钢渣砂—水镁石纤维对混凝土性能的影响.pdf

作者简介朱万勇()男工程师主要研究方向:公路工程施工研究钢渣砂水镁石纤维对混凝土性能的影响朱万勇(青海省果洛公路工程建设有限公司 西宁)摘 要:为探究钢渣与水镁石纤维对混凝土性能的影响使用钢渣砂替代普通砂掺入水镁石纤维作为增强体制备混凝土而后测试了混凝土的工作性、抗压强度与抗弯拉强度 结果表明:钢渣砂与水镁石纤维均会使混凝土坍落度降低钢渣砂会降低混凝土的抗压强度与抗弯拉强度水镁石纤维对混凝土有增韧作用可弥补钢渣砂对混凝土强度的负面影响关键词:复合材料混凝土钢渣砂水镁石纤维 (.):.:引言目前水泥混凝土在全球有着非常大的需求量这就意味着每年都要消耗大量的混凝土原材料尤其是砂石骨料 然而因砂石资源乱采、乱挖造成的环境污染日益严重天然骨料的开采受到了一定限制 为了满足生产和施工的需要寻找天然砂石骨料的替代物便成了当下迫在眉睫的任务钢渣是炼钢厂排放的一种固体废弃物主要化学成分包括:、和 等 钢渣的主要矿物成分为:硅酸三钙()、硅酸二钙、铁酸二钙、钙镁橄榄石和钙镁蔷薇辉石等 我国的钢渣年排放量已超过 亿吨但钢渣的利用率却仅有.这导致了钢渣的大量堆放不仅会占用大量的土地资源还会对周围的生态环境造成一定程度的污染 因此提高钢渣的利用率使其变废为宝便成为了当下的研究热点钢渣中的硅酸二钙和硅酸三钙等物相成分与硅酸盐水泥熟料的成分相似掺入掺合料和石膏后可生产出钢渣水泥 钢渣具有强度高、比重大以及耐磨性好等优点稳定后的钢渣可以用于道路基层和功能层的施工 若将钢渣用作混凝土的骨料不仅可以缓解钢渣大量堆积的问题还可以节约天然砂石骨料混凝土是一种典型的脆性材料开裂或者断裂青海交通科技 第 期一直是混凝土最主要的破坏形式 因此如何抑制混凝土中裂缝的产生与发展逐渐成为热点 目前主要通过基体增韧与纤维增强两种方式来抑制混凝土的开裂其中纤维增韧的应用最为成熟 通过向混凝土中加入钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维和、碳纤维等可抑制混凝土中裂缝的产生与发展同时还可提高混凝土的各项力学性能水镁石纤维是一种天然矿物纤维主要成分为()具有储量大、价格低、出绒率高等特点 等将水镁石纤维加入混凝土发现可显著提高混凝土的抗弯拉强度 温久然等将水镁石纤维用在低标号的农村公路中发现在混凝土掺入水镁石纤维后降低水泥用量后仍可以保证混凝土性能满足农村公路的要求同时降低了材料成本为拓宽钢渣应用范围保证混凝土基本性能利用钢渣砂替代普通砂掺入水镁石纤维作为增强体设计了 组混凝土 探究了钢渣和水镁石纤维的单掺和复掺对混凝土工作性、抗压强度与抗弯拉强度的影响 以期为钢渣与水镁石纤维在混凝土材料中的应用提供有益参考 材料与试验方法.材料所用水泥为尧柏牌.普通硅酸盐水泥其技术指标如表 所示碎石选用.连续级配的石灰岩碎石其表观密度为./、针片状含量为.碎石级配为:占、占、占 河砂选用细度模数为.、表观密度为./的中砂钢渣砂选用细度模数为.、表观密度为./的钢渣砂水镁石纤维产自陕西黑木林密度约为./抗拉强度为 其宏观微观形貌如图 所示表 水泥指标检测结果项目细度/凝结时间/抗压强度/抗折强度/初凝时间终凝时间安定性实测值.