低水泥高掺量钢渣碱激发混凝土的试验研究.pdf

第3 8 卷第1 期 2 0 1 5 年 1 月 非金 属矿 Non M et a l l i c M i nes V01 38 NO 1 J a nua r y，201 5 低水泥高掺量钢渣碱激发混凝土的试验研究 尚建丽郭涛 ( 西安建筑科技大学 材料与矿资学院 ，陕西 西安7 1 0 0 5 5 ) 摘要通过改变钢渣粉、 矿渣粉等矿物掺合料的比例， 研究碱激发大掺量钢渣混凝土的力学性能， 并采用x射线衍射和扫描电镜等测试手 段对英微结构进行分析。结果表明， 激发剂与减水剂、 胶凝体系 粗细骨料之间在合理加料、 搅拌顺序下， 和易性满足要求同时可以制备出钢渣掺量 这 6 0 、 矿渣掺量为 1 5 、 硅灰掺量为 5 、 水泥掺量仅为 2 O 、 强度等级可达 C 3 0的混凝土； 微观分析表明， 优化后的混凝土胶凝体系 2 8 d水化产 物结构致 密， 且孔隙较 少， 后期强度发展较好。 关键词低水泥； 大掺量钢渣； 碱激发； 混凝土； 强度 中图分类号： T U 5 2 8 1 9 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 - 8 0 9 8 ( 2 0 1 5 ) 0 1 - 0 0 3 8 - 0 4 Ex p e r i me n t a l Re s e a r c h o n Al k a l i - a c t i v a t e d Co n c r e t e wi t h Lo w Ce me n t a n d La r g e Do s a g e o f S t e e l S l a g S h a n g J i a nl i Gu o Ta o ( S c h o o l o f Ma t e ri a l s a n d Mi n e r a l Re s o u r c e s ， Xi a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c tu r e a n d T e c h n o l o g y , Xi a n ， S h a a n x i 7 1 0 0 5 5 1 Ab s t r a c t S md y o n p r e pa r a t i o n a l k a l i a c t i v a t e d l a 唱e d os a g e o f s t e e l s l a g c o n c r e t e S me c h a n i c a l p r o pe r t y b y c h ang i n g s t e e l s l a g p o wd e r a n d s l a g p o wd e r p r o p o r t i o n o f mi n e r a l a d mi x t ur e s ， a n d a n a l y z e i t s m i c r o s t r u c t ur e u s e XRD a n d S EM a n d o the r me a n s o f t e s t i n g T he e x p e rim e n t a l r e s u l t s ha v e s h o wn t h a t a c t i v a t o r a n d wa t e r r e d u c i n g a g e n t ，c e me n t i t i o u s s y s t e m， fi ne a g g r e g a t e and c o a r s e a g g r e g a t e a t a r e a s o n a bl e f e e d i n g ， s t i r rin g s e q u e nc e ， t h e wo r k a b i l i ty me e t t h e r e q u i r e me n t s an d p r e p a r a t i o n o f c o n c r e t e b y 6 0 s t e e l s l a g ， 1 5 s l a