全矿渣混凝土的研究及应用.pdf

全国中文核心期刊 斩 建巍 柑 全矿渣混凝土的研究及应用 刘洪滨 ， 何晓慧 ， 周云麟 2 ( 1 辽宁科技大学 资源与土木工程学院， 辽宁 鞍 山 1 1 4 0 5 1 ； 2 鞍钢集 团公司 ， 辽宁 鞍 山1 1 4 0 4 4 ) 圃 摘要： 应用矿渣作粗、 细骨料制备全矿渣混凝土， 通过试验分析， 阐述了用高炉重矿渣制备混凝土粗、 细集料的工艺、 性能、 特 点 以及全矿渣混凝土 的应用范围。与普通砂石混凝土相比， 全矿渣混凝土平均强度 约提高 5 、 自重减轻 1 2 0 1 3 0 ， 通过技术 、 经济 分析， 混凝 土可降低成本 2 1元 m ， 左右 。 关键词： 重矿渣； 全矿渣混凝土； 结构稳定性； 耐久性 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 0 ) 1 2 0 0 1 2 0 3 Al l s l a g c o n c r e t e r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n LI U Ho n g bi n ， HE Xi a o hu i ， ZHOU Yu n l i n ( 1 S c h o o l o f Re s o u r c e s a n d Ci v i l En g i ne e r i n g ， Un i v e r s it y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Li a o n i n g ， An s h a n 1 1 4 0 5 1， L i a o n i n g ， C h i n a 2 An s h a n I r o n & S t e e l Gr o u p Co ， An s h a n 1 1 4 0 2 1 ， L i a o n i n g， Ch i n a ) 1 矿渣 1 1 矿渣的化学成分与体积稳定性 矿渣用作混凝土骨料的首要条件是要有良 好的体积稳定 性【1 ， 而矿渣中影响体积稳定性的主要因素为： ( 1 ) 硅酸盐矿物分解。 碱性矿渣含有较多的C ： S ， C 2 s 在加 热或冷却过程中往往伴有晶型转化，特别是当矿渣冷却至 5 2 5 时， JB C 2 s 要转化为y C 2 s ， 密度由3 2 8 g c m 变为2 9 7 g c m ， 体积约增大 1 0 ， 而晶型转化的内应力会导致矿渣部 分粉化。 但是重矿渣的硅酸盐矿物分解在矿渣冷却后几天、 甚 至几小时就基本结束，因此长期堆存的陈渣一般不会发生这 种分解。 ( 2 ) 石灰分解和铁锰分解。 重矿渣中的游离氧化钙遇水生 成消石灰， 体积增大 1 2 倍， 另外重矿渣中的F e S 和M n S和 水作用生成F e ( 0 H ) 和M n ( O H ) ， 体积相应增大2 4 ， 这些 体积增大所至的内应力会引起矿渣渣体的碎裂和酥解。 鞍山 钢铁公司的副产品高炉重矿渣有不同的颜色，其化 学成分见表 1 。 根据表 1 碱性高炉矿渣的化学成分，查C a 0 一 A 1 0 一 S i O 系统相图可知， 其矿物组成主要是由C 2 S 、 C S ( 假硅灰石) 、 收稿 日期： 2 0 1 0 0 7 1 8 作者简介： 刘洪滨 ， 女， 1 9 6 6年生， 辽宁鞍山人 ， 副教授。地 址： 鞍 山市 高新区千山中路 1 8 5号， 电话： 0 4 1 2 - 5 9 2 9 6 1 6 。 1 2 新型建筑材料 2 0 1 0 1 2 C S ( 硅钙石) 和C 2 A S ( 铝方柱石) 等组成。 矿渣的颜色随F e 2 0 含量的增加而加深， 其中白色矿渣的活性最高、 含硫量最低。 