钢渣－磨细粉煤灰复合矿物掺合料对混凝土性能的影响.pdf

2 0 1 5年 第 5 期 (总 第 3 0 7 期) Nu mb e r 5 i n 2 0 1 5 ( T o ta l No 3 0 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM J NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 5 0 5 0 2 1 钢渣 一磨 细粉煤灰 复合矿物掺合料对混凝 土性 能的影 响 王醅 ，王强 ， 杨 建伟 ，王栋 民 ( 1 中国矿业大学( 北京)化学与环境工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 清华大学 土木工程系 土木工程安全与耐久教育部重点实验室， 北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘要： 为了提高钢渣作为矿物掺合料在混凝土中的利用率 ， 研究了掺入磨细粉煤灰对钢渣混凝土性能的改善效果。 研究结果 表明： 在高水胶比情况下， 复合矿物掺合料混凝土抗压强度明显高于钢渣混凝土， 可以接近纯水泥混凝土 ； 磨细粉煤灰含量较 高 时( 4 0 ) 后期抗渗透性能优于纯水泥混凝土。 在低水胶比情况下， 磨细粉煤灰含量较低时( 3 0 ) 抗压强度可以接近纯水泥混凝 土， 含量较高时( 4 0 ) 抗压强度超过纯水泥混凝土； 混凝土的后期抗渗透性能优于纯水泥混凝土 。 关键词 ： 钢渣 ； 磨细粉煤灰 ； 抗压强度 ； 渗透性 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) o 5 0 0 7 9 0 4 I n f l u e n c e o f s t e e l s l a g - s u p e r f i n e f l y a s h c omp o s i t e mi n e r a l a d mi x t u r e o11 t h e p r o pe r t ie s o f c o n c r e t e WANG Z h e ， WANG O J ang ， YA u G i a n we i ， WANG Do n g mi n ( 1 S c h o o l o f C h e m i c a l a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi nin g a n d T e c h n o l o g y ( B e i j i n g ) ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 Ke y L a b o r a t o r y o f Ci v i l E n g i n e e ri n g S a f e ty a n d Du r a b i l i ty o f C h i n a E d u c a ti o n M i n i s t r y， D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， T s i n g h u a U n i v e r s i t y ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 4 ， C h i n a ) Abs t r ac t： The i mp r ov i n g e f f e c t o f a d d i n g s u p e r f i n e fl y a s h on t he p r op e r t i e s o f t h e c on c r e t e c o n t a i n i ng s t e e l s l a g wa s i nv e s ti g a t e d i n o r d e r