大掺量锰铁合金渣混凝土的试验研究.pdf

2 0 1 0年 第 5 期 (总 第 2 4 7 期 ) Nu mb e r 5 i n 2 01 0( To t a l No 2 4 7) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE 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 0 0 5 0 2 1 大掺量锰铁合金渣混凝土的试验研究 王一靓 ，陈平 1 ,2 ，刘婷 ，刘荣进 ( I 桂林理工大学 材料与化学工程系，广西 桂林 5 4 1 0 0 4 ；2 有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室， 广西 桂林 5 4 1 0 0 4 ) 摘要： 通过正交试验， 研究用水量、 砂率、 锰渣掺量、 锰渣比表面积、 减水剂掺量 5因素对锰铁合金渣混凝土的强度、 工作性能的影响规 律。给出了利用锰铁合金渣制备混凝土的适宜配合比： 水量 1 7 6 k g m ， 砂率 3 8 ， 锰渣掺量 4 0 ， 锰渣比表面积 4 5 0 m g， 减水剂掺量 1 8 。根据正交试验的结果， 分析了各掺合料之间的最佳组合， 以及每种掺合料影响的显著性。 关键词 ： 锰铁合金渣；混凝土； 配合比；正交试验 中图分类号 ： T U5 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 0) 0 5 0 0 6 4 0 3 Ex pe r i me n t a l r es e a r c h of c on c r e t e wi t h l a r ge p er c e nt a ge f e r r oman gan e s e s l a g w4 NG y j l i a n g C HE NP i n g 1 , 2 L UT i n g L 1 URo n g - j i n ( 1 De p a r t me n t o f Ma t e r i a l s a n dC h e mi s t E n g in e e ri n g ， G u i l i nU n i v e r s i tyo f T e c h n o l o g y ， G u i l i n 5 4 1 0 0 4 ， C h i n a ； 2 Ke y L a bo r a t o r y o f Ne w P r o c e s s i n g Te c hn o l o gy f o r No n f e r r o u s M e t a l s an d M a t e ri a l s Co n s t i t u t e d b y Min i s t r yo f E d u c a t i o n ， Gu i l i nU n i v e r s i tyo f T e c h n o l o g y ， G u i l i n 5 4 1 0 0 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Byus i n gt h eo r t h o g o n a l t e s t ， t h ei n flu e n c e r e g u l a t i o no fs o mef a c t o r sO i l t h e s t r e ng t h a n dwo r k a b i l it yo f t h ef e r r o ma n g a n e s e s l a gC O P - 一 c r e t e wa s s tud i e d T h e r e s u l t s ho ws t h a t t h e s u i t a b l e c o n t e n t r a t i o o f f e r r o m a n g a n e s e s l a g c on c r e t e i s t h a t wa t e r 1 7 6 k g m t h e r a t i o o f t h e s a n d i s 3 8 ， t h e r a t i o o ff e rro ma n g a n e s e s l a g i s 40 ， t h e s u r f a c e a r e a o ff e r r o ma ng a n e s e i s 45 0 m ， t h e r a t i o o fwa t e r - r e d uc i n g a d mi x tur e i s 4 0 Ac c o r d i n g t O p r a c t i c a l t e s t da t a， t h e b e s t m i x rat i o a n d the i n fl u e n c e s i g n i fi c a n c e o f a l l mi x ma t e ria l s a r e a n a l y z e d K ey wor ds ： e r r o r n a n g a n e s e s l a g； c o n c r e t e ； mi x r a t i o； o r t h o g o n a l t e s t 0 引言 绿色混凝土与普通混凝土相比具有资源和能源消耗少 、 对 环境污染小和循环再生利用率高的优越性。 