表 1 高炉重矿 渣的化学成分 颜色S i O F e 2 0 ，A l 20 C a O Mg O S 烧失量 碱性率 活性率 由表 1 可知， 重矿渣的含硫量均小于 1 ， 所以铁锰分解 对体积稳定性的影响较小。 我们对鞍钢重矿渣进行 l 0 余次压 蒸处理和2 5 次冻融循环试验， 其质量损失仅为1 o 4 一 1 4 4 ， 均小于3 ， 因此用作混凝土骨料时具有良 好的结构稳定性。 1 2 矿渣的物理指标 矿渣的物理指标以及矿渣块或矿渣砂的颗粒级配分别见 表 2 、 表 3 和表 4 。 表 2 矿渣的物理指标 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘洪滨， 等： 全矿渣混凝土的研 究及应用 表 3 矿渣砂的颗粒 级配 筛孔孔径 mm 9 5 分计筛余 2 0 累计筛余 2 0 表 4 矿渣块的颗粒级配 筛f L, L 径 mm 5 3 0 3 7 5 3 1 5 2 6 5 1 9 0 1 6 0 9 5 4 7 5 2 3 6 分计筛余 3 2 1 1 7 1 0 5 1 1 8 1 8 9 1 5 2 1 8 6 8 0 1 7 累计筛余 3 , 2 1 4 9 2 5 4 3 7 2 5 6 1 7 1 3 8 9 8 9 7 8 9 9 1 由表2 、 表3 和表4 可见， 重矿渣除吸水率稍大和矿渣砂 粒径偏粗外， 其它指标均能满足混凝土集料的使用要求 。但 生产中， 矿渣砂系矿渣块生产的副产品， 其粒径大于 4 7 5 m m 的含量偏大， 故作抹灰砂浆用时应过4 7 5 m m的筛。 若专门生 产矿渣砂， 其累计筛余应满足大于4 7 5 m m的颗粒含量在0 1 0 、 大于1 1 8 m m的颗粒含量在 2 0 一 5 5 、 大于O 3 m m的 颗粒含量在7 0 9 5 的级配曲线。 2 全矿渣混凝土的性能特点 2 1 原 料 与工艺要 点 水泥为P S 3 2 5级矿渣硅酸盐水泥、 P 0 4 2 5 级硅酸盐 水泥； 粗、 细骨料为矿渣块、 矿渣砂； 本地产木钙减水剂； 尾矿 粉( 0 1 5 ra m ) 。 矿渣砂和矿渣块的吸水率比普通砂石大，且矿渣砂又多 为贝壳形， 表面粗糙， 拌制混凝土时内摩阻较大， 因此， 欲达到 相同的混凝土流动性， 其水灰比要增大7 1 0 ， 需掺入尾矿 粉和木钙减水剂。在配制混凝土时， 矿渣砂不宜多用， 以C 2 0 混凝土为例， 其最佳砂率应在3 6 3 8 l引 。 2 2 性 能特 点 2 2 1 抗压强度 全矿渣混凝土和普通砂石混凝土在常温下养护与蒸汽养 护抗压强度的对比试验结果表明，在配合比基本相同的情况 下，掺用尾矿粉或木钙以及同时掺用木钙和尾矿粉的全矿渣 混凝士的抗压强度与普通混凝土的抗压强度大致相同或有所 增长( 最高增大2 1 9 ) ， 但个别组有所下降( 最多下降8 3 5 ) 。 通过对3 0 组试块的抗压强度对比试验表明， 全矿渣混凝土的 抗压强度在掺加木钙或尾矿粉以及同时掺用木钙和尾矿粉 时， 其综合平均强度要比普通砂石的混凝土高5 左右 。 尾矿粉和木钙减水剂掺量对全矿渣混凝土 2 8 d 抗压强 度的影响分别见图1 、 图2 。 由图 1 可见，全矿渣混凝土中尾矿粉掺量为 1 3 0 k g m 时， 全矿渣混凝土2 8 d 抗压强度为2 2 1 M P a 。 工程实践表明， 尾矿粉掺量大于1 3 0 k g m 时，全矿渣混凝土2 8 d 抗压强度 将下降。由图2 可知， 木钙减水剂最佳掺量为0 3 0 4 。 图 l 尾矿粉掺 量对全矿 渣混凝土2 8 d抗压强度的影响 图 2 木钙掺量对全矿渣混凝土2 8 d抗压 强度 的影响 2 2 2 静力弹性模量 全矿渣混凝土与同等级普通砂石混凝土的弹性模量对 比试验结果见表 5 。 