t o e n ha n c e t h e u ti l i z a tio n r a tio o f s t e e l s l a g a s the mi n e r a l a d mi x t u r e i n c o n c r e t e Th e r e s u l t s s h o w t h a t i n t he c a s e of h i g h wa t e r b i n d e r r a t i o， th e c o m p r e s s i ve s t r e n g t h o f t he c o n c r e t e c o n t a i n i n g c o mpl e x b i n d e r i s m u c h h i g he r th a n t h a t o f t h e c o n c r e t e c o n mi n i n g s t e e l s l a g an d e v e n c l o s e t O tha t o f the pu r e c e me n t c o n c r e t e e l o n gt e r m c h l o rid e p e r m e a b i l i t y o f t h e c o nc r e t e c o n t a i n i n g c o mp l e x b i n de r wi th hi g h s u pe r fin e fly a s h c o n t e n t i s l o we r t o tha t o f the pu r e c e me n t c o n c r e t e I n the c a s e o f l o w wa t e r b i n de r r a ti o， t h e c o mp r e s s i v e s t r e ng t h o f t h e c o n c r e t e c o ntai n i n g c o mp l e x b i n d e r wi t l 1 l o w s u p e r f i n e fly a s h c o n t e n t i s c l o s e t o t ha t o f the p u r e c e me n t c on c r e t e a n d t h e c o mp r e s s i v e s e ng t h o f the c o n c r e t e c o n t a i n i n g c o mp l e x b i n d e r wi th hi g h s u pe r f i n e fly a s h c o n t e n t i s h i g h e r than t h a t o f t h e p u r e c e me n t c o n c r e t e， and the l o n gt e r m c h l o rid e p e rm e a bi l i t y o f the c o n c r e t e c o n t a i n i n g c o mp l e x b i n d e r i s l o we r t h a n t ha t o f the p u r e c e me n t c oncr et e K e y wo r d s： s t e e l s l a g ； s u p e r fi n e fl y a s h； c o mp r e s s i v e s g e n g th； p e r me a b i l i ty 0 引 言 随着我国经济 和混凝土技术 的发展 ， 自2 0 0 7年起我 国混凝土生产总量就稳居世界第一 J ， 预拌混凝土产量 更是以每年超过 2 0 的增长率快 速增长 ， 2 0 1 3年超 过 l 1 亿 t 。 