g c o n t e n t ， s i l i c a f u me a mo u n t o f 5 ， o n l y 2 0 o f c e me n t c o n t e n t ， a n d c o n c r e t eS s t r e n g t h g r a de c a n u p t o C3 0 Mi c r o s c o pi c a n a l y s i s s h o we d t h a t the 2 8 d h y d r a t i o n p r o d uc t s o f o p t i mi z e d c o n c r e t e c e me n t i t i o us s y s t e m h a s c o mp a c t s t r u c t u r e a n d l e s s p o r o s i t y , a n d b e t t e r s t r e n g t h d e v e l o p m e n t i n l a t e r Ke y wo r d s l o w c e m e n t ； l a r g e d o s a g e o f s t e e l s l a g ； a l ka l i - a c t i v a t e d ； c o n c r e t e ； s t r e n g t h 钢渣是冶炼钢铁时排出的废渣 ， 研究表明 u J ， 其 组分中含有c s 、 c s 等与水泥类似的矿物组成， 是一 种潜在的矿物掺合料 。但是 由于矿物的结晶致密、 晶 粒较大， 使得胶凝活性矿物水化速度较缓慢 ， 进而降 低了早期强度 。选择合适的激发剂对钢渣进行活 性激发， 是提高钢渣中矿物活性的重要途径 。关 于钢渣作为混凝土的掺合料且用于激发剂激发活性 的报道虽很多 卜 “ ， 但 是采用少水泥、 大掺量钢渣配 制混凝土的研究报道较少。本试验以钢渣掺量 4 0 0 0 为基础 ， 并复掺矿渣、 硅灰等矿物掺合料， 用 自行复配 的碱性激发剂激发掺合料的胶凝活性， 以此研究碱钢 渣混凝土的力学性能 ， 实现大掺量钢渣在混凝土中的 应用。 1 实验部分 1 1 原料及试剂基准水泥： 为了反映水泥熟料的 作用， 避免水泥中已有掺合料的影响， 本实验选择基 准水泥作为研究基础， 采 用曲阜 中联水泥有 限公司 P I 型 4 2 5 硅酸盐基准水泥。其主要物理性质见表 1 。 收 稿 日期 ：2 0 1 4 1 2 1 3 基金项 目： 国家 “ 十二五”科技 支撑计 划项 目( 2 0 1 I B AB 0 3 B 0 5 1 ) 。 3 8 表 1 基准水泥的物理性质 工业废渣 ： 钢渣颗粒和矿渣粉均 由陕西龙门钢 铁有限责任公司生产， 硅灰由甘肃三远微硅粉有限公 司生产； 钢渣粉由钢渣颗粒经球磨机磨细而成， 粉磨 至比表面积为 4 7 0 m2 k g ； 钢渣粉及矿渣粉 的化学组 成见表 2 ； 硅灰 s i O ： 含量为 9 0 。基准水泥、 钢渣粉 和矿渣粉胶砂强度及活性指数见表 3 。 表 2 工业废渣掺合料的化学组成 ( w ) 表 3 工业废渣掺合料的活性指数 胶 砂 种类 基准水钢渣粉 矿渣粉 抗压强度 V l a 活性指数 Wo 泥 7d 2 8d 7d 2 8d 基准水泥 钢渣粉 矿渣粉 啪 罟 8 9 9 铝 甜 3 7 3 如 一 如 如 尚建丽，郭涛 低水泥高掺 量钢渣碱激发混凝土的试验研 究 骨料： 粗、 细骨料均来 自西安灞河。粗骨料采用 连续级配的碎石， 粒径 5 - 2 5 I n t i1 ， 含泥量小于 1 0 ； 细骨料采用中砂， 细度模数2 7 8 ， 级配区， 表观密度 2 6 6 g c m3 含泥量 2 2 。经比较含泥量、 颗粒级配均 符合标准要求。 减水剂i 采用陕西隆生混凝土外加剂厂生产的萘 系高效减水剂 ， 减水率为 2 0 1 ， 外观呈棕色粉末状。 试剂 ： Na 2 S i O 3 、 c a ( o H)2 、 Na 2 S O 4 ， 均为分析纯， 其 中N a S i O 的模数为 1 2 。 