公司生产 ， 净含量( 1 3 5 0 5 ) g 。 1 6 外加齐 0 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 5期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 5期 萘系减水剂 F D N 一 5 ， 减水 率大于 2 5 。 1 7水 采用 自来水 。 2抗压 、 抗折强度试验及分析 2 1 试验设计 为 了叙述方便 ，本 文规定单掺 I 级粉煤 灰的水 泥 胶砂 记为 C F A ， 单掺磨细钢渣 的水泥胶砂 记为 C S S ， 双 掺 I 级粉煤灰一 磨细钢渣 的水泥胶砂记为 C F S 分别 测 定 C F A、 C S S和 C F S 3 d 、 7 d 、 2 8 d 、 6 0 d的 抗 折与抗压强度 ，其 中 F A掺量分别为 2 0 、 3 0 、 4 0 ， S S 掺量分别 为 3 0 、 4 0 、 5 0 ，减水剂 以外掺形式加 入 ， 不计人成分组成 。胶凝材料用量为 4 5 0 g ， 标准砂 为 1 3 5 0 g ， 水灰 比取 0 5 。 水泥胶砂 和混凝土 的成型 、养护 以及强度 的测定 均 参照 J T J 2 7 0 - 1 9 9 8 水运 工程混凝土试验规程 中相 关试验方法进行 。试验配 比与结果如表 3 所示 。 2 2 试验结果分析 f 1 ) F A的影响 由表 3可 以看 出 ， C F A各 龄期强 度 随 F A掺量 增 加逐渐减小 ， 3 d 、 7 d强度均低 于基准试件 ； 随着 龄期 的 延长， C F A抗压强度 与基 准强度越来越 接近。F A掺 量 为 2 0 时 ， 2 8 d水泥 胶砂 强度 已达到 基准 组 的 9 6 ， 6 0 d 时超过基准组 的强度 ， 说明 I 级 F A在 2 8 d时活性 作用达到一定程 度。I级 F A掺量超过 3 0 时 ， 抗压 与 抗折强度下 降趋 势明显增 大 ，所 以宜将 F A掺量控制 在 3 0 以内。 ( 2 ) S S的影 响 C S S强度随着 S S掺量增加而逐渐下 降，当掺量超 表 3 水泥胶砂试验配 比与结果 过 4 0 时下降趋势明显增 大 ， 所 以宜将 S S掺量控制在 4 0 以内。 7 d时， 3 O S S掺量下 C S S 强度与基准组的 比 值 高于 3 d时的 比值， 说 明 S S在 7 d前就参与 了水 泥的 水 化反应 ； 2 8 d时， 其抗 折强度 高于基 准组 。 C S S的抗折 强度早期 降低不多 ， 后期接近基准 ， 抗折强度的提高对 混凝土抗裂性十分有利 。随着龄期 的延长， C S S抗压强 度 与基准组越来越接近 。 ( 3 ) F A和 S S复合效应的影响 当复合 掺量为 3 0 时， C F S 3 d强度仍低 于基准组， 但 比 C F A和 C S S的 3 d强度高，说 明 S S可 以提高 F A 的活性， 使其 较早参与反应 ； 2 8 d时， C F S 强 度高 于基准 组 、 C F A和 C S S强度 ； 6 0 d时， C F S强 度 明显 高 于 C F A 和 C S S的 6 0 d强度， 并且其强度的增长率 也最 大。 上述 试验结果表明， 复合 F A和 S S会产生“ 叠加效应 ” 【删。 通过 第 7 、 1 0 、 1 3组数 据 可 以看 出 ：S S ： F A 为 2 ： 1 1 2一 时 ， C F S 3 d 、 7 d 、 2 8 d和 6 O d的抗 折 强 度 以及 3 d 、 7 d 、 2 8 d的抗压强 度先是 随着 F A 和 S S总掺 量 的增 加 显著上 升 ， 当总掺量达 到 4 0 时 ， 强度最 大 ； 之后 强度 又随着总掺量的增加而迅速下降，且强度下降的幅度 明显大于增长 的幅度 ， 由此说明 S S与 F A为 2 ： 1 时 ， 最 佳总掺量为 4 0 。 第 1 0组 C F S 6 0 d的抗压强度相对较 小 ， 没有遵循上述变化规律 ， 可能是由于制作试块时浆 液振捣不均引起浆体孔数量相对较多 ， 结构疏松 ， 以致 试块 6 0 d时抗 压强度相对较小 。 