碱激发钢渣-矿渣混凝土的性能研究.pdf

第3 9 卷第3 期 2 0 1 6 年5 月 非金 属 矿 No n M e t a l l i c M i n e s Vl0l - 3 9 No 3 碱激发钢渣 矿渣混凝土的性能研究 彭小芹 李三 刘 朝 。 ( 1 重庆大学 材料科学与工程学院 ，重庆4 0 0 0 4 5 ；2 上海建科检验有 限公司 ，上海2 0 1 1 0 8 ) 摘要为研究钢渣对碱激发铜渣矿渣混凝土性能的影响， 通过测试不同水胶比及钢渣掺量时 碱激发钢渣矿渣混凝土的力学性能和耐久性 能 ， 结合 S E M 微观测试 ， 分析 了钢渣与矿渣的相互作用。结果表 明， O 4 0 0 4 5水胶 比对碱激发钢渣矿 渣混凝土抗压强度的影响不 大， 而钢渣掺 量 显著影响其各龄期抗压强度； 钢渣与矿渣质量比为4： 6时混凝土强度达到C 6 0 等级， 千燥收缩率接近普通混凝土， 抗碳化性能较碱矿渣混凝土有 一 定程度的提高； 钢渣与矿渣相互促进水化， 形成结构更加密实， 有助于强度和耐久性能的提高。 关键词混凝土； 碱激发； 钢渣； 矿渣； 性能 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A Re s e a r c h o n t h e M e c h a n i c a l Pr o p e r t y a nd Du r a b i l i t y o f Al k a l i - - a c t i v a t e d S t e e l S l a g - S l a g Ba s e d Co n c r e t e P e n g X i a o q i n Li S a n Li u Ch a o ( 1 Co l l e g e o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， C h o n g q i n g Un i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5 ； 2 S h a n g h a i J i a n k e T e c h n i c a l As s e s s me n t o f Co n s t r u c t i o n C o ， L t d ， S h a n g h a i 2 0 1 l O 8 ) Abs t r a c t I n o r d e r t o r e s e a r c h t h e e ffe c t of t he s t e e l s l a g o n t h e p r o p e r t y o f a l k a l i a c t i v a t e d s t e e l s l a g s l a g b a s e d c o n c r e t e ， t he me c h a ni c a l p r o p e r t y a n d d u r a b i l i t y o f t h e c o n c r e t e h a v e b e e n t e s t e d wi t h d i ffe r e n t w a t e r b i n d e r r a t i o( w c ) a n d s t e e l s l a g c o n t e n t T h e i n t e r a c t i o n b e t we e n s t e e l s l a g a nd s l a g i s a n a l y z e d b y SEM T h e r e s ul t s s h o w tha t t h e w b in the r a n g e o f 04O O 45 h a s a l i t t l e i n flu e n c e o n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g th o f t h e c o n c r e t e wh i l e th e i n fl u e n c e o n t h e s t e e l s l a g c o n t e nt s s h o ws a l o t W i th a c o mp