1 -2 激 发 剂的制备 本试验 采 用的激发 剂 由 Na 2 S i O 3 、 C a ( O H ) ： 、 Na 2 S O 按 1： 2： 2 质量 比复合配 制而成， 掺入量占总胶凝材料的5 。由于 N a z S iO 在常温下较难溶解， 故采用5 0左右温水对激发剂 进行溶解 ， 溶解用水计入总用水量。 1 3 混凝土试样制备以 普通混凝土配合比设计规 程 ( J G J 5 5 - 2 0 1 1 ) 为依据， 设计 C 3 0强度等级、 坍落度 5 0 - 0 0 n a l l l 的碱钢渣混凝土。试验水胶比 0 4 2 ， 砂率 3 7 ， 萘系高效减水剂掺量 1 。混凝土配合比见表 4 。 表 4 碱钢渣混凝土配合比 试件 胶凝材料 ( k g m3 ) 编号 基 准水泥 钢渣粉 矿渣粉 硅灰 粗骨料 细骨料 水 减水 ( k g ms ) ( k g m ) ( k g ms )剂 S l l 4 7 2 1 4 7 2 5 5 2 l 84 l l 5 U 0 6 2 0 0 l 5 6 0 1 0 S 一 2 l l 0 4 l 8 4 5 5 2 1 8 4 l 1 5 0 0 6 2 0 O 1 5 6 0 1 0 S 3 7 3 6 2 2 0 8 5 5_2 l 8 4 l 1 5 0 0 6 2 0 0 1 5 6 0 1 0 S 4 7 3 6 1 8 4 9 2 0 1 8 4 l 1 5 0 0 6 2 0 0 1 5 6 O 1 O S 一 5 7 3 6 1 4 7 - 2 1 2 8 8 1 8 4 1 1 5 0 0 6 2 0 0 1 5 6 0 1 O 考虑到碱J 陛激发剂、 萘系高效减水剂与矿物掺合 料及基准水泥的适应性问题， 经试验验证， 混凝土中 各原料的最佳掺入方式为 ： 首先将粗骨料、 细骨料及 除基准水泥外的胶凝材料加入搅拌机 内干拌 3 O s ， 之 后将液态激发剂及6 6 6 7 水加入搅拌， 待搅拌充分 后， 加入基准水泥、 减水剂及剩余的水。 1 4 和易性及力学性能试验各组混凝土和易性经 测试， 坍落度均满足设计要求， 且粘聚性、 保水性良好。 将硬化混凝土试块在标准养护室内养护至不同 龄期 ， 采用无锡建筑材料仪器机械厂生产的NY L 3 0 型压力试验机进行其抗压、 劈裂抗拉强度测试。 1 5 微观结构与形貌分析取水化龄期 3 d 和 2 8 d 混 凝土中胶凝体系， 研磨成粉末， 用x射线衍射仪分析 晶型结构。 采用 日本理学D ma x 2 0 0 0 型x射线衍射仪， 辐射源为 C u K a ， 2 0 为 5 。 7 O 。 ， 波长 O 1 5 0 4 n 1 ， 温度 2 3 ， 电压 4 0 k V， 电流 1 0 0 m A， 扫描速率 4 ( 。 ) m i n 。 取水化龄期 3 d 和2 8 d 混凝土中的胶凝体系， 制 成约 1 c m3 的试样 ， 用扫描电子显微镜分析表面形貌 。 3 9 采用美国菲达康公司生产的Q u a n ta 2 0 0 型扫描电镜， 电压 2 0 k V， 真空度 l 0 P a ， 分辨率 1 n l n 。 2 结果与讨论 2 1 力学性能分析 2 1 1 不 同掺量钢渣粉对 强度的影 响： 表 4中 S - 1 、 S -2 、 s 一 3 为矿渣、 硅灰掺量不变， 钢渣掺量由4 0 增至 6 0 0， 水泥用量由4 0 0 0 降至2 0 0， 其不同龄期抗压强 度和劈裂抗拉强度见图 1 。由图 1 可看 出， 混凝土各 龄期的劈裂抗拉强度发展规律与抗压强度类似， 随着 钢渣粉取代量的增加， 同龄期强度逐渐降低。但是值 得指出的是， 钢渣粉掺量达 6 0 ， 基准水泥用量为 2 0 时对应 的混凝土 ( S - 3 ) ， 其 7 d和 2 8 d抗压强度分别 为 2 5 6 MP a 和 3 6 7 l P a ， 已达到设计强度等级 C 3 0 要 求。分析可知， 这是因为水化初期在自 行配制的钠钙 硫复合激发剂的激发作用下， 首先N a 2 S iO 溶解后N a + 会快速与溶液中的O F F结合为强碱 N a O H , 从而提高 水化环境的碱度， 该碱度环境可以破坏矿物中的不规 则连锁结构， 在碱性环境条件下能快速释放出活性的 S iO 2 和 A 1 2 0 3 并与C a ( O H ) 化合， 生成水化硅酸钙和 水化铝酸钙等水化产物， 水化铝酸钙在 S O 4 2一 存在的 条件下会进一步反应生成钙矾石， 从而可以在基准水 泥减少的情况下， 其他矿物活性材料辅助促进作用得 以补充， 使得钢渣粉掺量增大时， 相对强度变化较小。 