从第 7 、 8 、 9组数据 可 以看 出 ： 当 F A和 S S总掺量 为 3 0 时 ， 变化两者 问的比例 ， 随着 F A相对 掺量 的减 小 ， C F S 3 d 、 7 d和 2 8 d的抗压 与抗 折强度逐渐提 高 ， 而 6 0 d的抗 压与抗折 强度却 表现为逐渐减小 ，说明在 复 掺情况 下 ， S S有 利于水 泥胶 砂早期强 度 的提高 ， 而 F A则有利 于水泥胶砂后期强度 的增长 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李贞 ， 夏继宗， 贾文亮钢渣、 粉煤灰对混凝土强度和抗氯离子渗透性能的影响研究 由第 7 1 5组试 验数据可 以看 出 ，随着龄期 的延 长 ， 不 同配 比 C F S的抗 压强度逐渐接 近 。对水泥胶 砂 9 0 d的抗 压强度进行测试 后发现 ，各配 比 C F S 9 0 d的 抗压强度基 本都在 8 5 8 8 M P a 之间 。 2 3 F A和 S S复合效应机理 分析 I 级 粉煤灰 和磨 细钢 渣复 掺能 够提 高混凝 土强 度的原因在 于掺合料各组分本身 固有活性差异和粉料 物理化学性质 的差别 。这一差别将导致各种掺合物在 水 泥水化过 程中会 发生“ 梯度水化效应 ” 。首先， 水泥 水 化产 生 C a ( O H ) C a ( O H ) ： 作为磨 细 钢渣 的碱 性激 发 剂 同时与磨细钢渣 中的活性组分相互作 用， 生成 大量 的低 密度水 化硅酸钙 、 钙 矾石及C a ( O H 。这些具有 大 比表 面积的水 化产物 聚集在 I 级粉煤 灰颗 粒周 围， 起 着晶核的作 用， 从而加速 I 级粉煤灰 的水化反应 。 其次， 由于磨细钢渣的碱度远大 于 I 级 粉煤灰， 磨 细钢渣水 化时， 将提高胶凝 材料体 系中 的 O H 一 含量 以及 新拌混 凝 土浆体 中的碱度 。 碱度 的提高， 将打破 I 级粉煤灰 的 玻璃相， 加速 I 级粉煤灰 的水化阎 。 I 级粉煤灰 和磨细 钢渣复合使用 ，可以借 助磨细钢渣 的晶核作 用及其对 水泥胶砂碱 度 的提高， 激发 I级粉煤灰 的活性， 使 两者 产生 的“ 叠加效应 ” 充分发挥 。 然而 ， 如果水泥取代量过 7 8 9 l O 大 ， 其水化 生成 的 C a ( O H ) ： 量就相 对较少， 影 响反应环 境 中的碱含量 ， 对 I 级粉煤灰 、 钢渣微粉活性的发挥不 利 。 3 掺磨细钢渣 、I 级粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性 能试验 3 1 试验方法 参 照 水 运工 程 混 凝 土 试 验 规 程 ( D I _ T 5 1 5 0 2 0 0 1 ) 中混凝 土抗氯离子渗透快速试验方法 ， 通过测量 在一 定交 流电压下 流过混凝土 的电荷量或 电导 ，反映 出透 过混凝土的氯离子量 ， 并根据 E rns t P l a n k方程式 推算 出氯离子 的电迁移扩散系数6 1 。 具体试验装置如图 1所示 。 本试验选用的混凝土配 比为水胶 比 O 5 7 ，胶凝材 料 用 量 为 3 4 1 2 k g ，砂 率 为 3 7 ， 2 8 d抗 压 强 度 为 6 9 M P a 。 研究 了单掺 I 级粉煤灰 、 磨细钢渣和双掺 I 级 粉煤 灰 一 磨 细钢 渣 的掺 量及 比例 对 混凝 土 2 8 d 、 4 5 d 、 9 1 d龄期下抗氯离子渗透性能的影 响。 试验结果如 图 2 所示 。 3 2 试 验结果分析 ( 1 ) F A的影 响。从 图 2可 以看出 ， F A的掺入， 有利 于混凝土抗氯离子渗透性能的提高。