钢渣粉硅灰混凝土的力学性能及耐久性研究.pdf

2 0 1 4 年 第 1 2期 (总 第 3 0 2 期 ) Nu mb e r 1 2 i n 2 0 1 4 ( T o t a 1 No 3 0 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材 料及辅 助物料 M AT ERI 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 4 1 2 0 2 6 钢渣粉硅灰混凝土的力学性能及耐久性研究 邓海斌 。王海龙 ，彭琪雯 。 ，孙 晓燕 ( 1 湖州市公路管理局，浙江 湖州 3 1 3 0 0 0 ； 2 浙江大学 建筑工程学院 ，浙江 杭州 3 1 0 0 5 8 3 中国美术学院 风景建筑设计研究院，浙江 杭州 3 1 0 0 1 2 ) 摘要 ： 通过试验测试分析了钢渣粉单掺以及与硅灰二元复掺混凝土在不同配合比下的和易性 、 力学性能和耐久性能 ， 并基于改 性前后混凝 土微观结构特征的测试分析揭示了钢渣粉单掺以及与硅灰二元复掺对混凝土材料的改性机理。 试验研究结果表明： 钢渣 粉取代混凝土中水泥最适宜的比例是 1 0 ， 此时混凝土的力学性能和耐久性能都得到有效的提高， 掺量 2 0 的钢渣混凝土与普通 硅酸盐混凝土各项性能相近。 钢渣粉与硅灰的二元复掺可以使混凝土的力学性能和耐久性得到显著提高。 钢渣粉在混凝土中的作 用有两个： 一是作为活性胶凝材料发生水化反应 ， 但其活性 比水泥低； 二是微集料效应 ， 分散水泥颗粒填充混凝土的孔隙 ， 提高混凝 土的密实度 。 关键词 ： 钢渣粉 ；硅灰；混凝土；性能 ；机理 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 4 ) 1 2 0 0 9 7 0 4 M e c h a n i c a l p r op e r t i e s a n d d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e m o di f i e d w i t h s t e e l s l a g a n d s i l i c a f ume DE NGHa i b i n ， WANGHa i l o n g 2 ， P E NGQi we n 3 S UNXi a o y a n ( 1 H u z h o u H i g h wa y A d m i n i s t r a t i o n ， H u z h o u 3 1 3 0 0 0 ， C h i n a ；2 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 5 8， C h i n a ； 3 T h e De s i g nI n s t i t u t e o f L a n d s c a p eandAr c h i t e c t u r e ， C h i n a Ac a d e myo f Ar t ， Hang z h o u 3 1 0 0 1 2， C h i n a ) Abs t r ac t ： Ex p e rime n t a l s tud y wa s c a r r i e d o u t t o i nv e s t i g a t e t h e ph y s i c a l a nd me c ha n i c a l p r o p e r t i e s， t h e d u r a b i l i t y， a nd t h e mi c r os t r u c t u r e s o f c o n c r e t e mi x e d wi t h d i ffe r e n t pe r c e n t a g e s of s t e e l s l a gAt t he s a me t i me， s i l i c a f ume wa s us e d t o i mp r o ve t h e p e r f o r ma nc e an d t h e mi c r o s c o p i c p r o pe i e s o f s t e e l s l a g c o nc r e t e Th e t e s t r e s ul t s i nd i c a t e t h a t t h e s t e e l s l a g C an be us e d i n c o n c r e t e a s c e me nt i ng ma t e ria l wi t h l o we r a c t i v i ty t h an t h e c e me n t S t e e l s l a g s u b s t i t u t i n g 1 0 c e me n t b y ma s s i mp r o v e s the me c h a n i c a l p r o p e rt i e s and the d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e Ev e n u p t o 2 0 ， the s t e e l s l a g c o ul d b