5 5 5 O 4 5 4 0 乏 3 5 3 0 骥 2 5 幽 2 0 螺 1 5 1 0 0 图1 不同掺量钢渣粉混凝土的不同龄期强度值 a 抗压强度 ；b 一 劈 裂抗拉 强度 2 1 2 不 同掺量矿渣粉对强度 的影响： 为 了最大化 利用矿物掺合料且实现碱激发剂的有效激发和增强 混凝土的力学性能， 在 s 一 3 的基础上进行设计优化方 案： 控制基准水泥的掺量为 2 0 ， 钢渣粉由6 0 降至 4 0 ， 矿渣粉由 1 5 增至 3 5 。不 同龄期抗压强度、 尚建丽，郭涛 低水泥高掺量钢渣碱激发混凝土的试验研究 凝体系 s 。 5 较 s 3 在3 d 水化产物中出现较多絮凝状 的C S H凝胶， 还有少量针棒状的钙矾石和层板状 C a ( O H ) 覆盖在未水化的颗粒表面， 形成的结构疏松， 孔隙较多， 且有少许裂缝。2 8 d 水化产物中， s - 5 形成 了较致密的凝胶体系， 且 C - S - H凝胶与钙矾石相互交 错搭建成网络结构填充在孔隙中， 网络结构中夹杂着 C a ( O H ) ， 原来未水化的颗粒表面被此网络体系所取 代。而 s 3 水化产物可以看到有未水化的颗粒及一 些小孔存在 ， 体系较疏松。 3 结论 1 利用碱激发低水泥用量仅为 2 0 、 高钢渣掺量 6 0 的胶凝体系， 可以制备出强度等级为 C 3 0的碱钢 渣混凝土； 2 采用碱激发钢渣胶凝体系制备混凝土， 必须确 定合理的加料和搅拌顺序， 这是保证其和易性良 好的 前提 ； 3 工程中可根据钢渣和矿渣间不同比例的协调 作用， 制备满足高掺量钢渣 C 3 5 、 C 4 0 不同强度等级 要求的混凝土； 4 从碱激发胶凝体系的组成和形貌分析中可发 现 ， 其水化产物与一般掺合料发生二次反应过程有所 不 同。 参考文献 ： 1 】 欧阳东， 谢宇平， 何俊元 转炉钢渣 的组成、 矿物形貌及胶凝特性 【 J 】 硅酸盐学报 ， 1 9 9 1 ， 1 9 ( 6 ) ： 4 8 8 _ 4 9 4 2 】张玉柱， 雷云波， 李俊 国， 等 钢渣矿相组成及其显微形貌分析 冶金 分析 ， 2 0 1 1 ， 3 l ( 9 ) ： l l 一 1 7 【 3 】 S h i ca ij u n C h a r a c t e ri s ti c s a n dc e me n fi ti o u s p r o p e r t i e s o f l a d l e s fi n e s f r o m s t e e l p r o d u c ti o n J C e mt C0 l l c I tc Re s e a r c h , 2 0 0 2 3 2 ： 4 5 9 - 4 6 2 4 】 张 同生， 刘福田 ， 王建伟 ， 等 钢渣安 定性与活性激发的研 究进展 叨 硅酸盐通报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 5 ) ： 9 8 0 - 9 8 4 【 5 】5李叉凯， 刘福田， 周宗辉， 等 复合激发卉 4 活化钢渣常 】 备复合肢凝材 料研究 J 】 武汉理工大学学 报 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 4 ) ： 1 1 - 1 3 6 王建国， 董涛， 王晴 碱性激发剂对钢渣早期激发作用的研究 固 废利用 ， 2 0 1 2 ， 3 l ( 6 ) ： 2 1 2 3 【 7 】尚建丽 ， 张凯峰 大掺量工业废渣激发 制备钢渣复合胶凝材料 的实 验研究 化工新型材料 ， 2 0 1 3 ， 4 1 ( 4 ) ： 1 5 1 1 5 3 【 8 】 陈苗苗， 冯春花， 李东旭 钢渣作为混凝土掺合料的可行性研究 川 硅 酸盐通报 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 4 ) ： 7 5 1 - 7 5 4 9 薛富民， 胡玉芬， 徐清忠， 等 钢渣 矿渣复合掺粉做混凝土掺合料 的实验 【 J 】 新材料与应用， 2 0 1 l ( 1 0 ) ： 8 4 - 8 6 【 1 0 】 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 1 l 】 黎栽波 ， 赵旭光 ， 赵三银 ， 等 复合激发剂在矿渣 钢渣 粉煤灰三 掺混凝土中的应用研究 叨 混凝土， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 8 1 8 3 ( 上接第 3 7页) 加细小， 形成较致密结构， 使试样的 强度大幅度提高。 图5 S H8 ( a ) 和S Q 8 ( b ) 试样水化7 d S E M图 3 结论 1 C S DG中 的 C a S O 3 0 5 H2 O在 空 气 中 3 5 9 失 去结 晶水 生成 C a S O 3 ， C a S O 3 在 4 8 8被氧 化为 C a S O 4 ， C a ( 0 H) 2 在 7 0 7强烈分解 ； 2 S Q工艺带 备的石膏基胶凝材料各龄期的抗压 强度都比S H工艺高， 其中2 8 d 抗压强度最大可提高 3 倍， 粉煤灰掺入量是影响强度的最关键因素， 自然养 护制度对强度的发展更为有利； 3 利用S Q工艺制备石膏基胶凝材料， 高温煅烧 时C a ( O H ) 和硫酸盐侵蚀、 激发粉煤灰， 使粉煤灰水 硬活性提高， 明显增大了石膏基胶凝材料强度。 41 参考文献： 1 1杜建敏 干法半干法烟气脱硫技术综述 【 J 】 工业安全与环保， 2 0 0 2 ( 6 ) ： 1 3 1 5 2 】 Z h o u Y u e g u i ， P e n g J u n ， Z h u Xi a n ， e t a 1 Hy d r o d y n a mi c s o f Ga s - s o l i d Fl o w i n t h e Cir c u l a t i n g Fl u i d i z e d Be d Re a c t o r f o r Dr y Fl u e Ga s De s u l f u r iz a t i o n J P o wd e r T e c h n o l o g y , 2 0 1 0 ， 2 0 5 ( 1 ) ： 2 0 8 - 2 1 6 3 郭斌 ， 卞京凤 ， 任 爱玲 ， 等 烧结烟气半干法脱硫灰理化特性 中 南大学学报 ：自然科 学版 ， 2 O L O , 4 l ( 1 ) ： 3 8 3 9 2 4 王听， 颜碧兰， 刘晨， 等 亚硫酸钙对水泥性能影响及其优化方法研 究 叨 硅酸盐通报 ， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 6 ) ： 1 4 2 1 1 4 2 8 5 】 梁宝瑞， 宋存义， 汪莉， 等 利用烧结脱硫灰 一 高炉矿渣 水泥熟料 制备胶凝材料 四 北京科技大学学报， 2 0 1 3 ， 3 5 ( 5 ) ： 5 5 9 6 6 6 6 冯启彪 亚硫 酸钙型脱硫 石膏生产 高强环保 型粉刷石膏的研究 唧 混凝土与水泥制品 ， 2 0 1 3 ( 2 ) ： 5 7 5 9 【 7 郭斌， 高竞轩， 任爱玲， 等 利用烧结脱硫灰制备胶凝材料的研究 环境工程学报， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 1 1 1 3 1 1 1 7 8 】 张建新 天然硬石膏水化硬化及活陛激发研究【 D 重庆： 重庆大学， 2 0 0 9 9 】邓鹏， 王培铭 天然硬石 膏的活性激发及 改性 们 新型建筑材料 ， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 6 2 - 6 5 1 o 彭家惠， 张桂红， 白冷， 等 硫酸盐激发与矿渣改性硬石膏胶结材 【 J 】 硅酸盐通报， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 4 ) ： 8 3 7 - 8 4 2 风