表 5 全矿 渣混凝 土和普通砂石混凝土的弹性模量 注 ： 普通混凝 土配合比为 2 ( 水泥 ) ：m( 砂) ： I T, ( 碎石) ：m( 水) = 3 1 0 ： 6 3 4 ： 1 1 7 6 ： 1 9 7 ， 全矿 渣混凝土配合 比为 m( 水泥) ：m( 矿渣砂) ：m( 矿渣 块) ： m( 水) = 3 1 0 ： 7 2 0 ： 1 1 7 0 ： 2 0 0 ， 矿渣混凝 t配合 比为 Z ( 水泥) ： m( 砂) ： m( 矿渣块) ； T t ( 水) = 3 1 0 ：7 2 0 ： 1 1 7 0 ： 1 9 5 ； 水泥 为 P S 3 2 5级矿渣硅酸盐 水泥。 由表5 可见，全矿渣混凝土或矿渣混凝土的弹性模量均 比普通混凝土的低， 最低降低 1 4 左右， 因此如何提高矿渣 或全矿渣混凝土的弹性模量是今后有待进一步研究的课题。 2 2 - 3 疲劳性能 按表5中的配合比， 参照冶建总院的试验方法， 疲劳应力 比值为0 1 5 ， 经2 0 0 万次重复加荷后， 普通混凝土和全矿渣混 凝土试件均未破坏，其中普通混凝土重复加荷后的变形为 0 3 2 4 x 1 0 。 ， 而全矿渣混凝土的变形为( 0 2 5 5 0 0 3 3 2 5 ) x l 0 ， 可见全矿渣混凝土抗疲劳性能良 好。 2 2 - 4 抗冻性能 普通砂石混凝土和全矿渣混凝土( 掺木钙或不掺木钙) 经 2 5 次冻融循环后的抗冻性见表 6 。 N E W BUI L DI NG M AT E RI AL 5 l 3 5一 O m 3 2 m 6 一 2 n 80 6 6 O 6 3一 22 5 5 6 6 4 2 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘洪滨， 等： 全矿渣混凝 土的研究及应用 表 6 普通与全矿渣混凝土冻融前后质量与强度 变化 萼谳堋 (榍k gm (kg m 3) ) 水 妣 觚 M P溅 a蒸 号 ) 变 化 变 化 ， 注 ： 1 、 6 s 试 样 为 普 通 砂 石 混 凝 土 ， 配 合 比为 m( 水 泥 ) i n( 砂 ) ： m( 碎石) ； 其余试样为全矿渣混凝土 ， 配合 比为 m( 水泥) ：m( 矿渣砂) ： m( 矿渣块) ： m( 尾矿粉) ； 水泥为 P S 3 2 5级矿渣硅酸盐水泥 。 由 表6 可见，不掺木钙的全矿渣混凝土的抗冻性能比普 通砂石混凝土差， 其中冻融2 5次后抗压强度的损失尤甚。这 是因为矿渣块和矿渣砂多孔， 吸水率高， 要达到相同流动性的 混凝土， 其水灰比要比普通砂石混凝土大0 0 8 1 。而混凝土冻 融后的强度损失值与水灰比成线性关系， 水灰比越大， 强度损 失越大。 但若掺用木钙减水剂后， 全矿渣混凝土抗冻性能可与 普通砂石混凝土相近或相差不多。 由此可见，全矿渣混凝土掺用木钙减水剂是改善混凝土 和易性和抗冻性能的有效措施。 减水剂的掺用， 可使混凝土水 灰比降低、 结构均匀， 从而提高了抗冻性能。 第七届国际水泥化学会议上， S n a g a t a k i M t a r a d a( 日) 在 “ 冶金渣和水泥浆的界面反应对混凝土物理性能的影响” 一文 中指出： “ 冶金渣同水泥浆之间存在界面反应， 当干燥时， 在该 表面会显现裂缝。 些裂缝无疑会影响混凝土抗冻性， 因此全 矿渣混凝土不宜在冻融交替和长期处于干燥的环境中使用。 2 2 5 收缩值 普通砂浆和矿渣砂浆收缩值的对比试验结果见表7 。 表 7 普通砂浆和矿渣砂浆的收缩值 注 ： 普通砂浆配合 比为 m( 水泥) ：m( 砂) ： m( 水) = 3 5 0 ： 1 4 9 8 ： 3 1 1 ， 矿 渣 砂浆配合 比为 m( 水泥) ：m( 矿渣砂) ：m( 尾矿 粉) ： m( 水) = 3 5 0 ： 1 3 5 1 ： 1 5 0 ： 3 3 2 。试验条件： 湿度 5 0 7 0 ， 温度 1 9 2 6。 由表7 可见，早期的矿渣砂浆收缩值与普通砂浆相差较 多， 随着龄期的增加， 其收缩值的差值逐渐减少。 