e a d v an t a g e o u s l y b l e n d e d wi t h c e me n t wi t h o ut a d v e r s e l y a ffe c t i n g t h e p e r f o r man c e of c o n c r e t e W h e n t h e mi x t u r e u s e s e q ua l we i g h t p o rti o n o f s t e e l s l a g a nd s i l i c a fume， the s t r e n g t h an d t he d ura bi l i t y o f c o n c r e t e a r e i mp r o v e d d r a ma t i c a l l y S t e e l s ：a g po wd e r h a s t wo f a v o r a b l e e ffe c t s o n t he c o n c r e t e pe r f o rm anc e F i r s t l y， s t e e l s l a g C an a c t a s an a c t i v e c e me n t i t i o us ma t e r i a l t o i mp r o v e t h e h y d r a t i o n r e a c t i o n i n c o n c r e t e ， b u t i t s a c t i v i ty i s l o we r t h a n t h a t o f c e me n t S e c o n d ， S t e e l s l a g p o wd e r c a r l a c t a s mi c r o a g g r e g a t e， whi c h d i s pe r s e s t h e c e me n t p a r t i c l e s， fil l s t h e p o r e s ， a n d i mp r o ve s t h e c o mp a c t n e s s o fc o n c r e t e Key wor ds ；：s t e e l s l a gpo wd e r ； s i l i c a f ll l T l e； c o n c r e t e； pe r f o rm anc e； me c h a ni s m 0 引 言 据统计显示 ， 我国 2 0 0 5 年钢渣 、 铁渣产量已达 1 6 5 亿 t ， 综合 利用率却只有 5 0 _ l 1 ， 其余部分基本做堆积处理 ， 这不 仅严重 污染 了环境 ， 同时也造成资源的浪费 。 在 日本 、 美 国 等发达 国家 ， 钢渣 的利用率 总体较 高 ， 主要用途是作为道 路工程用混凝土集料 、 作 为水 泥混 合材 、 或者用于改 良土 壤性质和作冶金炉料等圆 。 相 比较而言 ， 近几十年来 钢渣 的 综合利用在我 国受到了重视 ， 在钢渣做水泥原料及混凝土 细掺合料方 面的研究和应用走在了世界前列 。 目前国内外 研究表明 ： 钢渣粉作为细掺料在混凝 土中使用无安定性 问 题 ， 与普通 昆 凝 土相 比 ， 钢渣混凝 土的抗压强 度略高或相 差不大 ， 弹性模量较高 ， 且干缩性能较低嗍 。 但是 ， 目前直接将钢渣磨细后形成 的钢渣粉作为混凝 土掺合料或替代混凝土中水泥的研究还处于起步阶段 ， 亟 待 深入开展 。 而且 ， 钢渣粉单独作为混凝土掺合料有时还 不满足工程的实 际要求 ， 需要与其他具有火 山灰活性 的掺 合 料复掺来 提升混凝 土的性能 。 因此 ， 本试验基于磨细钢 渣粉混凝土的力学性能和耐久性研究 ， 确定钢渣粉替代水 泥的最佳配合 比及含量 ， 并 利用硅灰对较佳掺量的钢渣粉 混凝土进行性 能提升 ， 最后 根据材料的细微观结构特征来 探讨钢渣粉硅灰对混凝土的改性机理 。 收稿 日期 ：2 0 1 4 _ o 6 2 7 基金 项 目 ：国家 自然 科学基 金资 助项 目( 5 1 1 7 8 4 1 7 ， 5 1 3 7 8 4 5 6) ； 浙 江省 自然科学 基金重 点资 助项 目( L Z1 3 E 0 8 0 0 0 1 ) ； 浙江省 钱江人 才计划项 目 ( 2 0 1 2 R1 0 0 2 ) ； 浙江大学海洋交叉 引导基金资助项 目 97 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 试 验 概 况 1 1 试验 原材料及 混凝土配合比 水泥采 用 P O 4 2 5级水 泥 ， 安定 性 良好 ； 砂子 采用 天 然河砂 ， 中砂 ， 颗粒级 配 良好 、 细度模数 2 7 ； 石子 采用 5 - 2 0 m m连续级配的碎石 ； 钢渣采用浙江某钢铁公 司提供 的钢渣粉 ， 其 比表面积不 小于 4 0 0 m 2 k g ， 化学组成分析见 表 1 ， 技术标准见表 2 ； 拌和水 为 自来水 。 表 1 杭钢转炉钢渣主要化学成分 Ca O MgO S i O2 A1 2 0 F e O & Fe 2 03 P 2 05 S f - Ca O 4 4 8 8 9 1 9 8 -1 0 0 6 -1 1 l 86 2 3 1 6 5 4 -1 0 表 2 钢渣粉技术指标 混凝土水灰比 0 4 3 。 