但水泥生产会 消耗大量 的自然资源和能源 ， 还会造 成粉尘污染以及排放 C O 、 C O、 N O 等气体。 在 现代混凝 土技术 中以工业废渣 为主的矿物掺合料 已成 为混凝 土不 可缺少的组成材料。 矿物掺合料的加入在节约混凝土行业 水泥用量的同时还可改善混凝土的一些性能 。 钢渣是炼钢过程排出的废渣， 主要由钙、 铁、 硅、 镁和 少量铝 、 锰 、 磷等 的氧化 物组成 ， 主要 的矿 物相 为 R O 相 ( C a O F e O Mg O Mn O固溶体) 、 硅酸三钙 、 硅酸二钙 、 铁铝酸钙等 。 钢渣 的某些矿物相组成和硅酸盐水泥熟料 收稿 日期： 2 0 1 4 1 0 1 4 基金项 目： 国家 自 然科学基金资助项目( 5 1 2 7 8 2 7 7 ) 相近 ， 但钢渣的加入却对混凝土的某些性能有着不利的影 响。 这主要是因为钢渣在形成过程 中冷却速度较慢 ， 导致 晶体较完整的发育 ， 造成钢渣活性较低 ； 并且不 同于硅灰 、 粉煤灰水化会消耗水 泥水化生成 的 c a ( O H) ， 钢渣在水 化过程中生成 C a ( O H) ， 而 C a ( O H) 是造成混凝 土体 系过渡区疏松多孑 L 的重要原 因之一 ， 因此钢渣 的加入无法 起到改善界面过渡区的效果。 所以掺入钢渣往往会降低混 凝土强度 、 抗氯离子渗透性能等 - -， 。 粉煤灰是煤燃烧后的烟气 中收捕下来 的细灰 ， 是 目前 使用量最大的矿物掺合料之一。 粉煤灰对混凝土宏观性能 有很多有利的影响， 包括改善新拌浆体和易性、 降低水化 热 、 减 少 干 燥 收 缩 、 提 高 后 期 强 度 、 加 强 后 期 耐 久 性 等 。 磨 细粉煤灰是将 原状粉煤 灰进一 步粉磨制 成 的 一 种材料 ， 经过粉磨 可以使粉煤灰 的颗粒破碎 ， 并释放 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 复珠 中大量 的细小玻璃微珠。 与原状粉煤灰相 比， 磨 细粉 煤灰早期活性高、 早期强度高、 干缩率减小 、 可 以更好的改 善耐久性 。 本试验研究了钢渣 一 磨 细粉煤灰 复合矿物掺合料 对 混凝土强度、 抗氯离子渗透性 的影 响规律 ， 探索通 过磨 细 粉煤灰与钢渣 的复配使用 ， 较少钢渣对混凝 土强 度、 耐久 性的不利影响的可能性。 1 原材料与试验方法 试验用水泥为硅酸盐 水泥 ， 强度等级 为 P I 4 2 5 ； 钢 渣为磨细转炉钢渣粉； 磨细粉煤灰是通过将 I I 级粉煤灰磨 细获得。 水泥、 钢渣和磨细粉煤灰的 比表面积分别为 3 4 1 、 4 5 3 、 6 2 1 m k g 。 混凝土的细骨料为粒径小于5 l i l l l t 普通河 砂 ， 细度模数为 2 7 ； 混凝土的粗骨料为粒径 5 - 2 5 m n l 的 连续级配的石灰石 ； 减水剂为高性能聚羧酸减水剂 。 水泥、 钢渣和粉煤灰的化学组分如表 1 所示 。 表 1 水泥、 钢渣和粉煤灰的化学组分 组成 C a O S i O 2 A 1 2 O 3 F e 2 O 3 Mg O Mn O 水 泥 6 3 8 3 2 1 5 6 4 4 J 4 2 7 8 23 2 2 5 7 钢 渣 3 8 6 2 1 5 4 5 5 3 7 2 5 4 9 76 8 1 9 4 磨细粉煤灰2 8 6 5 3 3 3 2 7 6 5 6 0 4 1 3 5 一 SO 3 1 4 O 1 8 0 4 5 设计了 2组水胶 比， 分别为 0 5 0和 0 3 0 。 设计 了 2种 矿物掺合料的掺量 ， 分别为 2 0 和 3 5 。 设计 了 2种钢渣 与磨细粉煤灰 的混合 比例， 分别为 7 ： 3和 3 ： 2 ， 即磨细粉煤 灰在复合矿物掺合料 中的比例分别为 3 0 和 4 0 。 水胶 比 为 0 5 0和 0 3 0时 ， 混凝 土的配合 比分别如表 2和表 3所 示 。 表2水胶比0 5 0时混凝土的配合比 成型了 1 0 c m 1 0 c m 1 0 c m 的混凝土试件 ， 在标准 养护室内养护至测试龄期。 