高炉水渣用作混凝土细骨料的可行性研究.pdf

宝 钢 技 术2010年第3期 高炉水渣用作混凝土细骨料的可行性研究 刘建生,赵玉静,谢苑华 (宝钢发展有限公司上海新型材料分公司,上海 201900) 摘要:研究了高炉水渣和天然黄砂的区别,水渣代砂配制混凝土的新拌混凝土性能,混凝 土强度及抗渗、 抗碳化和抗氯离子渗透等耐久性能。研究发现水渣符合2级配区砂,水渣具有 一定的胶凝活性,但不会对混凝土结构产生危害。随着水渣代砂率的增大,水泥砂浆干缩性减 小,混凝土坍落度逐渐降低;混凝土达到相同坍落度所需减水剂掺量逐渐增大;混凝土抗压强 度和抗折强度均缓慢增大;混凝土的抗渗性能、 抗氯离子渗透性能、 抗碳化性能均得到了改善。 关键词:水渣代砂;胶凝活性;混凝土强度;干缩;耐久性 中图分类号: X757 文献标志码:B 文章编号: 1008 - 0716(2010)03 - 0010 - 05 do i: 10. 3969 / j . issn . 1008 - 0716. 2010. 03 . 003 Fea sib ility Study on the Quen ched Granu la te Blast Furnace Slag a s Fine Aggregate of Concrete L I U J iansheng,ZHAO Yujing and XIE Yuanhua ( Shangha i NewM ater ials Branch, Baosteel Develop ing Co. , Ltd. , Shangha i201900, Ch i na) Abstract: The differences between the quenched granulate blast furnace slag and sand, and the properties, strength and durabilities of fresh concretemade of quenched granulate blast furnace slag were studied,together withits endurance performance,suchas resistance of per meability, carbonation and chloride penetration.It is found that the slag can meet the demands of the sand in Grade II area.It has some cementitious activity, but it does not destroy the structure of concrete . When more blast furnace slag is used,the concrete will have less shrinkage,smaller slump and more water2reducing agent if the same slump is needed .The comp ress and flexural strength will increase gradually and the concretes resistance of per meability, carbonization and chloride ion penetration will be i mp roved with the increase of slag that replaces sand. Key word s: slag replacing sand; cementitious activity; concrete strength; shrinkage; durability 刘建生 高级工程师53年生 6年毕业于东北工业大学 现从事冶金固体废弃物综合利用 电话 565 0 前言 随着建筑业的发展和对建筑工程质量的日益 重视,作为混凝土和砂浆基本组成材料之一的建筑 用砂的质量和数量对建筑业的影响日益明显。一 方面市场对砂的质量要求越来越高,数量越来越 大;另一方面符合质量要求的天然砂资源越来越 少,由此引发的工程问题时有发生。随着天然砂资 源的逐渐匮乏,以及国家对天然砂开采的限制,作 为混凝土配制的必备组分之一,天然砂的来源必将 受到限制,其行情也将必然看涨。在上海地区,每 年大量的市政工程建设,需要使用大量的商品混凝 土,而上海地区自身缺乏天然砂资源,因此为了上 海地区混凝土的可持续发展的需要,利用现有废弃 资源开发符合混凝土设计要求,同时能够替代现有 天然砂的新品种细骨料,市场前景将十分广阔。 宝钢现有4座高炉,每年产生高炉水渣300 万t左右,目前除了宝田公司每年生产矿粉消耗 万左右高炉水渣,其余的主要销售给水泥厂 作为水泥混合材。