2 2 6 钢筋粘结力 1 4 新型建筑材料 2 0 1 0 1 2 普通混凝土与全矿渣混凝土对钢筋粘结力的对比试验结 果见表 8 。 表 8 钢筋粘结 力对 比试验 注 ： 晋通 混凝 土配合 比为 m( 水泥 ) ： m( 砂) ： m( 碎石 ) = 3 2 0 ： 7 2 0 ： 1 1 6 0 ， 全矿渣混凝土配合 比为 m( 水 泥) ：T n ( 矿渣砂) ： m( 矿渣块) ：m( 尾 矿粉) = 3 2 0 ： 7 2 0 ： 1 0 5 0 ： 1 O 0 ， 水泥为 P 0 4 2 5级水泥。 由 表 8 可知， 全矿渣混凝土的钢筋粘结力为3 9 3 M P a ， 比 普通混凝土提高2 2 0 4 ， 粘结系数提高0 0 1 7 ， 这可能是由于 矿渣混凝土收缩值较小， 从而有利于钢筋粘结力的提高。 3 全矿渣混凝土的工程应用及技术经济 效果评述 2 0 世纪6 0 年代鞍钢即已开始用矿渣骨料配制7 0 0以 下的耐热混凝土。 但由于碱性重矿渣中含有q S ， 当混凝土加 热后冷却至5 2 5 6 7 3 o C 时，由于卢 一 C 2 S 、 y C 2 s 晶型转化伴生 体积膨胀( 称硅酸盐分解) ， 加之矿渣中含有一定数量玻璃体， 致使混凝土产生崩裂。为此， 用于耐热混凝土的矿渣骨料， 最 好选用酸性骨料， 且最大粒径不宜超过2 0 m m 。 其次， 矿渣骨料的混凝土还大量用于预制构件的制作， 占 预制构件总量的7 0 ， 降低成本3 9 4 。 使用范围包括工业建 筑方面的预应力屋架、 吊车梁、 大型屋面板、 空心楼板等； 民用 建筑方面的平板、 空心楼板、 过梁； 铁道方面的轨枕、 平交道板 以及其它方面的电杆、 路标盘等。 混凝土最高标号为C 4 0 。 尽 管有的构件在特殊部位使用，条件极其严酷，要经受反复冻 融、 碳化、 温差应力、 风荷载作用和地下工业污水的腐蚀。 但使 用几十年后， 于近年大修时， 取样分析证明矿渣混凝土具有优 良的耐久性。虽然整个断面都已 碳化，但其抗压强度依然很 高， 构件的安全性和抗裂性均达到或超过国家规范要求。 目 前， 矿渣混凝土已应用于C 5 0 以下预应力钢筋混凝土轨 枕、 吊车梁和屋架， 以 及抗渗防水混凝土和耐热混凝土工程中。 仅从混凝土用骨料方面考虑，全矿渣混凝土与普通混凝 土的成本分析见表9 。 表 9 全矿渣混凝土与普通混凝土用骨料经济指标对 比 混凝土用骨料成本， ( 元 m 混凝土用骨料 混 凝 土 种 类 嚣 碎 石 砂 矿 渣 砂 矿 渣 块 思 肌 儿 ( 下转第2 1页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王霞， 等： 饰 面砂浆性 能影响因素的实验研究 后，以丙烯酸酯共聚物为基础的具有防水性能的可再分散乳 胶粉交联成膜阻断水源， 具有抑制泛碱的作用。 图 2 添加 3 0 7 0 4 2 W 饰面砂浆无泛碱 的实验结果 图 3添 加 2 0 7 0 4 2 W 饰 面砂 浆有 明显 泛 碱 的 实 验结 果 3 结论 ( 1 ) 采用正交试验分析法简单方便地了解各因素对饰面 砂浆性能的影响，实验得出最优配合比为可再分散乳胶粉 7 0 4 2 W掺量3 0 、 偏高岭土掺量2 5 、 重钙掺量 5 0 、 膨胀 剂掺量 1 5 ， 此时饰面砂浆2 8 d拉伸粘结强度、 抗压强度分 别为1 2 9 M P a 、 1 4 4 2 M P a ，分别高于标准值 1 5 8 、 2 2 0 ， 且 各项性能均有改善。 ( 2 ) 以丙烯酸酯共聚物为基础的可再分散乳胶粉7 0 4 2 W 可以显著改善饰面砂浆施工性， 成型的砂浆块颜色较鲜艳。 ( 3 ) 以丙烯酸酯共聚物为基础的可再分散乳胶粉7 0 4 2 W 具有优异的防水性能， 有抑制泛碱作用， 非常适合在饰面砂浆 中使用。 ( 4 ) 偏高岭土、 重钙、 膨胀剂的加入提高了砂浆结构致密 性， 有效地抑制了干粉砂浆表面泛碱的程度， 砂浆的力学性能 同时也有所提高。 