混凝土设计强度等级为 C 3 5 。 钢渣 混凝土配合 比设计 时始终保 持水胶 比不变 ， 进行 四种不同 掺 和方法 ， 钢渣粉等质量取代水泥 1 0 、 2 0 、 3 0 ， 钢渣粉 与硅灰各取代水泥 5 复掺 ， 然后检测混凝土力学性能和耐 久性能 的变化。 与此 同时 ， 根据钢渣粉混凝 土的试 验结 果 确定一个较优的钢渣粉掺和量。 混凝土配合 比详见表 3 。 表 3 钢渣混凝土配合比设计 ， 。 取代水泥 混凝土材料用量 ( k g m3 ) 率 水泥 钢渣 硅灰 粉煤灰 砂石子水减水剂 0 0 5l 2 一 一 一 5 6l 1 0 42 2 20 一 S1 0 1 0 461 51 一 一 5 6 l 1 o 42 2 2 0 一 $2 0 2 0 41 0 1 0 2 一 一 5 6 1 l o 42 2 2 0 一 $ 3 0 3 0 3 5 9 1 5 3 一 一 5 61 l 0 4 2 2 20 一 $5 S F5 1 0 461 2 6 2 5 5 6】 】0 42 2 20 0 3 1 2测 试 内容 与 试验 方 法 本试验 根据 实用建筑材料试验手册 和 普通混凝 土长期性能和耐久性能试 验方法 【 o l 的基本要求 ， 每组配 合 比制作标准试件。 钢渣混凝 土试件成型后 自然养护 2 4 h 后拆模 ， 然后将试件移入温度 为 2 0、 相对湿度 为 9 5 的 标准养护室内养护 2 8 d 后进行如下的试验。 ( 1 ) 抗压强度 、 劈拉强度和弹性模量试验 根据 已有研究 ， 矿物掺合料会影响混凝土早期强度 ， 所 以本试验分别在试件达到 7 、 2 8 d 龄期时进行抗压强度 试验。 并测试 2 8 d 龄期混凝土的劈拉强度、 弹性模量。 ( 2 ) 氯离子渗透性试验 将 t b l 0 0 mm x 5 0 mm的试件打磨光滑 ， 并采用超声波 水洗仪清洗 2 rai n ， 然后对试件进行 R C M 试验 ， 最后计算 得到混凝土的非稳态氯离子迁移系数。 ( 3 ) 碳化试验 采用龄期分别 为 7 、 2 8 d的 1 5 0 m n 1 5 0 m mx 3 0 0 m m 棱柱体 昆 凝土试件 ， 利用碳化试验箱进行不同配合 比钢渣 混凝土的抗碳化试验 。 分别碳化到 7 、 2 8 d时取出试件 ， 破 型以测定混凝 土的碳化深度 。 ( 4 ) 混凝土微 观结构的测试分析 采用扫描 电镜观察界 面过 渡区水化 物形 态的变化来 揭示磨细钢渣粉混凝土 、 钢渣粉硅灰混凝 土的改性机理 。 2试验结果与讨论 2 1 钢渣粉 、 硅灰对混凝土和易性的影响 试验得到的钢渣混凝土坍落度结果如表 4 所示。 结果 9 R 显示 ， 磨细钢渣粉单掺 ( S 1 0 、 $ 2 0 和 $ 3 0 ) 混凝土 的流动 性 与基准混凝土相 比， 并无显著变化 。 这是 由于本试验所选 取的钢渣粉 的比表面积与水泥的相差较小。 而对于钢渣粉 与硅灰二元复掺的混凝土 ， 为了达到与基准混凝土相似的 坍落度 ， 需要掺入质量分数 O 3 的高效减水剂 ， 说明硅灰 的加入导致混凝土工作性能变差 。 表 4钢渣混凝土坍落度 2 2 钢渣粉 单复掺后 混凝 土的力争 生能 表 5 是钢渣粉单掺和与硅灰复掺后混凝土的抗压强 度 、 劈拉强度 、 弹性模量的测试结果 。 可以看 出， 对比 7 、 2 8 d 抗压强度 ，钢渣混凝土在 7 d的强度损失小于 2 8 d 的强度 损失 。 主要原因： 硅酸盐水泥 中 C S 和 C 2 S活性组分总量 占 5 0 以上， 而本次试验使用的钢渣中 c ， s含量超过 2 0 ， 但 是 C S的含量很少 ， C S 反应快强度高 ， 而 C S反应 相对较 慢 ， c ： s 一般在混凝 土的后期提供强度贡献 。 对于 2 8 d抗压 强度及劈拉强度 ， 1 0 钢渣粉取代率 的混凝 土高于基 准混 凝土 ， 而 2 0 和 3 0 钢渣粉取代率的混凝 土相 比于基准混 凝土略有降低 ， 但降低程度很小 ， 满足工程结构混凝 土的 使用要求 。 主要原 因是 ： 钢渣颗粒少量掺入混凝 土有 利于 熟料水化产物与钢渣粉微界面的黏结 ， 而掺量加大会导致 未水化钢渣颗粒增多 ， 颗粒填充在水泥浆基体里面增大了 空隙率 ， 强度则会下 降。 从结果可 以看出 ， $ 2 0和 $ 3 0混凝 土 的 2 8 d抗 压强度 和劈 拉强 度均 已达到基 准 混凝土 的 9 0 以上 ， 说明适量掺入磨 细钢渣粉替代水泥是可行的 ， 掺 量为 3 0 以下的钢渣混凝土可 以满足强度的要求 。 表 5 钢渣混凝土力学性能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钙 晶体贯 穿 于较为 致密 的 c s H凝 胶 当 中 ， 不 同的是 ， 图 l ( b ) 中钙矾石晶体有所减少， 而增多了网状 、 絮状的水 化产物 。 同时还观察到 图 1 ( b ) 中有未水化 的钢 渣颗粒存 在 。 这虽然会导致混凝土 内部缺 陷的增加 ， 但 当钢 渣颗粒 很少且粒径q d , m i， 其微集料效应又会起到填充缝隙的作 用 。 