随着国家对建材行业的调控及 本地区矿物掺合料市场的逐渐饱和,高炉水渣在 01 19197 12 101 120t 刘建生等 高炉水渣用作混凝土细骨料的可行性研究 原有销售市场发展的空间将极为有限,开辟新的 高炉水渣应用市场势在必行。 高炉水渣与混凝土用细骨料天然砂相比,在 物理性能上有许多相似之处,若能采用高炉水渣 部分或全部替代天然砂用作混凝土细骨料,将为 高炉水渣的应用提供一条较好的途径,也将是突 破上海地区混凝土可持续发展存在的原材料瓶颈 之一。 1 原材料及试验方法 1. 1 原材料及配合比 水泥:上海宝山水泥厂生产的42 . 5普通硅酸 盐水泥。 掺合料:宝田新型建材有限公司生产的S95 矿粉,其比表面积为415 m 2 /kg;以及上海吴泾电 厂磨细 级粉煤灰,其比表面积为680 m 2 /kg。 细骨料:宝钢原状水渣,以及细度模数Mx= 2. 65的天然中砂。 粗骨料:粒径525 mm的碎石。 减水剂:花王萘系高效减水剂。 混凝土配合比:研究了水灰比强度等级为 C30时水渣代砂混凝土性能,混凝土的配合比如 表1所示。混凝土拌合物坍落度通过减水剂调整 在1416 cm范围内。 表1 混凝土配合比 Table 1Concrete p r oportion 编号 水泥/ (kgm - 3) 砂子/ ( kgm - 3 ) 水渣/ (kgm - 3) 石子/ ( kgm - 3) 水/ ( kgm - 3 ) 减水剂/ ( kgm - 3 ) 水灰比 W /C 代砂率/ % C - 13806771 1051900. 800. 50 C - 2380338. 5338. 51 1051901. 290. 550 C - 3380169. 2507. 81 1051901. 510. 575 C - 43806771 1051901. 800. 5100 1. 2 试验方法 砂浆干缩试验:按GB 7511981水泥胶砂干 缩试验方法进行。试件尺寸为30 mm30 mm 280 mm。 砂浆界面形貌观察:利用Quanta. 200FEG型 场发射环境扫描电子显微镜观察。 混凝土强度测定:按常规方法进行。抗压强 度试件尺寸为100 mm100 mm100 mm;抗折 强度试件尺寸为100 mm100 mm400 mm。 混凝土碳化试验:混凝土试件经标准养护 28 d后,利用CCB70型 混凝 土 碳 化 仪,按 GBJ 821985方法测试其不同碳化时间下的碳化 深度。 试件尺寸为100 mm100 mm400 mm。 混凝土抗水渗透性试验:按G BJ 821985方 法测试其抗渗标号DL /T 51502001 水工混凝 土试验教程 中混凝土相对抗渗性试验方法,测 量水在混凝土中的渗透高度。 混凝土抗氯离子渗透性: Cl - 渗透深度采用 色差显示法测定 1 , Cl - 扩散系数利用NEL型混 凝土渗透性电测仪。 2 试验结果与讨论 水渣与天然砂物化特性的差异 筛分析 水渣和砂子的筛分析试验结果如表所示。 由表2可见,尽管试验所用的水渣和砂子均符合 2级配区砂,但相比于砂子,水渣粗颗粒较少,细 颗粒含量明显较多;水渣的颗粒分布明显偏窄,其 颗粒尺寸主要集中在0. 3151 . 250 mm范围内, 粒径在1. 25mm以上的仅占颗粒总量的8. 96%, 而砂子则达到24 . 32%。由筛分析试验结果可以 计算出水渣的细度模数Mx=2. 42,砂子的细度模 数Mx= 2 . 65,它们均属于中砂。 表2 水渣和砂子的筛分析试验结果 Table 2Screen separation test results of slag and sand 筛孔尺 寸/mm 分计筛余/% 水渣砂子 累计筛余/% 水渣砂子 2级配区 筛余范围 5. 00004. 0604. 06100 2. 5000. 829. 390. 8213. 45250 1. 2508. 1410. 878. 9624. 325010 0. 63040. 9625. 6249. 9249. 947041 0. 31540. 6038. 8190. 5288. 759270 0. 1605. 768. 7396. 2897. 4810090 2. 1. 2 化学活性 水渣的化学成分与硅酸盐水泥熟料相近,主要 是SiO2,CaO,Al2O3,Mg O等氧化物,经水淬急冷后 的水渣玻璃体含量多,结构处于高能量状态,不稳 定。砂子的主要化学成分为SO ,矿物组成为石 英。由于水渣和砂子的化学成分和微观结构的差 11 2. 1 2. 1. 1 2 i 2 宝 钢 技 术2010年第3期 异,决定了水渣除具有一定火山灰活性外,还具有 一定的胶凝性,而砂子在常温下为惰性材料。 2. 2 干缩率 图1为水渣代砂率分别为0, 50%, 100%的 水泥砂浆干缩率随时间的变化曲线。