是可持续发展的重 要发展方 向【1 1 。大量利用工业废渣是绿色混凝 土的主要特点( 2 1 。 锰铁合金渣( 锰渣) 作为生产锰铁合金的副产物， 被当作工业废 弃物堆积、 填埋， 所以将其作为混凝土掺合料有效的资源化利 用具有重要意义。但利用锰渣做混凝土掺合料的性能试验和详 细研究分析相对较少， 在一定程度上限制了锰渣的利用， 因此， 合 理选择锰渣用量及制备混凝土工艺等方面需要进行深入研究。 本研究采用正交设计原理对锰渣混凝土的性能进行试验， 研究各组分对混凝土工作性能和力学性能的影响。同时找出满 足混凝土工作性能和力学性能的最优配合比， 确定适宜配合比， 进行机理分析 ， 揭示相应规律以指导实际生产。 1 试验 1 1 原料 ( 1 ) 水泥： 海螺集团( 桂林 ) 水泥有限公司生产的 P O 4 2 5 级水泥 ； ( 2 ) 砂： 桂林本地河砂， 细度模数 2 8 0 ； ( 3 ) 石子 ： 5 3 0 l n ff l 连续级配； ( 4 ) 水： 自来水； 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 2 3 0 基金项目：广西重点实验室开放基金项目( 桂科0 6 3 0 0 6 5 C 一 0 1 ) 6 4 ( 5 ) 高效减水剂： 桂林市盛立混凝土外加剂有限公司产NS O 13 - 萘磺酸甲醛高缩物钠盐高效减水剂， 减水率 1 5 2 0 ； ( 6 ) 锰渣微粉 ： 桂林康密劳铁合金厂排放的高炉水淬锰铁 废渣， 外观浅绿色或棕黄色， 呈疏松不规则颗粒状， 露天稍有 结块， 易磨性差 ， 平均粒径在 3 mm以下， 松散密度 7 0 0 k g m3 ， 堆积密度 2 8 7 0 k g m， ， 含水率较高， 一般在 5 左右； 颗粒呈多菱 角状， 表面致密 ， 粗颗粒含量较多。主要化学成分见表 1 。锰渣 在温度为 1 0 5下烘干至含水率小于 1 ， 取5 k g干料粉磨放人 + 5 o o mm x 5 0 0 mm的试验小磨中粉磨， 分别粉磨至比表面积3 5 0 、 4 0 0、 4 5 0、 5 0 0 mV k g 。 表 1 主要原材料的化学成分 名称 A1 2 03 S i O2 F e 2 O3 C a O Mg O S O3 Mn O L o s s 锰 渣 l 6 4 2 2 4 0 5 1 2 3 3 7 2 6 6 5 2 0 4 8 9 4 O 7 2 1 2 锰 渣 的 X R D 分 析 锰渣 X R D( 图 1 ) 分析 曲线可以看 出， 晶相形成不 明显 ， 说 明结晶程度不高， 大部分组分是以玻璃态存在的， 少部分晶体 物质通过显现的峰值分析发现锰渣中含有矽卡岩类矿物( 主要 矿物成分有石榴子石 、 辉石、 透辉石、 绿帘石或上述共熔体等) 、 钙锰辉石、 镁蔷薇辉石3 和少量的硅酸二钙。其中， 由矽卡岩类 矿物化 学式可知 ， 此类矿物 与沸石 类矿物 成分相近 ， 推 测 ： 锰 渣中已存在的此类晶体结构结构稳定 ， 不易破坏， 但是分子结 构孔隙大且规律， 有吸水倾 向， 而且阳离子在特殊条件下易 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 被替换。 由于此类废渣中 Mn O含量比较高， 多形成含锰的硅 酸盐及铝硅酸盐的矿物( 如蔷薇辉石 Mn O S i O 、 锰质钙长石 2 Mn O A 1 O S i O 等) 4 J 在本次试验所用材料中发现其特征不 明显 ， 可能与锰渣的玻璃态程度有很大关系 ； 另外由表 l可 知锰渣中 Mg O含量较高， 冶炼锰铁需加入更多的 C a O， 炉渣 C a O S i O ： 更高更容易产生镁蔷薇辉石 6 1 。 雾 -vv 一 1 。 亩 厂 表 2 因素水平表 因素 水平A用水量B砂率C锰渣掺量D锰渣比表面积E减水剂掺量 ( k g m。 ) ( m2 k g ) 5 0 0 m2 k g ， 减水剂掺量 1 8 。 2 2 各龄期强度分析 各因素对不同龄期强度影响的分析结果见表 4和图 3 7 。 