相 比于 图 l ( a ) 、 ( b ) ， 钢渣粉一 硅灰复掺 的图 1 ( C ) 中明 显可 以看出界面处更加致密 ， 其 中大量短柱状 的 C S H凝 胶集 聚在一起 ， 界面的空 隙结构 明显更少 ， 界面过 渡区明 显被加强。 通过对混凝土最薄弱环节 ( 即骨 料砂浆 交界面 ) 的观 察 ， 充分显示 了掺加 矿物掺合料改性 的混凝土力学性能与 耐久性能变化 的原因。 即矿物掺合料通过水化反应及微集 料效应会提高混凝土内部 ， 尤其是薄弱 的骨料砂浆交界面 的密实度 。 同时也看到二元复掺混凝 土 中， 钢渣粉与硅灰 的协 同促进作用 。 4结 论 ( 1 ) 与普通 混凝土相 比较 ， 磨细钢渣微粉 以 1 0 3 0 的用量 比例取代水泥制备 的混凝土的流动性并未发生显 著的变化。 ( 2 ) 钢渣粉在混凝土 中的作用有两个 ： 一是作为活性 胶凝材料发生水化反应 ， 但其活性 比水泥低 ； 二是微集料效 应 ， 分散水泥颗粒填充混凝土的孔隙， 提高混凝土的密实度 。 ( 3 ) 钢渣粉与硅灰的二元复掺可 以显著提高混凝 土的 力学性能和耐久性。 ( 4 ) 钢渣粉 以 1 0 左右 的比例取代水泥 ， 可制备力学 及耐久I 生 能均得到显著提高的混凝土。 掺量 2 0 的钢渣粉 混凝土与普通硅酸盐混凝土各项性能相近。 如果在实际工 程 中采用 2 0 钢渣粉取代水泥是可行 的。 上接第 9 6页 生在不掺加橡胶集料 的角度范围。 橡胶集料的加入不仅降 低 了水泥基材料的弹性模量 ， 还增加 了试件截面断裂时 的 耗能能力 ， 使得试件截面的抗开裂性能得以提高 。 参考文献 ： 【 1 】Z HEN G L， HUO X S ， YU AN Y S t r e n g t h， mo d u l u s o f e l a s t i c i t y ， a n d b r i t t l e n e s s i n d e x o f C RC J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s i n C i v i l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， 2 0 ( 1 1 ) ： 6 9 2 6 9 9 【 2 】GA N J I AN E， KHOR AMI M， MAGHS O UDI A AS c r a p t y r e - r u b b e r r e p l a c e m e n t f o r a g g r e g a t e a n d fi l l e r i n c o n c r e t e J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 5 ) ： 1 8 2 8 - 1 8 3 6 3 】朱涵 ， 刘春生， 张永明橡胶集料掺量对混凝土压弯性能的影响们 天津大学学报， 2 0 0 7 ， 4 0 ( 7 ) ： 7 6 1 7 6 5 【 4 1 YAN G L H， Z HU H， L I C F S t r e n gth s a n d fl e x u r a l s t r a i n o f C RC s p e c i me n s a t l o w t e mp e r a t u r e J C o n s t ruc t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 1 ， 2 5 ( 2 ) ： 9 0 6 9 1 0 5 C AR L S ON R W， RE A DI NG T J Mo d e l s t u d y o f s h r i n k a g e c r a c k i n g i n c o n c r e t e b u i l d i n g w a l l s J A C I S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 1 9 8 8， 8 5 ( 4 )： 3 95 - 40 3 】 00 参考文献 ： 【 1 朱桂林 ， 孙树杉 国内外钢铁渣利用及应注意的问题 J 】 _ 中国水 泥 ， 2 0 0 5 ( 1 0 ) ： 2 0 2 1 2 】石青 美国钢铁渣工业的发展概况一 钢铁渣综合利用考察报告【 J 1 硅酸盐建筑制品， 1 9 8 0 ( 4 ) ： 3 1 3 5 3 】AL NE GHE I MI S H A I ， AL S UG AI R F H， AL Z AI D R Z U t i l i z a t i o n o f l o c a l s t e e l m a k i n g s l a g i n c o n c r e t e J J K i n g S a u d U n i v E n g S c i ， 1 9 9 7 ， 9 ( 1 ) ： 3 9 5 5 I 4 】Z I A R I H， K H A B I F I MM P r e v e n t i v e m a i n t e n a n c e o f fl e x i b l e p a v e me n t a n d me c h a n i c al p r o p e r t i e s o f s t e e l s l a g a s p h alt J J o