o s i t i o n of 4 0 s t e e l s l a g a n d 6 0 s l a g ， t he c o n c r e t e r e a c h e s t h e s t r e n g th g r a d e o f C6 0 T h e d r y i n g s h r in ka g e i s c l o s e l y t o t h e c o mmo n c o n c r e t e a n d t h e c a r bo n i z a t i o n r e s i s t an c e i s i m p r o v e d t o a c e r t a i n e x t e n t c o mp a r e d wi t h a l ka l i a c t i v a t e d s l a g b a s e d c o n c r e t e Ke y wo r ds c o n c r e t e ； a l k a l i a c t i v a t e d ； s t e e l s l a g； s l a g； p r o p e rti e s 钢 渣是炼钢 过程 中排 出 的 占粗钢 质量约 1 5 的工业废渣 1 】 ， 其主要矿物组成含有 c s 、 c 2 s 、 c ： F 、 R O相 ( Mg O 、 F e O 、 Mn O固溶体) 等， 但 由于其经历 1 5 6 0 以上高温、 长时间保温、 自然冷却等过程， 形成 矿物晶粒粗大、 致密且含有难溶惰性固溶体 R O相， 胶凝活性较低 2 。因此大量的钢渣用作筑路及回填 工程材料 3 ， 没有充分利用其潜在的胶凝性。 近年来， 国内外一些学者将钢渣作为水泥混合料 和混凝土掺合料以改善水泥混凝土的性能。尚建丽 等 在水泥中单掺 3 0 的钢渣后， 2 8 d 抗压强度达 到4 5 5 MP a ， 钢渣在后期能起到改善胶凝材料体系结 构、 优化体 系成分的作用。陶珍东等 5 将不同比表 面积的钢渣微粉部分取代水泥后进行 C 6 0 混凝土强 度试验， 在适宜的水灰比下能获得较好的强度和致密 度。P E T s a k i r i d i s 6 发现掺 加 1 0 钢渣 的水泥能满 足相关标准， 并且不影响强度和耐久J陛。 研究表明， 碱性环境能显著激发钢渣潜在的胶凝 性能 _ ， 水玻璃激发钢渣和矿渣复合微粉可制备胶凝 材料 】 。本实验通过控制钢渣掺量、 水胶比等因素研 收稿 日期 ：2 0 1 6 0 3 3 l 基金 项 目：国家 自然科学基金( 5 0 9 7 2 1 7 1 ) 。 1 7 究碱激发钢渣 - 矿渣混凝土的力学性能及耐久性能， 为碱激发钢渣 一 矿渣混凝土的应用提供理论基础。 1 实验部分 1 1 原料钢渣 ( s s ) 为莱芜钢厂转炉钢渣， 比表面积 4 7 6 m k g ， 碱性系数为 2 8 3 ， 活性系数为0 2 2 ， 安定性 测试合格。矿渣 ( s L ) 为重庆钢铁厂水淬高炉矿渣， 比 表面积 4 5 8 m2 l 喀， 碱性系数为 0 9 6 ， 活性系数为 0 5 0 。 钠水玻璃 G ) ： 重庆化工厂钠水玻璃， 模数2 6 4 。钢 渣、 矿渣和钠水玻璃的化学成分见表 1 。氢氧化钠为 重庆川东化工有 限公 司生产， 片状， 质量分数大于等 于 9 6 O 。缓凝剂 x为粉状的分析纯某盐。细集料 为岳阳中砂 ， 细度模数 3 0 ， 表观密度 2 6 5 g c m3 。粗骨 料： 歌乐山碎石， 粒径 5 2 0 m n l 。钢渣粉的X R D图谱 见图 1 。其主要组成矿物为硅酸二钙( C 2 s ) 、 硅酸三钙 ( s ) 、 钙铝石、 o， 、 铁酸二钙 ( c 2 F ) ， 其中 c ： S 、 C ， S 使得钢渣具有潜在的胶凝活眭。 表 1 钢渣、 矿渣和水玻璃化学组成 ( ) 原料S i O2 F e 2 03 A 1 2 0 3 C a O Mg O P 2 0 5 f - C a O Na 2 0 H 2 0 S S l 5-3 4 2 1 9 5 3 4 3 4 5 2 0 79 8 1 -2 O 3 - 3 4 一 一 SL 31 8 8 0 9 8 1 5 8 2 3 6 1 5 97 7 W G 2 94 6一 一 一 一 一 一 l 1 5 3 5l - 1 3 第3 9 卷第3 期 非金 属矿 2 0 l 6 年5 月 1 U Z0 3U 40 bU 6 0 ， U 2 ( 。 ) 图1 钢渣的X R D图谱 1 2 试验 方法 1 2 1 混凝土力学及耐久性能试验 ： 固定所有成型混 凝土 的水玻璃模数为 1 - 3 ， 碱 当量 ( 以 Na 2 0 计)为 5 ， 各组混凝土配合比见表 2 。混凝土力学及耐久性 能试验参照 G B T 5 0 0 8 0 2 0 0 2 普通混凝土拌合物性 能试验方法标准 和 GB T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 普通混凝土 长期性能和耐久性能试验方法标准 进行。 表 2 碱激发钢渣 矿渣混凝土配合 比 注： W、 N和 K组为混凝土试件 ， 砂率 0 3 5 ； P组为微观分析的净浆试件 。 1 2 2 微观测试 ： 采用 T E S C A NV E G A扫描 电子显 微镜观察 P l 和 P 4 组净浆试件表面形貌。 2 结果与讨论 2 1 碱激发钢渣矿渣混凝土的力学性能 2 1 1 水 胶 比 和 缓 凝 剂 对 混 凝 土 强 度 的 影 响 - Wl - W3 组混凝土的抗压强度， 见图 2 。从图 2可看 出， W1 和 W2 各龄期强度相差不大， W3 各龄期强度 大幅下降 ， 特别是 3 d强度相比 W2降低了 4 8 ， 但随 着龄期增长其差距逐渐减少。水胶比是影响混凝土 强度的重要因素， 为保证拌合物工作性， 本试验采用 水胶比远超钢渣完全水化需水量， 而水并不参与矿渣 的水化反应， 大量 自由水在混凝土凝结硬化过程中逐 渐蒸发形成孔隙使得混凝土强度降低 。在成型过程 中发现 W3出现一定程度的泌水， 混凝土内部产生缺 陷而分布不均匀 ， 使得其强度降低 。随着龄期延长， 龄 期 d 图2 Wl - W 3 抗压强度 1 8 钢渣逐渐参与水化， 产物填充孔隙使得其强度差距逐 渐缩小。w1 和W2 对强度影响不大， 为保证混凝土 工作性 ， 采用 0 4 5 水胶比。 碱矿渣水泥凝结较快， 引入钢渣后 同样存在快 凝问题， 选用缓凝物质x研究其缓凝效果， 实验表明 N2 - N6 组混凝土初始坍落度相比 N1 组大幅度提高 ， 均达到 1 8 0 n l r n以上并且 1 h后还能保持较高的坍落 度值。N1 - N6组混凝土的抗压 强度， 见 图 3 。从 图 3 可看 出， N2的 3 d 和 2 8 d强度分别为 3 8 1 MP a和 6 2 1 MP a ， 均高于 N1 并达到 C 6 0等级。当 x掺量达 到 l 后混凝土各龄期强度降低， 可能是由 于 x过度 缓凝作用， 对混凝土强度增长有负面作用。 3 d 国7 d 2 8 d U U 3U U b I UU l Z0 l 3U 缓凝 剂 掺 量 图3 N1 N6 抗压强度 2 1 2 钢 渣掺量对混凝土强度的影响： K1 - K 6组混 凝土的抗压强度， 见图4 。从图4 可看出， 随着钢渣掺 量增加， 混凝土强度明显降低。钢渣的主要矿物成分 C s和 c s活性较低 2 】 ， 等量取代矿渣后会降低碱矿 渣混凝土的强度， 且随着其掺量增加降低程度更大， 图 4中 K5和 K6强度大幅度降低 。钢渣和矿渣在适 宜条件下能互相促进水化反应 _8 】 ， 由于钢渣碱度比矿 渣高， 在水化早期仍能较快释放C a ( O H ) ， 提高体系碱 度， 加快矿渣的解离速度。矿渣解体释放出大量的低 聚硅酸根离子和铝酸根离子 ， 并吸收 C a ( OH ) ， 生成水 化硅酸钙 ( c s H) 、 铝硅酸钙 ( c s A H)及难溶 的沸 石类等促进强度的矿物， 又加快了钢渣的溶解p 。当 钢渣与矿渣比例适当时该促进效应达到最大， 并大于 钢渣对强度的降低效应， 因此图中K 4 各龄期强度高 于 K 3和 K5 。此外， K4的钢矿 比满足颗粒最紧密堆 积也可能是对强度贡献的原 因。 钢 渣 掺 量 图4 K1 -K6 抗压强度 第3 9 卷第3 期 非金 属矿 2 0 1 6 年5 月 由图4 可知 ， 混凝出水 C O D值平均值2 9 8 5 mg L， 降低率为 3 0 8 1 ， 1 、 2 动态柱 出水 C O D值平均 值 为 2 2 6 3 mg L 、 1 5 8 5 r n g L， 较混凝 出水分别降低 7 2 2 mg L、 1 4 rag L； 降低率 分别为 4 5 4 3 、 6 3 5 0 ， 较混凝 出水分别提高 l 4 6 2 百分点、 3 2 6 9 百分点。 