参考文献 ： 1 B y u n g Hw a n O h C u mu l a t i v e d a m a g e t h e o r y o f c o n c r e t e u n d e r v a ri a b l e- a mp l i t u d e f a t i g u e l o a d i n g s J J _ A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 1 9 91 ( 1 2 )： 41 4 7 2 J i n y o n g P e n g a ， F u q i u Do n g a ， Q i w e i X u a ， e t Or t h o g o n a l t e s t d e s i g n f o r o p t i mi z a t i o n o f s u p e r c r i t i c a l flu i d e x t r a c t i o n o f d a p h n o r e t i n 【 J 】 J o u r n a l o f C h r o ma t o g r a p h y A， 2 0 0 6 ， l 1 3 5 ( 2 ) ： 1 5 1 1 5 6 【 3 李英丁， 李江伟， 张铬 ， 等 聚合物 改性的彩色饰面砂浆 J 】 墙材革 新与建筑节能， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 5 6 5 8 【 4 朱立德 ， 孙东娟， 陈 晶 纯丙烯酸乳 胶粉在 自流平砂浆 中的性 能 实验研究I J J 新型建筑材料， 2 0 1 0 ( 5 ) ： 1 2 1 5 【 5 】 张杰 可 再分散胶粉改性 的憎水性装饰砂 浆 J 涂 料工业 ， 2 0 0 3 ， 3 3( 4 ) ： 5 3 5 5 6 】 张星 干混砂浆泛碱抑制研究【 D 北京： 北京工业大学 ， 2 0 0 8 A ( 上接第 1 4页) 由表9 可见， 仅从混凝土用骨料方面考虑， 全矿渣混凝土 的成本较普通砂石混凝土可降低2 1 元 m ， 。 4 结论 ( 1 ) 经冻融试验和压蒸处理合格以及结构稳定性 良 好的 高炉重矿渣，可按规定级配曲线要求作为配制普通混凝土和 预应力混凝土用的骨料，一般可在C 3 0以下的混凝土中使 用。但全矿渣混凝土不宜在冻融交替和干燥环境中使用。 ( 2 ) 为改善全矿渣混凝土的和易性， 必须掺入适量的木钙 减水剂和尾矿细粉、 粉煤灰之类的掺和细粉。 这样的全矿渣混 凝土与普通混凝土相比，除静力弹性模量稍低和抗冻性稍差 外， 其它如抗压强度、 砂浆收缩值等项指标均较相近。其中蒸 养的全矿渣混凝土和砂浆的抗压强度比普通混凝土和砂浆稍 高， 其自重比普通混凝土轻 1 2 0 1 3 0 ， 全矿渣混凝土的成本 可比 普通混凝土降低2 1 元 m ， 左右。因此，对于降低工程造 价、 开辟石材资源、 发展新型建筑材料、 降低能源消耗和保护 环境等方面， 均十分有利， 应当积极推广应用。 参考文献 ： 1 】 王 异 混 凝土 手册第三 分册 【 M】 长春 ： 吉林 科学 技术 出版 社 ， 1 9 8 5： 2 8 6 2 9 6 2 】 王昌义 ， 陈迅捷 磨细矿渣 高性能混凝土研 究I J 1 水运 工程 ， 2 0 0 0 ( 8 ) ： 1 21 8 3 徐家宝 建筑材料学 M 广州： 华南理工大学出版社 ， 1 9 9 5 ： 7 6 9 2 【 4 】 谭维祖 大掺量粉煤灰混凝土与高性能混凝土 J 混凝土与水泥 制品， 1 9 9 5( 2 ) ： 2 2 2 6 A N E W BUl L Dl NG MAT E RI AL S 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m