测定了混凝 土的 7 、 2 8 、 9 0 d抗 压强度。 根据 A S T M C 1 2 0 2的方 法测 定 了混 凝 土的 2 8 、 80 9 0 d 氯离子渗透性 。 2结果与讨论 2 1 抗 压 强度 水胶比为 0 5 、 矿物掺合料掺量 3 5 时不同矿物掺合 料对混凝土抗压强度的影 响差异如图 1 所示 。 7 d龄期时 ， 随磨细粉煤灰掺量增加， 混凝土抗压强度略有增长； 磨细 粉煤灰含量 4 0 时强度最高， 但低于纯水泥混凝土。 2 8 d 龄期时， 随磨细粉煤灰掺量增加 ， 混凝土抗压 强度增长较 7 d龄期明显 ， 磨细粉煤灰含量 4 0 时强度仍低于纯水泥 混凝土 。 9 0 d龄期时 ， 磨细粉煤灰 的加入使混凝土抗压强 度有较 明显增长 ， 但仍不及纯水泥混凝土。 7 ： 1 。 O 28 龄期 ， d 图 1 水胶比为 0 5 、 矿物掺合料掺量 3 5 时矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响 水胶 比为 0 5 、 矿物掺合料掺量 2 0 时不 同矿物掺合 料对混凝土抗压强度的影 响差异如图 2所示 。 7 、 2 8 d龄期 时 ， 随磨细粉煤灰在矿物掺合料 中含量 的增 加 ， 混凝土抗 压强度略有增长 ； 磨 细粉煤灰含量 4 0 时， 复合 矿物掺合 料混凝土的抗压强度依 旧低于同龄期纯水泥混凝土。 9 0 d 龄期时， 加入 3 0 磨细粉煤灰可以明显提高复合矿物掺合 料混凝土的抗压强度 ， 使复合矿物掺合料混凝土的抗 压强 度接近纯水泥混凝土 ， 但 随磨 细粉煤 灰含量 的继续增 加 ， 抗压强度增长不明显。 6 7 。 0 萋 ： l 。 O 28 9 0 龄期 ， d 图 2水股 比为 0 5、 矿 物掺 合料掺 量 2 O 时 矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响 综合图 I 、 2可知， 在高水胶比情况下， 所有龄期钢渣 混凝土 的强度都明显低于纯水泥混凝土。 在矿物掺合料 中 掺入 3 0 的磨细粉煤灰能够使各龄期混凝土 的抗压强度 ( 尤其是后期强度) 有较大的增长； 但磨细粉煤灰的含量继 续增大， 提高强度的效果不明显。 水胶 比为 0 3 、 矿物掺合料掺量 3 5 时不同矿物掺合 料对混凝土抗压强度 的影响差异如图 3所示 。 当磨细粉煤 灰在复合矿物掺合料中含量为 3 0 时 ， 复合矿物掺合料混 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 凝土的各龄期抗压强度均 明显高于钢渣混凝土。 7 、 2 8 d 龄 期时 ， 各组矿物掺合料对混凝土抗压强度均低 于纯水 泥混 凝土 ， 当 9 0 d 龄期 、 磨细粉煤灰含量 4 0 时， 混凝土抗压强 度与纯水泥混凝土差距很小 。 水胶 比为 0 3 、 矿物掺合料掺量 2 0 时不 同矿物掺合 料对混凝土抗压强度 的影 响差异如 图 4所示。 2 8 d龄期 、 磨细粉煤灰含量 3 0 时， 混凝土抗压强度略高于纯水 泥混 凝土 ； 磨细粉煤灰含量 4 0 时 ， 混凝 土抗压强度 高于纯水 泥混凝 土抗压强度 。 9 0 d龄期磨 细粉煤灰含 量 3 0 时， 混 凝土抗压强度接近纯水泥混凝土 ； 磨细粉煤灰含量4 0 时 ， 混凝土抗压强度高于纯水泥混凝土 。 综合 图 3 、 4可知 ， 在低水胶 比情况下 ， 掺人磨 细粉煤 灰可以明显改善钢渣混凝土的力学性能 ， 矿物掺合料掺量 3 5 、 磨细粉煤灰含量 4 0 时强度接近纯水泥混凝土 ， 矿物 掺合料掺量 2 0 、 磨细粉煤灰含量 3 0 和 4 0 时强度接近 甚至超过纯水泥混凝土。 