由图1可 见,不同水渣代砂率水泥砂浆干缩性随时间的变 化趋势是一致的,随着时间的不断推移,水泥砂浆 干缩率不断增加,早期由于水泥水化程度低,自由 水多,干缩大,后期随着水泥水化不断进行,干缩 不断趋于平缓;在相同养护龄期条件下,随着水渣 代砂率的增大,水泥砂浆干缩率逐渐减小,即水渣 的掺入在一定程度上可以对水泥砂浆的干缩起到 抑制作用。分析其原因,主要是由于水渣颗粒结 构疏松,其吸水性大于砂子,相比于基准水泥胶砂 试件,相同龄期条件下其自由水含量相对减少,因 而其水泥砂浆的干缩率也相对降低。 图1 水泥砂浆干缩率随时间的变化曲线 Fig. 1Shrinkage rate of themotarwith different volume of slag rep lacing sand vs .time 2. 3 水渣代砂对新拌混凝土性能的影响 由于同水灰比条件下,混凝土坍落度随水渣 代砂率的增大而逐渐降低,因此为了保证混凝土 具有良好的工作性或相近的坍落度,必须通过增 加减水剂掺量来实现,即通过用减水剂掺量的变 化来间接反映水渣代砂对混凝土坍落度的影响。 图2显示了同水灰比条件下不同水渣代砂率混凝 土达到相同坍落度条件下所需的减水剂量。由 图3可见,相同坍落度条件下,混凝土所需减水剂 量随着水渣代砂率的提高而增大,这同样是由于 水渣表面粗糙,孔隙率较大,吸水性强,造成配制 混凝土时需水量增大。 图2 不同水渣代砂率混凝土所需减水剂掺量 Fig . 2Volume ofwater2reducing agent vs. the rate of slag rep lacing sand 2 . 4 水渣代砂对硬化混凝土物理力学性能的影响 图3是不同水渣代砂率对混凝土抗折、 抗压强 度的影响。由图可见,随着水渣代砂率的增大,其 混凝土抗压强度和抗折强度值均缓慢增大,两者变 化规律较相似;水渣代砂对混凝土折压强度比的影 响在不同养护龄期有所不同:水化早期由于水渣较 强的吸水性,降低了混凝土有效水灰比,水渣代砂 对混凝土抗压强度的提高较抗折强度更明显,因而 混凝土折压强度比随水渣代砂率的提高略有减小; 水化后期(28 d以后) ,由于水渣逐渐显现的化学 活性改善了骨料 水泥浆界面结构,水渣代砂对混 凝土抗折强度的提高较抗压强度更为明显,因而混 凝土折压强度比随水渣代砂率的提高略有增大。 图3 水渣代砂率对混凝土强度影响 Fig . 3Effectsof the rate of slag replacing sand on concrete strength 图为养护龄期基准水泥砂浆和水渣 代砂水泥砂浆界面的S M照片。由图可见,天然 砂与水泥浆体界面附近水化物较少,界面黏结性 较差,存在明显的过渡区,往往是试件的应力薄弱 21 428 d E 刘建生等 高炉水渣用作混凝土细骨料的可行性研究 区;而水渣与水泥浆体界面附近水化物明显较多, 界面过渡区域变得不明显,说明具有一定活性的 水渣颗粒参与了水泥浆体的化学反应,生成了和 水泥相似的水化产物,使界面黏结性得到明显改 善,从而提高了混凝土的强度。 图4 基准水泥砂浆和水渣代砂水泥砂浆界面SEM照片 Fig. 4Interface SEM of the standard ce mentmo rtar and the mortarwith slag rep lacing sand 2. 5 水渣代砂对混凝土耐久性的影响 2. 5. 1 抗水渗透性 由于环境中各种侵蚀性介质均要通过渗透才 能进入混凝土内部,因而混凝土的抗渗性对混凝 土的耐久性起着重要的作用,特别对水工、 港工和 海工混凝土来说,混凝土的抗渗性在很大程度上 反映出了混凝土耐久性的优劣。 按G BJ 821985混凝土抗渗性试验方法测 试了水灰比为0 . 5,水渣代砂率分别为0, 50%, 100%的混凝土抗渗标号,压力加至1. 2MPa并保 持8 h后,混凝土试件均没有出现渗水现象,说明 三种混凝土的抗渗标号均大于S12。然后按DL /T 51502001混凝土相对抗渗性试验方法,将圆台 形混凝土试件劈裂开,测量水在混凝土中的渗透 高度,得到图5所示试验结果。由图5可知,随着 水渣代砂率的提高,混凝土渗水高度逐渐降低,水 渣代砂率分别为50%和100%的混凝土渗水高度 分别仅为基准混凝土的58. 6%和23. 9%,这表明 混凝土的抗渗性得到了改善,且水渣代砂率越高, 混凝土抗渗性的改善越明显。 图5 不同水渣代砂率混凝土抗水渗透性试验结果 F5Iyf fff 相比于基准混凝土,水渣代砂混凝土的抗渗性 得以改善的原因主要是由于水渣较强的吸水性,降 低了混凝土有效水灰比,提高了混凝土密实度,同 时由于水渣逐渐显现的化学活性改善了骨料 水 泥浆界面结构,使混凝土的结构更加密实,水的渗 透通道更少,从而提高了混凝土的抗渗透性。 2. 5. 2 抗氯离子渗透性 图6描述了水灰比为0. 