随着龄期 的增 长， 7 1 一万能电桥 ； 2 一紧固螺杆； 3 一紧固螺母 ； 4 -b； 5 一铜网； 6 3 N a C l 溶液； 7 一导线； 8 一O 3 m o l L N a O H溶液； 9 一混凝土试件 ； l o _ - 橡皮垫圈 图 l 氯离子渗透快速试验仪器装置示 意图 _ - 2 8 d +4 5 d O 1 5 3 0 4 5 0 1 5 3 0 4 5 0 1 5 3 0 4 5 粉煤灰 磨细钢渣 粉煤灰+ 磨细钢渣 掺 量， 图 2 粉煤灰 、 磨细钢渣及粉煤 灰一 磨细钢渣掺量对混凝土氯离子渗透性能的影响( 粉煤灰 ： 磨细钢渣= l ： 1 ) 一 1 3一 O 5 O 5 O 5 O 5 D 印 如 如 一 0 _【 】 、 衽 犍 艟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 5期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 5期 F A的火山灰效 应逐渐发挥， 混凝土更加密实， 抗氯离子 侵蚀 的能力也 随之提高 。F A掺量为 3 0 时， 抗氯 离子 渗 透性能提高最 多 ，其 9 1 d氯离 子扩散 系数为 4 8 9 x 1 0 2 玎 1 z s ， 只有空 白组 的 7 9 。 ( 2 ) s s的影 响。 随着 S S 掺量 的提高和龄期的延长 ， 混凝土的抗氯离子渗 透性能均有不 同程度 的提 高。特 别是 S S 掺量为 4 5 U ， 混凝 土抗氯离子渗透性能较其 余掺量时为最 佳 ，且优于相 同掺量粉煤灰混凝土 的抗 侵蚀能力。可见 S S在改善混凝土孔结构 、 增加混凝 土 密实度 、 降低渗透性方面要优于粉煤灰 7 1 。 ( 3 ) F A与 S S的复合效应 。如 图 2所示 ， 当 F A ： S S = 1 ： 1时 ， 随着 F A与 S S总掺量 的增加， 混凝 土抗氯 离子 渗透性 能提高 ； 同时随着龄期 的增长， 混凝 土的氯离子 扩散 系数也 明显降低 。究其原因 ， 首先是 粉煤灰 、 磨细 钢渣 的复合掺人优化 了粉体 材料 的微级配 ，由于磨细 钢渣 的细度高于粉煤灰 ，复掺后材料颗粒 间能够相互 填充空 隙， 材料堆积更加紧密 ， 从而改善 了浆体 的微观 孔结构 ， 提高 了混凝 土的密实度 ， 产生 了 “ 叠加效 应” ； 其次 ， 1 级粉煤灰和磨 细钢 渣取代 了部分水泥 ， 使水泥 中的 C A含量降低 ，这也有助于改善混凝 土的抗 氯离 子渗透性能【 8 J。 图 3 为粉煤灰与磨细钢渣 比例对混凝 土 氯离子渗透性 能的影 响。 从图 3可以看 出 ， F A与 S S总 8 0 7 5 曼7 0 6 5 6 0 褊 55 蟮 5 0 1 卜2 8 d - - -1 1 - -4 5 d O 1 ： 2 l ： 1 2： 1 粉煤灰 ： 磨细钢渣 图 3 粉煤灰和磨细钢渣 比例对混凝土氯离子渗透性 能的影响 掺 量为 3 0 时 ， 变化 F A与 S S的相 对掺量 ， F A相对掺 量 的增加不利于混凝土抗氯离子渗透性能的提高。随 着 龄期 的增 长，混 凝土 的 氯离 子扩 散 系数 也 明显 降 低 。 4结论 ( 1 ) 磨细 钢渣与 I 级 粉煤灰 复掺具有较 好的适应 性 。两者复掺 可以互相补偿 ， 充分发挥复合叠加效应 。 合理的复掺比及取代 量可 以改善水 泥胶砂 和混凝土 的 力学性 能。 ( 2 ) 粉煤灰 和磨细钢渣 对混凝 土抗氯离子侵 蚀性 能均有不 同程度 的改善 ，两者复掺 比单独掺入时具有 更加 良好 的改善效果 。 参考文献 ： 1 杨华 全， 董维佳， 王仲华 掺矿渣粉及粉煤灰混凝土微观性 能试 验研 究【 J 长江科学 院报， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 1 ) ：4 6 - 4 9 【 2 李家和， 盖广 清， 刘铁军 双掺硅灰超 细矿渣高 强混凝土 的研究 J 吉林建筑工程学院学报， 2 0 0 0 ( 1 ) ： 1 1 -1 5 3 】 赵美丽， 陆文 雄， 等 不同矿物 掺合料 配制 C 3 0混凝 土的性能 比较 J 粉煤灰， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 