2 8 9 0 龄期 d 图3 水胶比为 0 3 、 矿物掺合料掺量3 5 时 矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响 28 9 O 龄期 d 图 4水 胶 比为 0 3 、 矿物 掺合 料掺 量 2 0 时 矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响 根据抗压强度的结果可以看 出， 含磨 细粉煤灰 的矿物 掺合料对混凝 土 的 9 0 d抗 压强 度 的贡献 大 于对 7 d和 2 8 d抗压强度的贡献 ， 这主要是 因为 随着 龄期的增长 ， 磨 细粉煤灰参与火 山灰反应的程度越高， 生成的 C S H凝胶 量越多 ， 对 C a ( O H) ： 的消耗越 多。 此外 ， 在低水胶 比的情 况下 ， 在钢渣 中掺入磨细粉煤灰对混凝 土抗压强度提高的 效果更好 ， 这说 明钢渣 一 磨细粉煤灰复合矿物掺合料更适 于在高强混凝土中应用， 这可能是因为在低水胶 比条件 下 ， 磨细粉煤灰 因消耗 C a ( O H) ： 而对过渡 区的改善效果 更明显 。 2 2氯 离子渗透性 根据 A S T M C 1 2 0 2规定 ， 将混凝土渗透性等级按照混 凝土的电通量大于 4 0 0 0 、 2 0 0 0 4 0 0 0 、 1 0 0 0 2 0 0 0 C、 小 于 1 0 0 0 C分别划分 为 “ 高” 、 “ 中” 、 “ 低 ” 、 “ 很低” 。 虽然 同等级内的电通量存在差异， 但只要混凝土渗透性处于一 个等级 ， 就认为其渗透性相 同。 水胶 比为 0 5 、 矿物掺合料 掺量 3 5 时各 组 的渗 透性 等级如表 4所示。 纯水泥混凝 土 2 8 、 9 0 d渗透性等级均为 “ 中” ， 钢渣混凝土 2 8 、 9 0 d 渗透性 等级相 同均 比纯水泥混 凝土高一级 。 复合矿 物掺 合料混凝土 的 2 8 d渗透性 等级 均 比纯水泥混凝土高 一级 ； 9 0 d龄期时 ， 磨细粉煤灰 含量 为 3 0 的复合矿物掺合料混凝土抗渗透性等级 比 2 8 d龄 期低一级 ， 与纯水泥混凝土相同 ； 9 0 d 龄期时 ， 磨细粉煤灰 含量为 4 0 的复合 矿 物掺合 料 混凝 土抗 渗 透性 等 级 比 2 8 d龄期低两级 ， 比纯水泥混凝土低一个等级 。 水胶 比为 0 5 、 矿物掺合料 掺量 2 0 时各 组 的渗透性 等级如表 5所示。 钢渣混凝 土 2 8 d渗透性等 级 比纯水 泥 混凝土高一级 ； 9 0 d渗透性等级比 2 8 d 低 一级 ， 与纯水 泥 混凝土相 同； 磨 细粉煤灰 的含量为 3 0 的复合矿物掺合料 混凝土各龄期渗透性等级与纯水 泥混凝土相同 ； 磨细粉煤 灰 的含量为 4 0 的复合矿物掺合料混凝土 2 8 d渗透性 等 级与纯水泥混凝土相 同 ； 9 0 d渗透性等 级 比 2 8 d龄期低 一 级 ， 也 比纯水 泥混凝土低一级。 由表 4 、 5可知 ， 龄期为 2 8 d ， 矿物掺合料掺量较低 时 ， 磨细粉煤灰的加入能够使混凝土 的渗 透性 等级降低到 与 纯水泥混凝土相 同； 矿物掺合料掺量较 高时， 磨 细粉煤灰 的加入并没有很好的降低渗透性 ， 渗透性等级依旧高于纯 水泥混凝土。 龄期为 9 0 d时 ， 磨细粉煤灰 的加入可以很好 的降低渗透性 ， 含磨细粉煤灰含量 3 0 的复合 矿物掺合料 混凝土渗透性就能够达到与纯水泥混凝土相同等级； 含磨 细粉煤灰 4 0 的复合矿物掺合料混凝土 ， 渗透性 等级 比纯 水泥混凝土低一个等级。 表 4 水胶比为 0 5 、 矿物掺合料掺量 3 5 时 矿物掺合料对混凝土渗透性的影响 表 5 水胶比为 0 5 、 矿物掺合料掺量 2 0 时 矿物掺合料对混凝土渗透性的影响 水胶 比为 0 3 、 矿物 掺合料 掺量 3 5 时各组 的渗透性 等级如表 6 所示 。 纯水泥混凝土 2 8、 9 0 d渗透性等级均为 “ 低” 。 钢渣混凝 土 2 8 d渗透性 比纯水 泥混凝土 高两级 ； 9 0 d渗透性等级 比 2 8 d龄期低一 级 ， 比纯水泥混凝 土高 一 级。 