试验结果表明： ( 1 ) 锰渣掺量对混凝土抗压强度的影响最大 ， 早期强度随 掺量的增加迅速下降 ， 中期强度下降速度减慢 ， 后期在掺量为 3 0 和 4 0 时强度保持不变， 5 0 后下降明显。 这表明由于锰渣 的掺人， 混凝土早期强度略低， 但 2 8 d及以后的强度增长显著。 锰渣适宜掺量为 4 0 。 ( 2 ) 锰渣比表面积在 4 5 0 m2 k g各龄期的强度都是最高的。 这是由于锰渣须磨细才能使潜在活性发挥出来。但考虑到微集 料效应啊 ， 粉磨太细对填充水泥颗粒之间的间隙不利。因此锰渣 比表面积在 4 5 0 m 2 k g最佳。 ( 3 ) 用水量变化对锰渣混凝土的早期强度影响不大， 中后期 强度随着用水量的增加先增大后减小 ， 用水量 1 7 6 k g m 时 3 d强 A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3 C4 D1 D2 D3 D4 E1 E2 E 3 E 4 因素水平 图2 因素水平对坍落度影响情况 65 2 1 1 1 I 1 g u v 艇蜜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 4 各因素对强度 的影响 MP a 用 水量 ( k g m ) 图 3 用水量对混凝土抗压强度的影响 砂 率 图 4 砂率对混凝土抗压 强度的影响 掺 量 图 5 锰渣掺量对混凝土抗压强度的影响 比表 面积 ( m k g ) 图 6 锰渣比表面积对混凝土抗压强度 的影响 4O 3 5 30 鬈 2 5 20 l 5 l 0 1 5 l - 8 2 1 减水 剂用量 ， 图 7 减水剂掺量对混凝土抗压 强度的影响 度不是最高， 但7 、 2 8 d 强度最高。 ( 4 ) 考虑各龄期的强度， 砂率、 减水剂掺量应为3 8 、 1 8 。 从上述坍落度和各龄期抗压强度正交试验数据 ， 可以发 现性能较好、 经济效益较好的最佳组合为 A3 B 3 C 2 D 3 E 3 ， 即用 水量为 1 7 6 k g m ， 砂率 3 8 ， 锰渣掺量 4 0 ， 锰渣 比表面积 4 5 0 m2 k g ， 减水剂掺量 1 8 。 最佳配合比为水泥 1 8 8 k g m3 锰渣微 粉 1 2 6 k g mL 石子 1 2 6 8 k g m3 , 砂子为 7 7 7 k g m3 水为 1 4 1 k g m3 ， 减水剂掺量 1 8 ( 5 7 k e d m ) 。 由表 5可见， 该配合比重现性较好 ， 试验强度达到预期结 果， 用该配合比配制的混凝土坍落度均较大。采用掺人锰渣微 粉代替部分水泥， 可以配制经济合理实用的绿色混凝土。 表 5 锰渣混凝土最优 配合 比试验 3结论 ( 1 ) 采用锰渣微粉并掺加高效减水剂完全可以配制出经济 合理、 性能优良的锰渣混凝土。 66 ( 2 ) 利用锰渣微粉制备混凝土的适宜配合比为水泥 1 8 8 k g m ， 锰渣微粉 1 2 6 k g m ， 石子 1 2 6 8 k g m 。 ， 砂子为 7 7 7 k eC m ， 水为 1 4 1 k g m3减水剂 掺量为 5 7 k ed m。 。 下转第 6 9页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 优化设计 由于直线 y t = 9 0 4 9 5 0 9 8 7 8 x是 由 4个 点线 性 回归 而成 ， 原则上在实际中所有的点应该均匀分布在直线的上下( 部分点 可能会落在直线上) 。在进行优化处理时， 要求强度越大越好， 即取直线上面的点进行分析 ， 则有 y 9 0 4 9 5 0 9 8 7 8 x ( 4 ) 同理， 对直线 y 2 = O 9 7 7 6 x 一 3 1 8 6 进行优化处理时要求渗透 系数越小越好， 即取直线下面的点进行分析， 则有 y 0 9 7 7 6 x 一 3 1 8 6 ( 5 ) 引入目标函数 U = y 一 y 2 ， 当 取最大时即最优化。移项代 人等式( 2 ) 、 ( 3 ) 处理后有： 1 9 6 5 4 x + U - 9 3 6 8 1 ( 6 ) 根据文献【 5 里所提及到的方法得出当 Y ， 通过点( 4 7 6 6 5 ， 4 3 4 1 1 ) 时 U最大， 最佳骨料取代率为 4 7 6 6 5 ， 为了更直观说 明这点 ， 见图 7 。 【 u U1 图 7 骨料取代率与抗压强度、 渗透系数以及再生骨料所带来的 经济效 益三者 之间的优化关 系 很明显这是一个优化设计模型， 图中阴影部分为可行域。要 最大， 即要求y 3 = 1 9 6 5 4 x + U - 9 3 6 8 l 在 Y 轴截距最大， 当其通 过点( 4 7 6 6 5 ， 4 3 4 1 1 ) 时截距最大， 此时 最大， 为 4 3 4 3 1 。 