合格技术要求.合格图 水镁石纤维形貌.试验方法使用 钢 渣 砂 取 代 砂(取 代 率 为、和)并掺入一定量的水镁石纤维(按体积比掺量为、.和.)分别设计了 组掺量如表 所示 首先对不同钢渣砂取代率和不同水镁石纤维掺量的混凝土与砂浆进行了配合比设计再按设计 第 期青海交通科技配合比拌和混凝土测试其坍落度并成型抗压与抗弯拉试件最后对水泥混凝土试件的抗压、抗弯拉强度进行了测试分析表 钢渣砂与水镁石纤维掺配设计编号钢渣砂取代率/水镁石纤维掺量/.试验结果.配合比设计素混凝土的设计强度等级为 设计坍落度为 首先根据设计目标与普通混凝土配合比设计规程()的规定确定了 的设计配合比其次在不改变 的单位用水量、水灰比、单位水泥用量及砂率的基础上使用钢渣砂取代部分普通砂计算得到 与 的设计配合比最后在、与 配合比的基础上外掺水镁石纤维得到了、与 的配合比结果见表 表 混凝土设计配合比编号单位体积混凝土各材料用量/()水泥砂钢渣砂碎石水水镁石纤维.混凝土工作性依照 组混凝土的配合比进行拌和试验按照公路工程水泥及水泥混凝土试验规程()规定的方法对混凝土工作性进行了测试混凝土坍落度试验结果见图 在测量坍落度时也评价了混凝土拌合物的保水性和黏聚性在提起坍落度筒后 都没有发生泌水现象使用捣棒轻轻敲打拌合物侧面发现拌合物均是缓缓下沉这说明 组混凝土的保水性、黏聚性均良好 如图 所示不同钢渣砂取代率的混凝土随钢渣砂的取代率增大混凝土坍落度显著降低 在未图 钢渣砂取代率与水镁石纤维掺量对混凝土坍落度的影响青海交通科技 第 期掺加水镁石纤维的混凝土中钢渣砂取代率由 升高至 时坍落度降低了.钢渣砂取代率由 升高至 时坍落度降低了.这说明随水镁石纤维掺量的增大混凝土坍落度的降低速率逐渐增大 这是因为钢渣砂的结构疏松多孔其吸水率远大于普通河砂在拌和过程中更多的水被钢渣所吸收导致混凝土流动度变差在钢渣砂取代率为 的混凝土中水镁石纤维掺量由 升高至.时坍落度降低了.水镁石纤维掺量由.升高至.时坍落度降低了 这说明随水镁石纤维掺量的增大对混凝土坍落度不利影响愈发显著 出现这种现象的主要原因是水镁石纤维具有较好的亲水性在混凝土拌和过程中不仅会吸收大量自由水使得水泥浆体减少而且纤维的加筋作用阻碍了拌合物的下沉综合作用致使混凝土的流动性变差.混凝土抗压强度按照规范要求分别制作了混凝土抗压试件试件尺寸为 在标准养护室温度 、相对湿度 以上的条件下分别养护、与 并进行抗压强度测试其测试结果见图 与图 图 混凝土抗压强度与钢渣砂取代率关系图如图 所示随钢渣砂取代率的增大各龄期下混凝土的强度均有所下降 当钢渣砂取代率由 升高至 时混凝土的、与 抗压强度分别降低了.、.、.当钢渣砂取代率由 升高至 时混凝土的、与 抗压强度分别降低了.、.、.