各动态柱 C O D值 降低率均随混凝出水浓度 的变化 呈现一定的波动， 2 动态柱 C O D值降低率明显优于 1 群 动态柱。吸附材料的吸附或截留等物理过程以及 吸附材料表面微生物的同化吸收是各动态柱降低水 中C O D值的主要原因0 4 0本试验中所用细砂和麦 饭石颗粒大小相近， 因此它们的截留作用对试验结 果的影响不大， 在此条件下， 麦饭石柱相比细砂柱具 有渗透系数低、 孔隙率低的特点 1 ， 可使混凝出水与 吸附材料有较长的接触时间和足够的接触面积， 因 此， 麦饭石动态柱要比细砂动态柱提高 l 8 百分点以 上 。 3 结论 1 选择麦饭石处理混凝后出水， 对水中污染物有 较好的去除效果， 经动态柱处理后的微污染水源水， 浊度降低率可达 9 4 以上， 氨氮去除率达到 5 7 以 上， C O D值降低率达到 6 3 以上； 2 对比发现， 经过同样的混凝出水后， 2 徉 动态柱 浊度、 氨氮、 C O D值降低率比 l 动态柱分别提高 1 4 1 百分点、 l 7 9 0百分点、 l 8 0 7 百分点 ， 麦饭石处理效果 较好 。 参考文献 ： 【 1 Z n a d H， Ma r k o s J ， B a le s V P r o d u c ti o n o f g l u c o n i c a c i d f r o mg l u c o s e b y As p e r g i l l u s n i g e r ： g r o wt h a n d n o n - g r o wt h c o n d i t i o n s【 J P r o c e s s Bi o c h e m， 2 0 0 4 ， 3 9 ： 1 3 4 1 1 3 4 5 【 2 】 黄涛 微污染水处理新工艺 贵州化工， 2 0 0 5 ， 3 0 ( 5 ) ： 2 5 2 9 3 3 江富， 李喜林， 刘泰毅， 等 微污染水源水质特征分析及水处理实验 研究阴 黑龙江科技学院学报， 2 0 1 2 ， 2 2 ( 5 ) ： 4 9 3 4 9 6 4 贺瑞敏， 朱亮， 谢曙光 微污染水源水处理技术现状及发展 叽 陕 西环境 ， 2 0 0 3 ， 1 0 ( 1 ) ： 2 3 【 5 潘碌亭 中国微污染水源水处理技术研究现状与进展 工业水 处理 ， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 6 ) ： 6 1 0 【 6 饶明 粉 末活性炭与 高密度沉淀池联 用处理低浊微污染水试验研 究 D 北京： 北京工业大学， 2 0 0 9 【 7 赵哲 ， 王国庆 麦饭石改善饮 用水水质技术研究 【 J 黑龙江环境通 报 ， 2 0 0 7 ， 3 1 ( 3 ) ： 8 7 8 9 8 8李娟， 张盼月， 高英， 等 麦饭石的理化性能及其在水质优化中的应 用 环境科学与技术， 2 0 0 8 ， 3 1 ( 1 0 ) ： 6 3 6 6 9 】 邱驰 ， 白宇， 周晓静 组合滤料 处理微污染水的效果探讨 辽宁化 工 2 0 0 8 ， 3 7 ( 9 ) ： 6 1 5 6 1 7 1 O 高欣 均质滤料微絮凝过滤处理微污染水源水的试验研究 D】 西 安 ： 长安大学， 2 0 0 6 【 l 1 】吕景才， 找元凤 ， 赵睿 麦饭石对海水及水溶液 中铜 、 锌 、 镉的吸附 规律 J 中国水产科学， 2 0 0 0 ， 7 ( 1 ) ： 8 7 _ 8 9 1 2 】 唐超群 ， 何珊， 张永祥 几种氨氮吸附剂的对 比实验研究 J 工业 安全与环保 ， 2 0 1 4， 4 0 ( 1 2 ) ： 1 5 1 7 【 1 3 】 狄军贞， 戴男男， 朱志涛， 等 阜新麦饭石及其改性吸附M1 1 和 NI+ - N的特性试验 明 非金属矿 ， 2 0 1 4 ， 3 7 ( 2 ) ： 6 3 - 6 5 【 1 4 汤显强， 李金中， 李学菊， 等 室内中试人工湿地无植物填料床去 污性 能研究 叨 农业环境科 学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 6( 增刊 ) ： 