通过分析可以看出 的取值取决于骨料所带来的经济效 益公式， 也就是说一般情况下最佳骨料取代率是不存在的， 只是 个理论上的数据。但是它为选择再生骨料提供了标准， 应该选 择其所带来的经济效益公式 y = 似+ 6接近 y = 1 9 6 5 4 x 一 5 0 2 5的 再生骨料。最后通过计算得出近似的最佳骨料取代率。 上述是将强度和耐久性对等起来计算得出的结果 ， 实际工 程中对二者的不同要求应具体问题具体分析。例如高层建筑物 的建造需要高强度的混凝土， 那么它就对强度提出了更高的要求， 上接第 6 6页 ( 3 ) 配制锰渣混凝土， 掺锰渣微粉掺合料， 充分发挥了它的 填隙作用和火山灰活性作用。锰渣可以作为混凝土掺合料大量 应用于生产 、 施 工 中， 这种可 持续 发展 的混 凝土生产 方式具有 很高的社会价值和现实意义。 参考文献 ： 1 吴中伟 绿色高性能混凝土混凝土的发展方向【 J 混凝土与水泥 制品 ， 1 9 9 8 ( 1 ) ： 3 - 6 【 2 姚武 绿色混凝土【 M 京： 化学工业出版社， 2 0 0 5 【 3 J3 周棚， ， 等无棚 材料显微舶 浙江： 浙江大学蝴 土 ， 2 0 0 0 【 4 宁坤亮 锰铁矿渣作水泥混合材技术分析 J 硅酸盐建筑制品， 1 9 9 4 因此在优化处理 时应扩大强度权重 的倍 数 ， 应为 ： 1 0 0 k 、 5 2 9 k 、 2 1 4 、 0 ( 其中k l ， 大小要根据实际工程具体要求的强度参考 数值得出， 此处不作讨论) ； 在近海工程中要求混凝土有很强的抗 渗性， 那么此时应缩小渗透系数权重的倍数， 为： 0 、 2 、 4 6 k 、 l O O k ( 其中k 1 ) ； 若对强度和渗透都有要求， 则可同时伸缩各自的权重。 此分析是针对抗压强度和渗透系数这两个方面进行的， 若 有多个因素同时作用， 该方法可以推广， 具体算法跟上述类似。 总之 ， 高性能再 生混凝 土与普通再 生混凝土相 比， 具 有更 高的强度和耐久性 ， 比普通高性能混凝土和普通再生混凝土可 以更多地利用工业废渣和废弃混凝土， 节约更多的资源与能源， 并且对环境的破坏减到最小， 其绿色度更高。高性能再生混凝 土的开发应用从根本上解决了天然骨料的日益匮乏以及大量 混凝土废弃物造成生态环境 日益恶化等问题， 保证混凝土工业 和人类社会的可持续发展。 5 结束语 ( 1 ) 高性能再生混凝土与高性能混凝土同样具有优 良的力 学性能和高的耐久性。 ( 2 ) 最佳骨料取代率只是个理论上的数据 ， 实际工程中可 参考本文所提供的技术算得近似最佳骨料取代率。 ( 3 ) 高性能再生混凝土将是普通再生混凝土发展成熟后必 然要进人的新的研究领域， 所以在不久的将来必将为人们所重 视 ， 并得到大力发展。 参考文献 ： 1 宋瑞旭， 万朝均 ， 王冲， 等 高强度再生骨料和再生高性能混凝土试 验研究阴 混凝土， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 2 9 3 1 2 刘数华， 冷发光 再生混凝土技术【 M 】 北京： 中国建材出版社 ， 2 0 0 7 3 冯乃谦， 邢锋 高性能混凝土技术【 M 】 E 京： 原子能出版社， 2 0 0 0 4 贺东青， 任志刚 高性能混凝土配合比设计方法研究综述J 】 国外建 材科技 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 4 ) ： 3 2 3 4 【 5 】 王全凤 结构优化基本方法及在高层建筑中应用 M 】 厦门： 厦门大学 出版社， 1 9 9 5 作者简介 单位地址 联 系电话 周璇( 1 9 8 5 一 ) ， 男， 硕士研究生， 结构工程方向。 福建省泉州市华侨大学土木工程学院 0 8 级研究生信箱 ( 3 6 2 0 2 1 ) 1 51 0 6 0 9 9 5 91 ( 5 ) ： 3 4 3 6 5 】5 安庆锋 水淬锰铁合金渣的活性评价及来源分析 D 桂林 ： 桂林工学 院 ， 2 0 0 8 6 刘寿昌， 古向荣 高炉锰铁炉渣的研究与实践 J J 铁合金， 1 9 9 5 ( 3 ) ： 2 2 -2 5 【 7 】 刘秉京 混凝土技术 M 】 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 4 作者简介 ： 单位地址： 联 系电话 ： 王一靓( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 硕士研究生， 主要从事工业废渣资源 合理利用及绿色混凝土掺合料相关方面的研究。 厂西桂林市桂林理工大学 6 6 8 # 信箱( 5 4 1 0 0 4 ) 1 3 7 3 7 7 3 7 6 5 6 69 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m