钢渣砂对混凝土强度的影响仍存在争议一些学者认为使用钢渣取代骨料可提高混凝土抗压强度这是因为钢渣不仅抗压强度大于普通骨料而且还含有活性矿物质可与水泥发生水化反应增强混凝土强度 但使用钢渣代替混凝土中的细集料对混凝土强度的影响比较复杂王辉等研究发现使用 的钢渣为主代替普通砂可提升 混凝土的抗压强度但对 混凝土强度有负面影响 朱训国等研究也发现使用钢渣砂代替普通砂时钢渣砂可提高低等级混凝土的抗压强度对高强度混凝土的抗压强度有负面作用由图 可知在未掺加水镁石纤维时钢渣砂取代率对混凝土早期强度的影响更加显著 这是因为钢渣中的磷会降低水泥早期水化速率且钢渣中的活性物质硅酸二钙与硅酸三钙未参与水化反应仅起到填充作用 在水化反应后期钢渣中的活性硅酸二钙与硅酸三钙逐渐被释放加快了混凝土强度的形成图 混凝土抗压强度与水镁石纤维掺量关系图从图 可以看出随水镁石纤维掺量的增大各龄期下混凝土的强度均呈现先上升后下降的趋势当水镁石纤维掺量由 升高至.时混凝土的 第 期青海交通科技、与 抗压强度分别上升了.、.、.当水镁石取代率由.升高至.时混凝土的、与 抗压强度分别降低了.、.、.在混凝土中掺加适量的水镁石纤维可增强混凝土抗压强度其增强作用主要有三方面:水镁石纤维在混凝土中起到加筋作用能够抑制混凝土裂缝的产生与拓展水镁石纤维与水泥的水化产物相结合形成了较为稳定的网络结构水镁石纤维加速了混凝土的水化进程促进了水化产物的生成 在水镁石纤维掺量较小时纤维对混凝土的增强作用更加明显 但水镁石纤维掺入量过大会引起纤维团聚使得混凝土内部缺陷增多整体性遭到破坏其界面效应影响大于纤维对混凝土的增 强 作 用 从 而 导 致 混 凝 土 的 抗 压 强 度 下降 由图 可知水镁石纤维的加入并未影响混凝土早期强度随钢渣砂掺量增大而降低的趋势但观察图 可以发现钢渣砂的加入改变了混凝土 抗压强度的变化趋势 因此钢渣砂取代率对混凝土强度的负面影响显著强于水镁石纤维掺量这种影响主要体现在混凝土强度发展的后期.混凝土抗弯拉强度钢渣砂取代率与水镁石掺量对混凝土抗弯拉强度的影响如图、图 所示图 混凝土抗弯拉强度与水镁石纤维掺量关系图由图 可知随水镁石纤维掺量增加混凝土抗弯拉强度持续提高 在钢渣砂取代率为时未掺入水镁石纤维的混凝土抗弯拉强度仅为.掺入.的水镁石纤维使得混凝土抗弯拉强度达到了.掺入.的水镁石纤维混凝土抗弯拉强度持续提高至.由此可见水镁石纤维掺量较少时对混凝土抗弯拉强度的增强作用更加显著 持续增加水镁石纤维用量其对混凝土的抗弯拉强度增强效果减弱 这是因为纤维在混凝土中起到了增韧的作用使得混凝土结构失效过程由单纯的脆性破坏转变为塑性破坏 如图 所示在混凝土破坏初期混凝土内部脆弱的界面过渡区被破坏出现了大量微裂纹此时水镁石纤维能够抑制微裂纹的扩展减缓微裂纹拓展、连接与发展为宏观裂纹 当混凝土出现宏观裂纹后处于裂缝顶端的纤维继续抑制裂纹的扩展但仍有大量纤维连接裂缝两端这些纤维的断裂与拔出的过程会消耗能量也可以起到抑制裂纹扩展的效果 但当水镁石纤维掺量较大时团聚的水镁石纤维在混凝土内部形成薄弱点对混凝土抗弯拉强度的增长产生了负面影响图 混凝土抗弯拉强度与钢渣砂取代率关系图图 混凝土内部裂纹扩展由图 可知钢渣砂的掺入使得混凝土的抗弯青海交通科技 第 期拉强度下降这可能由钢渣砂体积稳定性不良所造成的 观察图 与图 可以发现当钢渣砂取代率为 时混凝土抗弯拉强度降低.当水镁石纤维掺量为.时 混凝土抗弯拉强度提高.当钢渣砂取代率为 同时掺入.