u r n a l o f E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e ri n g a n d L a n d s c a p e M ana g e m e n t ， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 1 8 8 -1 9 2 【 5 P AP A YI AN NI I ， AN AS T A S I OU E C o s t e f f e c t i v e mi x t u r e for c o n - c r e t e p a v e me n t s Ai r f i e l d a nd Hi g h wa y P a v e me n t s ， 2 0 06： 1 00 8 1 01 7 6 J6 仲晓林 ， 宫武伦 ， 梁富智磨细钢渣作泵送混凝土掺合料的,lN g 和应用f J 1 工业建筑 ， 1 9 9 3 ( 7 ) ： 4 4 4 5 7 】吕林女 ， 何永佳 ， 丁庆军 用磨细钢渣矿粉配制 C 6 0高性能混凝 土的研究 J 混凝土， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 5 1 5 3 f 8 j8 孙家瑛 磨细钢渣对混凝土力学性能及安定性影响研究【 J J 粉煤 灰， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 7 - 9 【 9 王忠德， 张彩霞， 等 实用建筑材料试验手册( 第二版) 【 M】 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 1 0 G B 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 s 1 2 0 1 0 作者简介 联系地址 ： 联系电话 邓海斌( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 高级工程师 ， 主要从事绿色混凝 土材料和混凝土桥梁的管养工作。 浙江省杭州市西湖区浙江大学紫金港校区安中大楼 A 6 1 3 ( 3 1 0 0 5 8 ) 1 3 9 571 3 6 6 40 【 6 】WI EG RI NK K， MA RI KU NT E S S h r i n k a g e c r a c k i n g o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e J AC I Ma t e r i a l s J o u r n al， 1 9 9 6， 9 3 ( 5 ) ： 4 1 0 4 1 5 7 】MC DON AL D D B， K RAU S S P D， RO GA L L A E AE a r l y - Ag e T r a n s v e r s e D e c k C r a c k i n g J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n al， 1 9 9 5 ， 1 7 ( 5 ) ： 4 9 5 1 【 8 1 A AS HT OS t a n d a r d p r a c t i c e for e s t i ma t i n g t h e c r a c k i n g t e n d e n c y o f c o n c r e t e S 2 0 0 0： 3 4 9 9 【 9 】亢景付， 任海波， 张平祖 橡胶混凝土的抗裂性能和弯曲变形性 能I J 1 复合材料学报 ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 6 ) ： 1 5 8 1 6 2 I 1 o 亢景付 ， 张平祖 废旧轮胎橡胶集 料对水泥浆和砂浆抗裂性能 的影l i J 天津大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 9 ) ： 1 0 2 6 1 0 3 0 1 I R E D A T A H A M M， E I D I E B A S M e c h a n i c al， f r a c t u r e ， a n d m i c r o s t r u c t u r a l i n v e s t i g a t i o n s o f r u b b e r c o n c r e t e J J o u r n a l o f Ma t e ri a l s i n C i v i l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 8 ， 2 0 ( 1 0 ) ： 6 4 0 6 4 9 作 者简 介 ： 联系地址 联系电话 郝迎军 ( 1 9 7 4 一 ) ， 男 ， 高级工程师 ， 主要从事土木 工程 材料试验检测研究。 北京市 朝阳区红 松园北里 2 号 中国铁建十六局集 团有限公司( i o o o i s ) 1 3 91 06 2 33 1 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m