5,水渣代砂率分别 为0,50% , 100%的混凝土的氯离子扩散深度随 时间的变化规律;表3为NEL法测试得到的相应 混凝土的氯离子扩散系数试验结果。 图6 不同水渣代砂率混凝土氯离子 扩散深度随时间的变化 Fig . 6Changes of chloride ion diffusion dep th at different ratesof slag rep lacing sand vs .time 表3 不同水渣代砂率混凝土氯离子扩散系数 Table 3Diffusion coefficientof concrete with different ratesof slag rep lacing sand10 - 14 (m2s- 1) 编号 氯离子扩散系数 56 d90 d180 d 63 3 36565 3 31 ig .mper meabilitresults o concrete with di erent rates o slag replacing sand C - 1209. 21. 9128. 4 C - 2180. 91 7. 0118. 2 C -1. 712 . 79 . 宝 钢 技 术2010年第3期 由图6可见,随着试验龄期的延长,不同水渣 代砂率混凝土的氯离子扩散深度均逐渐增大,但 基准混凝土增大速度较快,而水渣代砂混凝土增 大速度相对较缓,表明水渣代砂后,混凝土的抗氯 离子渗透性能得到了改善, 180 d试验龄期时,水 渣代砂率分别为50%和100%的混凝土的氯离子 渗透深度分别为基准混凝土的74. 6%和61. 7%。 同样表3表明,随着养护龄期的延长,混凝 土的氯离子扩散系数逐渐减小;相同养护龄期, 随着水渣代砂率的提高,混凝土的氯离子扩散 系数逐渐减小,即水渣代砂后混凝土的抗氯离 子渗透性能得到改善,且水渣代砂率越高,改善 效果越明显。 2. 5. 3 抗碳化性能 图7为不同水渣代砂率混凝土碳化深度随时 间的变化曲线。由图中可见,一定碳化龄期,随着 水渣代砂率的提高,混凝土碳化深度逐渐降低,例 如,碳化龄期180 d,基准混凝土的碳化深度为 12 . 5 mm,而水渣代砂率分别为50%和100%的混 凝土的碳化深度分别为8. 3 mm和6 . 2 mm,分别是 基准混凝土碳化深度的66 . 7%和49. 4%,这表明 混凝土的抗碳化性能得到了改善,且水渣代砂率越 高,混凝土抗碳化性能的改善效果越明显。 图7 不同水渣代砂率混凝土抗碳化性试验结果 Fig . 7Concrete carbonization resistance resultsof concrete with different rates of slag replacing sand 2. 6 水渣碱活性检验 水渣具有一定的胶凝活性,能与水泥水化生 成的氢氧化钙反应,生成一定的水化产物。这些 水化产物会使混凝土结构更加密实,但是如果这 些水化产物的体积过大,又会使混凝土的结构产 生破坏。因此,有必要对水渣的碱活性进行检测。 试验采用砂浆的膨胀率作为碱活性评价指标,比 较了水渣与砂的碱活性,结果如图所示。图 表明不同代砂率的砂浆,其膨胀率均随蒸养龄期 的增长而增大,且随代砂率的提高膨胀率反而略 有减小。不同代砂率砂浆的膨胀率值都非常小。 按JGJ 521992中规定的对无碱骨料反应危害 的判定标准(半年膨胀率小于0. 10%或3个月的 膨胀率小于0 . 05%),均可判定其无潜在危害。 因此,可以认为水渣具有的胶凝活性不会对混凝 土结构产生破坏,不存在碱活性危害。 图8 水渣代砂水泥砂浆膨胀率随时间变化曲线 Fig . 8Expansion rate of the motar with different volume of slag rep lacing sand vs .time 3 结论 (1)水渣作为细骨料与天然砂相比,物化性 能存在一定差异:水渣符合2级配区砂,但相比于 中砂,水渣粗颗粒较少,细颗粒较多,颗粒分布偏 窄;水渣具有一定的胶凝活性,而砂子在常温下是 惰性材料,所以水渣的碱活性不会对混凝土结构 产生危害。 (2)随着水渣代砂率的增大,水泥砂浆干缩 性减小。 (3)相同水灰比条件下,随着水渣代砂率的 增大,混凝土坍落度逐渐降低,因而混凝土达到相 同坍落度所需减水剂掺量逐渐增大。 (4)不同强度等级的水渣代砂混凝土强度均 比普通混凝土有一定提高,且随着水渣代砂率的 增大,其混凝土抗压强度和抗折强度均缓慢增大。 (5)水渣代砂后,混凝土的抗渗性、 抗氯离子 渗透性能、 抗碳化性能均得到了改善,且随水渣代 砂率的提高,其改善效果明显。 参考文献 1 杨全兵,吴学礼.水泥砂浆中Cl-扩散深度的色差显示测定 法J .上海建材学院学报, 1990,3 (4) : 413 - 416. (收稿日期) 41 88 : 2009 - 04 - 10