的水镁石纤维时混凝土的抗弯拉强度依然可以提高 因此水镁石纤维可以弥补钢渣砂造成混凝土抗弯拉强度的损失 结论本文探究了不同钢渣砂取代率和水镁石纤维掺量下混凝土的工作性、抗压强度与抗弯拉强度并分析了钢渣砂与水镁石纤维对混凝土性能的影响得出以下结论:()当钢渣砂的取代率在 以内时随着钢渣砂取代率增大水泥混凝土的坍落度、抗压强度和抗弯拉强度均会降低()当水镁石纤维掺量在.以内时随着水镁石纤维掺量的增大水泥混凝土的坍落度逐渐降低抗弯拉强度逐渐增大水镁石纤维掺量过大会降低混凝土抗压强度()水镁石纤维在混凝土中起到增韧的作用可降低钢渣砂对混凝土强度的负面影响()进行钢渣砂 水镁石纤维混凝土配合比设计时钢渣砂取代率不宜超过 且对坍落度要求较高的工程不宜选用钢渣砂 水镁石纤维混凝土参 考 文 献 王方刚 陆加越 赵少鹏 等.特细砂改性机制砂制备 混凝土试验研究.新型建筑材料 ():.李恩硕 胡晨光 苏航 等.钢渣中非稳定性物质微观结构和性能的研究现状与展望.金属矿山 ():.李鹏鹏 任强强 吕清刚 等.面向双碳的低碳水泥原料/燃料替代技术综述.洁净煤技术 ():.刘加平 汤金辉 韩方玉.现代混凝土增韧防裂原理及应用.土木工程学报():.():.何文昌 孔祥清 高化东等.高掺量聚丙烯纤维再生混凝土力学性能及微观结构研究.混凝土():.:.张顶.水镁石纤维沥青胶浆性能研究.青海交通科技 ():.熊锐 刘子铭 杨晓凯等.煤矸石粉/水镁石纤维改性沥青混合料路用性能.筑路机械与施工机械化 ():.:.温久然 刘开平 赵卫东 等.水镁石纤维混凝土在农村公路工程中的应用研究.公路 ():.丁庆军 包嘉诚 金宏程 等.利用钢渣砂制备 高流态钢管混凝土.武汉理工大学学报 ():.薛刚 孙立所 赵玉杰 等.基于宏 细观尺度的钢渣混凝土力学性能研究.工业建筑 ():.王辉 张伟 张玉柱 等.钢渣微珠替代细骨料对不同等级混凝土力学性能的影响.混凝土():.朱训国 王兆毅 何传琪 等.低强度钢渣混凝土抗压及抗渗性能试验研究.西安理工大学学报 ():.第 期青海交通科技 何良玉 谯理格 赵日煦 等.钢渣作胶凝材料和细集料制备高性能砂浆的研究.矿产综合利用 ():.丁庆军 孙孝平 施建军 等.大掺量固废胶凝材料制备 高耐磨路面混凝土.混凝土 ():.张恩 路国运 杨会伟 等.聚丙烯纤维增强橡胶混凝土工作性能及力学性能试验研究.混凝土 ():.马恺泽 刘亮 刘超 等.高强混合钢纤维混凝土的力学性能.建筑材料学报():.:.:.(上接第 页)陈树礼刘永前.洪水冲刷对重载铁路桥梁动力性能影响及加固技术.振动与冲击():.钱嘉伟.流固耦合作用下山岭隧道稳定性及加固研究.北京:北京交通大学.王毅文海苏慧敏.秦巴山区桥梁设计洪水流量计算方法的研究.公路交通科技(应用技术版)():.谢建明.考虑流速空间相关性的简支梁桥洪水作用可靠度分析.重庆:重庆大学.陈士勇陈海山.桥梁建筑与洪水的相互影响.农业科技与装备():.龙后程.基于流量影响线法的湖南省中小流域桥梁设计洪水研究.长沙:中南大学.张泽鑫郁志宏张文杰等.基于 的冲量传感器流固耦合模态分析.农机化研究():.刘基海易阅城谢科等.单向及双向流固耦合方法在无人机翼的应用分析.应用科技():.王成位顾文娟刘美红等.基于有限元法车辆油箱防浪板性能分析与优化.农业装备与车辆工程():.青海交通科技 第 期