4 3 0 43 3 【 1 5 】 汤显强， 李金中， 李学菊， 等 人工湿地不同填料去污性能比较 叨 水处理技术， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 5 ) ： 4 5 4 8 腻 ( 上接第 1 9页) x能显著缓凝碱激发钢渣 - 矿渣混 凝土且不影响其强度发展， 钢渣掺量显著影响碱激发 钢渣 一 矿渣混凝土抗压强度， 其中4 0 掺量时钢渣对 混凝土强度贡献最大； 2 钢渣掺量 4 0 时能改善碱矿渣混凝土干燥收 缩和抗碳化性能， 各龄期干燥收缩最小并接近普通混 凝土 ， 同时抗碳化性能最佳 ； 3 钢渣与矿渣在碱性环境中能相互促进水化， 使 得碱激发钢渣矿渣胶凝材料内部结构密实， 是混凝土 强度和耐久性能增加的原因。 参考文献： 【 1 】 Do n g B P T r e a t me n t a n d Ut i l i z a t i o n o f S o l i d Wa s t e s M Be ij i n g ： M e t a l lu r g i c a l I n d u s t r y P r e s s ，1 9 9 9： 2 2- 3 4 2 Wa n g Qi a n g ， Y a n P e i y u C h a r a c t e r i s ti c s o f h y d r a t i o n p r o d u c t s o f s t e e l s l a g f J J o u rna l o f t h e C h in e s e c e r a mi c s o c i e t y , 2 0 1 0 ， 3 8 ( 9 ) ： 1 7 3 1 1 7 3 4 3 2 3 】陈 日高， 王阵地 ， 王玲， 等 钢渣 矿渣 水泥复合胶凝材料的水化 性能和微观形貌 武汉理 工大学学报 ， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 5 ) ： 2 5 - 2 9 【 4 尚建丽， 李翔， 赵世冉 大掺量非金属矿渣混凝土的力学行为试验 研 究 J 非金属矿 ， 2 0 1 2 ， 3 5 ( 4 ) ： 1 2 1 5 5 】 陶珍东， 郑少华， 张秀芝， 等 利用钢渣微细粉制备高强度混凝土的 试验研 究 水泥工程 ， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 1 0 1 2 【 6 】 T s a k i fi d i s PE ， P a p a d i mi t r i o uGD， T s iv il i s S ， e t a1 Uti l i z a ti o n o f s t e e l s l a g f o r P o r t l a n d c e me n t c l i n k e r p r odu c t i o n J J o u r n a l o f Ha z a r d o u s M a t e r i a l s ， 2 0 0 8 ，1 5 2： 8 0 5 8 1 1 7 】 S h i C J C h a r a c t e r i s ti c s a n d c e me n t i t i o u s p r o p e r t i e s o f l a d l e s l a g fi n e s f r o m s t e e l p r od u c ti o n Ce me n t Co n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ： 4 5 9 - 4 6 2 8 】 张同生， 刘福田， 李义凯， 等 激发剂对钢渣胶凝材料性能的影响叨 建筑材料学报， 2 0 0 8 ， 1 1 ( 4 ) ： 4 6 9 4 7 4 9 】 张德成 ， 黄世锋 ， 吴波 ， 等 钢渣矿 渣水泥碱性激发剂的研 究 州 硅 酸盐通报 ， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 1 1 8 1 2 0 1 o 彭小芹， 刘朝， 李三， 等 碱激发钢渣一 矿渣胶凝材料凝结硬化性 能研 究 湖南大学学报 ， 2 0 1 5 ( 6 ) ： 4 7 - 5 2