7 9 4 】 李志刚 粉煤灰与矿渣复合掺合料对混凝土强度影响 J 】 低温建筑 技术 ， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 1 7 1 8 5 】 陈雷， 肖佳， 唐咸燕 ， 等 粉煤灰 和矿渣双掺对 混凝 土性能 影响的研 究【 J 1 粉煤灰综合利用，2 0 0 7 ( 2 ) ： 2 2 - 2 5 【 6 Ma n d a l S ， h a k r a b o r t y S ， G u p t a AS o m e s t u d i e s o n d u r a b i l i t y o f r e c y c l e d a g e c o n c r e t e J T h e I n d i a n C o n c r e t e J o u r n a l ， 2 0 0 2( 6 ) ： 3 8 5- 3 8 8 f 7 刘孟贺 矿渣微粉用作混 凝土活性掺合料 的研究 新型建筑材料， 2 0 0 4 ( 1 1 ) ：4 7 - 4 9 8 】 王绍东， 黄镔， 王智 水 泥组分对混凝 土结合 氯离子能 力的影响f J j 硅酸盐学报， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 6 ) ： 5 7 0 - 5 7 4 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 7 - 2 6 作者简介 ： 李贞 ( 1 9 8 4 一 ) ， 女， 硕士研究生 。 通讯地址 ： 江苏省徐州市 中国矿业大学力建学院 联系电话 ： 1 5 1 6 21 1 0 8 2 9 Ema i l ： I z x f _0 7 081 63 c om 音 窖 业逝穹 妊r 逝专妊 缸 穹 ， 9 宣 - = 4 r j 宣 妇 妇坐船夸 j 妇 窖 妇 盛窜 逝业 I 出业蛊 专 啦 妇毫矗 夸 欢迎订阅 2 0 1 1 年 广东建材 杂志( 月刊) 广 东建材 杂 志是 由广 东省建筑材料研 究院主办的综合性建材科技期刊。 自1 9 8 5年创刊 以来， 办刊质量不 断提 高， 在广 东乃至全 国建材行业都具有相 当的影 响力。 广 东建材 坚持为建材 、 建筑业服务 的宗 旨， 内容涉及面广 ， 包括行 业政策法规 、 市场信 息动态、 新 产品、 新技 术、 新设备介 绍及技术 经验 交流等； 设有政 策法规 、 新型材料 、 水泥与混凝土 、 检 测与监理、 施 工技 术 、 建筑设计与装饰 、 研 究与探 讨 、 Y - 艺与 设备 、 综合论述 、 建材信 息、 质检快讯、 建设 工程信息及产品推介等栏 目。 广 东建材为月刊 ， 大 1 6开本 ， 国际标准刊号 为： I S S N1 0 0 9 4 8 0 6 ， 国内统一 刊号为 ： C N4 4 1 2 4 9 T U， 自办发行 ， 每 月 2 0日 出版。定价 ： 每期 1 s元 ， 全年 1 5 0元 ( 舍 邮费) ； 订 阅方式 ： 不分季度 ， 可随时订 阅； 付 款方式 ： 银行 转帐或邮局汇款 ， 付 款附言请 注明订 广东建材 。 欢迎投稿订 阅 刊登广告 邮局 汇款地址 ： 广 州市南 岸路 塘前 新街 6号 邮编 ： 5 1 0 1 6 0 收 款人 ： 广 东建材 编辑 部 银行 付款 开 户行 ： 广州市 工商 银行 中 山八路 支行 户名 ： 广 东省 建筑材 料研 究院 账 号 ： 3 6 0 2 0 4 7 8 0 9 0 0 0 2 7 5 8 2 1 编辑部联系地址 ： 广州市南岸路塘前新街 6号( 5 1 0 1 6 0 ) 联系电话： 0 2 0 8 1 9 3 7 0 0 1 ， 8 1 8 1 6 7 0 6 传真 ： O 2 O 一 8 1 9 3 7 0 0 1 电子信箱： g d j c b j b 2 6 3 n e t 联系人： 许甘素 一 1 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m