两组复合矿物掺合料混凝土渗透性能一致 ， 2 8 d渗 81 如 如 们 如加 0 日 鲁苣 慧目 鲫 加 如 如 加 0 d d I 隈幽 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 透性等级比纯水泥混凝土高一级 ； 9 0 d渗透性等级 比 2 8 d 龄期低两级 ， 比纯水泥混凝土低一级。 表 6 水胶比为 0 3 、 矿物掺合料掺量3 5 时 矿物掺合料对混凝土渗透性的影响 水胶比为0 3 、 矿物掺合料掺量 2 0 时各组的渗透性 等级如表 7所示 。 钢渣混凝土 2 8 、 9 0 d渗透性等级相 同 ， 均 比纯水泥混凝土高一级； 复合矿物掺合料混凝土 的渗透 性能与表 6相同。 2 8 d渗透性 等级 比纯水 泥混凝土 高一 级 ； 9 0 d渗透性等级 比2 8 d龄期低两级 ， 比纯水泥混凝土 低一级。 表 7 水胶 比为 0 3 、 矿物掺合料掺量 2 0 时 矿物掺合料对混凝土渗透性的影响 由表 6 、 7可知， 在钢渣 中加入磨细粉煤灰对混凝土 的 9 0 d抗氯离子渗透性 的改善效果更 明显。 磨细粉煤灰 的含 量从 3 0 增加到 4 0 对 复合 矿物掺合料混凝 土的渗透性 影响不大。 从渗透性数据来看 ， 钢渣 的加入会 明显提高混凝土 的 渗透性。 加入磨细粉煤灰可以使掺钢渣的混凝土获得理想 的抗渗透性能 ， 尤其是后期抗渗透性能。 在低水胶 比情 况 下磨细粉煤灰改善掺钢渣混凝土抗渗透性能 的效果更 加 明显。 粉煤灰的火 山灰反应能够消耗 C a ( O H) ， 改善混凝 土的过渡区， 并改善混凝土 的孔结构。 因此 ， 粉煤灰 的反应 程度越高， 对混凝土抗氯离子渗透性的贡献越大。 磨细粉 煤灰采用机械粉磨 的方法使粉煤灰 的颗粒破碎 ， 火 山灰活 性增强 ， 因此 ， 磨细粉煤灰的反应活性远高于普通粉煤灰 。 随着龄期 的增长 ， 磨细粉煤灰在混凝土 中的火 山灰反应对 改善混凝土的孔结构有明显的作 用。 此外 ， 由于磨细粉煤 灰的颗粒较小 ， 未反应的粉煤灰颗粒能够在混凝土中起到 良好 的微集料填充效果。 因而， 在钢渣 中掺入磨细粉煤灰 对改善混凝土的抗氯离子渗透性有明显的效果。 3 结 论 通过在钢渣中掺入磨细粉煤灰 ， 将钢渣 一 磨细粉煤灰 复合矿物掺合料混凝土 的抗压强度 和氯离 子渗透 性与纯 水泥混凝土、 钢渣混凝土做对比， 探索磨细粉煤灰对钢渣 性能的改善效果 。 得 出以下结论 ： ( 1 ) 在高水胶 比情况下 ， 随着磨细粉煤灰的含量增加 ， 8 2 混凝土强度提高。 在矿物掺合料掺量较少 时强度可 以接近 纯水泥混凝土。 加入磨细粉煤灰可以使钢渣混凝土获得 良 好的抗渗透性能 ， 磨细粉煤灰含量较高时后期抗渗透性能 优于纯水泥混凝土。 ( 2 ) 在低水胶比情况下， 磨细粉煤灰可以明显改善钢 渣混凝土的力学性能 ， 在磨细粉煤灰含量较低时强度 就可 以接近纯水泥混凝 土 ， 含量较 高时 强度超 过纯水 泥混凝 土。 掺入磨细粉煤灰对钢渣混凝土 2 8 d抗渗 透性能有一 定的改善作用， 对9 0 d 抗渗透性能改善效果明显， 可使抗 渗透性能优于纯水泥混凝土。 参考文献： 1 阎培渝 现代混凝土的特点 J 混凝土， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 3 5 2 吴佳霖， 王洲 浅谈现代混凝土的特点 J 山西建筑， 2 0 0 9 ， ( 3 3 )： 1 7 51 7 6 E 3 3张子桐 中国混凝土行业现状与机遇 J 建筑机械化， 2 0 1 4 ( 2 ) ： 6 5 6 9 4 陈益民， 贺行洋， 李永鑫矿物掺合料研究进展及存在的问题E J 材料导报， 2 0 0 6 ( 8 ) ： 2 8 3 1 5 王强， 黎梦圆， 石梦晓 水泥 一钢渣 一 矿渣复合胶凝材料的水 化特性 J 硅酸盐学报 ， 2 0 1 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